两级臭氧曝气生物滤池的深度处理研究

　　第五章 两级臭氧曝气生物滤池的深度处理研究
　　
　　曝气生物滤池是 20 世纪 80 年代末发展起来的新型生物处理技术，其结合了生物接触氧化与给水滤池的特点，同时兼具曝气、过滤、截留、降解等作用于一体，其工艺原理主要是在池体内部填充大量粒径小、比表面积大的亲水性填料，填料表面附着有丰富的微生物，生物种群丰富，在空间上形成了生物，池体内部充分曝气，当废水流经填料表面时，填料表面的微生物能够有效的对废水中的污染物质进行生物氧化降解，同时，当废水流经填料时，由于填料粒径较小且生物膜的凝聚作用，能有效吸附、截留废水中的污染物质，从而实现废水的深度净化。曝气生物滤池除了出水水质高以外，还具有占地面积小、基建费用低、氧传输能力强、抗冲击负荷能力强特点，目前曝气生物滤池已在生活污水、给水等处理领域中备受关注。

　　曝气生物滤池对进水水质要求较高，对于可生化性较好的废水处理效果较优，但对于含有难降解有机污染物或经二级处理后可生化性差的废水难以进一步处理。为提高废水的可生化性，对废水中的难降解有机污染物进一步处理，基于此，国内外亦有采用臭氧预氧化与曝气生物滤池组合工艺对印染废水等难降解有机废水进行深度处理。汪晓军等将臭氧氧化与曝气生物滤池集合于一体，已对高浓度日用化工废水、印染废水、港口洗舱废水等废水进行深度处理，均取得良好的处理效果，经臭氧曝气生物滤池处理后的废水能满足于中水回用的要求[91].

　　本试验废水经过常规处理系统“兼氧接触-混凝沉淀-接触好氧”组合工艺处理后，出水 COD 低于 200mg/L,色度为 150~250 倍，SS 为 10~32mg/L,满足深度处理进水水质要求，本试验采用两级臭氧曝气生物滤池组合工艺进行试验废水的深度处理，以 COD为处理指标，考察水力停留时间、臭氧投加量、臭氧投加配比对处理效果的影响，并对本中试进行经济成本分析。

　　5.1 曝气生物滤池的挂膜与启动
　　
　　5.1.1 曝气生物滤池的挂膜与启动方法
　　
　　5.1.1.1 污泥接种以本现有污水处理厂二级沉淀池中的好氧生化污泥为接种污泥，按1%的池体容积加入到BAF中，每天加入面粉等营养物，前三天需进行闷曝，以恢复接种污泥的活性与增加污泥浓度。待接种污泥恢复活性后，逐渐加入试验废水，维持曝气量维持BAF内溶解氧在1~2mg/L.

　　5.1.1.2 启动方法BAF 是一种新型的生物膜法处理技术，与接触好氧相比，其培养与驯化周期较短，一般 8~10d 可投入运行，BAF 在投入运行前，需进行先对池体内的填料进行挂膜，滤料挂膜是指将具有代谢活性的微生物固着在填料表面，使其生长形成生物膜的过程。考虑到经二级处理后废水的可生化性较差，本试验 BAF 的挂膜与启动方式采用分步启动法，具体分为两个阶段：

　　第一阶段（1~3d）：首先对 BAF 进行闷曝培养，然后再进行负荷逐渐增加的连续流进水。闷曝前先用提升泵将二级处理出水打入 BAF 内，使液面与出水口相平，按营养比 C:N:P=100:5:1 投加营养物质，并检测出水 COD 值，每天闷曝后重新进水并投加营养物质等，持续闷曝三天；第二阶段（4~10d）：BAF 闷曝三天后，采用连续进水方式，每天按比例往池内逐渐增加二级处理出水，并加入一定量的营养物质，启动期间检测出水 COD.

　　本试验中两级臭氧曝气生物滤池采用串联方式连接，以上向流式运行方式，废水通过提升泵输送至一级臭氧曝气生物滤池（O3-BAF1）底部，经处理后出水通过重力直接流入到二级臭氧曝气生物滤池（O3-BAF2）底部，经处理后出水最终流入到清水池。

　　5.1.2 启动期间对废水 COD 的去除效果
　　
　　如图 5-1 为启动期间一级曝气生物滤池（BAF1）对 COD 的处理情况，由图可知，前 3 天曝气生物滤池以闷曝方式恢复接种污泥活性与增加微生物量，从前 3 天的闷曝情况来看，第 3 天 COD 去除率已达到 50%以上，说明经过三天的闷曝处理后，BAF1 内接种污泥活性已恢复。从第 4 天开始，BAF1 以连续进水的方式启动，逐渐增加废水进水量，并逐渐减少营养物质的加入量，在第 10 天，进水 COD 为 201mg/L,出水 COD为 128.4mg/L,去除率达 36.3%,意味着 BAF1 的启动完成。由于两级臭氧曝气生物滤池采用串联方式运行，因此 BAF1 的出水直接作为 BAF2启动期间的进水，如图 5-2 所示为启动期间 BAF2 对 COD 的处理情况。由图可知，前 3天采用闷曝方式活化 BAF2 接种污泥，在第 3 天，进水 COD 为 141mg/L,出水 COD 为90.8mg/L,COD 去除率为 35.6%,去除率低于 50%,这可能是经 BAF1 出水中含有较多难降解有机物，因此去除率相对较低。从第 4 天开始，BAF2 以连续进水的方式启动，逐渐增加废水进水量，并逐渐减少营养物质的加入量，在第10天，进水COD为128mg/L,出水 COD 为 85.43mg/L,去除率达 33.28%,意味着 BAF2 的启动完成。

　　5.2 两级臭氧曝气生物滤池对印染废水的深度处理研究
　　
　　5.2.1 臭氧投加总量对试验废水的处理效果影响
　　
　　臭氧投加量是影响臭氧曝气生物滤池处理效果的重要因素，合适的投加量既能保证深度处理系统出水水质达标，又能使整个处理系统运行成本较经济合理。因此，为考察本中试臭氧投加总量对废水 COD 的处理效果影响，将进水量设定为 0.6m3/h,臭氧投加方式为 O3-BAF1:O3-BAF2=2:1,臭氧投加总量分别为 30mg/L、40mg/L、50mg/L、60mg/L、70mg/L、80mg/L,每个投加总量运行五天并每天检测出水水质。

　　如图 5-3 所示为臭氧投加总量对两级 O3-BAF 对废水 COD 的处理效果，可以看到，随着臭氧投加总量的增加，COD 去除率总体呈上升趋势，但当臭氧投加总量大于 60mg/L时，COD 去除率增加较缓慢。当臭氧投加总量为 30mg/L、40mg/L 时，平均进水 COD分别为 193.8mg/L、182.8mg/L,平均出水 COD 为 80.22、84.04mg/L,平均去除率为 58.6%,53.4%;当臭氧投加总量为 50mg/L 时，虽然 COD 去除率亦有所增加，但 COD 的去除情况仍较差，平均进水 COD 为 173.6mg/L,平均出水 COD 为 61.42mg/L,出水 COD 仍大于 40mg/L,平均去除率为 64.8%.可以看到，当臭氧投加总量为 60mg/L 时，两级O3-BAF 对 COD 的处理效果有较大的提升，平均进水 COD 为 162.2mg/L,平均出水 COD为 30.62mg/L,平均去除率达到 81.1%;而当臭氧投加总量增加到 70mg/L、80mg/L,COD去除率上升趋势逐渐缓慢，此时废水中的有机物已几乎被降解去除，此时平均进水 COD分别为 182.6mg/L、174.2mg/L,平均出水 COD 分别为 21.83mg/L、16.21mg/L,平均去除率为 88.0%、90.6%.

　　由上述可知，臭氧投加总量在 30、40mg/L 时，两级 O3-BAF 对 COD 的去除效果较差，在臭氧投加总量为 50mg/L 时，处理效果有较大提升，但仍不满足处理要求，当臭氧投加总量增加到 60mg/L,去除效果提升最大，再继续增加臭氧投加总量，COD 去除率增加逐渐缓慢。这是因为，当臭氧分子具有强氧化性，能通过直接氧化作用或以羟基自由基为主的间接氧化作用对废水中的难降解有机污染物降解为小分子可生化有机物，但臭氧投加总量较少时，不能使废水中大部分的难降解有机物氧化，而逐渐增加臭氧投加总量可有效提高难降解有机物的氧化效率。然而，当臭氧投加总量继续增加，尽管可将小分子有机物进一步氧化为二氧化碳和水等无机物，但废水中的 COD 浓度较低，彻底氧化所需的臭氧投加量相对较大，因此综合考虑两级 O3-BAF 对废水的去除效果与运行成本，本中试最佳的臭氧投加总量为 60mg/L,遇到进水 COD 突变情况时可适当调整臭氧投加总量，调整范围为 60~80mg/L.

　　5.2.2 臭氧投加量方式对试验废水的处理效果影响
　　
　　臭氧投加量方式是两级 O3-BAF 处理效果的影响因素之一，本试验的臭氧投加量方式定义为通过调节阀门，通过湿式流量计读取 O3-BAF1 和 O3-BAF2 的臭氧进气流量，按比例换算得到 O3-BAF1 与 O3-BAF2 的臭氧投加量比值。本试验中臭氧投加量设定为60mg/L,进水量设定为 0.6m3/h,臭氧投加方式分别为 1:1,2:1,3:1,每个臭氧投加方式运行五天并检测出水水质取其平均值。如表 5-1 为臭氧投加方式对两级 O3-BAF 的COD去除效果影响，由上表可知，当臭氧投加方式为1:1时，平均进水COD为172.9mg/L,此时O3-BAF1与O3-BAF2的臭氧投加量均为30mg/L,经O3-BAF1处理后平均出水COD为 94.21mg/L,平均去除率为 45.5%,经 O3-BAF2 处理后平均出水 COD 为 42.72mg/L,平均去除率为 54.7%.当臭氧投加方式为 2:1 时，平均进水 COD 为 183.2mg/L,此时O3-BAF1 与 O3-BAF2 的臭氧投加量分别为 40mg/L、20mg/L,经 O3-BAF1 处理后平均出水 COD 为 83.33mg/L,平均去除率为 54.5%,经 O3-BAF2 处理后平均出水 COD 为39.24mg/L,平均去除率为52.9%.当臭氧投加方式为3:1时，平均进水COD为183.2mg/L,此时 O3-BAF1 与 O3-BAF2 的臭氧投加量分别为 45mg/L、15mg/L,经 O3-BAF1 处理后平均出水 COD 为 80.65mg/L,平均去除率为 55.2%,经 O3-BAF2 处理后平均出水 COD为 43.72mg/L,平均去除率为 45.7%.【1】

　　
　　从上表可以看出，臭氧投加方式为 2:1 时最优，这是因为当臭氧投加量比例较小时，虽然两级 O3-BAF 能平均分配臭氧量，但 O3-BAF1 分配的臭氧投加量难以满足氧化二级处理出水中难降解有机物；当臭氧投加量比例较大时，虽然 O3-BAF1 能分配更多的臭氧投加量，其对难降解有机物的氧化效果得到提升，但 O3-BAF2 中的臭氧投加量则相对减少，此时 O3-BAF2 对废水中 COD 的去除率下降，因此，臭氧投加比例为 2:1 是本中试合适的臭氧投加方式。

　　5.2.3 水力停留时间对试验废水的处理效果影响
　　
　　在臭氧投加总量一定的情况下，水力停留时间越短，表明深度处理系统的处理能力越强，因此，本试验以不同水力停留时间下对废水 COD 的去除情况来表征两级 O3-BAF深度处理系统对试验废水的处理能力。本试验中臭氧投加总量为 60mg/L,臭氧投加量配比为 2:1,即 O3-BAF1 的臭氧投加量为 40mg/L,O3-BAF2 的臭氧投加量为 20mg/L,通过调整进水流量控制水力停留时间的变化。本试验中水力停留时间分别为 25.0h、12.5h、8.33h 和 6.25h,每个水力停留时间连续运行六天并检测出水水质。

　　如图 5-4 所示为水力停留时间对两级 O3-BAF 的 COD 处理效果影响，可以看到，当水力停留时间为 25.0h 时，平均进水 COD 为 171.0mg/L,O3-BAF1 和 O3-BAF2 的平均出水 COD 分别为 43.53mg/L、13.48mg/L,平均总去除率为 91.2%;当水力停留时间为12.5h 时，平均进水 COD 为 178.3mg/L,O3-BAF1 和 O3-BAF2 的平均出水 COD 分别为56.0mg/L、20.0mg/L,平均总去除率为 88.7%;当水力停留时间为 8.33h 时，平均进水COD为173.5mg/L,O3-BAF1和O3-BAF2的平均出水COD分别为62.76mg/L、32.22mg/L,平均总去除率为 79.5%;当水力停留时间为 6.25h 时，平均进水 COD 为 180.7mg/L,O3-BAF1 和 O3-BAF2 的平均出水 COD 分别为 82.68mg/L、41.26mg/L,平均总去除率为75.5%.由上述可知，随着水力停留时间的增加，两级 O3-BAF 系统对 COD 的去除率总体呈下降趋势，当水力停留时间在 12.5~25.0h 时，COD 去除效果明显，出水 COD 低于40mg/L;当水力停留时间为 8.33h 时，COD 去除效果有所下降，且出水 COD 有时高于40mg/L;当水力停留时间为 6.25h 时，出水 COD 维持在 40~45mg/L 之间。这是因为，臭氧气体在水中的溶解度较低，当水力停留时间足够长时，臭氧与废水的接触时间较长，臭氧氧化反应进行比较彻底，臭氧的利用率较高，废水中的难降解有机物能有效被臭氧氧化为小分子有机物，此外当水力停留时间较长，废水与填料表面附着的生物膜接触时间较长，小分子有机物能得到进一步降解，因此 COD 的去除效果较好；当水力停留时间逐渐变短，臭氧与废水、废水与生物膜相互接触的时间亦较短，因此 COD 去除率呈逐渐下降趋势。但综合考虑深度处理系统的处理能力，水力停留时间可选为 6.25~8.33h.

　　5.2.4 气源对两级臭氧曝气生物滤池的耗能影响【3】

　　
　　使用空气源和氧气源，由于其氧气含量不同，因此也会对臭氧发生器在同电耗的条件下产生不同的臭氧量，为考察气源对深度处理系统电耗及处理效果的影响，本试验设定臭氧投加总量为 60mg/L、70mg/L,臭氧投加方式为 2:1,进水量设定为 0.6m3/h,所采用的氧气源为液氧罐，每个投加量维持三天并每天检测出水水质取平均值。表 5-2 为空气源及氧气源对两级 O3-BAF 处理 COD 的效果影响，如表所示，使用空气源时，当臭氧投加量总量为 60mg/L 时，平均进水 COD 为 177.6mg/L,经 O3-BAF1 处理后平均出水 COD 为 77.38mg/L,平均去除率为 56.4%,经 O3-BAF2 处理后平均出水 COD 为38.21mg/L,平均去除率为 50.6%;当臭氧投加量总量为 70mg/L 时，平均进水 COD 为176.3mg/L,经 O3-BAF1 处理后平均出水 COD 为 63.43mg/L,平均去除率为 64.0%,经O3-BAF2 处理后平均出水 COD 为 32.72mg/L,平均去除率为 48.4%.使用氧气源时，当臭氧投加量总量为 60mg/L 时，平均进水 COD 为 183.3mg/L,经 O3-BAF1 处理后平均出水 COD 为 69.72mg/L,平均去除率为 62.0%,经 O3-BAF2 处理后平均出水 COD 为33.76mg/L,平均去除率为 51.5%;,当臭氧投加量总量为 70mg/L 时，平均进水 COD 为179.6mg/L,经 O3-BAF1 处理后平均出水 COD 为 60.67mg/L,平均去除率为 70.0%,经O3-BAF2 处理后平均出水 COD 为 28.43mg/L,平均去除率为 53.2%.

　　从结果可知，使用纯氧源时，两级 O3-BAF 对废水中的 COD 处理效果稍好，这可能是因为使用纯氧源时，氧气主要是由液氧气化形成的，氧气罐进气压力在一段时间内较稳定，因此保证一段时间内，臭氧产量较为稳定；而使用空气源时，容易受周围环境影响，气温、空气中的微量水等亦会导致臭氧产量不稳定的因素之一。

　　使用空气作为臭氧气源时，其主要电耗来源于罗茨鼓风机、冷干机与臭氧发生器，所需设备较多；使用纯氧源时，由于氧气是在液氧罐内由液氧气化而形成的，因此其进气温度及压力亦有所保证，因此仅需臭氧发生器即可。此外，使用空气作为原料气源时，臭氧在气体中的质量分数为 3~4%,使用纯氧源时为 6~8%,约为空气源时臭氧产量的两倍，因此使用纯氧源时能在较低的电耗下得到相近的臭氧产量。

　　5.3 本章小结
　　
　　（1）本中试采用两级 O3-BAF 组合工艺为深度处理系统，通过臭氧投加总量、臭氧投加方式、水力停留时间对深度处理系统进行优化，该系统对试验废水的处理效果极好，通过将臭氧氧化与生物氧化集合于一体，一方面可将难生化有机物降解为可生化性小分子有机物，一方面可通过生物氧化作用进一步去除废水中的 COD,出水 COD 低于40mg/L.

　　（2）本试验中臭氧投加总量对两级 O3-BAF 处理效果具有很大的影响，当臭氧投加总量增加至 60mg/L 时废水中有机物的去除性能会有较大的提升。保持进水流量为0.6m3/h,臭氧投加方式为 2:1.当臭氧投加量低于 60mg/L 时，经两级 O3-BAF 处理后出水 COD 均高于 40mg/L.当臭氧投加总量为 60mg/L 时，出水 COD 低于 40mg/L,平均出水 COD 为 30.62mg/L,平均 COD 去除率达到 81.1%.本试验深度处理系统最佳臭氧投加总量为 60mg/L.

　　（3）本试验中臭氧投加方式会影响到臭氧投加量在两级 O3-BAF 中的分配，从而影响两级 O3-BAF 对试验废水的处理效果。当臭氧投加方式较大或较小时均会对系统处理效果造成影响。臭氧投加比例为 2:1 是本中试合适的臭氧投加方式。

　　（4）水力停留时间是影响两级 O3-BAF 处理能力的重要因素之一，水力停留时间为 8.33h,出水 COD 有时高于 40mg/L,水力停留时间为 6.25h,出水 COD 在 40~50mg/L.综合处理能力考虑，选取最佳水力停留时间为 8.33h.

　　（5）空气源与氧气源对两级 O3-BAF 能耗评估，结果发现，使用氧气罐作为氧气源其能耗约为空气源的 1/4,其能耗大大降低，而对废水中有机污染物的去除效果则增益较小。