BAF单系统处理玉米青贮渗出液主要影响因素分析
邹海明1, 2，汪建飞1，王艳1，李飞跃1
(1. 安徽科技学院 资环系，安徽 凤阳，233100；
2. 东南大学 能源与环境学院，江苏 南京，210096)
摘要：采用单级曝气生物滤池系统处理玉米青贮渗出液，考察水力负荷、气水比、有机负荷和滤床高度对BAF系统运行的影响。研究结果表明：当水力负荷从0.5 m3/(m2·h)升高到3.0 m3/(m2·h)过程中，COD和NH3-N的去除率先升高后降低，当水力负荷为1.5 m3/(m2·h)时，COD和NH3-N的去除率达到最大，分别为83.5%和74.9%；增加气水比使得系统中溶解氧充足，可明显提高COD和NH3-N去除率，当气水比为3.5:1时，COD和NH3-N的去除率达到最大，分别为87.5%和75.2%；低有机负荷不利于COD和NH3-N的去除，当有机负荷(以COD计)为2.4 kg/(m3·d)时，COD和NH3-N去除率分别为49.6%和58.5%，但过高的有机负荷对NH3-N去除率影响较大，当有机负荷为7.2 kg/(m3·d)时，NH3-N去除率为61.7%；滤床高度对硝化反应去除NH3-N影响较大，NH3-N生物硝化反应去除行为主要发生在0.6~1.0 m区域，因此，适当增加滤床高度可以提高NH3-N去除率；采用BAF系统处理玉米青贮渗出液是可行的，为同类废水处理和控制农村水环境质量提供借鉴。
关键词：玉米青贮；渗出液处理；生物滤池；硝化反应；沸石
中图分类号：X703.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)02-0823-06
Analysis of main influencing factors on corn silage effluent treatment by BAF system
ZOU Haiming1, 2, WANG Jianfei1, WANG Yan1, LI Feiyue1
(1. Department of Resource and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;
2. School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)
Abstract: Single biological aerated filter was adopted to treat corn silage effluent from dairy farm of Fengyang, China. Four main influencing factors (hydraulic loading, gas-water ratio, organic loading and filter bed height) on BAF system were studied in this experiment. The results show that the removal rates of COD and NH3-N both increase at first and then decrease when hydraulic loading is from 0.5 m3/(m2·h) to 3.0 m3/(m2·h), whose removal rates of COD and NH3-N reach the maximum with 83.5% and 74.9%, respectively at 1.5 m3/(m2·h); with the increase of the gas-water ratio, the removal rates of COD and NH3-N increase when the gas-water ratio is up to 3.5:1, the removal rates of COD and NH3-N reach the highest, 87.5% and 75.2%, separately. COD and NH3-N are extremely difficult to treat under low organic loading, and when the organic loading is 2.4 kg/(m3·d), the removal rates of COD and NH3-N only reach 49.6% and 58.5%, but the removal rate of NH3-N is also rather low under too high organic loading, when the organic loading is 7.2 kg/(m3·d), the removal rate of NH3-N is just 61.7%. Influence of filter bed height upon treatment NH3-N is rather significant because of poor nitrification and the removal rate of NH3-N in the height range 0.6 m to 1.0 m is higher than others, therefore, the removal rate of NH3-N can be enhanced by properly increasing the filter bed height. It is feasible and effective to treat corn silage effluent by BAF system, which offers useful references for wastewater treatment and rural water environmental quality control.
Key words: corn silage; effluent treatment; biological filter beds; nitrification; zeolite
曝气生物滤池(biological aerated filter，简称BAF)，是20世纪80年代末90年代初在普通生物滤池的基础上，并借鉴给水滤池工艺而开发的污水处理新工艺，最初用于污水的三级处理，后发展成直接用于二级处理。自20世纪80年代在欧洲建成第1座BAF污水处理厂后，BAF已在欧美和日本等发达国家广为流行，目前世界上已有数百座污水处理厂采用了这种技术[1-3]。20世纪90年代初我国就开始对BAF工艺进行试验研究和开发，并已将BAF成功地应用于多个大、中、小型工程；随着实际工程的运行，BAF的优点越来越受到我国水处理界的关注[4]。该技术不仅可用于水体富营养化处理，而且可广泛地被用于城市污水、小区生活污水、生活杂排水和食品加工废水、酿造和造纸等高浓度废水的处理[1-2, 5-14]。该技术最大的特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省后续二次沉淀池，具有去除悬浮固体(suspended solid，SS)、化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)、脱氮除磷、除去可吸附有机卤化物(absorbable organic halogens，AOX)等有害物质的作用。此外，BAF工艺还具有水力负荷(hydraulic loading)大、有机负荷(organic loading)高、水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)短、所需基建投资少、能耗及运行成本低等特点。BAF系统中有机物等污染物质的降解和去除过程复杂，同时发生着污染物质在污水和生物膜中的传质过程；有机物的好氧和厌氧代谢；氧在污水和生物膜中的传质过程和生物膜的生长和脱落等过程。这些过程的发生和发展决定了BAF净化污水的性能，影响这些过程的主要因素有有机负荷、水力负荷、气水比(gas-water ratio，指通入的空气量体积与进水量体积之比，用来控制溶解氧(dissolved oxygen, DO)含量)和滤床高度(filter bed height)。畜牧标准化规模养殖是现代畜牧业发展的必由之路。近年来，在国家政策扶持和倡导下，我国畜牧业发展非常迅速。在舍饲规模条件下，牛羊以全株玉米青贮饲料为主要日粮模式。青贮饲料是在密封条件下，通过附着在植物体表的乳酸菌的发酵活动，使pH降低而得以保存青绿饲料。在常规青贮调制过程中，必须保证原材料一定的含水量，并经适当的压实,使植物汁液渗出，以利于乳酸菌的活动。但原材料水分含量较高并机械加工后，会形成大量的植物汁液[15]，其COD和TN质量浓度分别为110~350和120~160 mg/L。如果超过植物体本身的吸持能力，会造成青贮渗出液的发生。1个存储1 000 t的塔或窖，一次青贮可产生渗出液14.6~30.0 万L[16]，大量的青贮渗出液严重地污染了周边的水环境，目前我国对青贮渗出液的处理和处置研究较少。在此，本文作者在前期工作的基础上，考察水力停留时间、水力负荷、有机负荷和溶解氧对BAF技术处理玉米青贮渗出液的影响，以期为同类废水处理及BAF技术推广应用提供参考。
1 材料与方法
1.1 废水水质
废水系安徽凤阳某养牛场玉米青贮站青贮渗出液，其主要水质参数：TN 120~160 mg/ L，COD 110~350 mg/L，SS 132~169 mg/L。实验中进水COD和NH3-N质量浓度分别为220和105 mg/L。
1.2 BAF工艺流程图
图1所示为BAF工艺流程图。
图1 BAF工艺流程图
Fig.1 BAF system process
调节池主要调节水质(调pH、去除粗大悬浮物)和水量，其长×宽×高为0.5 m×0.3 m×0.4 m，有机玻璃材质。玉米青贮渗出液经过调节池调节后进入BAF系统，气体和进水流量通过流量计控制。BAF系统总高度为1.4 m，内径为0.1 m，有机玻璃材质；滤床高度为1.0 m，滤床填料为沸石，其粒径为3~5 mm，堆积密度为1 050 kg/m3，比表面为11.2 m2/g，空隙率为43.5%；滤床下层放置多孔挡板，上面垫粒径为15 mm左右细卵石作为支撑层，高度为0.08 m；在滤床上0.15 m处安装液位管，用来显示池内液面高度；在滤床沿程高度上设置4个出水采样口，分别是0.2，0.4，0.6和0.8 m，加上进水和出水测定，整个实验共6个样品待测定。BAF系统出水进入澄清池，部分用于反冲洗用水，其余排放。反冲洗周期72 h，采用气水联合反冲洗方法，其步骤为先关闭进水，然后气冲3 min，气水冲5 min，水冲8 min，流量为4~6 L/min，通过流量计控制。
1.3 分析方法
1.3.1 参数测定[17]
采用重铬酸钾法GB 11914—89测定COD质量浓度；采用纳氏试剂分光光度法GB 7479—87测定NH3-N质量浓度；采用便携式pH计法测定pH；采用便携式溶解氧仪法测定DO质量浓度。
1.3.2 数据处理
(1) 有机负荷计算方法：在水力负荷确定的情况下，根据进水中COD质量浓度，计算有机负荷公式如下[4]：
(1)
式中：N为有机负荷(以COD计)，kg/(m3·d)；q为水力负荷，m3/(m2·h)；ρ0为进水中COD质量浓度，mg/L；H为滤床高度，m。
(2) 绘图及统计分析：采用origin8.0绘图、SAS12.0数据处理。
2 结果与讨论
2.1 水力负荷对BAF系统的影响
在气水比为3:1，水力负荷为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 m3/(m2·h)条件下，考察BAF系统运行情况，结果见图2。
由图2可知：水力负荷从0.5 m3/(m2·h)升高到3.0 m3/(m2·h)过程中，COD和NH3-N的去除率都是先升高后降低；当水力负荷为0.5 m3/(m2·h)时，COD的去除率为58.2%，出水COD质量浓度83.6 mg/L。因为水力负荷较小时，有机物、DO在滤料间的传质阻力加大，水流在滤池内分布不均，实验过程中也发现此阶段池内生物膜颜色深浅不一也证实了这一点；此外，水力负荷较小时，有机营养物质不足而使异养好氧菌增长繁殖受到抑制导致COD去除率偏低。NH3-N在水力负荷为0.5 m3/(m2·h)时的去除率略高于COD的去除率，为60.4%，尽管水力负荷较小，DO质量浓度有限，硝化反应受到限制，但沸石的交换吸附可以去除一定量的NH3-N[15]。当水力负荷为1.5 m3/(m2·h)时，COD和NH3-N的去除率达到最大，分别为83.5%和74.9%，其出水质量浓度中，COD为33.0 mg/L，NH3-N为26.4%。随着水力负荷的增加，营养物质丰富，微生物生长繁殖旺盛，促进生物膜生长提高了污染物的去除率；同时水力负荷的增加也加大了对生物膜的冲刷剪切，促进生物膜的更新。但过大的水力负荷不利于COD和NH3-N的去除，当水力负荷为3.0 m3/(m2·h)时，COD和NH3-N的去除率分别降至71.5%和52.3%，与最大去除率分别相差12.0%和22.6%，表明继续增加水力负荷NH3-N的去除受抑制程度明显大于COD的受抑制程度。水力负荷过大，有机负荷高，降低水力停留时间，影响了BAF系统处理效果。此外，过大的水力负荷增加了水力冲刷作用和剪切力，造成生物膜流失，使出水COD质量浓度增大，COD去除率下降。同时，加大水力负荷时，BAF下部区域生物膜明显呈黑绿色，表明污染物质浓度较高，营养物质丰富，生化反应快，生物膜较厚，生物膜内层DO不足而呈缺氧和厌氧状态，削弱了异养好氧菌的代谢活动；当水力负荷为1.5 m3/(m2·h)的基础上再增加时，NH3-N的去除率下降明显，到3.0 m3/(m2·h)时，与最大值相比下降30.2%，说明水力负荷的增加对单BAF系统的硝化反应影响显著。水力负荷提高，水力停留时间缩短，使对污泥龄较长的自养硝化菌和好氧异养菌的竞争处于劣势，生物活性降低；此外，水力负荷增大必然使得反冲洗操作频繁，使得比增长速率较低的硝化菌容易随水流失，进一步削弱了BAF系统硝化反应能力。
图2 水力负荷对BAF系统的影响
Fig.2 Influence of hydraulic loading on BAF system
2.2 气水比对BAF系统的影响
在水力负荷为1.5m3/(m2·h)，气水比为0.5:1，1.5:1，2.5:1，3.5:1和4.5:1条件下考察BAF系统运行情况，结果见图3。
图3 气水比对BAF系统的影响
Fig.3 Influence of gas-water ratio on BAF system
由图3可知：在水力负荷和进水污染物质量浓度一定情况下，随着气水比的增加，COD和NH3-N的去除效果明显增强，气水比从0.5:1增大到3.5:1，COD和NH3-N的去除率分别从52.5%和59.3%上升到87.5%和75.2%，表明足够的溶解氧对BAF系统去除效果有着重要影响；当气水比为0.5:1时，DO质量浓度不足，好氧微生物活性受到影响，新陈代谢能力降低，废水中的有机物氧化不能彻底进行，出水COD质量浓度较高，为104.5 mg/L；试验中也发现生物膜恶化变质，发黑且有轻微的臭味，同样说明DO质量浓度不足使BAF系统处理效果变差。但在较低的气水比时，DO质量浓度不足时NH3-N的去除率可以得到一定保证，且稍高于COD的去除率，这是沸石的交换吸附所致，这与水力负荷较低时实验结果一致(见图2)。当增大气水比时，曝气量增大，DO质量浓度升高，生物膜内的好氧微生物活比增长速率增大，有机物的降能力提高，表现为COD去除率明显提高；硝化菌是一种自养好氧菌，DO是硝化反应限制因素之一，提高BAF反应器的DO质量浓度，促进硝化反应进行，使NH3-N去除率提高。但继续增大气水比，从3.5:1到4.5:1，COD和NH3-N的去除率都呈下降趋势，且NH3-N去除率下降幅度大于COD去除率下降幅度，分别从87.5%和75.2%将至84.3%和71.6%。当气水比过大时，DO供应过多，因新陈代谢活动增强，营养物质缺乏使得生物膜内微生物进行内源呼吸而老化，活性降低，影响了出水水质。此外，过高的气水比也增加了BAF系统的运行成本。
2.3 有机负荷对BAF系统的影响
在水力负荷为1.5 m3/(m2·h)，气水比为3.5:1，有机负荷为2.4，3.6，4.8，6.0和7.2 kg/(m3·d) 条件下考察BAF系统的运行情况，结果见图4。不同有机负荷通过控制进水中COD质量浓度进行调节，计算方法见式(1)。
图4 有机负荷对BAF系统的影响
Fig.4 Influence of organic loading on BAF system
由图4可知：有机负荷对COD和NH3-N的去除率有一定的影响，随着有机负荷的增大先增大后降低。当有机负荷较低时，为2.4 kg/(m3·d)，COD去除率仅为49.6%。有机营养物质的不足明显影响了好氧异养菌的生长繁殖，生物膜活性降低，有机物被代谢分解缓慢，此时，NH3-N去除可到达58.5%，主要靠沸石的吸附作用完成[15]。随着有机负荷的增大，COD和NH3-N的去除率也逐渐增加，当有机负荷达到4.8 kg/(m3·d)时，COD和NH3-N去除率分别为80.9%和75.9%，相对较低负荷时，COD去除率的增长幅度要比NH3-N的大，这主要因为单BAF系统中硝化反应始终要受到好氧异养菌新陈代谢活动的抑制。继续增大有机负荷率，COD的去除率增加缓慢，当有机负荷率大于6 kg/(m3·d)时还逐渐下降。继续增大有机负荷对氨氮的去除率影响较大，当有机负荷为7.2 kg/(m3·d)时，NH3-N去除率降为61.7%，与最低有机负荷2.4 kg/(m3·d)时的去除率相差不大，过量的有机物明显地抑制了硝化反应的发生，因为有机负荷增加，BAF系统中营养物质充足，世代周期短的异养菌迅速繁殖，大量消耗水中的DO，造成世代周期长的自养硝化菌因竞争处于劣势而缺少DO，抑制了硝化菌的繁殖，其硝化能力大大降低。因此，当有机物的质量浓度增大到一定程度时，硝化作用明显减弱，NH3-N去除率大大降低，此时，BAF系统出水的pH偏高也说明了系统中硝化反应发生缓慢。
2.4 滤床高度对BAF系统的影响
在水力负荷为1.5 m3/(m2·h)，气水比为3.5:1，有机负荷为4.8 kg/(m3·d)时考察滤床不同高度区域(0~0.2，0.2~0.4，0.4~0.6，0.6~0.8和0.8~1.0 m)BAF系统运行情况，结果见图5。
由图5可知：滤床高度对COD和NH3-N去除率有重要影响，不同的滤床高度下，COD和NH3-N去除速率不同。在BAF系统中，COD的去除主要发生在0~0.6 m区域，在这个区域COD去除率占整个系统总COD去除率的95.7%。在0~0.2，0.2~0.4和0.4~0.6 m各区域COD去除速率逐渐降低，去除率分别增大41.5%，28.1%和8.8%，因为在进水口处有机物质量浓度高，营养物质丰富，DO质量浓度高，好氧异养菌生长繁殖旺盛，活性高，有机物降解速度快；此外，在进水口区域悬浮固体(SS)截留程度高也促进了COD的去除。污水中含碳有机物质量浓度是影响生物硝化反应的重要因素。在0~0.6 m区域有机物质量浓度高，自养硝化菌与好氧异养菌竞争处于劣势，硝化反应受到抑制，但仍有47.9%的NH3-N去除率，主要是沸石填料的交换吸附行为，沸石填料在去除NH3-N上与其他填料材料相比有着明显的优势[15]。随着滤床高度上升，污水中有机物质质量浓度逐渐降低，好氧异养微生物因营养缺乏而活性降低，基质浓度为反应速率的抑制因子。在实验中发现0.6~0.8 m区域有机物降解速率明显变小，COD去除率较0~0.6 m区域仅增长3.5%。在BAF系统中：1 m处COD去除率反而降低了1.7%，主要是脱落的生物膜部分随着出水流出，提高了出水中COD质量浓度。然而，0.6~1.0 m区域是NH3-N的生物硝化反应的主要区域，在0.6~0.8 m和0.8~1.0 m区域去除率明显增高，分别为14.5%和17.2%，这个区域好氧异养菌因营养物质缺乏，活性降低，使得自养硝化菌成为优势种群，促进硝化反应的发生。
图5 滤床高度对BAF系统的影响
Fig.5 Influence of filter height on BAF system
3 结论
(1) 利用BAF系统来处理玉米青贮渗出液是可行的，在水力负荷为1.5 m3/(m2·h)，气水比为3.5:1，有机负荷为4.8 kg/(m3·d)条件下，出水达到GB 8978—1996(《污水综合排放标准》)二级标准，极大地改善了玉米青贮站周边水体环境，且该工艺占地面积小，能耗低，操作简便，符合“三农”发展的实际情况，具有很好的经济效益和环境效益。
(2) 水力负荷过低或过高都不利于COD和NH3-N的去除，当水力负荷为1.5 m3/(m2·h)时，COD和NH3-N的去除率达到最大，分别为83.5%和74.9%。
(3) 增加气水比使得系统中溶解氧充足，可明显提高COD和NH3-N去除率，当气水比为3.5:1时，COD和NH3-N的去除率达到最大，分别为87.5%和75.2%。
(4) 低有机负荷不利于COD和NH3-N的去除，当有机负荷为2.4 kg/(m3·d)时，COD和NH3-N去除率分别为49.6%和58.5%；但过高的有机负荷对NH3-N去除率影响较大；当有机负荷为7.2 kg/(m3·d)时，NH3-N去除率为61.7%。
(5) 滤床高度对NH3-N的去除有重要影响，NH3-N生物硝化反应去除行为主要发生在0.6~1.0 m区域。在保证BAF系统中含一定DO质量浓度时，适当增加滤床高度有助于自养硝化菌的繁殖，从而促进硝化反应进行，提高NH3-N去除率。若滤床高度过高，会增加水气传递阻力，增加成本，因此，在实际应用中，应根据进水水质情况设计合理的滤床高度范围。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-02-10；修回日期：2012-04-17
基金项目：安徽省教育厅自然科学研究项目(KJ2010B292)
通信作者：邹海明(1977-)，男，安徽巢湖人，博士研究生，讲师，从事水处理教学和研究；电话：13855068967；E-mail：hmzou@126.com
