曝气生物滤池沸石和陶粒滤料性能对比研究

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
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效果，且保持较好的抗冲击负荷能力。在气水体积比 3:1、水力负荷为 1 m3·m-2·h-1，温度分别为 20～25 ℃和 15～19
℃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 37.06 mg·
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 NH3-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 NH3-N 的能力，故以沸石为滤料的 BAF 具有较强的 抗 NH3-N 冲击负荷能力[3-4]。
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5
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25
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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 17.24 m2·g-1，但是
图 6 陶粒 BAF 启动挂膜过程中对 NH3-N 的去除 Fig.6 The removal of NH3-N by ceramsite BAF in start-up phase
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图 4 沸石 BAF 启动挂膜过程中对 NH3-N 的去除
Fig.4 The removal of NH3-N by zeolite BAF in start-up phase
说，球菌个体大小在 0.5～2 μm，杆菌一般长 1～5 μm、宽 0.5～1 μm，因此沸石表面这许许多多的孔穴 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 NH3-N 的去除率。
第 35 卷 第 12 期 2009 年 12 月
水处理技术 TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT
Vol.35 No.12
Dec.,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
高连敬，曝气生物滤池沸石和陶粒滤料性能对比研究
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图 5 是启动挂膜过程中陶粒 BAF 对 COD 的去 除效果。
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COD
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COD/mg L
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图 5 陶粒 BAF 启动挂膜过程中对 COD 的去除
Fig.5 The removal of COD by ceramsite BAF in start-up phase
从图 2 可以看到，粘土陶粒表面非常粗糙，密密
从图 4 可以看出，沸石对 NH3-N 的去除效果比 较好。进水 NH3-N 的平均质量浓度为 33.75 mg·L-1， 出水 NH3-N 平均为 2.62 mg·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
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 200 μm 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。
项目
最大 最小 平均 测定方法
表 1 试验水质及测定方法
Table 1 Quality of influent water
COD/mg·L-1 ρ(NH3-N)/mg·L-1
87.36
75.61
28.00
30.35
45.19
52.54
重铬酸钾法 纳氏试剂光度法
温度 /℃ 25 5
温度计
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
cm，填料层高度 180 cm。系统采用向上流方式运行，
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 3～4 mm，沸石颗 粒粒径 2～4 mm。 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，NH3-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。
始明显下降，在挂膜第 15 天的时候，出水 NH3-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 10 mg·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 NH3-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
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NH -N
/%
ÂÃÁÁÂÃÁ60
80
(NH -N)/mg L
mg·L-1，可见采用陶粒滤料其启动挂膜的速度还是 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 度也对 BAF 的应用产生一定的影响。尤其是硝化菌 世代时间比较长，培养挂膜比较困难。
Fig.3 The removal of COD by zeolite BAF in start-up phase
×25
×5 000
图 1 沸石颗粒表面状况
Fig.1 SEM images of zeolite particles
水 COD 平均为 47.11 mg·L-1，出水 COD 平均值为 38.88 mg·L-1，COD 平均去除率为 17.5%。
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
水 2 d；另一方面，沸石表面逐渐所生长的生物膜对 NH3-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 NH3-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
19～23
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 37 d；而陶粒在 15 ℃的水温条 件下，整个挂膜历时不到 30 d，甚至第 20 天时就对
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NH3-N 有很好的处理效果（见图 6）。因此，相比较来
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40
说，陶粒滤料更容易挂膜，更容易让微生物附着生长。
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20
这一点可以从沸石和陶粒的表面结构来解释，从
污水厂二级出水可生化性比较差，有机物含量 低。从图 5 可以看出，启动开始，BAF 对 COD 的去 除率就不是很高，整个过程平均 COD 去除率为 11.67%，去除效果依赖于进水 COD 的变化，但其出 水的 COD 呈现持续下降的趋势。
图 6 为在启动挂膜期间陶粒 BAF 对 NH3-N 的 去除效果。
滤料
水力负荷 / m3·m-·2 h-1
表 2 2 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
水力停留时间 /h
水温 / ℃
在沸石 BAF 试验中，沸石对 NH3-N 有较大的 交换吸附容量，因此沸石 BAF 启动开始时出水 NH3-N 含量就保持在一个较低的水平；启动期间，出 水 NH3-N 的质量浓度平均为 2.62 mg·L-1，最高为 7.54 mg·L-1，所以，采用沸石作为滤料填料，在离子 交换吸附和生物膜硝化的共同作用下，出水 NH3-N 含量会一直保持在比较低的水平。而陶粒对 NH3-N 没有选择性吸附能力，对 NH3-N 的去处完全是通过 滤料表面所附着生长的生物膜来完成，所以在启动 挂膜过程中，初期生物膜还没有长成，出水 NH3-N 含量会很高，随着生物膜的逐渐生长，出水 NH3-N 含量才会逐渐降低（见图 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。
1 试验装置和方法
1.1 装 置 试验滤柱为机玻璃柱，直径 20 cm，总高度 310
图 4 显示了启动期间沸石 BAF 对 NH3-N 的去 除效果。
NH -N
/%
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(NH -N)/mg L
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×25
×5 000
图 2 粘土陶粒表面状况
Fig.2 SEM images of ceramsite particles
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 1～30 μm。一般来
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水处理技术
第 35 卷 第 12 期
为了更好地观察这 2 种滤料的表面状况，用扫描电
ÁÂÁ 镜分别在25倍和5000倍条件下观察沸石颗粒和
ÂÃ 粘土陶粒这2种滤料，结果见图1和图2。
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COD/mg L
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COD
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图 3 沸石 BAF 启动挂膜过程中对 COD 的去除
L-1；NH3-N 去除率分别为 96.64%和 97.79%，出水 NH3-N 的质量浓度分别可降到 1.46 mg·L-1 和 1.20 mg·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；NH3-N
中图分类号：X703.1
文献标识码：A
文章编号：1000-3770(2009)12-053-05
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 40 d 的启动期间，进
NH3-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 NH3-N，当硝化菌的生物量稳 定之后，出水 NH3-N 也就达到稳定，挂膜基本完成。 2.2.2 陶粒情况
法。将活性污泥导入滤柱，并加入营养液闷曝 4 d，然 后挂膜培养。当 NH3-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 NH3-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：13641749625；E-mail：gaolianjing1975@126.com
长成，沸石对 NH3-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 12 d 左右滤柱的沸石交换 能力达到饱和。但是到第 20 天开始 NH3-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
2.2 启动性能比较 2.2.1 沸石情况
沸石的内部孔隙只有不到 0.4 nm，小于微生物的尺 寸，只能附着生长在沸石粗糙的表面。而陶粒有相对
启动挂膜期间水温在 13～17 ℃内，这个温度并 更为发达的大孔隙结构，表面更为粗糙，微生物不仅
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 NH3-N 含量就开 2.3 处理效果比较
COD/mg·L-1
进水
出水
去除率 /%
ρ(NH3-N)/mg·L-1
进水
出水
沸石
1
沸石
2
陶粒
1
陶粒
2
1.8
20～25
36.18
31.46
12.67
44.43
1.46
0.9
16～20
38.00
32.60
14.21
46.29
11.83
1.8
15～19
48.10
37.06
21.93
54.54
1.20
0.9