牡蛎壳生物曝气滤池对城市污水的处理研究外文翻译资料

牡蛎壳生物曝气滤池对城市污水的处理研究

摘要：采用牡蛎壳和塑料球作为生物曝气过滤器（BAF）介质，处理两个实验室规模上流BAFs的城市污水。结果表明，当水力停留时间（HRT）大于4 h时，牡蛎壳BAF和塑料球BAF的平均化学需氧量（COD）去除率分别为85.1％和80.0％，HRT为2 h时，平均化学需氧量（COD）去除率为65.7％和68％。在去除氨氮（NH₃ - N）方面，HRT长于4 h时牡蛎壳 BAF 和塑料球 BAF 的平均去除率分别为98.1％和93.7％，HRT为2 h时的去除率分别为47.2％和65.1％。随着pH值分别增加到9和10，牡蛎壳 BAF 的总磷（TP）去除率分别增加到79.9％和90.6％，而塑料球 BAF 没有观察到任何改善。与进水相比，牡蛎壳 BAF 的出水 pH 值更高，主要是由于壳中释放的 CaCO₃ 的缓冲作用。与塑料球 BAF 相比，当 HRT 超过4 h时，牡蛎壳也可能是支持 BAF实现更高NH₃ - N去除效率的主要原因。

1.介绍

生物曝气滤池（BAF）是一种新型、灵活且有效的生物反应器，可在废水处理的各个阶段提供小型工艺^[1]。BAF最初是在欧洲开发的，由于其与其他系统相比具有优势，因此作为废水处理系统在全世界广泛应用^[2]。Stensel 和Reiber ^[3] 发现 BAF 系统所需的土地大约只有塑料填料滴滤器所需土地的五分之一，是活性污泥厂所需土地的十分之一。BAF 技术基于通过浸没颗粒介质进行生物过滤的原理，其用于两个目的：通过附着在大支撑介质表面上的生物质对有机物质进行生物转化，以及通过介质过滤物理去除悬浮颗粒。作为分散式废水处理的前景技术，BAF 可以在一个反应器单元中去除有机物、固体和 NH₃ - N。它可用于污水处理的二级和三级阶段，废水回收工程和新开发的膜技术的预处理过程，特别是在城市地区需要低土地利用的情况下^[4]。

Stephenson^[5]认为对于 BAF 最重要的是每单位体积能提供大表面积用于生物膜开发的填料。这些过程的最初目的是获得碳氧化和固体过滤^[6]。近年来，已经开发了几种使用 BAF 的技术来处理来自屠宰场、纸浆厂、工厂的废水^[7,8]，以及纺织和油田废水等难降解废水^[6,9]。此外，已经研究了一些 BAF 组合技术来处理福尔马林废水并从低碳氮废水中去除氮^[10,11]，已经进行了几项模型研究以改进性能和理论知识^[12,13]。

对于 BAF 来说，填料的选择对于达到出水水质要求非常重要。填料在维持大量活性生物量和各种微生物种群方面发挥着关键作用。最常研究的生物膜载体介质包括各种类型的粘土，片岩或塑料基质，如聚乙烯，聚苯乙烯和聚乙烯^[14]。

牡蛎壳是海水养殖产生的废弃物，在沿海地区造成严重的处置问题，例如中国东南部。贝类养殖是区域经济的重要组成部分，因为将贝类作为饮食的主要部分的习俗创造了大量的海产品市场，每年都会产生大量的牡蛎壳，贝类养殖场面临着处理牡蛎壳废物的问题。倾倒入沿海水域或开垦土地的牡蛎壳废物会产生强烈的气味，并会污染周围环境。一些废牡蛎壳用作肥料和鸡饲料中的石灰石，但用途有限。废牡蛎壳会导致严重的固体废物污染问题。因此，回收已成为水产品养殖领域迫在眉睫的问题。理想的解决方案是将废牡蛎壳转化为既有益又经济可行的产品。

本研究的目的是研究废弃牡蛎壳作为 BAF 填料的用途。之所以选用牡蛎壳是因其可用性、特征形状、良好的刚性、突出的化学成分和生物稳定性。牡蛎壳有可能将 CaCO₃ 释放到废水中，因为其中96％以上的成分是 CaCO₃ ^[15]。壳体提供足够的碱度以增强由 BAF 中的硝化引起的 pH 降低。牡蛎壳也有利于通过产生磷酸钙沉淀从废水中除去磷。而且，其高粗糙表面使微生物容易生长和粘附。据我们所知，这是牡蛎壳首次用作城市污水处理领域的生物膜载体。

2.材料和方法

2.1 废水特征

城市污水来自于中国厦门大学的污水处理厂，原始进水的特征如表 1所示。

表 1：进水水质

2.2.反应堆描述

两个平行的实验室规模的 BAF 反应器由树脂玻璃制成，反应器分别装有牡蛎壳和塑料球。废牡蛎壳（图1.A）从工作场所附近的临时存储处获得，其中牡蛎与贝壳分离。塑料球介质（图1.B）购自中国上海同济大学。填料特点列于表2。反应器（图2）具有上流配置，高1.15米，内径0.10米。介质的高度为1.0米，有效体积为 7.8 L。空气通过位于距下侧入口0.3米的空气扩散器引入反应器，形成空气扩散器和下侧入口之间的厌氧区域，使用空气流量计控制空气流量。通过蠕动泵将原废水泵入BAF，并向上流过过滤介质层。空气与水的流量比控制在5：1。

使用逆流方式对两种 BAF 进行反洗，以定期除去积聚的悬浮固体（SS）和过量生物质。反洗过程的设计如下：在第一次洗涤步骤中关闭 BAF 的进料阀后，从过滤器底部引入空气3分钟；然后将流出物从顶部输送到 BAF 中，并将空气从底部送入 BAF 中5分钟；再将流出物再次引回到 BAF 的顶部3分钟。两种 BAF 反洗空气和水的速度分别为13 - 15 L（m²s）^minus;1 和4 - 5 L（m²s）^minus;1。

图 1：填料

图 2： BAF 图

1. 进水; 2-进气口; 3-反冲洗进气口; 4-扩散器;5-填料;6-止回器;7-出水和取样口;8-反冲洗进水口;9-反冲洗出口）

表 2：填料性能

2.3.分析方法

在研究期间，定期采集进水和出水样品，并根据标准方法测试 COD， NH₃ - N 和 TP 的浓度^[16].使用 pH 计（CyberScan pH 510，Eutech Co.，U.S.A.）测量温度和pH.A 探针（HI 9146，Hanna Co.，Italy）测量溶解氧（DO）。

3.结果和讨论

在整个研究中，两种BAF在水温 17.3℃ 至 23℃，DO ge; 2 mg/ L的条件下运行。设置4个水力停留时间，12 h、8 h、4 h 和 2 h，分别与水力负荷 0.071、0.11、0.22 和 0.44 m³/ m²h一致。COD，NH₃ - N，TP 的变化趋势及进水和出水的 pH 值显示在图3~图7。

3.1.两种 BAF 对于 COD 的去除效果

从图3发现两种 BAF 对于 COD 的去除性能均比较优异。与塑料球 BAF 相比，HRT 长于 4 h 时，牡蛎壳 BAF 具有稍高的 COD 去除效率。当 HRT 为 2 h 时，两个 BAF 的 COD 去除率均显著下降，牡蛎壳和塑料球 BAFs 的平均 COD 去除率分别为 65.7％和 68.0% 。牡蛎壳和塑料球 BAFs 出水中 COD 浓度范围分别为 8.0 - 29 mg / L（平均为 13.0 mg / L）和 7.2 - 33.4 mg / L（平均为18.6 mg / L）。在 HRT 超过 4 h 时，COD 去除率分别为 64％至 94.0％（平均为 85.1％）和 59.3％至 90.1％（平均为 80.0％）。当 HRT 为 2 h 时，牡蛎壳和塑料球 BAFs 出水中 COD 浓度为 20.6 - 67.4 mg / L（平均为 38.9 mg / L）和 22.0 - 56.2 mg / L（平均为 36.9 mg / L）；牡蛎壳和塑料球 BAFs 的 COD 去除率分别为 31.9% - 88.2％（平均为 65.7％）和 51.6% - 90.84％（平均为 68.0％）。这些观察证实 HRT 可能影响 COD 去除效率。对于较短的 HRT ，有机质在从 BAF 中排出之前未完全降解。此外，较短的 HRT 导致较高的水力负荷，因此对填料表面上的冲刷更强，导致表面上的生物量降低，从而降低 COD 去除率。

图 3：BAF 进水和出水中的 COD 浓度和去除量。

OS：牡蛎壳 BAF。PB：塑料球 BAF。

3.2 NH₃ - N 在两个 BAF 中的还原效果

如图4所示，当 HRT 超过 4 h 时，两种 BAF 均具有优异的 NH3 - N 去除率，并且当 HRT 为 2 h时，NH₃ - N 的去除率减少。牡蛎壳 BAF 出水中的 NH₃ - N 含量范围为 0.14 - 0.67 mg / L，平均为 0.44 mg / L。塑料球 BAF 出水中的 NH₃ - N 含量范围为 0.19 - 4.9 mg / L，平均 1.75 mg / L。当 HRT 长于 4 h，牡蛎壳和塑料球 BAF 的 NH₃ - N 去除率分别为 95.3% - 99.2％（平均 98.1％）和 82.8％ - 98.5％（平均为 93.7％）。当 HRT 为 2 h，牡蛎壳 BAF 的出水中 NH3 - N 浓度为 1.87 - 34.7 mg / L（平均为 16.1 mg / L），塑料球 BAF 为 2.11 - 34.7 mg / L（平均 10.6 mg / L）。牡蛎壳和塑料球 BAF 的 NH₃ - N 去除率分别为 6.2％ - 94.4％，平均为 47.2％；6.2％ - 93.3％，平均为 65.1％。结果表明，相较于 HRT 超过 4 h，HRT 为 2 h 时，NH₃ - N 在从 BAF 排出之前未完全硝化。这可以通过以下原因来解释。首先，当 HRT 为 2 h 时，BAF 中废水停留时间短，硝化细菌没有足够的时间硝化 NH₃ - N。其次，随着 HRT的降低，液压负荷增加，与此同时水和气体的冲击力也在增加。过强冲击力会迫使一些生物膜脱离 BAF，导致较低的 NH₃ - N 去除效率。第三，与 HRT 超过 4 h 相比，HRT 为 2 h 的出水中 DO 略低。因此，出水中相对较低的 DO 可导致 NH₃ - N 去除效率略微降低。第四，BAF 中的异养细菌和自养细菌之间存在竞争以争夺有机质，DO 和填料表面积。由水力负荷增加引起的较高有机负荷可能有利于异养细菌对抗自养细菌^[17]。结果，硝化作用被抑制使得 NH₃ -

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