曝气生物滤池技术在污水再生利用工程中的应用研究.docx
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曝气生物滤池技术在污水再生利用工程中的应用研究
浙江省重大科技专项项目
可行性研究报告
曝气生物滤池技术在污水再生利用工程中的应用研究
二OO七年五月二十六日
目录
一、立项的背景和意义……………………………………………………………１
1.1立项背景……………………………………………………………………1
1.2项目研究的目的和意义……………………………………………………3
二、国内外研究现状和发展趋势…………………………………………………5
2.1国内外研究现状……………………………………………………………5
2.2发展趋势……………………………………………………………………6
三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点…………………………6
3.1主要研究开发内容…………………………………………………………6
3.2技术关键……………………………………………………………………7
3.3主要创新点…………………………………………………………………8
四、项目预期目标…………………………………………………………………8
4.1预期经济技术指标…………………………………………………………8
4.2预期社会效益………………………………………………………………9
4.3技术应用和产业化前景……………………………………………………9
4.4获取知识产权情况…………………………………………………………9
五、项目研究方案、技术路线、组织方式与课题分解…………………………9
5.1项目实施方案………………………………………………………………9
5.2技术开发路线………………………………………………………………12
5.3组织方式……………………………………………………………………12
5.4课题分解……………………………………………………………………12
六、计划进度安排…………………………………………………………………13
七、现有工作基础和条件…………………………………………………………13
八、经费预算………………………………………………………………………14
附表：
省级科技计划项目经费概算表……………………………………………15
经费概算说明………………………………………………………………16
拟新购置设备清单…………………………………………………………17
一、立项的背景和意义
1.1立项背景
水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态环境的控制性要素，在国民经济和国家安全中具有重要的战略地位。
我国淡水资源相当缺乏，人均水资源占有量只有2200m3/人，仅为世界人均水平的1/4，属于缺水国家。
且水资源分布又极不均匀，不仅年降水量各地区差异巨大，而且季节性降水引起的干旱与洪涝并存。
近些年来随着工业化过程的加快，污染治理又未能与经济发展同步，造成全国75%以上的湖泊水域、52%的城市河段、90%以上的城市水域以及50%的城市地下水，不同程度遭到污染，使水资源供需失衡的矛盾显得更加突出。
“水量性缺水”、“水质性缺水”及“城市水环境恶化”的严峻现实已经成为制约我国实施可持续发展战略的重要因素。
解决水资源紧缺的办法除了加强节水技术的研究，提出节水的改进措施和方案，提高用水效率外，减少污水排放，进行污水处理和再生利用，提高污水再生利用率，有助于缓解日益加剧的水资源短缺，促进水环境质量的提高。
污水处理再生回用技术多种多样，主要有：
①传统处理工艺，即二级出水—砂滤—消毒。
该工艺可去除浊度73~88%、SS60~70%、色度40~60%、BOD531~77%、COD25~40%、总磷29~90%，该工艺的优点是流程简单，对含有重金属的污水处理效果较好，缺点是对氨氮去除效果较差，该工艺只能达到进一步去除水中微细颗粒物和杀灭细菌的目的，主要用于对水质要求不高的地方，如补充河湖、农业用水等。
②臭氧氧化活性炭吸附或膜分离为主体的组合工艺，如下表所示：
臭氧氧化、活性炭吸附或膜分离为主体的组合工艺，
序号
工艺流程
1
二级出水—混凝—沉淀—过滤—活性炭吸附—消毒
2
二级出水—混凝—沉淀—膜分离—消毒
3
二级出水—臭氧—超滤（微滤）—消毒
4
二级出水—活性炭吸附—超滤（微滤）—消毒
5
二级出水—混凝、沉淀、过滤—膜分离—活性炭吸附—消毒
臭氧氧化法具有极强氧化杀灭细菌和病毒，还能氧化分解水中的各种杂质，包括显色有机物（如有机酸、有机染料等）。
因而能有效地去除水中的色、臭、味，且脱色效果优于氯和活性炭。
臭氧氧化作用可以使芳香族化合物全部或部分消失，不饱和脂肪酸减少或消失，可以明显提高污水的可生化降解性。
活性炭吸附在污水回用中也得到了广泛应用，活性炭能去除水中大多数的有机物和某些无机物，包括可能有毒的痕量金属。
活性炭还可以有效吸附单宁、木质素、醚、蛋白质类物质、氯代烃、有机磷和氨基甲酸脂类杀虫剂，还能吸附苯醚、正硝基氯苯、萘、乙烯、二甲苯酚、DDT及许多脂类和芳烃化合物，但该工艺对于氯消毒产生的THMS去除能力较低仅达23~60%，在对活性炭利用中，除传统的吸附外，目前采用较多的有与生物滤池相结合的GAC滤池和活性炭粉系统（PAC）。
采用活性炭吸附的主要缺点是价格昂贵，再生比较困难。
膜技术由于具有高效节能的优点已被广泛应用于污水回用领域，现在应用得较多的有微滤、超滤、反渗透、纳滤等。
微滤可以去除沉淀不能去除的包括细菌、病毒在内的悬浮物，还可以除磷。
超滤已被用于去除腐质酸等大分子。
反渗透已被用于降低矿化度和去除总溶解性固体。
纳滤介于反渗透和超滤之间，可以直接去除一切病菌、细菌和寄生虫，同时大幅度地降低溶解性有机物。
低压大水量使得纳滤的运行费用大大减少。
采用膜分离技术作为污水回用处理单元时需要解决的主要问题就是如何防止膜污染，这就要求污水在进入膜分离处理单元前必须经过预处理，在预处理工艺中将污水中微细颗粒和胶体物质去除并将大分子有机物转化为固相。
采用的工艺有混凝、沉淀、过滤、活性炭吸附等。
此外膜处理工艺与其它工艺相比在价格上也要昂贵的多。
③其它处理工艺
近年来各国学者通过研究还开发出了一些其它污水回用处理工艺，如生物过滤技术、湿地系统、土地处理系统等。
生物过滤技术充分地利用了滤池中滤料的拦截作用和滤料上附着生物膜的降解作用，将二沉池出水中未能去除的大多数物质能够有效的加以去除，并减少堵塞的可能性。
有的学者还通过改变进出水的方向和滤池进出水过水断面的大小，研制成功了上向流变速生物滤池采用该滤池对于处理生物处理二沉池出水
处理水水质可以达到国家颁布的回用水水质标准，滤池的滤料对于处理效果的好坏影响很大，目前比较新的滤料有酶促陶粒滤料。
它利用多孔陶粒的微孔增加了生物的附着量，同时酶的催化作用也加强了处理的效果。
湿地系统利用植物根系的吸收和微生物的作用，并经过多层过滤达到降解污染净化水质的目的。
在美国和加拿大的很多地方湿地系统用于以污水回用为目标的后续处理工艺。
其出水水质良好，可达到回用水水质要求。
我国在这方面也进行了研究，近期中科院水生生物研究所推出了一项复合垂直流构建湿地水处理工艺，属国际新工艺。
该系统净化功能强不仅能有效去除污水中悬浮物、有机污染物、氮、磷以及重金属等，而且对细菌、藻毒素、外源生物活性物质和环境激素类物质等也有比较理想的去除效果。
该系统长年运行比较稳定，建设运转费用较低，并且与景观建设相结合具有净化美化环境的效果。
复合垂直流构建湿地水处理工艺由于高效，除污范围广，投入低，易管理等优点具有广阔的应用前景。
土地渗滤也叫土地含水层处理，它使水源水通过堤岸过滤或沙丘渗透，以利用土壤中生长的大量微生物对水中污染物进行降解去除，以净化水质的方法。
它是近二十年才发展起来的，由于污染物经过地下土层和地下包气带，产生一系列的物理化学和生物作用，许多微生物和化学物质通过各种反应被去除。
这些过程延迟了某些化学物质进入地下水的速率，使一些污染物质降解为无毒无害的组分一些物质则被植物所吸收从而使污染物浓度得以降低，土地渗滤使用寿命很长，费用相当低。
该法投资省，处理效果好，尤其是对有机氯化物和氨氮但它有占地大不易管理的缺点。
但上述工艺的最大缺点是：
●处理流程长
●基建投资大
●药耗高
●运行费用高
●对有机物氨氮的去除能力不强等
随着更严格污水回用水质标准的出台，该工艺越来越满足不了用户的要求。
而采用活性炭吸附膜分离等处理工艺时也同样面临着处理流程长、运行费用高、维护困难等问题，因此在我国污水回用大力开展的今天迫切需要研究开发出适合我国国情的污水回用新工艺，该工艺必须具备高效、价廉、流程短、易普及等特点，只有这样才能推动我国污水回用事业的发展，从根本上缓解我国水资源紧缺的状况。
根据我国国情，价廉实用的生物处理技术在污水回用中依然是首选工艺，由于二级出水的有机物浓度较低，可生化性较差，采用生物膜法深度处理是适宜的。
因为活性污泥工艺对微生物的生长不利，而在生物膜法中微生物固着生长在填料上，生物流失量小，有利于微生物的培养。
不但能将有机物去除，还能同时去除氨氮。
在这样的背景下，为此我们根据国内外污水处理再生回用技术的现状和发展趋势，提出了开发欧美上世纪80年代末发展起来的新型污水处理技术——曝气生物滤池技术的发展研究项目，即对该技术进行进一步的发展研究。
1.2项目研究的目的和意义
曝气生物滤池（Biologicalaerationfilter，BAF）是80年代末在欧美发展起来的一种新型污水处理技术，它的最大特点是使用了一种新型的粒状填料，在其表面生长有生物膜，污水由上向下流过滤料，池底则提供曝气，使废水中的有机物得到好氧稳定。
它定期地利用处理后出水进行反冲洗，排除增殖的活性污泥。
它能够作为常规活性污泥法的革新替代技术，与一般的接触氧化法也有区别。
其工艺流程见下图。
该技术具有以下几个优点：
①较小的池容和占地面积，因曝气生物滤池的容积负荷大，可达3-8kgBOD5/立方米/d，为常规二级生物处理的4-10倍，它的池容和占地面积只是常规二级生物处理的1/10到1/5。
②高质量的处理出水
在容积负荷为6kgBOD5/立方米/d时，其出水SS和BOD5可保持在20mg/L以下，去除率高，大大满足国内环保排放标准，并可用于中水处理。
③简化流程
该技术可省去二沉池和污泥回流泵房，处理流程简化，使占地面积减小。
④基建费用、运转费用节省
由于该技术设备小，流程短，基建费用和常规二级生化处理。
同时该技术还具有自动化程度高，安装容易，对环境影响小等特点。
本项目的目的是通过对该技术的机理研究及数学模型的建立，示范工程的建设，提高滤速、缩短水力停留时间，开发功能滤料等，创新开发出拥有自主知识产权的新型曝气生物滤池技术，使该技术比国内外同类技术有较大的创新和发展。
该技术的开发具有以下意义：
①可极大地减少污水处理厂的占地面积。
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。
而曝气生物滤池技术的占地面积只有常规二级生物处理技术的1/10到1/15，节地效果显著。
②由于该技术基建投资省、出水水质高、氧的传输效率很高、曝气量小、供氧动力消耗低、运行费用低、抗冲击负荷能力强、耐低温、易挂膜、启动快等特点，具有许多别的处理工艺所无法比拟的优点，对我国的污水处理再生回用极具推广和示范效应。
③该技术既可用于污水的二级处理，也可以用于处理出水需要回用等其他要求的污水深度处理，并且能够达到很高的排放水质的标准，这对缺水地区尤具吸引力，对缓解水资源缺乏大有裨益。
二、国内外研究现状和发展趋势
2.1国内外研究现状
曝气生物过滤技术（BAF），是上世纪八十年代抹欧美发展起来的一种新型污水处理技术，是一种采用颗粒滤料固定生物膜的好氧或缺氧生物反应器，集生物接触氧化与悬浮物滤床截留功能于一体，可有效去除水中SS、CODcr、BOD5、NH3-N、TN、TP、AOX（有害物质）及硬度、浊度、色度等，适用于市政污水、工业污水、再生回用水深度处理及给水污染水源的预处理等。
该技术首先在法国得到应用，世界上首座曝气生物池于1989年在法国投产。
其中以法国OTV公司的业绩最多，自1990年建立起第一座采用该工艺技术的污水处理厂后，至今该公司已有100多座使用生物滤池技术的污水处理厂分布在世界各地。
主要分布城市有日内瓦、巴黎、罗马、图卢兹、曼彻斯特、纽约等。
随后该技术在欧洲各国得到广泛应用，美国和加拿大等美洲国家、日本、韩国、中国台湾也先后引进了此项技术。
不同BAF单元可满足以下各种用途的要求：
BAF-C，用于去除CODcr，BOD5、SS等
BAF-C/N，同时去除有机污染物并硝化
BAF-N，用于硝化，去除NH3-N
BAF-DN，用于反硝化，去除TN，可前置或后置
BAF-DN+P，同时用于反硝化及化学除磷
其处理规模从100m3/d的小型地埋式处理装置到12000m3/d的大型城市污水处理。
技术已较成熟。
清华大学是国内最早开展曝气生物滤池技术研发的单位。
天津大学、哈尔滨工业大学也进行了此类研究。
我国第一座采用曝气生物滤池技术的污水处理厂于2002年在广东南海动工，设计流量为50000m3/d，技术来源于国外。
西安热工研究院于2002年将该技术应用于火电厂废水回用，处理后的水质满足电厂循环水的水质要求，该应用成果2003年获西安热工研究院科技进步一等奖，2004年获电力科学技术三等奖，2005年被中国环保产业协会评为2005年度国家重点环保实用技术（B类）。
该技术由北京环科院和清华大学联合进行了三年多的技术国产化攻关，据说也具备了在国内推广应用的条件。
但到目前为止，国内进行曝气生物滤池技术研究的成果不多，实际工程应用的业绩也少，研究的深度、广度远远不够，且由于实验条件所限或实验条件不同，研究的结果也各有差异，甚至得出不同的结论，因此从这个角度，也有进一步研究和深入的必要。
2.2发展趋势
随着科学技术的进步，材料技术的发展，各种新工艺、新技术也开始广泛地应用于污水处理水再生回用领域，其中有些是在原来得工艺基础上改进、发展起来得，有些则是全新概念，在针对不同回用目的时各自都有非常广得应用前景。
最近新发展的技术有：
膜生物反应器（MBR）技术，电吸附水处理技术（EST，Electro-SorbTechnology）技术，过滤技术，膜技术，消毒技术等。
并且今后新的技术还将不断出现，不断发展。
至于曝气生物滤池技术的发展趋势是：
①运行向高参数化发展，如日处理量越来越大，滤速增大，水力停留时间缩短，容积利用率越来越高，系统的综合经济性越来越好，技术指标更加先进。
②滤池的设计向规范化、系列化、集成化、模块化发展，建设和运行费用进一步降低，系统设计优化。
③不同滤料的开发，不同滤料的特性不同，有厌氧的、缺氧的、好氧的，从食物链的角度，应投入哪种或哪几种滤料，投入什么样的滤料，针对不同的用途和功能进行研究开发，滤料要加工容易，成本低廉，具有较高的净化能力，处理负荷高，使用寿命长。
④从节能降耗上进一步优化流程。
三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点
3.1主要研究开发内容
①机理研究及数学模型的建立
对曝气生物滤池技术进行机理研究，对构成该技术工艺的主要设备，如预处理系统，包括格栅、污水提升泵、曝气沉砂池及初沉池等；多级曝气生物滤池：
各级曝气生物滤池和不同层面生活载体接触的废水水质不同，形成的微生物群体组成不尽相同，每个层面都生长着适合于流到该层废水水质的微生物菌群；后处理系统：
高效气浮代替了传统的二沉池，进行系统分析，研究其适用条件、设计和运行参数、配置方式等，并建立相关的数学模型，以便可进行规范化年、系列化、集成化设计；
②滤池系统的优化设计，包括池型、构造、曝气模式、反冲洗模式、配套设备仪表等。
如用多级曝气生物滤池代替普通生物池，曝气生物滤池采用强制曝气，曝气生物滤池填料采用高孔隙率、低惰性成分的滤料；通过投入不同滤料，使得单元填料中同时具有厌氧、缺氧和好氧区，有利于食物链的形成，并能在曝气条件下，同时具有脱氮、除磷和去除有机物的功能；用气浮池代替传统水处理工艺中的沉淀池，可大大提高曝气生物滤池老化和脱落的生物膜及悬浮物的清除率，可减少水力停留时间，减少构筑物占地面积，减少土建投资。
③开发功能滤料。
开发出具有造价低、空隙率高、密度小、机械强度大、对氮、磷等微量污染物的吸附效果好的专用滤料。
④建立一个日处理能力达5000-10000m3/d的示范工程，投入工业运行，出水水质达到回用标准。
该工程具有较高的滤速（3-4m/h），水力停留时间短、容积利用率高、工作周期长、反冲洗耗水量和能耗低。
并建立起相应的操作规范。
3.2技术关键
①新型曝气生物滤池结构的设计
采用多级曝气生物滤池，曝气生物滤池容积负荷大，可达5~10㎏BOD/m3·d，为常规二级生物处理的4-10倍，高比表面积和粗糙多孔的功能滤料，可积聚高浓度的微生物达10-15g/L，容积负荷增大，池容和占地面积大大缩小，运行简单，实现运转设备的自动化控制，培菌驯化周期短。
②功能滤料的开发。
滤料应具有比表面积大、具有较高的净化功能、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工业原料，可就地加工，成本低。
③曝气生物滤池工作条件、运行参数等方面的科研探索。
根据去除污染物的不同，曝气生物滤池可分为除碳型、硝化型、硝化/反硝化型以及后反硝化型。
对这些不同滤池的工作条件、要求、运行参数等需要通过工业性运行、探索，找出规律，并上升成为新的理论，为进一步完善、提高、改进该技术提供理论指导，这项工作是漫长的、艰苦的、乏味的，但很有意义。
④数学模型的建立。
建立数学模型的目的是确定主要技术参数，建立和完善操作运行规程，为我国城镇污水处理提出一套完整的曝气生物滤池设计、运行参数。
如曝气管道的设置位置：
具有硝化和反硝化功能的曝气生物滤池，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，它可以除去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），反冲洗气管则位于滤池底部，又如配水和进水：
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。
⑤曝气生物滤池与消毒工艺的结合。
消毒技术发展到现在已经是多种多样，从最早的投加液氯消毒的方式到二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外消毒等，随着技术的进步，还将出现更多的消毒技术。
曝气生物滤池与消毒工艺技术有机和科学的结合，可使出水水质达到很高的排水标准。
3.3主要创新点
①采用曝气生物滤池技术和功能滤料填料，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，在底部曝气管提供的氧作用下，污水中COD和BOD被降解、氨氮被氧化成硝基氮，出水可达到国家一级标准，与传统的污泥法相比，充分体现了低投资、低运行费、高出水水质的优点，经济效益良好。
②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。
③不需要单独的反冲洗水和反冲洗水泵，采用空孔管曝气，使设备投资和运行、维护费用大大降低、效率高，而传统的膜式曝气头通常在运行两年后开始丧失其效率。
④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。
⑤自动化程度高，操作人员少；低温运行稳定，受温度影响很小。
四、项目预期目标
4.1主要技术经济指标
●技术指标：
视示范工程装置情况而定，初步拟定为：
日处理能力：
5000~10000m3/d；
工艺总停留时间：
2.5~3.0h；
曝气生物滤池污泥浓度：
10-18㎏/m3；
填料填充率：
50%~70%；
一级填料容积负荷10㎏COD/m3.d左右；水力停留时间50min，气力比6:
1；
二级填料容积负荷5㎏COD/m3.d；水力停留时间25min，气力比2：
1；
出水水质：
达国家回用标准。
●经济指标：
工程占地面积及投资比传统工艺降低20－30％；能耗及运行成本节省30％。
企业年新增产值8500万元、利润1350万元、税金850万元。
4.2预期社会效益
①处理后的出水水质可达到国家一级标准。
处理后出水可以灌溉农田、可以作为景观用水、可以回用，使水环境得到改善。
②由于系统占地面积小，是常规工艺的1/4-1/5，节省了大量征地和地基处理费用，减少了种种因征地而引发的一系列社会问题的可能。
土地是一种资源，而且是一种非常紧缺的不可再生资源。
4.3技术应用和产业化前景
本项目产品主要用于污水的二级处理，也可用于处理出水需要回用等其他要求的污水深度处理，并能达到很高的排放水质标准，具有很高的污染物去除率，是一种理想的污水处理技术与设备。
由于该产品具有建设投资省，占地面积少，技术可靠，管理方便，运行费用低，耐冲击负荷能力强，系统稳定性好，操作简便，与国内外同类技术相比，具有世界先进水平，具有广阔的市场应用前景。
《中国环境保护“十五”规划及发展》中规定，到2010年，平均城市污水处理率将达到55%，新增城市污水集中处理能力将超过4000万m3/d，投资1000亿元。
且全国有近1700个县级城镇，污水处理还处于刚刚起步阶段，污水回用也将得到越来越多的应用。
因此本研究成果具有广阔的市场前景，其推广应用将产生巨大的环境效益、社会效益和经济效益。
按保守的估计，未来五年，该技术的国内市场容量将超过10亿元/年。
4.4获取知识产权情况
①开发出拥有自主知识产权的“曝气生物滤池”技术；
②预期获得专利2项，其中发明专利1项；
③在国内核心期刊上发表论文3篇。
五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解
5.1项目实施方案
在对不同污水水质特性分析的基础上，在实验室内建立小试装置并进行试验，试验不同水力停留时间（HRT）下系统对COD\TP\NH3-N等重要指标的处理效果，考察工艺的运行规律及负荷、水温、泥龄等因素对各去除指标的影响；再建立500t/d的中试装置进行验证性试验，试验其在实际水质、冲击负荷、不同季节影响下的可靠性和稳定性，建立“曝气生物滤池”的数学模型，研究反应器的池型结构及水力条件和电耗、药剂消耗等情况；中试后结合依托工程，建立5000-10000t/d的示范工程，并进行工业性试验，确定用于工程实践的“曝气生物滤池技术”的相关技术参数（如水力停留时间、容积负荷、污泥负荷、污泥龄、产率系数、自身氧化速率等）和设计、操作规程，确定与所开发工艺相配套的高效、低耗的成套设备及仪表自控，系统投入工业运行，主要技术经济指标达到项目预期要求。
①水质特性分析
由于水质的不同对于工艺参数的选择以及设备的性能有着非常大的影响，本项目中将针对性地进行水质的特性分析。
在全面的水质分析数据分析的基础上进行装置的设计和制作，同时在整个试验过程中都将进行不间断的实验分析，及时掌握进水水质变化情况，同时对装置进行相应调整。
②小试装置及小试
小试试验中曝
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