反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性金秋

环境工程学报ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringISSN1673-9108,CN11-5591/X《环境工程学报》网络首发论文题目：反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性作者：金秋，陈昊，崔敏华，张衍，郑志永，刘和，刘宏波收稿日期：2018-10-29网络首发日期：2019-03-27引用格式：金秋，陈昊，崔敏华，张衍，郑志永，刘和，刘宏波．反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性[J/OL]．环境工程学报.网络首发：在编辑部工作流程中，稿件从录用到出版要经历录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿等阶段。录用定稿指内容已经确定，且通过同行评议、主编终审同意刊用的稿件。排版定稿指录用定稿按照期刊特定版式（包括网络呈现版式）排版后的稿件，可暂不确定出版年、卷、期和页码。整期汇编定稿指出版年、卷、期、页码均已确定的印刷或数字出版的整期汇编稿件。录用定稿网络首发稿件内容必须符合《出版管理条例》和《期刊出版管理规定》的有关规定；学术研究成果具有创新性、科学性和先进性，符合编辑部对刊文的录用要求，不存在学术不端行为及其他侵权行为；稿件内容应基本符合国家有关书刊编辑、出版的技术标准，正确使用和统一规范语言文字、符号、数字、外文字母、法定计量单位及地图标注等。为确保录用定稿网络首发的严肃性，录用定稿一经发布，不得修改论文题目、作者、机构名称和学术内容，只可基于编辑规范进行少量文字的修改。出版确认：纸质期刊编辑部通过与《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司签约，在《中国学术期刊（网络版）》出版传播平台上创办与纸质期刊内容一致的网络版，以单篇或整期出版形式，在印刷出版之前刊发论文的录用定稿、排版定稿、整期汇编定稿。因为《中国学术期刊（网络版）》是国家新闻出版广电总局批准的网络连续型出版物（ISSN2096-4188，CN11-6037/Z），所以签约期刊的网络版上网络首发论文视为正式出版。1/12环境工程学报ChineseJournalofEnvironmentalEngineering反硝化生物滤池反冲洗周期优化及水力特性金秋1,陈昊1,崔敏华1,2,3,张衍1,2,3,郑志永1,2,刘和1,2,3,刘宏波1,2,3,*1.江南大学环境与土木学院环境工程系，无锡2141222.江苏省厌氧生物技术重点实验室，无锡2141223.江苏省水处理技术与材料协同创新中心，苏州215009第一作者：金秋(1994—)，女，硕士研究生。研究方向：废水处理工程。E-mail：[e-mail]*通信作者：刘宏波(1980—)，男，博士，副教授。研究方向：污水生物处理技术等。E-mail：[e-mail]基金项目：江苏省太湖水环境综合治理科研课题资助项目（TH2016201）；江苏省自然科学基金资助项目（BK20180633）收稿日期:2018-10-29；录用日期：2019-03-05DOI10.12030/j.cjee.201810175中图分类号X703文献标识码A摘要为探究反硝化生物滤池（DNBF）的最适运行参数和反冲洗周期，分别以石英砂和火山岩构建起2套DNBF，优化了水力停留时间（HRT）和碳氮比（C/N）；通过滤池的处理效果、停留时间分布（RTD）分析和水力模型拟合确定了最佳的反冲洗周期。结果标明：在DNBF稳定运行后，2种填料的滤池处理效果相近，当HRT和C/N分别为2h和4:1时，出水的化学需氧量（COD）和总氮（TN）分别是（28.3±1.2）mg·L-1和（2.5±0.3）mg·L-1，此时碳源利用率较高；由脱氮性能和RTD分析得出的最佳反冲洗周期为1d，出水COD和TN可分别达到（17.9±1.4）mg·L-1和（1.8±0.2）mg·L-1；当反冲洗周期延长后，滤池出水COD上升，脱氮性能大幅度下降，RTD曲线出峰从1θ（标准化时间）提前到0.5θ处，1.25θ和1.5θ处出现沟流现象，滤池中的流态趋向于混流式的多釜串联模型。通过RTD实验揭示不同反冲洗工况下DNBF内部水力特性的变化，可用于优化滤池的反冲洗周期。关键词反硝化生物滤池；反冲洗周期；停留时间分布；水力模型OptimizationofbackwashingcycleandhydrauliccharacteristicsofdenitrifyingbiofilterJINQiu1,CHENHao1,CUIMinhua1,2,3,ZHANGYan1,2,3,ZHENGZhiyong1,2,LIUHe1,2,3,LIUHongbo1,2,3,*1.SchoolofEnvironmentalandCivilEngineering,JiangnanUniversity,Wuxi,214122,China2.JiangsuKeyLaboratoryofAnaerobicBiotechnology,Wuxi,214122,China3.JiangsuCollaborativeInnovationCenterofTechnologyandMaterialofWaterTreatment,Suzhou,215009,China2019-03-2708:41:09*Correspondingauthor，E-mail：[e-mail]timaloperatingparametersandbackwashingcycleofdenitrifyingbiofilters(DNBFs),twoDNBFswereconstructedwithquartzsandandvolcanicrockservedasfiltermaterial.Hydraulicretentiontime(HRT)andcarbon/nitrogenratio(C/N)ofDNBFswereoptimized.Optimalbackwashingcyclewasdeterminedbythetreatment,residencetimedistribution(RTD)andhydraulicmodelfitness.TheresultsshowedthatafterthestableoperationofDNBFs,thefiltertreatmenteffectoftwokindsoffillerswassimilar.WhenHRTandC/Nwere2hand4:1,chemicaloxygendemand(COD)andtotalnitrogen(TN)oftheeffluentwere(28.3±1.2)mg·L-1and(2.5±0.3)mg·L-1,respectively.Underthiscondition,thecarbonsourceutilizationefficiencyfordenitrificationwasoptimum.AccordingtonitrogenremovalperformanceandRTDanalysis,theoptimalbackwashingperiodwas1dandtheconcentrationsofeffluentCODandTNgotdownto(17.9±1.4)mg·L-1and(1.8±0.2)mg·L-1,respectively.Whenthebackwashingcyclewasextended,theeffluentCODconcentrationwasincreasedandthedenitrificationperformancewasdeteriorated.ThepeakoftheRTDcurvemovedforwardfrom1θ(normalizedtime)to0.5θ,andthechannelingphenomenonwasoccurredat1.25θand1.5θ.TheflowregimeintheDNBFtendedtobeamixed-flowmulti-tankseriesmodel.TheexperimentalresultsshowthatRTDexperimentrevealsthechangeofinternalhydrauliccharacteristicsofDNBFsunderdifferentbackwashingconditions,whichcanbeusedtooptimizethebackwashingcycleofthefilter.Keywordsdenitrifyingbiofilter(DNBF);backwashingcycle;residencetimedistribution(RTD);hydraulicmodel近年来，污水处理领域的焦点逐渐从有机物的高效降解，转向氮磷营养元素的深度去除。过量的氮磷元素排放进入水体，极易形成水华等环境问题[1]。因此，国家和地方政府逐渐提高污水的排放标准，减少氮磷污染物的排放量。相对而言，废水中的磷可以通过化学手段实现高效去除，而深度脱氮是制约污水提标的主要瓶颈[2]。传统污水处理工艺对氮的去除效率不高，造成出水中氮含量偏高[3]。后置反硝化滤池是一种有效的二级出水深度处理工艺，其具有占地面积小、出水水质好的特点，同时不影响前序工艺，可以降低改造成本[4]。由于其具有较好的脱氮效果，已成为污水深度处理领域研究和应用的热点技术[5-6]。反硝化生物滤池（DNBF）在运行过程中，进水中所含的生物絮体、悬浮固体以及填料表面过度生长的生物膜都可能会引起滤料层的堵塞，影响滤池的处理效果，因此，需要对滤池进行反冲洗以恢复其正常的净水功能[7]。反冲洗是控制生物膜厚度，防止滤池堵塞必不可少的环节。反冲洗周期作为生物滤池的重要运行参数，对于DNBF的工程应用具有重要意义[8]。目前，关于DNBF反冲洗过程的研究大多集中在反冲洗前后出水水质指标或者生物膜特性的变化上。LIU等[8]通过在线监测出水浊度的变化来实时优化和控制滤池的反冲洗周期；周晓黎等[9]通过对反冲洗前后生物膜特征的研究，发现反冲洗能大幅提高生物膜脱氢酶活性从而提高反应器的处理效果。反冲洗周期过长，滤池形成堵塞，池体内的流态会发生变化，并且大多数反应器的处理效果都与其内部的流体力学特性相关[10]。停留时间分布（RTD）实验可以依据流出反应器的示踪剂浓度和时间的关系分析反应器内部的水力流态，是一种有效的原位解析反应器内部水力流动特征的技术[11]。目前，通过出水基本参数优化反冲洗程序的研究已较为成熟[12]，而通过RTD实验反映不同反冲洗工况的水力特性的研究较少。因此，RTD实验可作为一种优化滤池的反冲洗周期的研究手段，揭示不同反冲洗周期工况下，DNBF内部水力特性的变化。基于此，本研究对反硝化生物滤池的基本参数（HRT和C/N）进行优化，通过不同反冲洗周期下DNBF的处理效果、RTD特性曲线分析、不同水力模型拟合与的RTD实验数据的相关性来确定和优化DNBF的反冲洗周期。1材料与方法1.1实验装置实验使用的DNBF为有机玻璃材质，圆柱形筒体（内尺寸为Φ50mm×650mm），如图1所示，自下而上分别为配水层、承托层、填料层、自由水层和超高层，高度分别为50、50、400、100和50mm，DNBF3/12的有效容积为0.98L。填料采用石英砂和火山岩填料，填充率分别为65%和60%，经过筛选后的当量直径均为2~4mm。滤池采用上向流的形式，底部设有进水口及反冲洗布水管，原水通过蠕动泵从进水管流入，经过滤料，从上部溢流口排出。同时，反冲洗水也从滤池底部进入