曝气生物滤池沸石和陶粒滤料性能对比研究

第35卷第12期2009年12月水处理技术

TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT Vol.35No.12Dec.,2009

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曝气生物滤池沸石和陶粒滤料性能对比研究

高连敬

（同济大学建筑设计研究院环境分院，上海200092）

摘要：以沸石和陶粒为填料，分别进行了沸石曝气生物滤池和陶粒曝气生物滤池处理污水厂二级出水的中试试

验，并对2种滤料的处理性能和工艺特征进行了比较。结果表明，2种滤池均可以在一定工况条件下达到良好的处理水力负荷为1m 3·m -2·h -1，温度分别为20～25℃和15～19效果，且保持较好的抗冲击负荷能力。在气水体积比3:1、℃的情况下，沸石BAF 和陶粒BAF 对COD 去除率分别为12.67%和21.93%，出水COD 分别为31.46和37.06mg ·L -1；NH 3-N 去除率分别为96.64%和97.79%，出水NH 3-N 的质量浓度分别可降到1.46mg ·L -1和1.20mg ·L -1。沸石价格低廉，更具有工程应用推广价值。

关键词：曝气生物滤池；沸石；陶粒；COD ；NH 3-N 中图分类号：X703.1

文献标识码：A

文章编号：1000-3770(2009)12-053-05

曝气生物滤池（Biological aerated filter ，BAF ）具有有机负荷高、占地面积小、投资小、处理效率高和出水水质好等优点[1-2]。BAF 的滤料是影响其处理

效果的关键因素之一，也是影响水处理成本的主要因素之一。在BAF 中应用比较广泛的是陶粒滤料，具有生物附着性强、挂膜性能良好、水流流态好、反冲洗容易进行和截污能力强等优点[2]。天然沸石具有较大的孔隙率和比表面积，因而具有较大的微生物附着表面，特别是沸石对NH 3-N 有较强的选择性离子交换能力，在沸石表面有生物膜时仍具有交换NH 3-N 的能力，故以沸石为滤料的BAF 具有较强的抗NH 3-N 冲击负荷能力[3-4]。

本研究参考国内外相关研究，采用天然沸石和粘土陶粒这2种滤料应用于BAF ，考察其对污水厂二级出水深度处理的能力，以回用电厂作冷却水为目的，并对这2种滤滤料在处理能力、工艺运行和工程经济等方面进行比较，以期对以后的工程试验进行有益的探索。

同时在底部曝气。BAF 装置总共2套，分别装填陶粒滤料和沸石滤料。陶粒颗粒粒径3～4mm ，沸石颗粒粒径2～4mm 。1.2进水水质

试验进水为城市污水二级生物处理出水，其水质的主要特点是COD 偏低，NH 3-N 含量比较高，可生化性差。在试验水质状况及测定方法如表1所示。

表1试验水质及测定方法

Table 1Quality of influent water

项目最大最小平均测定方法

COD/mg·L -187.3628.0045.19重铬酸钾法

·L -1ρ(NH3-N)/mg75.6130.3552.54

纳氏试剂光度法

温度/℃255温度计

1试验装置和方法

1.1装置

试验滤柱为机玻璃柱，直径20cm ，总高度310cm ，填料层高度180cm 。系统采用向上流方式运行，

1.3试验方法

因进水有机物少，可生化性差，故采用接种挂膜法。将活性污泥导入滤柱，并加入营养液闷曝4d ，然后挂膜培养。当NH 3-N 去除率稳定时认为启动结束，进入稳定运行阶段。根据回用水水质标准，确定试验的主要去除目标是COD 和NH 3-N 。

2结果与讨论

2.1未挂膜前的滤料颗粒表面

滤料表面的粗糙程度对微生物附着影响很大，

收稿日期：2009-03-31作者简介：高连敬（1975－），男，工程师，硕士研究生，从事水处理技术开发与工程设计联系电话：[1**********]；E-mail ：[email protected]

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水处理技术

第35卷第12期

/d

图3沸石BAF 启动挂膜过程中对COD 的去除Fig.3The removal of COD by zeolite BAF in start-up phase

×25

×5000

图1沸石颗粒表面状况

Fig.1SEM images of zeolite particles

水COD 平均为47.11mg ·L -1，出水COD 平均值为38.88mg ·L -1，COD 平均去除率为17.5%。图4显示了启动期间沸石BAF 对NH 3-N 的去除效果。

(N H -N ) /m g L

图2粘土陶粒表面状况

Fig.2SEM images of ceramsite particles

×25×5000

Á从图1中可以看到，沸石颗粒表面非常粗糙，布满了很多凹陷的小孔穴，直径在1～30μm 。一般来说，球菌个体大小在0.5～2μm ，杆菌一般长1～5

宽0.5～1μm ，因此沸石表面这许许多多的孔穴μm 、

非常适合细菌附着，并且增加了沸石的比表面积，可提高附着的微生物量，有利于提高NH 3-N 的去除率。

从图2可以看到，粘土陶粒表面非常粗糙，密密麻麻的分布有很多孔洞。但是这些孔洞大小不均，有的孔洞非常小，有的孔洞甚至直径达到200μm 以上。细菌的生长主要依赖直径比较大的孔洞，微孔过多对细菌的生长作用不大，这些大小不均的孔洞非常有利于微生物附着在上面生长。2.2启动性能比较2.2.1沸石情况

图3是沸石BAF 启动挂膜过程中对COD 的去除情况，进水水温在22～25℃。

BAF 处理的是污水厂二级出水，本身可生化性能比较差，因此从图3可以看出，COD 的去除率不是很高。在启动初期，因为污水厂本身在进行调整，有时候会出现停水状况，所以进水COD 不均匀，导致出水COD 也不是很均匀。在40d 的启动期间，进

/d

图4沸石BAF 启动挂膜过程中对NH 3-N 的去除Fig.4The removal of NH 3-N by zeolite BAF in start-up phase

从图4可以看出，沸石对NH 3-N 的去除效果比较好。进水NH 3-N 的平均质量浓度为33.75mg ·L -1，出水NH 3-N 平均为2.62mg ·L -1，平均去除率高达92.3%。

在开始挂膜初期，沸石表面硝化生物膜还没有长成，沸石对NH 3-N 的高去除率主要是由离子交换吸附作用造成的。按照前期所作的静态试验，根据沸石的交换容量估算，大概12d 左右滤柱的沸石交换能力达到饱和。但是到第20天开始NH 3-N 的含量突然上升，其中的原因一方面是污水厂曾经停产断水2d ；另一方面，沸石表面逐渐所生长的生物膜对NH 3-N 也有一定的去除作用，但是在沸石没有达到吸附饱和之前，对NH 3-N 的主要去除作用还是由沸石的离子交换吸附来完成的。随着启动挂膜的进行，滤料表面硝化菌逐渐生长，硝化作用逐渐增强，出水NH 3-N 含量则逐渐下降，这时硝化菌可以利用从沸石表面被交换下来的NH 3-N ，当硝化菌的生物量稳定之后，出水NH 3-N 也就达到稳定，挂膜基本完成。2.2.2

陶粒情况

N H -N /%

C O D /%

为了更好地观察这2种滤料的表面状况，用扫描电

镜分别在25倍和5000倍条件下观察沸石颗粒和粘土陶粒这2种滤料，结果见图1和图2。

C O D /m g L

高连敬，曝气生物滤池沸石和陶粒滤料性能对比研究图5是启动挂膜过程中陶粒BAF 对COD 的去除效果。

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·L -1，可见采用陶粒滤料其启动挂膜的速度还是mg

比较快的。

2.2.3比较

生物膜是BAF 工艺的关键部分，挂膜的成功与否直接影响到BAF 的处理效果。同时挂膜的难易程尤其是硝化菌度也对BAF 的应用产生一定的影响。世代时间比较长，培养挂膜比较困难。在沸石BAF 试验中，沸石对NH 3-N 有较大的

交换吸附容量，因此沸石BAF 启动开始时出水NH 3-N 含量就保持在一个较低的水平；启动期间，出 /d

图5陶粒BAF 启动挂膜过程中对COD 的去除·L -1，最高为水NH 3-N 的质量浓度平均为2.62mg Fig.5The removal of COD by ceramsite BAF in start-up phase

7.54mg ·L -1，所以，采用沸石作为滤料填料，在离子

污水厂二级出水可生化性比较差，有机物含量交换吸附和生物膜硝化的共同作用下，出水NH 3-N 低。从图5可以看出，启动开始，BAF 对COD 的去含量会一直保持在比较低的水平。而陶粒对NH 3-N 除率就不是很高，整个过程平均COD 去除率为没有选择性吸附能力，对NH 3-N 的去处完全是通过11.67%，去除效果依赖于进水COD 的变化，但其出滤料表面所附着生长的生物膜来完成，所以在启动水的COD 呈现持续下降的趋势。挂膜过程中，初期生物膜还没有长成，出水NH 3-N

图6为在启动挂膜期间陶粒BAF 对NH 3-N 的含量会很高，随着生物膜的逐渐生长，出水NH 3-N 去除效果。含量才会逐渐降低（见图4）。

从挂膜的时间来说，沸石滤料在水温高于20℃

的条件下，挂膜历时约37d ；而陶粒在15℃的水温条件下，整个挂膜历时不到30d ，甚至第20天时就对NH 3-N 有很好的处理效果（见图6）。因此，相比较来说，陶粒滤料更容易挂膜，更容易让微生物附着生长。这一点可以从沸石和陶粒的表面结构来解释，从沸石及陶粒的扫描电镜照片可以看出（图1、图2），虽然沸石滤料比表面积很大，达到17.24m 2·g -1，但是 /d

图6陶粒BAF 启动挂膜过程中对NH 3-N 的去除沸石的内部孔隙只有不到0.4nm ，小于微生物的尺Fig.6The removal of NH 3-N by ceramsite BAF in start-up phase

寸，只能附着生长在沸石粗糙的表面。而陶粒有相对更为发达的大孔隙结构，表面更为粗糙，微生物不仅启动挂膜期间水温在13～17℃内，这个温度并

不是最适合启动挂膜的水温。但是从图6中可以看可以在陶粒表面生长，还可以在大孔洞中附着生长。出，启动挂膜没有多少时间，出水NH 3-N 含量就开2.3处理效果比较始明显下降，在挂膜第15天的时候，出水NH 3-N 的表2是沸石BAF 和陶粒BAF 在不同工况条件质量浓度就下降到10mg ·L -1以下；到挂膜第19天下对污染物的去除效果。的时候，出水NH 3-N 的质量浓度就已经降低到1.16从表2可以看出，沸石BAF 和陶粒BAF 在一

(N H -N ) /m g L

表22种BAF 在不同工况条件下对污染物的平均去除效果

Table 2The performance of zeolite BAF and ceramsite BAF in different operating conditions

滤料沸石沸石陶粒陶粒

水力负荷/·m -2·h -1m 3

1212

水力停留时间

/h

1.80.91.80.9

水温/℃20～2516～2015～1919～23

COD/mg·L -1进水36.1838.0048.1046.47

出水31.4632.6037.0639.65

N H -N /%

C O D /m g L

/%C O D

Á

去除率

/%

12.6714.2121.9314.72

·L -1ρ(NH3-N)/mg进水44.4346.2954.5453.70

出水1.4611.831.2018.83

去除率

/%96.6474.4597.7964.07

注：曝气空气体积流量和进水体积流量之比为3:1。

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水处理技术第35卷第12期

定的工况条件下均表现出良好的处理性能。2.4硝化性能比较

沸石BAF 对NH 3-N 的去除存在着离子交换吸附和生物硝化双重作用，离子交换吸附只是起暂时的去除作用，最终起作用的是硝化反应[5]。陶粒BAF 对NH 3-N 的去除则是依靠滤料表面附着生长的微生物。如果仅仅是比较沸石和陶粒对NH 3-N 的去除率，无法比较沸石BAF 和陶粒BAF 的硝化性能，这里通过一定条件下测定沸石和陶粒表面微生物的比氧化速率（OUR ）来比较它们的硝化能力[6]。表3显示在同一条件下（水温17℃，水力负荷1m 3·m -2·h -1），分别从沸石滤柱和陶粒滤柱的底部、中部取一定质量的滤料，测定其OUR 的结果。

表3在滤柱底部、中部位置沸石和陶粒表面微生物的OUR

Table 3The OUR value of zeolite and ceramsite particles in

the bottom and mid position of BAF 部位底部底部中部中部

滤料沸石陶粒沸石陶粒

亚硝酸菌0.0860.0950.0220.026

硝酸菌0.2680.2730.1670.201

异养菌0.0370.0380.0520.043

定期反冲洗可证BAF 的正常运转具有重要的意义。

以去除滤料中多余的生物膜和截流的SS ，维持曝气生物生物滤池的正常液位。BAF 的反冲洗周期和反冲洗强度和时间是很重要的运行参数，不仅决定反冲洗的效果，也影响BAF 的正常费用。2种滤料BAF 的反冲洗相关参数见表5。

表52种滤料BAF 的反冲洗参数

Table 5Standard deviation of influent and effluent NH 3-N value 滤料沸石陶粒

初始水损/m0.90.7

反冲洗时水损/m1.21.2

反冲周期/d15～2020～30

反冲体积流量/m3·h -1

1.0

1.0

反冲水量/L200160

从表5可以看出，沸石BAF 的反冲周期相对比较短，这主要是因为沸石滤料粒径比较小，比较容易截流水中的SS 等悬浮杂质。另外，粘土陶粒的堆积密度比较小，质轻，反冲洗所需要的水量更小。

可见沸石和陶粒的亚硝酸菌、硝酸菌和异养菌

的OUR 都基本相同，陶粒稍微高一点。这说明，从生物层面的角度来说，沸石颗粒和粘土陶粒的硝化能力差异不大，都对NH 3-N 有良好的去除效果。

2.5出水水质稳定性比较

BAF 的一个特点是抗冲击负荷，出水水质比较稳定。试验对沸石BAF 和陶粒BAF 的出水NH 3-N 含量的稳定性进行了分析，结果见表4。

表42种滤料BAF 的进、出水NH 3-N 标准方差

Table 4Standard deviation of influent and effluent NH 3-N value

项目沸石陶粒

进水出水

3

注：水力负荷为1m ·m -2·h -1。

6.25

0.545.130.47

2.7投资成本分析

粘土陶粒是目前在水处理中应用比较普遍的一种填料，采用粘土陶粒作为BAF 填料的实际工程应用在我国已有多个，从运行的实际效果来看，都能满足设计要求。

天然沸石在我国分布广泛、储量巨大、品质优良、价格便宜。目前粘土陶粒的价格往往都在1000元·t -1以上，而天然沸石的价格在60～140元·t -1，远远低于粘土陶粒的价格。从工艺上来说，沸石和陶粒作为BAF 的滤料都可以达到良好的处理效果。

以建造1个深度处理10kt ·d -1的BAF 为例，所需要的填料为833m 3。如果选择陶粒滤料，按陶粒堆积密度1030.9kg ·m -3，价格1200元·t -1计算，所需要的填料的初期成本为103万元；而如果选择沸石滤料，按照沸石堆积体积1010.7kg ·m -3，价格80元·t -1计算，所需填料的初期成本为6.7万元。可以看到，如果采用沸石填料，在填料方面的初期投资成本就可以降低很多。

沸石BAF 和陶粒BAF 均有很好的稳定性。因为沸石的离子交换吸附作用，当进水中NH 3-N 含量较高时，沸石可以富集NH 3-N ；当进水NH 3-N 含量降低时，NH 3-N 从沸石中解析出来，被其它滤料上的硝化细菌通过硝化作用而去除。因此沸石BAF 有很好的抗冲击负荷的能力，能够保证处理过程中出水的稳定性。而陶粒滤料上附着的大量的微生物也保证了当受到冲击负荷时出水的稳定性。2.6反冲洗比较

反冲洗是BAF 运行中一道很重要的步骤，对保

3结论

对城市污水厂二级出水进行了沸石BAF 和陶粒

BAF 性能对比试验，结果表明，2种滤料BAF 均可以有效地去除有机物和NH 3-N 。在气水体积比3:1、水力负荷为1m 3·m -2·h -1，温度分别为20～25℃和15～19℃情况下，沸石BAF 和陶粒BAF 对COD 去除率分别为12.67%和21.93%，出水COD 分别为31.46和37.06mg ·L -1；NH 3-N 去除率分别为96.64%和97.79%，出水NH 3-N 的质量浓度分别可降到1.46

高连敬，曝气生物滤池沸石和陶粒滤料性能对比研究和1.20mg ·L -1。

沸石BAF 和陶粒BAF 在同样条件下处理污水厂二级出水均可达到良好的处理效果，且保持较好的抗冲击负荷能力。沸石滤料和陶粒滤料的硝化性能类似，均对NH 3-N 有良好的去除效果。由于沸石价格低廉，因此沸石滤料是一种性能优越而又经济的填料。

目前的BAF 试验是在比较短的一段时间内完成的，对于BAF 的长期运行以及沸石滤料和陶粒滤料长期运行过程中的变化情况缺乏研究。需要后续的试验以追踪BAF 的长期运行情况。

国内已经有了将粘土陶粒应用于BAF 的工程实例，但是还没有将沸石应用于BAF 的工程实例，建议尽快实现沸石BAF 的工程应用。

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参考文献：

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Joanna Surmacz-Coraka. Nitrification monitoring in activated sludge by oxygen uptake rate (OUR)measurements[J].Water Research, 1996,30(5):1228-1236.

COMPARISON OF BIOLOGICAL AERATED FILTRATION PERFORMANCE BETWEEN

ZEOLITE MEDIA AND CERAMISITE MEDIA

Gao Lianjing

(ArchitecturalDesign and Research Institute of Tongji University, Shanghai 200092, China )

Abstract:Biological aerated filter (BAF)is one of the newly developed wastewater treatment technology. A type of suitable zeolite media and a type of

3

suitable ceramisite were selected and used in one pilot-scale up-flow BAF to treat secondary effluent respectively. Under hydraulic loading of 1m ·m -2·h -1

and ratio of gas to water of 3:1,at temperature of 20～25℃，the results of treating secondary effluent by using zeolite BAF showed that the removal effi-ciencies of COD and ammonia-N were 12.67%and 96.64%respectively, their average effluent concentrations were 31.46mg ·L -1and 1.46mg ·L -1. The results of treating secondary effluent by using ceramisite BAF under hydraulic loading of 1m 3·m -2·h -1and ratio of gas to water of 3:1,attemperature of showed that the removal efficiencies of COD and NH 3-N were 21.93%and 97.79%respectively, and their average effluent concentrations 15～19℃，

·L -1and 1.20mg ·L -1respectivley. were 37.06mg

Keywords:biological aerated filter (BAF);zeolite;

ceramsite

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

广西壮族自治区玉林市兴业县污水处理厂工程

该项目位于广西壮族自治区玉林市兴业县，设计规模为日处理生活污水2万吨。工程由兴业县城市建设投资有限公司负责建设。项目总投资4000万元。建设周期：2009年－2009年。

业主单位：兴业县城市建设投资有限公司；电话：0775-3769927；地址：广西壮族自治区玉林市兴业县；邮编：537800

设计咨询单位：广西壮族自治区城乡规划设计院；电话：0771-5861922；地址：广西壮族自治区南宁市东葛路30号；邮编：530022

（沈诚）

北京市房山区韩村河镇污水处理和再生水厂（一期）工程

该项目位于北京市房山区韩村河镇，总占地面积1.1公顷。设计规模为日处理污水4000吨，处理再生水2500吨。同时新建污水收集管网17.528km ，其中：管径DN300～800mm ，管材采用钢筋混凝土管；新建再生水回用管网12.434km ，其中：管径DN150～250mm ，管材采用PE 玻璃管。工程主要建设内容包括：粗、细格栅间1座；集水井及泵房1座；旋流除砂间1座；CASS 生物反应池2座；污泥贮池1座；鼓风机房1座；污泥脱水车间1座；调节池提升泵站1座；活性砂过滤器间1座；清水池1座；供水泵水泵站1座；加氯加药间1座；变配电间1座；综合楼1座；机修间、车库及仓库1座；传达室1座及厂区道路、绿化、照明、围墙等配套工程。项目总投资4600万元。建设周期：2009年－2010年。

业主单位：北京市房山区韩村河镇人民政府；电话：010-80380608；地址：北京市房山区韩村河镇；邮编：4102400

（鲍旭）