完整版曝气生物滤池BIOSTYR.docx
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完整版曝气生物滤池BIOSTYR
曝气生物滤池BIOSTYR（r）
几十年来，在污水处理领域，活性污泥法无疑是一种被广泛使用并有良好效果的污水生物处理技术。
但是随着社会的不断进步，城市规模扩大以及人类对居住环境的日益重视，活性污泥法的不足越来越突出地显现在人们的眼前。
占地巨大人口的不断膨胀使城市变得拥挤，许多城市土地稀缺，而采用活性污泥法的污水处理厂动辄几公顷，甚至几十公顷的占地无疑成为一种制约。
环境恶劣巨大的污水处理构筑物大面积暴露在大气之中，极易产生臭气污染，周围居民无法忍受。
因此，越来越多的居民拒绝与污水处理厂为邻。
性能不稳定由于是一种悬浮状态的微生物胶团，活性污泥的浓度通常在6000毫克/升以下，外界环境（温度，污染物浓度等）极易对处理效果产生影响，甚至造成污泥膨胀，使处理水质恶化。
上世纪八十年代，一种针对以上问题研发出来的新的污水处理技术首先在法国得以运用，这就是“淹没式固定生物膜曝气滤池”。
法国OTV公司在淹没式固定生物膜曝气滤池领域拥有近20年的工程设计、建设和运行经验，并且在世界各地建设了100多座类似工艺的污水处理厂，其中一种工艺便是BIOSTYR（r）生物滤池。
BIOSTYR（r）则是一种经过改良的新一代上向流曝气生物滤池。
它既可以用于污水的二级处理，也可以用于处理出水需要回用等其它要求的污水深度处理，并且能够达到很高的排放水质标准。
基本结构
BIOSTYR（r）工艺是一种淹没式上向流生物滤池，其滤料为比重小1的球形颗粒并漂浮在水中，我们称之为BIOSTYRENETM。
每个生物滤池单元包括：
*进水管和位于滤池底部的配水渠（同时可用于反冲洗水的排除）；
*两条空气第（管孔管），一条用于工艺曝气，一条用于气反冲洗；在硝化/反硝化反应时用两条管道，在单一硝化反应时曝气和反冲洗为同一条管道；
*3～3.5米的滤料层，滤料表面附着大量的微生物；
*滤池顶部有混凝土滤板，防止滤料的流失；
*滤板上安装有滤头，用于滤池出水。
工艺原理
根据曝气管道位置的不同设置可以控制硝化反应和反硝化反应的程度，也可以单独进行硝化反应或反硝化反应。
具有硝化和反硝化功能的BIOSTYR生物滤池，其曝气管位于滤床中的经过计算的位置，将滤床分隔为下部厌氧区和上部好氧区，它可以去除所有可降解的污染物，含碳污染物（COD和BOD），悬浮物（SS），氨氮和硝酸盐（即总氮），反冲洗气管位于滤池底部。
对于通常的仅需要进行硝化反应（对氨氮有要求），在曝气和气反冲洗时共用一根位于滤池底部的穿孔管，从而使整个滤床处于好氧状态，它可以去除大部分可降解的污染物，含碳污染物（COD和BOD），悬浮物（SS）和氨氮。
配水和进水：
从一级处理或二级处理出来的水通过配水堰均匀地分配到各个滤池的进水渠中，然后通过进水管重力流入滤池底部的配水渠，在进水管或渠上安装有自动阀门，用于某些情况下的停止进水（比如在反冲洗的过程中），污水通过滤池底部的配水渠进入到整个滤池，这些设计保证了滤池在整个截面上的均匀配水。
同下向流滤池（如滤料的比重大于1）不同，该滤池的水头保证了进水配水的均匀，因此滤池底部不再需要滤头（那样很容易堵塞）或者配水管网，并且在处理前不需要筛网。
滤料：
BIOSTYRENETM滤料是一种粒径小、形状一致的球形滤料，其比重小于1，具有很大的比表面积，这使它具有如下特性：
*滤料比表面积大，具有较高的净化能力，处理负荷高；
*机械性能和物理化学性能好，不易磨损；
*滤料的原材料来自于国内的工业原料，可就地生产加工，成本低廉；
*滤料损失极小，几乎不用更换。
由滤料作为微生物的载体，其巨大的表面积上附着了大量的微生物，在底部曝气管所提供的氧的作用下，污水中的含碳污染物（COD和BOD）被降解，氨氮则被氧化成硝基氮。
在硝化/反硝化的情况下，处理后的出水需要进行回流，回流水和原水在进水渠中混合后进入滤池，污水首先进入滤床下部的厌氧区，在此进行反硝化反应，将回流水中的硝基氮去除；然后进入上部的好氧区，在此将含碳污染物分解，将氨氮转化为硝基氮。
由于硝化、反硝化反应机理受进水水温的影响很大，因此低进水水温将明显影响生化反应的池容。
但是，BIOSTYR（r）滤池具有足够的停留时间（1～2小时），同时还有80～100°C的工艺空气的连续鼓入，因此生化反应受外界气候条件影响极小；同时，由于在滤池中的微生物是固定在载体上，而不象活性污泥法悬浮在水中，因此其单位体积内的生物量极大，提高了处理效率。
由于以上两个原因，较低的进水水温对其生化反应影响较小，BIOSTYR（r）滤池可以在8～30°C的范围内正常运行。
最后，污水流经滤床的方向是压缩滤料的方向，而不是扩展滤料的方向，由此也加强了对悬浮物质的截留作用，从而不再需要沉淀池。
滤池的处理出水：
漂浮的滤料通过混凝土盖板阻挡在滤池中，盖板上安装有许多滤头，可使处理后的出水流出，由于这些滤头只同处理后的水接触，因此避免了堵塞；同时，由于这些滤头上面没有滤料，故而很容易进行维护。
滤池反冲洗：
随着悬浮物质的截留和生物膜的不断生长，滤床需要定期进行反冲洗，即重力反冲洗和气反冲，反冲洗后的水由滤池底部的集水沟（即进水暗渠）收集并排到一个集水池中。
反冲冼水即滤池顶部滤板的上面储存的一定高度的清水层，此清水层在一组滤池中是相通的，清水层的高度是经过计算的，可使所储存的水量足够用于滤池的反冲冼。
由于反冲洗是通过重力进行并与正常过滤的方向相反，因此不再需要反冲冼水泵。
定期的逆向流反冲洗可以去除过剩的生物膜和所截留的悬浮物，而不需要使它通过整个滤床。
向下的水的冲洗可以在最短路线内把截留物冲出滤床，并且是截留物重力落下的方向，节约能耗且效率高。
反冲洗过程如下：
*关闭滤池的进水阀，打开滤池底部的反冲洗排水阀；
*滤池顶部的清水重力流下，进行预冲洗；
*然后辅以气反冲进行气水联合反冲；
*仅用空气冲洗和仅用水冲洗交替进行；
*最后再仅用水冲洗。
反冲洗的控制程序分两种：
即时间控制（正常情况下是24小时反冲洗一次）和压差控制（即通过滤料层上下的压力差进行自动起动运行）。
滤池的曝气：
每个滤池的工艺空气和反冲洗空气由同一台鼓风机堤供，鼓风机是不停止工作的。
只不过在进行硝化/反硝化型的滤池中，它们的布气管网是分开的，并且由阀门进行切换；而在单一硝化的滤池中，工艺空气和反冲洗空气是同一布气管网，两种方式的供气由滤池入口的调节阀调节。
滤池的工艺性能：
根据去除污染物的不同，BIOSTYR（r）滤池可以分为除碳型，硝化型，硝化/反硝化型以及后反硝化型。
由于滤料上附着的巨大而丰富的生物膜，BIOSTYR（r）滤池的处理能力大大高于活性污泥法。
主要优点
*由于BIOSTYR（r）工艺将滤池和生化反应器结合起来，因此不再需要沉淀池；
*占地面积小，是常规工艺的1/4～1/5，节省大量征地和地基处理费用；
*池容小，土建工程量比其它工艺少20％～40％；
*全部模块化结构，改扩建容易，工期短；
*上部出水为清水，滤头不易堵塞，检修和更换容易。
无需放空滤池中滤料；
*可对厂区进行全封闭，无臭味污染，视觉和景观效果好；
*不需要单独的反冲冼水和反冲洗水泵，降低了设备投资和运行费用；
*穿孔管曝气，节省设备投资和维护费，效率高。
而膜式曝气头通常在运行两年后开始丧失其效率；
*自动化程度高，操作人员少；*低温运行稳定，受温度影响很小；
*由于其具有连续的物理过滤能力，一旦生物反应发生问题，滤池仍可去除绝大部分的悬浮物；而且仅需要几天即可恢复生物处理能力，而活性污泥法需要几个星期才能恢复；
*工艺操作灵活，同一滤池内可同时完成硝化的反硝化的功能。
曝气生物滤池处理炼油生产废水
炼油厂加氢裂化、加氢精制和铂重整等装置所排废水排放量约70t／h，酚类污染物在100～160mg／L，这股高酚废水未作任何处理直接排至污水处理场，本实验采用上向流曝气生物滤池（BiologicalAeratedFilter,简称BAF）对含酚废水的处理进行了研究。
1实验部分
1.1含酚废水水质分析
课题组对含酚废水水质进行了分析，监测方法[1]：
，及测试结果的统计见表1。
由表1可见，该废水的COD，BODs，硫化物，石油类和氨氮等污染物均处于常见水平，而酚污染则处于较高状态，是这股废水的主要污染物；由于酚类物质易为微生物降解[1]，因此废水的可生化性较好，结果也表明m（BOD5）／m（COD）值较高，平均为0.56。
表1含酚废水水质及测定方法
测试项目
平均值
变化范围
测定方法
ρ（COD）/（mg·L-1）
574
366～797
重铬酸钾回流
ρ（BOD）/（mg·L-1）
322
212～419
五日生化法
ρ（酚）/（mg·L-1）
135
96.5～160
溴酸钾滴定法
ρ（油）/（mg·L-1）
26.2
12.5～44.0
紫外分光光度
ρ（COD）/（mg·L-1）
37.0
17.0～52.2
电位测定法
ρ（COD）/（mg·L-1）
27.8
11.8～50.8
碘量法
1.2实验装置及工艺参数
本实验采用上向流曝气生物滤池（BAF）对含酚废水进行处理，BAF是一种新型高负荷淹没式三相反应器，它将生化反应与吸附过滤两种处理过程合并在同一构筑物中完成。
本实验设计的曝气生物滤池结构见图1，主要是由生物反应过滤区、曝气装置、反冲洗装置等三部分组成，生物反应过滤区由生物滤料层和碎石垫层组成，滤料层采用粒径4-6mm的轻质生物陶粒，高度2.0m，垫层采用10-20mm的碎石，厚度0.2m，滤池有效容积75L；曝气生物滤池所需空气通过布置碎石垫层内的穿孔曝气管直接进入生物滤料层；反冲洗装置采用配水和配气联合系统，实验中把配气管与曝气管合并，把配水管与进水管合并。
本实验设计的工艺参数及操作条件见表2。
表2实验的工艺参数及操作条件
项目
控制参数
处理水量
25.0～42.0
水力停留时间/h
1.5～2.5
曝气量／（m3·h-1）
0.20～0.35
水温／℃
25.0～40.0
进水pH值
7.0～8.0
1.3降酚菌培养
为了培养出高效的降酚菌类，课题组分别采用炼油废水生化污泥和生活污泥进行微生物培养，培养时控制的参数见表3。
表3降酚菌培养控制参数
项目
控制参数
水力停留时间/h
2.0～2.5
ρ（酚）/（mg·L-1）
70～100
ρ（COD）/（mg·L-1）
300～500
ρ（DO）/（mg·L-1）
2.5～4.0
温度／℃
25～40
进水pH值
7.0～8.0
氨、磷
适量
采用炼油废水生化污泥经过近1个月的培养，发现载体上生长了大量的微生物（以浅色疏松的丝状菌为主），废水中COD有一定的降解（降解量为40—80mg/L），但是，废水中的酚基本上没有得到降解（降解量仅为2—8mg／L）。
这说明，在高浓度酚的存在下，生化污泥中的细菌受到了抑制，缺乏耐酚型微生物。
改用生活污泥进行微生物培养，结果发现，生活污泥中的微生物种类较多，大量的不同类型的微生物为降酚菌的培养提供了菌源；培养效果可从图2反应出来。
结果显示，在3-4d的时间，由生活污泥培养出的生物膜即可达到很强的降酚能力，酚去除率已接近90％；同时镜检发现：
生物膜中的菌胶团结构良好，其中含大量的球菌、双球菌、链球菌。
2结果与问题讨论
2.1主要污染物的降解
根据酚的可生化性能及进水有机负荷，对含酚废水的处理进行了三种水力停留时间（HRT）的实验，分别为2.5h，2.0h和1.5h主要污染物的平均进、出水变化见表4。
表4主要污染物的平均进、出水变化结果 mg·L-1
停留时间／h
ρ（COD）
ρ（酚）
ρ（BOD）
ρ（S2-）
ρ（油）
ρ（氨氮）
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
进水
出水
1.5
507
233
128
44
267
91
35
1.0
28
12
29
29
2.0
545
144
132
8.2
381
53
47
0.5
41
7.1
47
46
2.5
529
127
141
6.4
325
36
40
0.5
37
6.5
34
34
从表4数据发现，因为实验采用的是好氧生化，酚、S2-及BOD5这些易于氧化的物质或指标去除效果最好，NH3-N则没有得到降解，其它如COD和油也有不同程度的降解。
2.2水力停留时间与去除效果的关系
图3描述了停留时间对COD和酚降解的影响情况，可知，在一定范围内，停留时间对COD和酚的去除率影响不大，均有较好的出水水质和较高的去除率；进一步发现，当停留时间从2.5h减小到2.0h后，COD的平均去除率虽由76.0％降到73.6％，但它的去除负荷却由3.22kg／（m.d）升高到4.49kg／（m·d）；酚的平均去除率虽由95.5％降到93.8％，但它的去除负荷却由1.08kg／（m3.d）升高到1.39kg／（m3·d）；但是，如果停留时间再进一步减小到1.5h，则降解效果明显下降。
本实验的目的在于寻求一种高效的含酚废水的处理方式及较适宜的水力停留时间，使大部分的COD尤其酚得到降解，防止这些污染物在后续的综合生化处理中产生冲击，显然，当水力停留时间为2.0h时，就已经达到了目的：
出水中酚的平均质量浓度为8.5mg／L，平均去降率达到93％，而且此时COD和酚的去除负荷相对也大。
2.3影响因素
影响BAF对酚降解的因素主要有温度、pH值、水中溶解氧和曝气量。
①温度
微生物降解有机物是随着温度升高而速度加快的，温度低于25℃，菌的活性明显下降，而高于45℃时，菌的活性也受到抑制，处理效果明显降低。
试验得出耐酚噬酚菌的适宜温度是25-40℃。
②原水pH值
进水pH值在7.0～8.0范围内较为适宜。
由于汽提废水中含有S2-，其氧化后生成酸，若进水pH值偏低时，会造成出水pH值过低，抑制生物膜的活性。
③曝气量和水中DO
试验中发现生物床的微生物容量很大，水力负荷及有机去除负荷都相当高，所需的曝气量相应较大，一般气水体积比为5～8；另外，从BAF不同位置采样分析，发现DO的质量浓度池顶较池底低0.5～1.0mg／L，充分表明耐酚噬酚菌是一种好氧微生物，出水的DO的质量浓度不宜低于2.5～3.0mg／L，若过低，则影响降酚菌的繁殖和活性。
2.4BAF的反冲洗
随着运行时间的延长，生物陶粒中截留的SS的增多和生物膜的增厚及脱落会造成水头的增加，且会引起陶粒中水和气的分布不均，这时必须对BAF进行反冲洗。
反冲周期的长短主要与水力负荷、进水有机负荷有关，也受反冲强度和时间的影响；水力、有机负荷大，滤池中产生的污泥量就多，反冲的周期就短；从装置上安装的压差计显示，反冲洗时装置的水头损失约35～45cm，冲洗周期为2～3d。
实验中对BAF采用气—水联合反冲，反冲洗的气、水强度较小，气强度为8.5～12.51／（m·s），水强度为4.0～8.51／（m2·s），冲洗时间20-30min。
3结论
①选用生物陶粒作为曝气生物滤池的滤料，利用生活污泥可快速培养出高效的降酚菌种。
②曝气生物滤池作为含酚废水的处理装置，具有设计简单、处理时间短、去除率和去除负荷高的特点。
③含酚废水在进水酚的质量浓度不大于160mg／L，COD的质量浓度不大于800mg／L的条件下，水力停留时间仅需2.0h，经过曝气生物滤池的处理，出水中酚和COD的平均质量浓度分别不大于8.5mg／L和140mg／L，酚的平均去除率达到93％，COD的平均去除率达到73％。
④某炼油厂含酚废水量约70t／h，设计的曝气生物滤池有效容积仅140m，可设计为直径8.45m、有效高度2.5m的圆柱形的曝气生物滤池。
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