曝氣生物濾池在國外的應(yīng)用

曝氣生物濾池在國外的應(yīng)用

中國是一個(gè)缺水的國家。近年來，許多地區(qū)的缺水現(xiàn)象有所惡化。與此同時(shí),我國污(廢)水排放量逐年增加,以1997年為例,污(廢)水排放總量為416億m3,污水中化學(xué)需氧量(CODCr)排放量1757萬t,而集中處理率僅為10%左右。大量污水未經(jīng)處理或未經(jīng)有效處理即進(jìn)行排放,其結(jié)果是一方面污染了環(huán)境特別是水環(huán)境,另一方面加劇了水資源的短缺?？梢哉f,資金和技術(shù)已成為制約我國污水處理的兩大主要因素。因此,很有必要找到一種基建投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、占地面積小、管理方便、適合我國國情的污水處理新技術(shù),既能使污水得以有效處理,又能使其適當(dāng)回用。曝氣生物濾池作為一種新型污水處理技術(shù),在國外已有實(shí)際應(yīng)用。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,采用該工藝可顯著節(jié)約基建投資并減少占地面積,出水水質(zhì)較好,運(yùn)行費(fèi)用低,管理方便,特別是其模塊化結(jié)構(gòu)利于未來的擴(kuò)建。該工藝可獨(dú)立建立,也可與其他污水處理工藝組合應(yīng)用,是一種可替代傳統(tǒng)的污水處理工藝、適合我國國情的污水處理法。1通風(fēng)生物濾池的組成1.1處理接觸氧化法和給水快濾池的設(shè)計(jì)思路曝氣生物濾池(BAF,BiologicalAeratedFilter)也叫淹沒式曝氣生物濾池(SBAF,SubmergedBiologicalAeratedFilter)。國外從20世紀(jì)初開始進(jìn)行研究,于80年代末基本成型,后不斷改進(jìn),并開發(fā)出多種形式。在開發(fā)過程中,充分借鑒了污水處理接觸氧化法和給水快濾池的設(shè)計(jì)思路,集曝氣、高濾速、截留懸浮物、定期反沖洗等特點(diǎn)于一體。其工藝原理為,在濾池中裝填一定量粒徑較小的粒狀濾料,濾料表面生長著生物膜,濾池內(nèi)部曝氣,污水流經(jīng)時(shí),利用濾料上高濃度生物膜量的強(qiáng)氧化降解能力對污水進(jìn)行快速凈化,此為生物氧化降解過程;同時(shí),因污水流經(jīng)時(shí),濾料呈壓實(shí)狀態(tài),利用濾料粒徑較小的特點(diǎn)及生物膜的生物絮凝作用,截留污水中的大量懸浮物,且保證脫落的生物膜不會隨水漂出,此為截留作用;運(yùn)行一定時(shí)間后,因水頭損失的增加,需對濾池進(jìn)行反沖洗,以釋放截留的懸浮物并更新生物膜,此為反沖洗過程。一般說來,曝氣生物濾池具有以下特征:(1)用粒狀填料作為生物載體,如陶粒、焦炭、石英砂、活性炭等;(2)區(qū)別于一般生物濾池及生物濾塔,在去除BOD、氨氮時(shí)需進(jìn)行曝氣;(3)高水力負(fù)荷、高容積負(fù)荷及高的生物膜活性;(4)具有生物氧化降解和截留SS的雙重功能,生物處理單元之后不需再設(shè)二次沉淀池;(5)需定期進(jìn)行反沖洗,清洗濾池中截留的SS,同時(shí)更新生物膜。1.2主要形式曝氣生物濾池主要分為以下三種形式。1.2.1反沖洗和反沖溶膠結(jié)構(gòu)簡圖如圖1,污水從濾池上部流入,下向流流出濾池。在濾池中下部設(shè)曝氣管(一般距底部25～40cm處)進(jìn)行曝氣,曝氣管上部起生物降解作用,下部主要起截留SS及脫落的生物膜的作用。運(yùn)行中,因截留了SS及生物膜的生長,水頭損失逐漸增加,達(dá)到設(shè)計(jì)值后,開始反沖洗。一般采用氣水聯(lián)合反沖,底部設(shè)反沖洗氣、水裝置。BIOCARBONE屬早期曝氣生物濾池,其缺點(diǎn)是負(fù)荷仍不夠高,且大量被截留的SS集中在濾池上端幾十厘米處,此處水頭損失占了整個(gè)濾池水頭損失的絕大多數(shù),濾池納污率不高,容易堵塞,運(yùn)行周期短。最新的曝氣生物濾池有法國Degrémont公司開發(fā)的BIOFOR和OTV公司開發(fā)的BIOSTYR,克服了BIOCARBONE的這些缺點(diǎn)。1.2.2處理單元-采用反沖洗水處理工藝BIOFOR結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。底部為氣水混合室,之上為長柄濾頭、曝氣管、墊層、濾料。所用濾料密度大于水,自然堆積。BIOFOR運(yùn)行時(shí)一般采用上向流,污水從底部進(jìn)入氣水混合室,經(jīng)長柄濾頭配水后通過墊層進(jìn)入濾料,在此進(jìn)行BOD、COD、氨氮、SS的去除。反沖洗時(shí),氣、水同時(shí)進(jìn)入氣水混合室,經(jīng)長柄濾頭配水、氣后進(jìn)入濾料,反沖洗出水回流入初沉池,與原污水合并處理。BIOFOR采用上向流(氣水同向流)的主要原因有:(1)同向流可促使布?xì)狻⒉妓鶆?(2)若采用下向流,則截留的SS主要集中在填料的上部。運(yùn)行時(shí)間一長,濾池內(nèi)會出現(xiàn)負(fù)水頭現(xiàn)象,進(jìn)而引起溝流,采用上向流可避免這一點(diǎn);(3)采用上向流,截留在底部的SS可在氣泡的上升過程中被帶入濾池中上部,加大填料的納污率,延長了反沖洗間隔時(shí)間。1.2.3曝氣生物濾池BIOSTYR和BIOFOR不同的是采用密度小于水的濾料,一般為聚苯乙烯小球。運(yùn)行時(shí)采用上向流,在濾池頂部設(shè)格網(wǎng)或?yàn)V板以阻止濾料流出,正常運(yùn)行時(shí)濾料呈壓實(shí)狀態(tài),反沖時(shí)采用氣水聯(lián)合反沖,反沖水采用下向流以沖散被壓實(shí)的濾料小球,反沖出水從濾池底部流出。其余跟BIOFOR大同小異,如圖3。以上為曝氣生物濾池主要的三種形式,在世界范圍內(nèi)都有應(yīng)用。其中BIOCARBONE為早期形式,目前大多采用BIOFOR和BIOSTYR。BIOFOR的濾料——球狀輕質(zhì)陶粒已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,筆者于南昌市污水總排放口的現(xiàn)場試驗(yàn)證明,采用該濾料的BIOFORC/N+BIOFORC工藝進(jìn)行處理,出水水質(zhì)可達(dá)到生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)。濾料的國產(chǎn)化為BIOFOR在我國的應(yīng)用創(chuàng)造了重要的條件。2采用beofor氣處理裝置及其主要工藝參數(shù)以biofor為例2.1biofor工藝特點(diǎn)完整的BIOFOR工藝流程如圖4所示。污水經(jīng)格柵、沉砂池后,進(jìn)入初沉池進(jìn)行初步沉降,出水從底部進(jìn)入一級BIOFOR(BIOFORC/N),進(jìn)行BOD、COD的降解以及部分氨氮的氧化;上向流流出后,從底部進(jìn)入二級BIOFOR(BIOFORN),進(jìn)行剩余BOD、COD的降解及氨氮的完全氧化;接著再從底部進(jìn)入三級BIOFOR(BIOFORDN),通過在進(jìn)水端投加外加碳源(如甲醇等)和化學(xué)除磷劑(如FeCl3等),進(jìn)行反硝化脫氮和化學(xué)除磷,最終排出。另外需建兩池,一為反沖水儲備池,另一為反沖出水緩沖池。BIOFOR每運(yùn)行一定周期即進(jìn)行反沖洗(用濾后水),反沖污泥先進(jìn)入污泥緩沖池,以緩沖反沖污泥對初沉池造成的沖擊負(fù)荷,最終回流入初沉池。BIOFOR反沖污泥具有較強(qiáng)的生物活性,表現(xiàn)為具有一定吸附懸浮有機(jī)物顆粒的作用,可作為一種生物絮凝劑,將其回流到初沉池進(jìn)水端,和原污水充分混合后,將大大有助于原污水中SS的沉降及COD的去除。該工藝也可將BIOFORDN置于BIOFORC/N前,BIOFORN出水部分回流入BIOFORDN內(nèi),利用原污水中的BOD進(jìn)行前置反硝化;同時(shí)在BIOFORN入口處投加化學(xué)除磷劑,將化學(xué)除磷置于BIOFORN池內(nèi),如圖5所示。此外,國外的研究表明BIOFOR工藝也可通過間歇曝氣,實(shí)現(xiàn)生物除磷,不過目前還處于試驗(yàn)階段,尚未有生產(chǎn)性的報(bào)道。以上為BIOFOR全套處理工藝。根據(jù)要達(dá)到的不同出水標(biāo)準(zhǔn),也可對BIOFOR的級數(shù)進(jìn)行取舍,如僅需達(dá)到二級處理排放水標(biāo)準(zhǔn),則只需單BIOFORC/N或者BIOFORC/N+BIOFORN;如需進(jìn)行反硝化處理,也可根據(jù)對出水總氮的不同要求,采用BIOFORDN+BIOFORC/N或BIOFORC/N+BIOFORDN。2.2填料反沖試驗(yàn)容積負(fù)荷:與要求出水水質(zhì)相關(guān),一般情況為:有機(jī)物負(fù)荷2～6kgBOD5/(m3·d);硝化0.5～2kgNH3-N/(m3·d);反硝化0.8～5.0kgNO-3-N/(m3·d);氣水比:BIOFORC/N(1～3)∶1,BIOFORN(2～3)∶1;填料高度:2～4m;填料粒徑:2～8mm;反沖周期:24～48h;單池反沖水量:約占產(chǎn)水量的8%左右,或?yàn)閱纬靥盍象w積的3倍左右;反沖時(shí)間:20～30min。3采用開放生物濾池的主要優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)3.1生物濾池的處理工藝(1)占地面積小,基建投資省。曝氣生物濾池之后不設(shè)二次沉淀池,可省去二次沉淀池的占地和投資。此外,由于采用的濾料粒徑較小,比表面積大,生物量高,再加上反沖洗可有效更新生物膜,保持生物膜的高活性,這樣就可在短的時(shí)間內(nèi)對污水進(jìn)行快速凈化。曝氣生物濾池水力負(fù)荷、容積負(fù)荷大大高于傳統(tǒng)污水處理工藝,停留時(shí)間短(每級0.5～0.66h),因此所需生物處理面積和體積都很小,節(jié)約了占地和投資。(2)出水水質(zhì)高。在BIOFOR中,由于填料本身截留及表面生物膜的生物絮凝作用,使得出水SS很低,一般不超過10mg/L;因周期性的反沖洗,生物膜得以有效更新,表現(xiàn)為生物膜較薄(一般為110μm左右),活性很高。高活性的生物膜可吸附、截留一些難降解的物質(zhì)。采用一級BIOFOR(BIOFORC/N),出水可達(dá)到國家二級處理出水標(biāo)準(zhǔn);若采用兩級BIOFOR(BIOFORC/N+BIOFORN),出水可達(dá)生活雜用水標(biāo)準(zhǔn);若采用全套BIOFOR工藝,則可除磷脫氮。德國某公司為我國某市污水處理廠設(shè)計(jì)采用兩級BIOFOR工藝,出水可達(dá)到生活雜用水標(biāo)準(zhǔn)。處理量為12萬m3/d,其設(shè)計(jì)出水水質(zhì)見表1。(3)氧的傳輸效率很高,曝氣量小,供氧動(dòng)力消耗低。在BIOFOR中,氧的利用效率可達(dá)20%～30%,曝氣量明顯低于一般生物處理法。其主要機(jī)理是:①因填料粒徑很小,氣泡在上升過程中,不斷被切割成小氣泡,加大了氣液接觸面積,提高了氧氣的利用率;②氣泡在上升過程中,受到了填料的阻力,延長了停留時(shí)間,同樣有利于氧氣的傳質(zhì);③理論研究表明,在BIOFOR中氧氣可直接滲透入生物膜,因而加快了氧氣的傳質(zhì)速度,減少了供氧量。(4)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),耐低溫。國外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,曝氣生物濾池可在正常負(fù)荷2～3倍的短期沖擊負(fù)荷下運(yùn)行,而其出水水質(zhì)變化很小。這主要依賴于濾料的高比表面積,當(dāng)外加有機(jī)負(fù)荷增加時(shí),濾料表面的生物量可以快速增值;另一方面依賴于整體曝氣生物濾池的緩沖能力。此外,根據(jù)國外的報(bào)道,生物曝氣濾池一旦掛膜成功,可在6～10℃水溫下運(yùn)行,并具有良好的運(yùn)行效果。(5)易掛膜,啟動(dòng)快。根據(jù)國外的運(yùn)行及筆者的試驗(yàn),曝氣生物濾池在水溫10～15℃時(shí),2～3周即可完成掛膜過程。曝氣生物濾池在暫時(shí)不使用的情況下可關(guān)閉運(yùn)行,此時(shí)濾料表面的生物膜并未死亡,而是以孢子的形式存在,一旦通水曝氣,可在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。筆者在南昌污水總排放口進(jìn)行BIOFOR的試驗(yàn)時(shí),污水水溫15℃左右,停止運(yùn)行半月(濾柱內(nèi)排空水且不曝氣),恢復(fù)運(yùn)行3d后即完全正常。這一特點(diǎn)說明曝氣生物濾池非常適合一些水量變化大地區(qū)的污水處理,如在旅游地區(qū),污水量受季節(jié)及旅游人數(shù)的變化影響非常大,在旅游淡季時(shí),完全可以關(guān)閉部分曝氣生物濾池,以減少不必要的運(yùn)行費(fèi)用,一旦需要可在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)設(shè)計(jì)處理能力。(6)曝氣生物濾池采用模塊化結(jié)構(gòu),便于后期改建、擴(kuò)建。3.2曝氣生物濾池前的處理工藝(1)曝氣生物濾池對進(jìn)水的SS要求較高。為使之在較短的水力停留時(shí)間內(nèi)處理較高的有機(jī)負(fù)荷并具有截留SS的功能,曝氣生物濾池采用的填料粒徑一般都比較小。如果進(jìn)水的SS較高,會使濾池在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)的水頭損失發(fā)生堵塞,這樣就必然導(dǎo)致頻繁的反沖洗,增加了運(yùn)行費(fèi)用與管理的不便。根據(jù)國外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),進(jìn)水的SS一般不超過100mg/L,最好控制在60mg/L以下。這樣就對曝氣生物濾池前的處理工藝提出了較高的要求。對初沉池而言,解決的方法是:或者減小表面負(fù)荷、延長停留時(shí)間,或者采用斜板(管)沉淀池,或者增加預(yù)曝氣以改善固體顆粒的沉降性能。另外,因曝氣生物濾池的反沖污泥具有比較高的生物活性,將其回流入初沉池,可利用其吸附、絮凝能力,將污泥作為一種生物絮凝劑,提高SS的去除率;國外也有采用投加化學(xué)藥劑進(jìn)行化學(xué)絮凝沉淀。(2)采用曝氣生物濾池,水頭損失較大,水的總提升高度大。曝氣生物濾池雖具有截留SS,代替二沉池的功能,但同時(shí)伴隨著的是其水頭損失較大。一般來說,水頭損失根據(jù)具體情況,每一級為1～2m,這樣就在整體上加大了水的總提升高度。(3)采用曝氣生物濾池工藝,在反沖洗操作中,短時(shí)間內(nèi)水力負(fù)荷較大,反沖出水直接回流入初沉池會對初沉池造成較大的沖擊負(fù)荷。因此該工藝雖節(jié)約了二沉池,但需一污泥緩沖池,反沖出水一般先流入污泥緩沖池,爾后緩慢回流入初沉池,以減輕對初沉池的沖擊負(fù)荷。此外,因設(shè)計(jì)或運(yùn)行管理不當(dāng)還會造成濾料隨水流失等問題。4云議生物濾池的理想過濾材料：陶粒4.1反沖密度的選擇(1)表面粗糙。表面粗糙的濾料為微生物提供了理想的生長、繁殖地,表現(xiàn)為容易掛摸、生物量高。(2)密度適中。密度太大不利于反沖洗的進(jìn)行,表現(xiàn)為所需反沖強(qiáng)度大、反沖所需時(shí)間長;密度太小,在反沖時(shí)容易跑料,不易控制反沖強(qiáng)度。(3)有一定的強(qiáng)度,耐摩擦。(4)無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。(5)價(jià)格適中。4.2企業(yè)污染處理的必要性陶粒作為一種生物載體,有其優(yōu)良的特性。早期的陶粒大多采用頁巖直接燒制、破碎、篩分而成,為不規(guī)則狀(片狀居多)。最近出現(xiàn)的球形輕質(zhì)陶粒,采用粘土(主要成分為偏鋁硅酸鹽)為原材料,加入適當(dāng)化工原料作為膨脹劑,經(jīng)高溫?zé)贫?。表觀呈球形,具有表面粗糙、密度適中、強(qiáng)度高、耐摩擦等一系列優(yōu)點(diǎn)。其主要性能參數(shù)見表2。筆者