近年来,随着工业化和城市化不断发展,用水量的增加使得更多的污废水排入环境系统中。废水中发现的营养物质主要是氮和磷,含氮、磷的废水排放进入水体会引起水体富营养化,更重要的是会导致相关疾病的产生,因此成为环境方面的关注热点。所以政府部门已制定相关法律来管控废水中大量有机和无机营养物质进入环境水体中。本研究的目标是确定强化A/O-曝气生物滤池(BAF)系统脱氮除磷的最佳工况,并考察出水能否达到排放标准。在试验研究和分析评价过程中将对回流比、水力负荷和气水比这些操作参数选出最佳选择,并运用于以后的试验研究之中。经过大量的运行条件和操作参数优化选择后,在试验系统中填装了海绵铁和锰砂填料,对比研究了海绵铁-沸石混合填料和海绵铁-锰砂混合填料的除磷效果。A/O-BAF系统使用的填料包括陶粒、沸石、海绵铁和锰砂。试验使用的操作参数为：回流比为100%、150%和200%,水力负荷为0.5m3/(m2·h).0.75m3/(m2·h)和1.0m3(m2·h),而气水比为6：1(0.25 L/min)、8:1(0.33 L/min)和10:1(0.42 L/min)。在最终确定的试验中,在不同试验条件下对比了脱氮除磷的效果和硝化细菌的数量。试验结果表明,使用海绵铁-锰砂混合填料可以获得更好的除磷效过,能使出水达到排放标准。1.实验装置、材料和污水水质1.1实验装置和材料实验装置A/O-BAF由厌氧柱和好氧柱两个单元构成,厌氧和好氧柱的内径均为8cm,高度分别为3m和2m。厌氧柱和好氧柱两个单元的填料分别为陶粒和沸石,陶粒分为两层,上层和下层,上层粒径8-12mm,下层粒径为5-8mmm；好氧柱内沸石粒径为3-5mm;后置滤柱填料由两套填料装置组成(A/B)和滤料组成,填料高度都为lm,粒径为1-3mm。第一套填料装置A的填料由海绵铁和沸石以3：1的比例混合组成,填料装置B的填料由海绵铁和锰砂以3：1的比例混合组成。填料单元填料底层铺设卵石作为滤料的承托层,高度为15cm。厌氧滤柱中较上层填料高度为0.75m,主要用于过滤来自进水池中的悬浮固体,下层填料高度为1m,主要发生反硝化。好氧滤柱主要进行硝化和磷的部分吸收反应,柱内填料总高度为0.7m。试验所使用的微生物来自七里河区污水处理厂,用泵同时打入厌氧柱和好氧柱启动历时一个月。处理后的出水定期用于两个滤柱的反冲洗以除去悬浮固体,以保证进水通过滤料时的正常流动。反冲洗48小时一次。在此实验的过程中,气水比设定为10：1。采用气水联合反冲洗,使滤柱中悬浮固体通过溢流管流出。另外,试验装置增加了回流系统,厌氧柱和好氧柱的回流比实验结果用来与试验中没有回流比的情况做对比,这能够确定回流比对进水中各种污染物质的去除率。试验装置见图1。试验所用污水来自兰州交通大学的生活污水管道系统,并用泵提升至试验装置的初沉池中。废水中污染物质浓度随着学校工作日和季节周期性变化有所变化。本试验用水水质指标及其浓度范围见表1。2气水比对污染物质去除率的影响BAF对各种条件和因素进行优化,以实现系统对污染物质的最佳去除效率。本研究过程中,在不同气水比条件下对总氮、总磷、氨氮和COD去除率进行研究,对比试验结果得到最佳气水比。试验中采用三种气水比,分别为6：1、8：1和10:1,对应的空气流量分别是0.25L/min、0.33L/min和0.42L/min.2.1气水比6：1在水力负荷为0.5m3/(m2·h),回流比为100%,气水比为6：1的条件下对各目标污染物的去除效率进行试验。为保证试验的可靠性,以48h的时间间隔进行了三次测试。气水比为6：1的试验过程中,进水COD的检测结果为229.1 mg/L、207.1 mg/L. 237.5mg/L,出水为22.0mg/L、29.6mg/L、42.3mg/L。该条件下COD平均去除率为86%。总氮(TN)在此条件下进水浓度为63.7 mg/L、62.6 mg/L和68.2mg/L,出水浓度为38.7mg/L、27.8 mg/L、40.Omg/L.则得出总氮的平均去除率为42%。总磷(TP)第一次测试到第三次测试进水中磷浓度分别为7.6 mg/L、7.9 mg/L和 7.7mg/L,而出水中隔天测试浓度为6.4 mg/L、5.6 mg/L和6.04mg/L。进水和出水中的浓度没有显示出太大的差别,去除率仅为22%。结果表明,普通A/O-BAF系统对废水中总磷的去除效果不佳。氨氮第1次测试到第3次测试进水中浓度分别为113.2 mg/L、91.2 mg/L和65.9mg/L,出水中浓度为45.5mg/L、19.8 mg/L和28.9mg/L,该测试结果表明A/O-BAF系统对氨氮的平均去除率为64%。从第1次测试到第3次测试出水氨氮浓度的降低表明硝化细菌数量随着时间增加。2.2气水比为8：1在气水比为6：1的试验结束后,进一步将气水比增加至为8：1进行研究。本研究的具体操作条件为：水力负荷为0.5m3/(m2·h),回流比为100%,气水比为8：1,试验结果如下：气水比为8：1时进水中COD浓度分别为341.4mg/L、310.8 mg/L.258.4mg/L,高于气水比为6：1时进水中的COD浓度,出水中COD浓度分别为37.9mg/L、28.5 mg/L、42.3mg/L,此时COD的平均去除率为89%。进水中总氮浓度分别为71.1 mg/L、53.5 mg/L和58.2mg/L,而出水中总氮浓度分别为26.5mg/L、29.8 mg/L和26.1mg/L。结果表明总氮的平均去除率为55%,与气水比为6：1时相比去除率有所增加。气水比为8：1时总磷的平均去除率为40%,优于气水比为6：1总磷的去除率。进水中总磷具体浓度为7.2 mg/L、4.7 mg/L和6.9 mg/L,出水中总磷浓度为31 mg/L、3.9 mg/L和4.3mg／L。而厌氧柱出水的总磷浓度为4.3ng/L.4.5 mg/L和4.8 mg/L,结果表明经过厌氧柱后,总磷浓度有一定减少。氨氮的试验结果表明,氨氮以78%的平均去除率从A/O-BAF系统中得到去除,去除率与气水比为6：1试验阶段相比增加了14%,这可以归结于硝化细菌的数量随时间有所增加。2.3气水比10：1在气水比为8：1的试验结束后,调整气水比为10：1,进一步研究具有更好的去除效果的可能性。与之前实验一样,为了进水和出水水质的可靠性,试验在48小时内间隔进行三次测试。本试验在水力负荷为0.5m3/(m2·h),回流比为100%,气水比为10：1条件下进行,实验结果如下：试验表明气水比为10：1时废水中的COD得到降低,该阶段COD的去除率与气水比为8：1时的相同,都为89%,比气水比为6：1阶段的去除率高3%。试验中总氮(TN)去除率为58.6%,与气水比为6：1和8：1时相比有所增加,此时认为总氮去除效果最好。进水总氮具体浓度为60.7 mg/L和51.7 mg/L,厌氧柱出水为29.4 mg/L和31.6 mg/L,装置出水浓度为21.4mg/L和25.1 mg/L。另一方面,对于总磷(TP)的试验,进水中总磷浓度为5.0 mg/L、2.7 mg/L和6.5mg/L,出水为3.0 mg/L、1.6 mg/L和5.4 mg/L。虽然去除率较低,仅为30.0%,但优于气水比为6：1试验时的总磷去除率,与气水比为8：1试验时相较略低。在气水比条件下进行的所有实验结果进一步证实,普通A/O-BAF对废水中总磷去除效果不佳。该条件下氨氮的试验结果表明,气水比为10：1时A/O-BAF系统可以达到最好的氨氮去除率95.0%,与气水比为8：1时相比增加了17.0%,与气水比为6：1时相比增加了31.0%。这表明在一定范围内,氨氮去除率随气水比增加而增加。从上述试验结果可以看出,在气水比为10：1时,COD去除效果最佳,氨氮和总氮去除效果同样也比较好；但总磷例外,总磷去除率只有30.0%。因此,气水比为10：1被优选为在回流比和滤料影响实验中的最佳条件。总体来看,试验中大多数污染物质的去除率随着气水比的增加也有所提高,但气水比增加到12：1及更高在本试验和实际工程中是不可行的,因为它会大大增加操作能耗。3.回流比对出水水质的影响该试验工况下,主要优选去除目标污染物的最佳回流比,回流比分别为100%、150%和200%。3.1回流比150%选择最佳气水比为10：1后,回流比设定为150%,同时水力负荷保持0.5m3/m2·h。对于总氮的测试,进水和出水浓度平均值是61.4 mg/L和26.2 mg/L,即总氮的去除率为57.0%。而总磷(TP)的测试去除率为47.0%,进水、厌氧柱和装置出水浓度平均值分别为6.3 mg/L、3.6 mg/L和3.3 mg/L在该试验阶段氨氮具有较高的去除效率,为83.0%,氨氮进水浓度平均值为71.3 mg/L,而缺氧柱出水平均浓度是36.1 mg/L,装置出水的平均浓度为11.9 mg/L。COD去除效率最高,为86.0%,进水和缺氧浓度平均值是266.9 mg/L和73.2 mg/L,而出水浓度为24.2 mg/L,结果表明COD随处理流程顺序依次减少。3.2回流比200%在回流比为150%完成后,该比例增加至200%,来测试污染物质的去除率。水力负荷和气水比分别保持为0.5m3/(m2·h)和10：1。为了确保可重复性及可靠性,本试验以48h的时间间隔进行了三次测试。总氮(TN)的进水平均浓度为57.4 mg/L,厌氧柱出水的平均浓度为38.7 mg/L,比进水浓度降低了18.7 mg/L。另一方面,装置出水平均浓度为31.7 mg/L,其比进水浓度小25.7mg/L,与厌氧柱出水值相比小7.0 mg/L。总的来说,在该阶段总氮去除效率为45.0%。总磷的去除率为38%,其中进水和出水平均浓度分别为3.6 mg/L和2.2 mg/L。在200%的回流比条件下,氨氮浓度进水平均浓度、缺氧柱出水和总出水平均值分别是58.4 mg/L、21.3 mg/L和6.0 mg/L,总去除率为90.0%。COD有88.0%的去除效率,这比在150%的回流比工况下去除效率高2%,比在100%的回流比工况下去除效率低1.0%。这表明在150%的回流比工况下COD能得到有效的降低,证明了AO-BAF系统中COD是相对容易去除的。当在上述研究回流比对水质的影响的试验结束时,进行统计学分析,并选择回流比的最佳条件。在不同的3个回流比条件下(100%、150%和200%)对总氮、氨氮、化学需氧量和总磷的去除率仔细分析,发现在100%的回流比时总体有最好的去除效率。4.水力负荷对出水水质的影响气水比和回流比研究结束后,选择的最佳工况条件：气水比为10：1,回流比为100%,接下来的试验集中研究和优选水力负荷对目标污染物最佳去除条件。为确保结果的可靠性,以48h的时间间隔进行了三次测试。4.1水力负荷0.75m3/m2·h总氮(TN)在此条件下的去除率为39.5%,与水力负荷为0.5m3/m2·h相比是一个比较低的去除率。进水中总磷的平均浓度是8.5 mg/L,而出水总磷的平均浓度是5.6 mg/L,出水中的总磷浓度不能满足总磷的排放标准,这可能是由于水力停留时间减少或接触时间较短所致。在水力负荷为0.75m3/m2·h条件下,氨氮的去除率是75.0%,这是相对正常的去除率,但与水力负荷为0.5m3m2·h时的试验阶段相比氨氮的去除率减小了20.0%。进水中的化学需氧量(COD)平均浓度为204.9 mg/L,出水中平均浓度为25.2 mg/L。总体而言,试验中87.7%的COD去除率是滤柱中生物量增加的结果。4.2水力负荷1.0m3/m2·h在研究了水力负荷1.Om3/m2·h的处理效果。水力负荷的增加,会降低了微生物(异养菌、聚磷菌或硝化细菌)的接触反应时间。在该工况下,总氮的去除率为29.5%,这比0.75m3/m2·h时的去除率低了10%。进水和出水中化学需氧量的平均浓度分别是198.5 mg/L 和 24.4 mg/L, COD的去除率为86.0%,这是不同水力负荷条件下COD去除率的最低值。在该工况下,总磷的去除率为32.46%,低于水力负荷为0.75m3/m2·h时34.45%去除率低,但比水力负荷为0.5m3/m2·h测得的30.0%的去除率高。氨氮在水力负荷为1.0m3/m2·h的运行条件下的去除率为66.5%,去除率的降低可以看作是硝化细菌与氨氮的接触反应时间的减少所造成的。当与其他不同的水力负荷条件相比,在该条件下氨氮的去除率是最低的。当与0.75m3/m2·h运行阶段相比去除率降低了8.5%,与0.5m3/m2·h水力负荷运行阶段相比降低了28.5%。如上所述,综合有机物的去除、脱氮及除磷效果,水力负荷的最佳条件为0.5m3/m2·h,而且实现去除目的也需要较少的能量。更重要的一点是,水力负荷的增加会导致污染物的去除效率变低,这是由于较低的HRT,其减少了细菌与污染物的接触时间。因此,接下来这项试验的研究,水力负荷确定为0.5m3/m2·h。5.填料的强化处理研究滤柱填料的强化作用由两套填料装置实现,即增加海绵铁与沸石的混合填料和海绵铁与锰砂混合填料,为普通AO-BAF系统增强一个附加系统,使其提高去除效率。在这项试验中,对海绵铁与沸石混合和海绵铁与锰砂混合的影响结果进行试验,研究对有机物的去除及脱氮除磷效果。5.1海绵铁和沸石混装的加强效果该试验阶段在AO-BAF系统的后部增加海绵铁与沸石混合的滤柱,海绵铁与沸石以3：1的比例混合,缺氧和好氧滤柱的填料与上述实验中保持相同。此研究的目的是比较回流比为100%和200%的去除结果,其它操作条件是：采用水力负荷与气水比的试验的最佳条件,即水力负荷为0.5m3/m2·h,气水比为10：1。海绵铁与沸石以3：1混合作为滤料后,在回流比为100%和200%的试验中,总磷浓度的去除效率都为84%,去除率的增加显著。另外,回流比为100%时总氮的去除率为41.0%,回流比为200%时总氮的去除率为40.0%。回流比为100%和200%时,氨氮去除效率分别为87.0%和85.0%,这可能是由于硝化细菌量相对增加。但是这与普通AO-BAF的氨氮去除率相比没有太大的提升。该阶段,在回流比为100%和200%下COD的去除率分别为90.0%和91.0%,这表明海绵铁与沸石混合的滤料可有效减少污水中的COD浓度。5.2海绵铁和锰砂混装的加强效果该试验阶段为海绵铁与锰砂的混合填料作为AO-BAF系统的后置系统,海绵铁和锰砂以3：1的比例混合,其他条件与原来保持一致,即气水比为10：1,水力负荷为0.5m3m2·h。该阶段研究的目的是比较海绵铁与锰砂混合分别在100%和200%不同回流比时的去除效率。本阶段在100%的回流比下,总磷的去除效率为86.5%,在200%的回流比下总磷的去除率为86.0%,总磷去除效率区别不大,但与海绵铁与沸石混装的去除效果相比有所增加。此外,在100%的回流比时总氮浓度去除率为54.8%,而在200%的回流比时去除率为51.0%,小于回流比为100%时的去除率。另一方面,本次COD测试结果显示在回流比为100%和200%两种条件下去除率分别为84.9%和88.0%,与海绵铁与沸石混装的去除效果相比相对降低。氨氮在100%的回流比下得到去除率为76.6%,而在200%的回流比下有一个较好的去除速率,为84.0%。6.硝化细菌的测量结合上述实验,确定试验过程中的亚硝酸盐和硝酸盐的细菌数量是十分重要的。该测试方法使用MPN计数法,这是一个检测硝化细菌相对简单可行的方法。在28℃-30℃的温度下接种之后,培养20d,为了检测硝化细菌和亚硝化细菌,每个培养样品用Griess试剂和二苯胺试剂进行显色检测。根据阳性管的数量,检查MPN表时可以计算出细菌的数目,使用公式：每毫升细菌样品的细菌计数=数量指标第一位数的稀释倍数×菌近似值。各种操作条件的结果如下：6.1工况1硝化细菌的测定是在增加海绵铁与锰砂混合的试验条件进行的,该测试的操作参数如下：气水比为10：1,水力负荷0.5m3/m 2·h,200%的回流比。硝化细菌混合物的菌数结果：180.0×104=1.8×106CFU/mL。6.2工况2硝化细菌的测定是在没有海绵铁和锰砂的滤柱情况下进行的,该试验的操作参数如下：气水比为10：1,水力负荷率为1Om3/m3·h,回流比为100%。本次试验中硝化细菌数量是：2.5×105=2.5×105CFU/mL.工况1条件下得到的氨氮去除率为84.0%,测得的硝化细菌数量为18×106CFU/mL;在工况2中,气水比保持不变,回流比降低为100%,水力负荷增加到1.0m3/m2·h后,测得的氨氮去除率为66.5%,硝化细菌数量是：2.5×105=2.5×105 CFU/mL;分析图2和两个工况下的数据,可以得出工况2的接触反应时间缩短,并且回流至缺氧滤柱的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的量降低,因此导致了硝化细菌数量的降低,同时也使氧氮处理效果下降。