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曝气生物滤池填料的研究进展
曝气生物滤池填料的研究进展
曝气生物滤池填料的研究进展
曝气生物滤池（Biologicalaeratedfilter：
BAF）处理污水是近年来开发出的污水处理工艺，已在欧美和日本广为流行，但在我国研究甚少。
曝气生物滤池最大的特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续沉淀池（如二沉池）。
此外，该处理工艺容积负荷、水力负荷大，占地面积、基建投资少，氧转移率高，出水水质好等特点。
1曝气生物滤池污水处理技术的发展
在城市污水的治理领域，传统的污水处理工艺，如传统活性污泥工艺及其变形工艺、生物氧化沟工艺、生物脱氮除磷工艺（A/O法、A/A/O法及其改进工艺）。
A-B工艺和SBR工艺等，处理的水质能达到排放水的一般要求，但不能达到城市一般回用水标准，而且投资和占地面积大，难于管理。
例如活性污泥法，其研究、应用、改进已有很长的历史，目前在世界上仍占优势地位，但同时也存在一些难以克服的缺点。
因此，近十几年来，各种废水处理新技术不断涌现。
在欧洲，为了适应新的标准[1-2]，陆续开发了一系列新的污水处理技术，曝气生物滤池从中脱颖而出。
它首先被用作三级处理，后来发展成直接用于二级处理[3]。
自第1套建在靠近巴黎的sois-sons污水处理厂的装置投产运行以来[4]，已在欧、美和日本等发达国家广为流行，目前世界上已有几百座污水处理厂应用了这种技术。
曝气生物滤池不仅用于水体富营养化处理，而且广泛地用于生活污水、生活杂排水和食品加工、水果蔬菜罐头、鱼肉制品、酿造和造纸等工业废水处理中。
2填料在曝气生物滤池中的核心地位
曝气生物滤池充分借鉴了污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物、定期反冲洗等特点于一体。
其工作原理主要有过滤、吸附和生物代谢[5]。
滤池工作时，在滤池中装填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生物膜，滤池内部曝气，污水流经时，利用滤料上高浓度生物膜的强氧化降解能力对污水进行快速净化；同时，因污水流经时，滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出；此外，填料及附着其上生长的生物膜对溶解性有机物具有一定的吸附作用。
运行一定时间后，因水头损失的增加，需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。
曝气生物滤池正是通过这样反复的周期性运转来处理污水的。
填料作为曝气生物滤池的核心组成部分，影响着曝气生物滤池的发展。
曝气生物滤池发展过程中依次出现过3种不同的形式[1、6-7]：
BIOCARBONE，BIOFOR和BIOSTYR，采用的填料各不相同。
BIOCARBONE采用的是石英砂粒；BIOFOR采用的是轻质陶粒；BIOSTYR采用的则是密度比水小的聚苯乙烯球形颗粒。
石英砂粒由于密度大，比表面积、孔隙率小；当污水流经滤层时阻力很大，生物量少，因此滤池负荷不高、水头损失大。
轻质陶粒和聚苯乙烯作填料时，由于密度小，比表面积、孔隙率大，生物量大，因此滤池负荷较大，水头损失较小。
国外的实际运行表明，BIOFOR和BIOSTYR明显优于BIOCARBONE。
事实上，BAF性能的优劣很大程度上取决于填料的特性，填料的研究和开发在BAF工艺中至关重要，为此，英国、美国和印度等国已制定了曝气生物滤池所用滤料的相应标准，法国德利满公司对应用于曝气生物滤池的滤料也制定了相应的说明书及测试规范，可见各国对曝气生物滤池的滤料都有严格的要求。
3填料的研究进展
曝气生物滤池所用填料，根据其采用原料的不同，可分为无机填料、有机高分子填料；根据填料密度的不同，可分为上浮式填料和沉没式填料。
无机填料一般为沉没式填料，有机高分子填料一般为上浮式填料。
常见的无机填料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨胀硅铝酸盐等，有机高分子填料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等。
国外，RebeccaMoore等[8][9]等人研究结果表明：
上浮式填料比沉没式填料对SS、有机物的去除率高，更耐有机负荷和水力负荷冲击。
Won-SeokChang[10]等以天然沸石和砂粒为填料研究BAF对纺织废水的处理效果发现：
天然沸石对纺织废水的处理效果优于砂粒的处理效果，这是因为天然沸石具有更强的阳离子交换能力和更大的比表面积。
这说明轻质填料取代高密度填料是曝气生物滤池污水处理技术发展过程中的必然趋势。
我国对曝气生物滤池填料的研究以陶粒为最多，这是因为陶粒作为填料的一种，不仅材料低廉易得，而且显示出的优良特性，特别适合我国的国情。
早期的陶粒大多采用页岩直接烧制、破碎、筛分而成，为不规则状（片状居多）。
最近出现的球形轻质陶粒，采用粘土（主要成分为偏铝硅酸盐）为原材料，加入适当化工原料作为膨胀剂，经高温烧制而成。
朱乐辉等人[11]以粘土为主要原料，结合其它化工原料在温度为1180℃时烧制的轻质陶粒用作曝气生物滤池污水处理的研究表明：
①球形轻质陶粒强度大、孔隙率大。
比表面积大、化学稳定性好，与玻璃钢、聚氯乙烯、聚丙烯、维纶等滤料相比，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。
截污能力强等优点；②形状规则，粒径可大可小，密度适宜，克服了不规则粒状滤料水流阻力大，易引起氧化池堵塞，反冲洗强度大，易冲刷破碎的缺点；③加工过程完全不同于传统的片状陶粒滤料。
表面结釉一直是传统片状陶粒滤料没有解决的难题；而球形轻质陶粒主要以粘土为原料，控制适当的配料和烧制工艺，可改变陶粒的密度，且使其表面粗糙、多微孔、不结釉。
④以球形轻质陶粒作接触填料，采用淹没式曝气生物滤池处理污水，可以起到深度处理的作用，处理后的水能重新利用并节约用地。
周彩楼等[12]以净水厂淤泥为原料研制超轻陶粒取得了满意的结果，开创了污泥资源化的又一途径。
齐兵强、王占生等人[6]以球形轻质陶粒（主要性能见表1）作为曝气生物滤池填料处理生活污水时发现：
尽管在很高的滤速（6.5～8m/h）下，其处理水质仍然很高，而且曝气量小，氧利用率高；此外，该曝气生物滤池系统水头损失增加缓慢，反冲洗周期长，节约了能源和操作费用。
表1球形轻质陶粒的主要性能参数
项目
粒径/
mm
堆积密度/
（g·cm-3）
密度/
（g·cm-3）
比表面积/
（m2·g-1）
内部孔隙率
外部孔隙率
数值
3～6
0.89
1.56
4.11
0.09
0.339
从曝气生物滤池填料的发展来看，在以后的研究中，主要的方向将在以下几个方面：
①研究填料对污染物去除的影响及污染物去除机制。
目前，对BAF运行的工艺条件研究很多，但是对于污染物的转移和代谢途径没有深人的研究；填料上生物相分布、生态结构缺乏系统的分析和解释；另外，填料如何影响污染物去除机制不明。
②开发以天然材料为主要成分的无机填料，如轻质陶粒的研究开发。
合成的高分子填料与微生物之间相容性较差，所以在挂膜时生物量少，易脱落，而以天然材料为原料的无机填料可以克服以上不足，但是需要重点解决的问题是如何增加强度、增大空隙率和减小密度。
③寻求改善填料性能的工艺和方法。
填料加工过程中的工艺非常重要，为了获得优质填料，生产工艺和方法需要不断改进。
④制定适于曝气生物滤池的填料标准。
欧美国家对曝气生物滤池用填料均有较为严格的标准，但在我国目前还没有，在系统掌握填料的尺寸、性状、密度等因素对污染物去除的影响后，制定适于我国曝气生物滤池的填料标准意义深远。
这不仅使得填料的生产规范化，而且极大促进BAF污水处理技术在我国的应用和推广。
气动生物转盘工艺在城市生活污水处理中的应用
1、气动生物转盘处理工艺概述
生物转盘工艺是生物膜法污水生物处理技术的一种，是污水灌溉和土地处理的人工强化。
这种处理法使细菌和菌类的微生物、原生动物一类的微型动物在生物转盘境料载体上生长繁育，形成膜状生物性污泥——生物膜。
污水经沉淀池初级处理后与生物膜接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机污染物作为营养，使污水得到净化。
在气动生物转盘中，微生物代谢所需的溶解氧通过设在生物转盘下侧的曝气管供给。
转盘表面覆有空气罩，从曝气管中释放出的压缩空气驱动空气罩使转盘转动，当转盘离开污水时，转盘表面上形成一层薄薄的水层，水层也从空气中吸收溶解氧。
气动生物转盘由接触反应槽、填料、转轴、空气罩等组成。
一般填料为蜂窝状塑料，由钢结构支撑，中心贯以转轴。
填料四周的空气罩由环氧玻璃钢构成。
转轴两端安放在半圆形接触反应槽（即氧化槽）的支座上。
转盘的40％一50％浸没在槽内污水中，转轴高出水面10—25cm。
一般情况下，三到四只转盘串联成一个系列，多个系列转盘之间并联布置。
气动生物转盘的主要设计及运行参数有：
转盘级数（一般三到四级）；容积面积比（可介于5—9之间）：
BOD面积负荷（≤20g／m2·d）；水力负荷（＜200L／m2·d）；浸没率（一般介于40—50％之间）；转盘旋转速度（一般每分钟0.8—3转，转盘边缘线速度以每分钟20m左右为宜）。
2、气动生物转盘法的特征
（1）微生物相方面特征
a.参与净化反应的微生物多样化
气动生物转盘有适于微生物生长栖息、繁殖的稳定环境，宜于生长繁殖。
生物膜固定在填料上，其污泥龄较长。
在生物转盘上能够生长世代时间较长，生物转盘上有时还出现丝状菌，而且没有污泥膨胀之虞。
在日光照射的部位，还出现藻类。
b.每级都有优占微生物
气动生物转盘法分级处理，在每级都有生长繁育与进入本级污水水质相适应的微生物，并自然地成为优占种属，这种现象对有机污染物的降解是十分有利的。
c.微生物浓度高
特别是最初几级的生物转盘，据统计，转盘上生物膜如折算成曝气池的MLVSS，可达40000—60000mg／L，F／M比为0.05—0.1。
而活性污泥法的MLVSS一般在1500—5在50—60mg/L以下，絮凝体形成恶化，处理水质低下，但是，气动生物盘法处理系统对浓度低的污水，也能够取得较好的处理效果，可使BOD5为20mg/L的污水降至5-10mg/L。
d、动力费用低
气动生物转盘法去除单位质量BOD5的耗电量较传统活性泥法少。
e、产生的污泥量少
一般说来，产生的污泥量比活性污法减少1/4。
f、具有较好的硝化与脱氮功能
气动生物转盘具有良好的硝化功能，如采取措施得当，还有进行脱氨水的功能。
g、驱动装置简单
与普通生物转盘法相比，气动生物转盘法驱动装置简单，无需多台电机及减速装置，而且在相同转速下，接触反应槽内的溶解氧浓度比普通生物转盘高。
二、工艺流程
以淮阴市北京新村污水处理厂为例，该厂日处理能力40000吨，其处理工艺流程如下：
本流程中气动生物转盘采用直径3m高效转盘32台，每台转盘填料折表面积1500m2。
每四台转盘设在钢筋混凝土接触反应槽中，槽直径3.5米，供气由鼓风机房送出，鼓风机房装有三台LG300×400-1罗茨鼓风机，每台风机配用电机功率15KW，设计二用一备，实际只开一台风机。
全部生物盘设在室内，起保温作用。
转盘旋转速度每分钟2转，接触氧化槽内溶解氧浓度大于2mg/L，容积面积比8L/m2。
设计水力负荷86L/m2.d，BOD面积负荷9g/m2.d。
说明：
由于厂外管线分流不完善，汛期污水有机物浓度较低。
三、运转情况及有关问题讨论
1、挂膜情况
以南京锁金村污水处理厂的活性污泥接触挂膜为例，11月份运行，当时平均室温11℃，水温13℃，经过1个月时间，生物膜生长良好，出水水质稳定。
转盘生物膜形态如下表：
轻盘级数
一
二
三
四
生物膜厚度（mm）
4
3
2
1.5
生物膜颜色
灰
浅褐
黄
黄
氧化槽内污水颜色
褐
黄
浅黄
微清
转速（r/min）
2
2
2
2
2、处理效果
（1）低负荷时
当日处理量为2000吨时，转盘水力负荷为41.7L/m2·d，BOD面积负荷为4.1g/m2·d，末级转盘出水DO浓度大于4.5mg/L，现以93年为例，全年进出厂水质情况如表达式：
表1
BOD5（mg/L）
SS（mg/L）
COD（mg/L）
高值
低值
平均
高值
低值
平均
高值
低值
平均
进水
227.21
20.38
140.59
214.12
50.96
122.06
450.45
25.14
364.16
出水
19.83
5.13
10.61
29.03
8.02
14.32
60.7
10.67
20.71
去除率（%）
91.3
74.8
92.5
86.4
84.3
88.6
86.6
57.6
94.3
（2）满负荷时
当日处理量为3900吨时，转盘水力负荷为81.2L/m2.d，BOD面积负荷为7.7g/mm2.d，末级转盘出水DO值大于2mg/L，处理效果如下表2:
表2
BOD5（mg/L）
SS（mg/L）
COD（mg/L）
高值
低值
平均
高值
低值
平均
高值
低值
平均
进水
183.15
26.83
135.61
196.17
42.34
119.14
364.52
34.58
298.43
出水
28.17
5.71
25.27
40.13
7.06
20.54
50.25
16.52
40.52
去除率（%）
84.6
78.7
81.4
79.5
83.3
82.8
86.2
52.2
86.
由于满负荷时，只开一台风机，供气量偏低，处理效果有所下降，但出厂水质已达到GB8979--1996规定的排放标准。
3、与传统工艺比较
（1）处理效果
以无锡芦村污水处理厂为例进行比较，芦村厂采用传统曝气法，日处理能力5万吨。
94年处理水量1778万吨，进、出厂水质情况如下表3：
表3
BOD5（mg/L）
SS（mg/L）
COD（mg/L）
进水
253.57
222.88
340.75
出水
10.67
23.81
23.38
去除度（%）
94.28
89.32
92.33
与上述气动生物转盘法处理效果相比，可以看出，二者处理效果相差不大。
可以看出，采用气动生物转盘法的北京新村污水处理厂能耗最低，平均只有传统活性泥法的一半。
（2）能耗
笔者在95年四月份参加了全省城市污水处理厂普查，现将普查中得到的几座采用传统活性污泥法的城市污水处理厂的能耗与淮阴市北京新村污水处理厂的能耗比较如下表4：
表4
厂名
工艺
处理能力（万吨/日）
94年处理水量（万吨）
耗电量（万度）
吨水耗电量（度/吨）
无锡芦村污水处理厂
传统活性污泥法
5
1778.00
286.27
0.16
苏州城西污水处理厂
同上
1.25
391.17
116.87
0.30
苏州城南污水处理厂
同上
0.5
114.93
23.10
0.21
苏州城东污水处理厂
同上
2.5
775.26
106.47
0.14
淮阴北京新村污水厂
气动生物盘法
0.4
140.15
15.24
0.11
（3）投资
现将上述几座城市污水处理厂的工程的造价列表如下（表5）：
表5
厂名
处理能力（万吨/日）
建设年月
总造价（万元）
吨处理能力造价（万/吨）
无锡芦村污水处理厂
5
1998.8
6753.0
1350.6
苏州城西污水处理厂
1.25
1981.9
1300.9
1040.7
苏州城南污水处理厂
0.5
1984.3
114.8
229.6
苏州城东污水处理厂
2.5
1988.10
1081.4
432.6
淮阻北亦新村污水厂
0.4
1986.7
300.0
750.0
（备注：
无锡芦村厂还包括另有5万吨的一级处理投资）
根据笔者经验，气动生动转盘法处理工艺与普通生物转盘法相比，少了污泥回流系统，却多了昂贵的生物转盘，因而造价应该是比较高的。
（4）运行管理
气动生物转盘法运行管理简单，生动膜微生物吸附在转盘填料上，与传统活性污泥法相比，不需要污泥回流，即使在缺氧条件下，产生丝状菌，也不会产生污泥膨胀。
如需停止运行一段时间，重新运行，处理效果很快得到恢复。
在讯期，由于管网分流不完善，进水BOD5小于40mg／L时，仍能进行处理，这是传统活性污泥法无法企及的。
长期的运行经验表明，在正常负荷下，只要初沉池、二沉池每天排泥一到两次，生物转盘转速维持在每分钟2转左右，出厂水质都能达标。
4、存在问题
①转盘材质
转盘支撑填料的钢结构骨架长期在污水中浸泡，腐蚀严重，2—3年需进行一次油漆，采用船用防水防腐漆，油漆一次要拆境料、空气罩等。
工作量很大，如采用不锈钢骨架，每台转盘的成本增至10多万元，一次投资太大。
转盘填料塑料，以及环氧玻璃钢制成的空气罩使用寿命不会超过10年，需要研制替代材料。
②风量调节、小区的污水量时变化系数较大，在泵房停止供水时，为了维持气动生物转盘微生物的活性，罗茨鼓风机仍需照常运转供气，造成电能的严重浪费。
如安装变频调速装置，必要时降低电机转速，减少供气量，无疑对进一步降低能耗是非常有意义的。
③偏重
因无变频调速装置，有时为了节电，在停止供水时，风机也停止运行数小时，重新启动转盘，原来浸在水中的部位，膜变黑且重，致使转盘运转速度不均匀，均重时则不能运转，尤其是首级转盘。
解决偏重问题的有效措施是给风机变频调速。
四、结论
1、气动生物转盘处理工艺运行可靠，管理简便，无需污泥回流，无污泥膨胀之虞。
2、气动生物转盘法较传统活性污泥法节能近1／2，从而大大降低了日常运转费用。
3、气动生物转盘法处理效果与传统活性污泥法相近，但当供气量不足时，处理效果有所降低。
4、气动生物转盘的材质是影响该工艺推广的关键因素，该工艺的造价也较传统活性污泥法偏高。
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