曝气生物滤池的短程硝化反硝化机理研究.docx

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曝气生物滤池的短程硝化反硝化机理研究

曝气生物滤池的短程硝化反硝化机理研究

曝气生物滤池是一种新型污水生物处理技术，具有占地面积小、处理效率高、能耗较低等特点,可进行模块化应用，在对有机物、SS和氮的去除等方面具有良好的效果[1]。

1试验装置与方法

1.1试验装置

模型曝气生物滤池由有机玻璃加工而成，尺寸为50mm×80mm×2000mm，底部为100mm高的砾石承托层，填料选用粒径为3～5mm的陶粒，填充高度为1600mm。

承托层以上每隔150mm设一个取样口，共设9个。

进气口位于距底部400mm处，压缩空气经曝气扩散器进入反应器。

试验装置见图1。

1.2试验方法

原水由淀粉、蛋白胨、牛肉膏、NH4Cl、KH2PO4、CaCl2?

H2O、MgSO4.7H2O、FeSO4.7H2O、食用碱等按一定比例配制而成，其COD为86.61～424.6mg/L、NH3-N为34.3～44.38mg/L、TN为41.26～46.16mg/L、NO3--N为0～0.82mg/L、NO2--N为0～0.32mg/L、pH值为5.8～8.18、BOD5为56.31～236.45mg/L，TP为4～6mg/L。

采用下向流进水，气水逆向流。

反应器启动时投加一定量的消化污泥作为种泥，闷曝3d后改为连续流进水，系统运行15d后对COD和NH3-N的去除率分别达到75%和60%，至此标志挂膜成功，试验分别在1、2m/h的滤速下进行，气水比为3∶1，水温为21～26.5℃，定时测定反应器进、出水及曝气处水样的COD、NH3-N、TN、NO3--N、NO2--N、pH值、溶解氧以考察反应器去除有机物和硝化反硝化的效能及反应器内含氮化合物的空间变化特点。

分析项目均按标准方法进行。

采用气水联合反冲洗方式，按运行时的水头损失和处理效果确定冲洗强度及频率，周期一般为24～48h。

2　结果及分析

2.1处理效果

①NH3-N

曝气生物滤池对NH3-N的去除效果见图2。

由图2可知，在进水COD负荷为1.18～5.57kg/（m3*d）、NH3-N负荷为0.26～0.63kg/（m3*d）时，曝气生物滤池出水的氨氮含量＜3～16mg/L，对NH3-N的平均去除率为81.4%。

滤速为1、2m/h时反应器对NH3-N的去除率没有明显变化，其中在运行的第17天由于改变滤速而引起处理效率下降，但是很快在一个过滤周期内即恢复到原有水平，这说明在一定的负荷条件下滤速对硝化的效率影响较小，但在较高滤速下的出水水质相对更稳定一些。

②TN

试验期间系统对TN的去除效果见图3。

图3系统对TN的去除效果由图3可知，在进水TN负荷为0.28～0.63kg/（m3*d）、滤速为1～2m/h的条件下，曝气生物滤池对TN的去除率可达60%左右，出水TN为12.33～19.46mg/L。

提高滤速对TN去除率有一定的影响，其原因可能是提高滤速则相应地增加了曝气量，从而抑制了反硝化细菌的活性。

③COD

试验表明，曝气生物滤池对COD的平均去除率为79.53%，最高可达90%以上。

个别水样的COD去除率有些下降，可能是进水COD较低的原因，而出水COD大多在50mg/L以下（最低为15.87mg/L），说明反应器对COD的去除效果相当稳定，而滤速在1～2m/h内变化对COD的处理效果没有影响。

④NO2-和NO3-含量的变化

曝气处的NO2-和NO3-含量的变化见图4。

由图4可知，曝气处的NO2-含量显著高于NO3-含量，说明在反应器内部发生了NO2-的积累，而同期NH3-N的减少量却明显地高于NO2-和NO2-生成量之和，说明这一过程中发生了反硝化作用。

试验中发现，提高滤速会加快水头损失的增加速度，相应地增加反冲洗次数，而滤速为2m/h时的NO2-积累现象比滤速为1m/h时更加明显，说明反应器内的NO2-积累与反冲洗有关。

试验表明，出水的NO3-含量几乎为零，NO2-含量在10mg/L左右（明显高于NO3-含量），其与图4的结果相比，NO2-含量减少了约5～20mg/L，可以推测减少的NO2-主要经反硝化作用去除。

上述试验结果表明，曝气生物滤池在氨氧化过程中出现了明显的NO2-积累现象，而出水中NO2-的减少并未带来NO3-的增加，说明对TN的去除主要是通过将NH3-N氧化成NO2-，进而由反硝化细菌将NO2-直接反硝化形成N2逸出的短程硝化反硝化途径进行的。

2.2结果分析

根据传统生物脱氮理论，硝化过程的产物主要是NO3--N，稳态运行时不会出现NO2-的积累，但试验中对反应器内NO2-和NO3-含量的测定结果表明，单级曝气生物滤池不仅在去除有机物的同时具有较好的脱氮能力，而且其机理不同于传统硝化反硝化理论，此时氨氧化的产物主要是NO2--N，出水中NO2--N降低而NO3--N未见增加，说明大部分NO2-并没有进一步被氧化为NO3-，而是被直接反硝化去除，表现出明显的短程硝化反硝化特征。

3　短程硝化反硝化

①含氮化合物的空间变化

试验期间对曝气生物滤池内各种不同含氮化合物含量沿水流方向的空间变化进行了研究，采样时间为反冲洗后6h、水温为22℃、气水比为3∶1，试验结果见图5。

由图5可知，NH3-N的减少与NO2-的增加表现出一定的相关性，但在数量上却没有表现出稳定的同步变化，与此同时的NO3-含量几乎没有变化（数量低且变化趋势平稳）。

从进水到0.7m深的滤层处NH3-N的减少量稍高于NO2-和NO3-的生成量，随后NH3-N量急剧下降，而NO2-的增幅却明显低于NH3-N减少量；到1m深的滤层处及往后的变化比较平稳，而NO2-的含量在1～1.3m深的滤层处也达到了最大值，随后表现出与NH3-N降低相一致的变化趋势。

由图5可以得出两点结论：

a.曝气生物滤池对NH3-N的去除主要集中于0.7～1m深的滤层处，另外在0.4～0.7m深的滤层和1.3m深的滤层以上也有一定的去除；b.NH3-N被氧化的主要产物是NO2--N，但NO2--N并没有进一步被氧化为NO3--N，而是直接被反硝化去除。

在曝气处（1.3m深的滤层处）附近区域出现明显的NO2-积累现象，但在反应器的最下段又急剧下降，说明该区域氨氧化过程比较活跃，而NO2-氧化和反硝化能力较低主要是受曝气作用所带来的溶解氧浓度和紊流强度变化的影响。

②短程硝化反硝化机理

近来的研究表明[2、3]，在一定条件下生物反应器可以进行短程硝化反硝化脱氮，即控制硝化过程至产生NO2-阶段，然后再由NO2-直接还原为N2逸出，或在厌氧或缺氧条件下由NO2-与NH3-N作用形成N2，实现反硝化脱氮。

试验期间发现的反应器中NO2-积累现象和较高的脱氮效能说明在曝气生物滤池中产生了短程硝化反硝化作用，而曝气生物滤池独特的结构特征和运行特点是其能够进行短程硝化反硝化脱氮的根本原因。

曝气生物滤池采用陶粒作为过滤和生物氧化的介质和载体，进水沿填料推流而下，但在填料空隙间则为局部紊流，因而在整体上和每一单元填料表面所附着生物膜中都存在着基质和溶解氧的浓度梯度分布，也为各种不同生态类型的微生物在生物膜内不同部位占据优势生态位提供了条件。

4　结论

①同步脱氮除碳曝气生物滤池在滤速为1～2m/h、气水比为（1～3）∶1、水温为21～26.5℃、进水COD负荷为1.18～5.57kg/（m3*d）、NH3-N负荷为0.26～0.62kg/（m3*d）、TN负荷为0.28～0.63kg/（m3*d）的条件下可以取得良好的去除有机物和脱氮效果，其COD、NH3-N和TN的去除能力分别为0.7～4.76、0.15～0.52和0.18～0.42kg/（m3*d），表现出较强的同步除碳和脱氮能力。

②曝气生物滤池运行过程中出现了明显的NO2-积累现象，而出水连续检测和在反应器内不同部位取样分析均未发现NO3--N的相应增加，与此同时对TN去除率却较高，

说明NH3-N被氧化为NO2--N后并没有进一步被氧化为NO3--N，而是直接被反硝化去除，表现出显著的短程硝化反硝化特征。

③曝气生物滤池能够进行短程硝化反硝化脱氮的原理在于其独特的结构特征和运行方式。

陶粒填料为异养菌、自养菌和反硝化细菌分别占据不同生态位、形成合理的微环境体系提供了有效的载体，较低的曝气量和定期反冲洗又使得竞争能力较弱的NO2--N氧化细菌不能在反应器内形成优势群体而被自然淘汰，因而氨氧化产生的NO2--N可直接被反硝化去除。

④有关曝气生物滤池短程硝化反硝化的机理、作用因子及其影响规律的研究尚需进一步深入，同时试验中反应器出水的NH3-N和NO2--N浓度还比较高，因此有关如何提高脱氮效能、反应器结构和运行条件的优化研究将具有更重要的工程意义和应用价值。

　曝气生物滤池的研究发展动态

一、曝气生物滤池工艺发展和特点

曝气生物滤池（biologicalaeratedfilter）与普通活性污泥法相比，具有有机负荷高、占地面积小（是普通活性污泥法的1/3）、投资少（节约30%）、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点，但它对进水SS要求较严（一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L），因此对进水需要进行预处理。

同时，它的反冲洗水量、水头损失都较大。

世界上首座曝气生物滤池于1981年在法国投产，随后在欧洲各国得到广泛应用。

美国和加拿大等美洲国家在20世纪80年代末引进此工艺，日本、韩国和中国台湾也先后引进了此项技术。

目前世界上较大的环保公司如法国得利满公司、德国菲力普穆勒公司、法国VEOLIA公司均把它作为拳头产品在全世界推广。

在中国内地，曝气生物滤池正处于推广阶段。

大连市马栏河污水处理厂是我国第一个采用曝气生物滤池工艺的城市污水处理厂（由东北市政院设计），广东新会东郊污水处理厂采用了水解——曝气生物滤池污水处理工艺（由中冶马院设计）。

另外，我国一部分工业废水的处理也采用了此项技术。

国内许多科研设计单位对曝气生物滤池也进行了试验研究。

随着曝气生物滤池在世界范围内不断推广和普及，很多学者在其结构形式、功能、启动和滤料等方面进行了详细的研究，取得了很多成果。

二、国内外发展情况

1.BIOSTYR®工艺

BIOSTYR®是法国OTV公司的注册水处理工艺技术，由于采用了新型轻质悬浮填料-BIOSTYRENE（主要成分是聚苯乙烯，且比重小于1g/cm3）而得名。

下面以去除BOD、SS并具有硝化脱氮功能的反应器为例说明其工艺结构与基本原理。

BIOSTYR®工艺是一种上向流生物滤池，是一种运行可靠、自动化程度高、出水水质好、抗冲击能力强和节约能耗的新一代污水处理革新工艺。

BIOSTYR®工艺是成熟/高效的一种污水生物处理工艺，其参与生物处理的生物附着在颗粒状滤料上。

污水通过滤料，其中含有的污染物被滤料表层上的生物膜降解转化，同时，溶解状态的有机物和特定物质也被去除，所产生的污泥保留在过滤层中，而只让净化的水通过，这样可在一个密闭反应器中达到完全的生物处理而不需在下游设置二沉池进行固液分离。

法国威立雅水务系统（前身为OTV）在淹没式生物滤池领域拥有十几年的工程设计、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，该工艺最先开发时是用于二级和三级处理，而目前该工艺已经可以和多种预处理工艺配合直接进行生化处理，并且能够达到很好的排放水质标准。

滤池底部设有进水和排泥管，中上部是填料层，厚度一般为2.5～3.5m，为防止滤料流失，滤床上方设置装有滤头的混凝土挡板，滤头可从板面拆下，不用排空滤床，方便维修。

挡板上部空间用作反冲洗水的储水区，其高度根据反冲洗水头而定，该区内设有回流泵用以将滤池出水泵至配水廊道，继而回流到滤池底部实现反硝化,在不需要反硝化的工艺中则没有该回流系统。

填料层底部与滤池底部的空间留作反冲洗再生时填料膨胀之用。

滤池供气系统分两套管路，置于填料层内的工艺空气管用于工艺曝气，并将填料层分为上下两个区：

上部为好氧区，下部为缺氧区。

根据不同的原水水质、处理目的和要求，填料层的高度可以变化，好氧区、厌氧区所占比例也可有所不同。

滤池底部的空气管路是反冲洗空气管。

该工艺具有如下优点：

•上向流滤池，底部渠道进配水，顶部出水

•滤料比重小于1

•穿孔管曝气，节省设备投资和维护费

•滤头在滤池的顶部，与处理后水接触，易于维护

•重力反冲洗，无须反冲洗水泵

•工艺空气和反冲洗用气共用鼓风机

•曝气管可布置在滤层中部或底部，在同一池中可完成硝化、反硝化功能

2.Biofor®工艺

Biofor®（生物过滤氧化反应池）是得利满水务继滴滤池、Biodrof®干式过滤系统之后的专为污水处理厂设计的第三代生物膜反应池。

与其它类型的生物过滤工艺相比，Biofor®主要具有下列特性：

①向上流生物过滤

待处理的水自滤池底部流至顶部，这个上流过滤在滤池的整个高度上持续提供正压条件，与下向流过滤相比，这为向上流过滤提供了许多优势。

②使用特制的过滤及生物膜支持煤介：

Biolite生物滤料

生物滤料将孔隙率、密度、硬度和耐磨损度等完美的结合，以确保获得很高的生物膜浓度和较大的截留能力，并加长了运行周期。

③高性能曝气

Biofor®采用了特制的曝气头：

它不仅能高效的供氧，而且节约能源、使用安全、易于操作和维护。

④流体完全均匀的分布

空气和水流为同向流。

Biofor®生物滤池的滤板配有特殊的25UB33e滤头，该滤头的防阻塞设计通过均匀的配水使过滤效果更加优化。

⑤有效的冲洗

冲洗操作为全自动、可编程

3．BIOSMEDI工艺

上海市政院邹伟国等开发了一种名为BIOSMEDI的曝气生物滤池，它采用了脉冲反冲洗、气水同向流的形式，可用于微污染源水预处理或污水深度处理。

BIOSMEDI生物滤池是上海市政工程设计研究院针对微污染原水开发的一种新型生物滤池，该滤池以轻质颗粒滤料为过滤介质，滤料比重较小，一般约在0.1左右，粒径的大小为4～5mm左右，比重及粒径的大小可根据实际需要选择确定，这种滤料具有来源广泛、滤料比表面积大、表面适宜微生物生长、价格便宜（300～500元/米3）、化学稳定性好等一系列优点。

BIOSMEDI生物滤池原理如图1：

滤池上部采用钢筋混凝土板（板上采用倒滤头出气和水）抵制滤料的浮力及运行的阻力。

在滤层下部，用混凝土板或钢板分隔在滤层下部形成气囊，在反冲洗时下部形成空气室。

原水从进水阀进入气室，通过中空管进入滤层，在滤料阻力的作用下使滤池进水均匀，空气布气管安装在滤层下部，空气通过穿孔布气管进行布气，经过滤层去除水中的有机物、氨氮后，出水经倒滤头进入上部清水区域排出。

滤池反冲洗采用脉冲冲洗的方法，首先关闭进水阀及曝气管，打开滤池下部的反冲洗气管，在滤层下部形成一段气垫层，当气垫层达到一定高度后，此时瞬时把气垫层中的空气通过阀门或虹吸的方法迅速排空，此时滤层中从上到下冲洗的水流量瞬时突然加大，导致滤料层突然向下膨胀，脉冲几次后，可以把附着在滤料上的悬浮物质脱落，再打开排泥阀，利用生物滤池的出水进行水漂洗，可有效地达到清洁滤料的目的。

具有以下优点：

①、较小的滤层阻力；采用气水同向流，避免了气水逆向流时水流速度和气流速度的相对抵消而造成能量的浪费，另外，滤料粒径较均匀，大大增加滤层的孔隙率，减少滤池运行时的水头损失。

②、价格低、性能优的滤料；滤料具有来源广泛、滤料比表面积大、表面适宜微生物生长、价格便宜（一般价格低于500元/m3）、化学稳定性好；滤料比表面积大，有利于氧气的传质，大大提高了充氧效率，布气可采用穿孔管布气即可，节省工程投资。

③、独特的脉冲反冲洗形式；传统的水反冲、气水反冲均难以奏效，该滤池采用独特的脉冲反冲洗方式，不需要专门的反冲洗水泵及鼓风机，是一种高效、低能耗的反冲洗形式。

三、应用范围

曝气生物滤池的应用范围较为广泛，其在水深度处理、微污染源水处理、难降解有机物处理、低温污水的硝化、低温微污染水处理中都有很好的、甚至不可替代的功能。

在低温污水中，西宁第二污水处理厂由于冬季最低水温约6℃，为了解决硝化问题，在可行性研究报告报告中就推荐了曝气生物滤池+A2/O处理工艺。

在广东新会4万立方米/吨污水处理厂（BOT特许权项目）项目中，首次应用于国内生活污水处理工程中并获得成功，其工艺为水解+二级曝气生物滤池（设CN池与N池二级），该项目已经投产运行。

在难降解有机物处理中，青岛啤酒（徐州金波）有限公司废水处理工程中，再用了水解酸化+曝气生物滤池处理工艺，从运行上看，选用的工艺是满足要求的。

在中水回用中，大连马栏河污水处理厂工程，采用的是法国得利满A3D+BIOFOR工艺技术,出水水质达到三级标准，日处理污水12万吨，其中4万吨出水可回用于城市绿化，建筑施工，工业等。

山西临汾中水回用工程中，二级处理的出水作为水源，为了解决其氨氮这一指标，该工程采用曝气生物滤池作为预处理单元。

在国内，猪场粪便污水处理工程，印染废水处理工程，肠衣加工废水处理工程，淀粉废水处理工程等中都有应用。

四、问题与前景

作为一种崭新的水处理工艺——曝气生物滤池正处在推广之中。

根据目前的研究和应用情况，今后仍有好多问题有待研究：

生物膜的特点及其快速启动的方式；生物氧化功能和过滤功能之间的相互关系；反冲洗过程中生物膜的脱落规律；进一步拓宽曝气生物滤池的应用范围，研究其在水深度处理、微污染源水处理、难降解有机物处理、低温污水的硝化、低温微污染水处理问题中如何与其他工艺相结合。

曝气生物滤池中核心介质――滤料的研究也会促进该工艺在中国的应用的范围，BIOSTYR®、Biofor®两种工艺功能比较强大，但在中国大范围的应用仍存在问题，如专利问题，再有它们从投资上都比较大，这也阻碍了这两种工艺在中国的大范围的应用。

所以特种滤料的的研究与生产的国产化将是曝气生物滤池在国内大范围的应用的关键。