曝气生物滤池深入研究.docx

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曝气生物滤池深入研究

曝气生物滤池深入研究

1、概述

　　随着社会的发展，水资源紧缺的问题日益严重，水将成为制约社会发展的一项重要因素。

目前我国缺水主要呈现水质性缺水的特点，城市污水经二级处理后出水直接排到水体，一方面增加了水体的自净负荷，另一方面也是一种水资源的浪费，所以保护资源除了从节约用水出发外，我们还要提高水处理技术水平，使得各种水质都能够得到充分的利用，来解决目前的水资源紧缺问题。

二级处理出水占不能直接利用的水资源的很大比例，如果得到进一步处理，可以被应用于各种工业生产，这将对保护水资源、解决部分地区水质性缺水问题会起到重要作用，为此本文介绍一种针对二级处理出水及相仿水质原水的新型回用水处理工艺。

2、工艺流程简介

2.1二级处理出水的一般水质指标如下：

指标名称

COD

（mg/L）

BOD

（mg/L）

SS

（mg/L）

磷

（mg/L）

NH3-N

（mg/L）

主要指标

<100

<20

<20

<1

<15

　　以上各指标为大多数污水厂的处理出水指标,不同水厂指标略异。

以上水质一般可以用于灌溉等，但还不能满足城市景观水或工业用水的水质要求。

2.2 工艺流程简介：

　　针对以上及类似水质，我们提出了一种能够回用于电厂循环冷却用水或其它一些工业用水的处理工艺，设计流程如下图：

　　二级出水→调节水箱→BAF→高效混凝沉淀池→出水回用

　　　　　↑

　　混凝剂、液氯

　　根据循环冷却用水的水质要求，把设计的工艺分为生物处理和物化处理两部分。

　　生物处理部分为曝气生物滤池（BAF）。

曝气生物滤池实质是生物膜的一种实现形式，是在曝气池中填充生物陶粒，利用陶粒表面附着的生物膜降解水中污染物的处理单元。

由于陶粒具有粒径小，孔隙率大，堆积密度小，比表面积大等特点，陶粒表面容易附着生物膜。

陶粒表面附着大量的生物膜，生物膜中生长着众多种属和数量的微生物，有好氧菌、兼氧菌、厌氧菌，所以曝气生物滤池对水中的各种有机物都有一个很好的去除作用，同时对氨氮也有很高的去除效率。

　　物化处理法是通过向原水中投加混凝剂，经过合理的反应和沉淀来去除水中的悬浮物和胶体同时又可以去除水中的磷的一种物理化学处理方法。

本次设计中采用高效混凝沉淀池作为物化处理单元，高效混凝反应沉淀池是利用流体力学理论，通过折板和一些整流板来实现控制水的流态使得水在反应池中的剪切力从大到小，使脱稳胶体形成致密的污泥矾花，从而实现对絮凝合理控制，并保证絮凝反应效果最佳且沉淀出水效果最好的一种反应沉淀池。

本单元特点：

反应时间短，沉淀池表面负荷高，沉淀池出水水质好且出水稳定，可以保证沉淀池出水浊度小于3NTU。

　　曝气生物滤池要求进水中不能含有灭菌剂或影响生物活性的混凝剂，而出水中会有大量细菌、悬浮物。

根据这一工艺特点在其后布置高效混凝沉淀池，水力流程合理，运行灵活方便，而且不必考虑投加药剂对微生物的影响。

2.3 中试模型设计参数

　　中试模型主要处理单元及流程如下：

 　　1、曝气生物滤池：

外型设计尺寸为800×800×7500mm，由钢板焊制而成，曝气生物滤池内滤层厚度3.5m（4.5m）。

设计水量为2m3/h，曝气生物滤池的有效停留时间为1.5小时。

本次试验采用的曝气生物滤池为上向流式，即下部进水，上部出水，滤池设有进水管、曝气管、反冲洗进水管、反冲洗气管、生产出水管、反冲洗出水管，系统进水、进气管路上均装有流量计，以计量水量、气量。

　　2、混凝沉淀池：

池型为800×1500×2200mm，设计水量为2m3/h。

反应池的反应时间为12min，沉淀池上升流速为2.4mm/s。

3、中试实验结果与讨论

　　试验的进水为城市二级处理沉淀出水，开始运行二十天左右进行挂膜驯化等实验前准备，不对水质进行检测，只是观察生物膜的生物相，二十天后，生物相状态基本稳定，生物膜基本成型，可以进行实验检测分析。

系统启动快是此新工艺主要特点。

BAF生物陶粒采用自然挂膜方式，当陶粒表面生物膜中的生物相稳定后，即可认为挂膜成功，此过程仅需要10～20天时间。

肉眼观察生物陶粒表面无明显生物膜，但在显微镜下，可看到陶粒表面周围有不连续的生物膜（菌胶团为主体）存在。

高效混凝沉淀池注水即可正常运行，因此BAF挂膜成功可认为整体系统启动完成。

　　以下是处理水量稳定在2m3/h时的进、出水检测数据：

3.1本系统对有机物的去除

　　从上图可以看出：

本次试验的进水COD为60～140mg/L，出水COD维持在30～50mg/L之间，COD的平均去除率在50％左右。

其余未被降解的部分多数成分为难生物降解有机物，这种水质一般可以应用于电厂的循环冷却或一般工业生产中，如印染行业等。

　　本工艺对比其它处理工艺对COD的去除效率高，且运行稳定。

进水为二级出水，因此原水可生化性较差，进水COD为60～140mg/L，出水COD维持在30～50mg/L之间。

从试验数据分析，BAF对原水COD的去除率仅为30~40%，物化法高效混凝沉淀池对COD的去除率可达到30％，整套系统COD的平均去除率在50％左右。

　　实验的COD的容积运行负荷为：

2.14㎏COD/m3d。

对于有机物浓度比较低的进水水质，COD的容积负荷不宜太高。

3.2本系统对氨氮的去除

　　如上图所示，进水中的氨氮在50mg/L左右，在此负荷下，出水的氨氮可以控制在3mg/L以下，经过投加氯气，氨氮在投加氯气的氧化作用下，出水氨氮值小于1mg/L，达到一般循环冷却水的指标要求，氨氮的去除率在95％以上。

对于一般的城市二级出水，氨氮值较低，一般小于15mg/L，经本工艺处理后很容易满足循环冷却用水标准。

本次实验氨氮的运行容积负荷为1.07㎏氨氮/m3d。

3.3本系统对浊度的去除

　　新工艺出水浊度低且稳定。

原水为二级出水浊度较低，在8～18NTU之间，BAF通过滤料的截留作用，是出水的浊度稳定在10NTU左右，高效混凝沉淀通过脱稳的胶体形成污泥矾花在沉淀池中沉淀去除原水浊度，沉淀池出水浊度小于3NTU，整套系统对浊度的去除率在80％以上。

4、工程实例

　　我国江浙的大部分城市内河水污染严重，一般水质指标与城市二级排放的水质相仿（主要是由于内河水流速度慢，很多加工企业超标准排放造成）。

工程实例是采用本技术处理江苏某地区的污染河水，处理后用于电厂循环冷却水系统。

本工程处理规模为600m3/h，原水污染严重，一般水质为河水温度1℃～40℃，悬浮物25～350mg/l，CODMn9.5～20.0mg/l，氨氮2.0～8.0mg/l，色度15～50度，水呈现暗绿色，有藻类漂浮。

要求处理后出水为浊度小于3NTU，CODMn小于5mg/l，氨氮小于1.0mg/L，满足电厂的用水要求。

　　处理工艺流程为曝气生物滤池＋混凝沉淀池，曝气池体积为13200×4900×8000mm，反应沉淀池体积为9000×13000×5500mm，曝气量为23m3/min，曝气鼓风机功率为45kw，曝气池出水经过投加聚铝后，直接进入混凝沉淀池，同时在反应池首端设一根投加液氯管道，定期投氯灭藻杀菌，出水直接进入循环冷却水系统或化水车间。

现已经运行一年多，运行稳定，系统容易停运和再次启动，运行管理方便，抗冲击负荷能力强，处理出水的水质指标可以稳定为：

指标

CODMn（mg/l）

氨氮（mg/l）

浊度（NTU）

色度

数值

2～5

<1

1～3

—

5、 结论

　　1）对于二级出水，曝气生物滤池加高效混凝沉淀处理工艺对氨氮具有很好的去除效果，氨氮去除率达95％以上，氨氮负荷为N=1.07kg/（m3.d），在此负荷下，氨氮的处理出水可以达到循环冷却水的水质标准（氨氮小于1mg/L）；

　　2）二级出水经过新工艺处理，COD可以达到《再生水回用于景观水体的水质标准》CJ/T95-2000（CODCr小于50mg/L），接近《地表水环境质量标准》（GHZB1-1999）IV；

　　3）新工艺的出水浊度可以达到循环冷却水的水质标准。

　　4）新工艺抗冲击负荷能力很强，冲击负荷影响过后，系统可以很快恢复。

　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]研究了尺寸范围分别为1.5～3.5mm和2.5～4.5mm的填料对曝气生物滤池处理效果的影响，发现小颗粒（1.5～3.5mm）填料虽然有利于脱氮，但不适应高的水力负荷；而大颗粒（2.5～4.5mm）填料虽然改善了滤池操作条件，减少了反冲洗的次数，但不利于脱氮和SS的去除。

这为曝气生物滤池填料在尺寸要求上提供了一定的依据。

Allant[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。