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一体式生物滤池处理城市污水试验研究 摘要 水资源短缺是制约我国经济和社会发展的重要因素，而大量的城市污水未经 任何处理或略加处理直接排入水域是造成水环境质量在总体上继续恶化的主要 原因。因此，研究开发符合我国国情的简易高效低耗城市污水处理新工艺是当务 之急，曝气生物滤池就是解决这一问题的重要技术途径之一。本文对采用陶粒填 料的好氧缺氧一体式生物滤池处理城市污水进行了试验研究，试验内容包括滤池 的挂膜启动、滤池在各个水力负荷( 有机物容积负荷) 下处理城市污水的性能及 气水比、温度对处理效果的影响等。 本次试验采用人工自配污水作为反应器得进水。试验结果表明：好氧缺氧一 体式生物滤池在2 4 - - 2 8 c 条件下以曝气池污泥为接种污泥，1 1 d 左右完成挂膜 过程，在挂膜过程中，氨氮和c o d 两指标相比较，氨氮更适宜作为判断挂膜成 功的指标：当水温在2 0 - - 2 5 c ，进水c o d 在3 0 0 一4 0 0 m g ，l ，氨氮在4 0 一5 5 m g ，l 的范围内变化，好氧区水力停留时间在0 5 h 以上，缺氧区水力停留时间在0 4 4 h 以上，气水比大于5 对，可使出水的c o d 和氨氮分别达到7 0 m g l 和2 5m 舡 较低，处理效果稳定。滤池随着气水比的增加，各污染物去除率增加，但各污染 物的去除效率变化不同，氨氮较c o d 、溶解性磷酸盐变化大。随着温度的降低， 各污染物去除率下降，在c o d 、氨氮和溶解性磷酸盐三指标中，氨氮去除率下 降最为明显。在滤池中，硝化作用主要发生在好氧段，好氧段和缺氧段都对于总 氮有一定的去除作用，但主要集中在缺氧段。通过滤池的高度分析，在滤池中存 在一个最优高度的问题。 关键词：城市污水，好氧缺氧一体式生物滤池，水力停留时间，气水比，温度 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 a b s e r a c t s h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c ei sa ni m p o r t a n tr e s t r i c t i n g - f a c t o ro ft h ee c o n o m ya n d s o c i e t yd e v e l o p m e n ti nc h i n a ，a n dag r e a td e a lo fm u n i c i p a ls e w a g ed i r e c t l yd r a i n i n g i n t ow a t e rb o d yw i t h o u ta n yt r e a t m e n to rw i t hl i t t l et r e a t m e n ti sam a i nc a u s ew h yt h e q u a l i t yo fw a t e re n v i r o n m e n th a sb e e nd e t e r i o r a t i n ga saw h o l e s oi ti su r g e n tt o r e s e a r c ha n dd e v e l o ps i m p i e 、h i g h - e f f i c i e n t 、l o w - c o n s u m p t i v et r e a t m e n tt e c h n i q u e s f o rm u n i c i p a ls e w a g ec o r r e s p o n dt ot h es i t u a t i o no fc h i n a a e r a t e db i o f i l t e ri so n eo f t h ei m p o r t a n tt e c h n i c a la p p r o a c h e st or e s o l v et h ep r o b l e m t h es t u d yf o c u s e so n m u n i c i p a ls e w a g et r e a t m e n tu s i n ga l la e r o b i c a n o x i ci n t e g r a t i v eb i o l o g i c a lf i l t e ri n w h i c hg r a n u l a rc e r a m i c sm e d i ai su s e d i t i n c l u d e ss t a r t u po ft h ef i l t e ru n d e r c o n d i t i o no fn a t u r a lt e m p e r a m r e ，a n dp e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e rt r e a t i n gm u n i c i p a l s e w a g eu n d e rs o m eh y d r a u l i cl o a d ( o r g a n i cv o l u m el o a d ) ，a n dt h ee f f e c t so ft h e p a r a m e t e r s ：r a t i oo fa i ra n dw a t e ra n dt e m p e r a t u r ec o r r e l a t e dt ot h ef i l t e r i nt h ee x p e r i m e n tt h ei n f l u e n ti sm a n u a l l ym a d e 印t h er e s u l t sd e m o n s t r a t e ：i t t a k e sa b o u tl l dt oc o m p l e t et h es t a r t - u pu n d e rt h ec o n d i t i o no f2 4 - - 2 8 cw i t ht h e s l u d g eo fa e r a t i o nt a n ka ss e e d w h e nt h ec o d i ni n f l u e n tv a r i e sb e t w e e n3 0 0 一 4 0 0 r a g la n dt h en h 3 一ni ni n f l u e n tv a r i e sb e t w e e n4 0 - - 5 5 m g l ，a n dh r t o ft h e a e r o b i cz o n ei sm o r et h a n0 5 h ，a n dh r to ft h ea n o x i cz o n ei sm o r et h a n0 4 4 h ，t h e r a t i oo fa i ra n dw a t e ri sm o r et h a n5 ，c o da n dn h 3 一no ft h ee f f l u e n tc a nr e a c h 7 0 m g la n d2 5m g lt h er e m o v a lr a t i oc a nb ee n h a n c e dw i t hi n c r e a s eo fr a t i oo fa i r a n dw a t e lt h er e m o v a lr a t i oc a nb er e d u c e dw i t hd e c r e a s eo ft e m p e r a t u r e n i t r i f i c a t i o nm a i n l yo c c u r si na e r o b i ca l c aa n dd e n i t r i f i c a t i o np r i m a r i l yo c c u r si n a n o x i ca r e a b ya n a l y z i n gt h eh e i g h to ft h eb i o l o g i c a lf i l t e r ，i te x i s t st h eo p t i m u m h e i g h ti nt h eb i o l o g i c a lf i l t e r k e y w o r d s ：m u n i c i p a ls e w a g ea e r o b i c - a n o x i ci n t e g r a t i v eb i o l c l 舀c a lf i l t e r h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m er a t i oo fa i ra n dw a t e rt e m p e r a t u r e 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 妊蟛牡 2 0 0 5 年4 月2 7 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 5 年4 月2 7 日 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 1 绪论 1 1 我国水环境现状 2 0 0 3 年度七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 1 的断面满足i 一类水质 要求，3 2 2 的断面属、v 类水质，2 9 7 的断面属劣v 类水质。其中七大水 系干流的1 1 8 个国控断面中，i 一类水质断面占5 3 4 ，i v 、v 类水质断面占 3 7 3 ，劣v 类水质断面占9 3 。各水系干流水质好于支流水质。2 0 0 3 年度监 测的2 8 个重点湖库中，满足i i 类水质的湖库有1 个，占3 6 ；1 i i 类水质湖库有 6 个，占2 1 4 ；i v 类水质湖库有7 个，占2 5 0 ；v 类水质湖库有4 个，占1 4 3 ； 劣v 类水质湖库有1 0 个，占3 5 7 。重点水库的主要污染指标为总氮总磷。监 测的1 0 个大型水库中，密云水库、千岛湖、石门水库和董铺水库水质为类， 于桥水库和丹江1 ：3 水库水质为类，大伙房水库和松花湖水质为v 类，崂山水库 和门楼水库水质为劣v 类。大型水库的主要污染指标为总氮、总磷。大型水库富 营养化程度较轻。2 0 0 3 年地下水水质在基本稳定的基础上有恶化趋势。大部分 城市和地区存在一定程度的点状或面状污染。污染区仍然以人口密集和工业化程 度较高的城市中心区为主，超标指标有矿化度、总硬度、硝酸盐、噩硝酸盐、氨 氮、铁、锰、氯化物、硫酸盐、p h 值、氟化物、酚等。铁、锰和“三氮”污染在 全国各地区均比较突出，矿化度、总硬度、硝酸盐超标主要分布在东北、华北、 华东、中南和西北地区。2 0 0 3 年，全国4 7 个环保重点城市集中式饮用水源地水 质总体良好。3 1 个城市全年水质达标率大于8 0 ，水质状况良好，其中2 2 个城 市水质达标率为1 0 0 ，水质状况优；8 个城市水质达标率在5 0 7 9 9 之间， 水质一般；8 个城市水质达标率小于5 0 ，水质较差。与上年相比，全国重点城 市饮用水源地水质达标率基本稳定。地表水源主要超标项目为总氮、粪大肠菌群、 生化需氧量等：地下水源主要超标项目为总硬度、硫酸盐等【”。造成当前中国水 环境恶化的一个重要的因素就是我国的污水厂建设滞后，大量的城市污水不经任 何处理或只经过简单的处理就排入地表水体。 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 1 2 城市污水生物处理技术概论 1 2 1 技术概述 从简单的污水处理技术发展到当今的各种污水处理技术，已经历百余年的历 史。在这一历程中，以生物化学为主的生物工艺始终发挥着重要的作用，他们能 在高效去除有机物的同时，又能高效的去除营养物质，提高了出水水质，有效地 保护了水环境和水资源。在当今各种污水生物处理工艺中比较典型的有下述工 艺：a 0 工艺、a a o 工艺、s b r 法、a ，b 工艺、氧化沟、稳定塘处理系统、土 地处理系统、曝气生物滤池【2 ，3 】。 a o 工艺有两种形式，一种是厌氧好氧流程，其作用在去除有机物的同时去 除废水中的磷。a o 另一种流程是由缺氧池和好氧池串连而成的流程，其主要的 功能是去除废水中的氮。该工艺流程是一种前置反硝化工艺，这是目前研究和实 际工程中应用较多的一种较为简单实用的生物脱氦工艺。与传统的生物脱氮工艺 相比，a o 工艺脱氮具有流程简短，工程造价低的优点 3 1 。 a a o 工艺有两种形式，分别为厌氧、缺氧、好氧与缺氧、厌氧、好氧两种。 该工艺其实是上述a o 工艺的结合 4 1 。其厌氧、缺氧、好氧工艺具有同步脱氮除 磷的功能，因其在厌氧( 缺氧) 、好氧交替条件下运行，丝状菌不能大量增殖，因 而很少发生污泥膨胀吼而缺氧、厌氧、好氧工艺则是将缺氧区前置，该工艺的 特点是：一、聚磷菌厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境，其在厌氧状 态下形成的吸磷动力可以得到充分的利用；二、所有参与回流的污泥全部经历完 整的释磷、吸磷过程，使剩余污泥含磷量提高，提高了除磷效率；三、缺氧段位 于工艺首端，允许反硝化优先获得碳源，进一步加强了系统的脱氮能力；四、采 取适当措施可以将回流污泥和内循环合并为一个回流系统，使流程更简便，便于 推广。据毕学军【6 】等的研究表明和前一种工艺相比其出水磷降低，硝化速率提高。 该工艺的不足在于流程较长。 s b r 是序批式间歇活性污泥法的简称，它是由按一定时间循序间歇操作运 行的反应器组成。s b r 的一个完整的操作过程包括如下五阶段：进水期、反应 期、沉淀期、排水排泥期、闲置期_ 。该工艺适用- y d , 流量的污水处理，且对自 动化程度要求较高。 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 舳工艺是吸附生物降解工艺的简称。a b 法是二段活性污泥法的一种改进 形式，在a b 工艺中，整个系统分成负荷截然不同的a 段和b 段。a 段在相当 高的负荷下运行，b 段负荷较低。a 段和b 段采用单独回流的方式，在a 段和b 段曝气池中形成两种特性不同的微生物群落i s , 9 1 。a b 工艺流程较长，且a b 法不 具备深度脱氮除磷功能，其出水尚达不到防止水体富营养化的要求。但据华光辉 9 1 的研究采用间歇曝气法改进a b 工艺，能显著提高氨氮和总氮的去除率，在碳 源满足脱氦除磷要求的条件下，可达到良好的氮磷脱除效果。 氧化沟污水处理工艺是在2 0 世纪5 0 年代由荷兰卫生工程研究所研制成功 的，并于1 9 5 4 年在荷兰的v o o r s h o p e r 市投入使用。氧化沟系统的基本构成包括： 氧化沟池体，曝气设备，进、出水装置，导流和混合装置以及附属构筑物。氧化 沟主要的技术特点为【s l ：一、氧化沟的流态在整体上是完全混合的，而局部又具 有推流特性，使得在污水中能形成良好的混合液生物絮凝体，提高二沉池的污泥 沉降速度及澄清效果，另外，其独特的水流特性对除磷脱氮也是极其重要的。二、 氧化沟构造形式的多样性赋予了它灵活机动的运行性能，可按照任意一种活性污 泥法的运行方式运行。三、处理效果稳定，出水水质好，并可实现脱氮。四、工 艺流程简单，构筑物少，节省基建费用，减少占地面积，便于管理。五、污泥产 量少，污泥性质稳定。六、能承受水量、水质冲击负荷，对高浓度工业废水有很 大的稀释能力。在氧化沟工艺中，其曝气装置是其技术发展的关键性因素。 稳定塘处理系统是一种古老的污水处理技术，能够有效地用于生活污水，城 市污水和各种工业废水的处理川。传统稳定塘存在诸如水力停留时间较长、占地 面积过大、积泥严重和散发臭味等问题，人们不断地对稳定塘进行改良，出现了 许多新型高效生物塘【1 0 l 。 废水土地处理源于废水灌溉农田，其原理是利用土壤一微生物一植物组成的 生态系统，经过一系列物理的、化学的、物理化学的和生物化学的净化过程，来 完成对废水的处理。土地处理系统可分为五类：慢速渗滤，快速渗率，地表慢流， 湿地，地下慢滤i l l 】。土地处理效率比较低。 曝气生物滤池简称b a f ( b i o l o f f i c a la e r a t e df i l e 0 ，该技术技术最早由法国 c g ef c o m p a g u i n eg e n e r e l ed e se a n x ) 公司所属的o t v ( l o m n i u md ef m i t e m e n ts e td ev a l o r i s a t i o n ) 公司开发。目前，在欧美、日本等地已有数百座大小各异的污 水处理厂采用了b a f 技术。在曝气池中有几个关键问题，如滤料、负荷、反冲 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 洗、气水比。滤料是曝气生物滤池的关键部分，对曝气生物滤池的功效有直接的 影响，同时也影响到曝气生物滤池的结构形式和成本。常用的滤料有石英砂、陶 粒及塑料制品。滤料的粒径主要取决于曝气生物滤池的功能。曝气生物滤池具有 抗冲击负荷能力强的特点【1 2 , 1 3 】。 1 2 2 一体化反应器研究 随着城镇化速度加快而产生的生活污水及工业废水的污染日益严重，其特点 是水量小、分散广、水质变化大、收集难度大、需要就地处理后达标排放。如单 栋饺宅、办公楼、商场、饭店、疗养院、宾馆、学校、部队等污水处理，其日排 放污水量大多在5 0 0 m 3 以下，对于该类工程一些各具特色的中、小型污水处理成 套设备应运而生，此类设备经济实用、占地小、操作管理方便，在水污染控制中 起到了积极的作用。所谓一体化反应器是指污水处理各工序在同一个反应器内完 成，其技术特点如下“： ( 1 ) 适用范围广、处理效果好。耐冲击负荷能力强； ( 2 ) 操作简单、管理方便； ( 3 ) 剩余污泥量极少( 不需要设置污泥处理装置) 。节省运转费用及投资： ( 4 ) 基建投资合理，运转费用低、占地少； ( 5 ) 可以应用户要求埋人地下，不占地表面积，减小对周围环境的影响； 目前国内研制开发的一体化反应器主要是以去除c o d 、b o d 、s s 、n h 3 一n 为主。此类反应器是将传统的城市污水二级处理工艺组合在一个设备里。反应器 主体大多采用接触氧化工艺，按接触好氧池的数目，分为单级和多级，容积负荷 一般为l k g ( m 3 m ，污水在反应器内总停留时间为8 h 左右。 其作为一体化反应器的研究需重点解决以下问题1 1 2 , 1 5 ： ( 1 ) 采用缺氧反应器( 如水解工艺顶部固液分离或多级缺氧滤池) 处理的同 时污泥得到处理；同时在滤池内固定特选微生物( 如滤池细菌等) 能降低污泥产 率；与之组合，在污水入口处形成生态滤池。尽可能降低污泥产率； ( 2 ) 对曝气生物滤池内核心滤料研究( 包括其材质、级配等) ，目的是延长其 运行周期，同时使得反冲洗更加便捷、容易( 如取消气洗，只采用滤后水反冲洗。 设置特殊的反冲洗装置，以获得理想的水流剪切力作用，满足曝气生物滤后反冲 洗要求： 4 体式生物滤池处理城市污水试验研究 ( 3 ) 取消传统的鼓风曝气，采用溶气射流技术等。 1 3 曝气生物滤池技术国内外概论 1 3 1 曝气生物滤池的发展过程 曝气生物滤池简称b a f 是2 0 世纪8 0 一9 0 年代在普通生物滤池的基础上， 借鉴给水滤池工艺原理而开发的污水处理新工艺。曝气生物滤池是普通生物滤池 的一种变形形式，也可看成是生物接触氧化法的一种特殊形式，即在生物反应器 内装填高比表面积的颗粒填料，以提供微生物生长的载体，并根据进出水流向不 同分为下向流或上向流，污水由上而下或由下而上流过滤料层，滤料层下部鼓风 曝气提供生化反应所需的氧气，在填料表面附着生长的微生物的作用下，污水中 的有机污染物得到净化，同时填料起到物理过滤作用。曝气生物滤池起初用作污 水三级处理，后发展为直接用于二级处理。曝气生物滤池做为一种新型膜法接触 氧化工艺污水生物处理技术，是在我国和日本几乎于同一时期出现的污水处理方 法，是生物接触氧化技术与给水处理过滤技术有机结合的一种污水好氧处理工 艺，即利用污水处理生物接触氧化与滤池过滤的原理，使生物净化与物理过滤相 结合，它无需设置二沉池，通过定期反冲洗实现生物膜的脱膜与截流悬浮固体的 排除，可以保持生物接触氧化的高效性，同时又可以获得良好的出水水质。该技 术最初应用于污水的深度处理( 三级处理) ，由于其良好的处理性能，应用范围不 断扩大，如在污水的二级处理中。曝气生物滤池体现出处理负荷高、出水水质好、 占地面积小等优点【1 6 ，”。 9 0 年代初，曝气生物滤池得到了较快的发展，在法国、英国、奥地利和澳 大利亚等国已有较成熟的技术和设备产品，采用曝气生物滤池的污水处理厂处理 规模最大已达到几十万m 3 d ，同时已经发展成为具有脱氮除磷功能的污水处理 工艺技术。以曝气生物滤池为基础的污水处理工艺具有多种组合形式，按照污水 处理要求的不同，可将曝气生物滤池分为以下几类：以去除碳源性有机污染物为 主的工艺、去除碳源性有机污染物硝化组合工艺、去除碳源性有机污染物硝化， 反硝化组合工艺和去除碳源性有机污染物除磷脱氮组合工艺。自8 0 年代在欧洲 建成第一座污水处理厂后，曝气生物滤池已在欧、美和日本等发达国家广为流行， 目前世界上已有一百多座污水处理厂应用了这种技术。不仅用于水体富营养化处 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 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。近年来随着研究的深入，曝气生物滤池己从 单一的工艺逐渐发展成系列综合工艺。它具有去除s s 、去除c o d 、去除b o d 、 硝化、脱氮、除磷、除去a o x ( ；f f 害物质1 的作用。且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) 流程。此外，该处理工艺 容积负荷、水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，同时该工艺出水水 质好。曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式，也可看成是生物接触氧化 法的一种特殊形式，即在生物反应器内装填高比表面积的颗粒填料，以提供微生 物膜生长的载体，并根据污水流向不同分为下向流或上向流，污水由上向下或由 下向上流过滤料层，在滤料层下部鼓风曝气，空气与污水逆向或同向接触，使污 水中的有机物和填料表面生物膜通过生化反应得到稳定，填料同时起至物理过滤 的作用。 淹没式生物滤池是曝气生物滤池发展的重要前身，1 9 1 3 年该技术开始在美 国l a w r e n c e 开始应用，初称淹没式接触曝气池( s u b m e r g e dc o n t a c ta e r a t o r s c a ) ， 1 9 2 5 - - 1 9 2 8 年在德国有1 0 座生产性s c a 的应用，其后需设置沉淀池【1 8 】。1 9 2 7 年美国的克萨斯州建立了第一座生产性s c a ，采用灌木及过滤板作为填料，池 内有空气扩散装置，该系统的设计流量为1 8 0 0 m 3 d ，水力停留时间1h 【1 9 】。3 0 年 代，德国开发了类似的滤池，内填粗炉渣。此后，s c a 随着采用新的填料及运 行方式而不断得到发展。淹没式生物滤池兼具普通生物膜法与活性污泥法的优 点，通过人工曝气，一方面保持了充足的溶解氧，另一方面利用气泡的扰动，有 效的更新了生物膜，保持了生物膜的活性。随着对处理负荷要求的增大，必然要 求不断增加反应器中的生物浓度和活性，其中有效的方法就是增大填料的比表面 积，对颗粒填料而言，减小滤料的粒径能够提高比表面积。但随着粒径的减小， 出现了一个难题，即滤池容易堵塞。因而早期的淹没式生物滤池都在围绕着填料 进行工艺改革，使得反应器能维持高的生物浓度而又不会产生堵塞。直到7 0 年 代末、8 0 年代初，一种新兴的生物滤池，引入了反冲洗，通过反冲洗的方式更 新生物膜和清除截留的悬浮物1 2 0 , 2 1 ；同时，滤料粒径进一步减小，除了增大比表 面积和生物浓度外，还具有了截留悬浮物的功能，从而使得系统出水不需再利用 沉淀进行固液分离，节约了二沉池。可以说，具有截留悬浮物和利用反冲洗的方 式更新生物膜、解决堵塞问题是曝气生物滤池工艺成熟的标志i 玛】。在我国9 0 年 6 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 代初就开始对曝气生物滤池工艺进行试验研究和开发，中治集团马鞍山钢铁设计 研究总院环境公司、北京环境保护科学研究院、清华大学等是我国研究开发该技 术较早的单位，并已将曝气生物滤池成功地应用于多个大、中、小型工程，随着 实际工程的应用运行，曝气生物滤池的特殊优点越来越受到我国水处理届各方的 关注。 1 3 2 曝气生物滤池的原理和特点 曝气生物滤池去除水中的污染物，主要是依靠附着在填料表面的微生物来完 成的。当废水通过填料层时，在滤料表面生长发育生物膜。废水中溶解性有机物 为存在于活性生物膜上的微生物所摄取、降解，而脱落的生物膜则部分地为滤料 所截留，成为游离生物污泥。当生物滤池正常运行后，生物膜不断吸收营养，微 生物也通过代谢活动不断增殖。微生物的增殖和悬浮物的积累，造成了生物膜厚 度逐渐增加，生物膜的结构也随之发生变化，成熟的生物膜表面与原水接触，较 容易地吸取养料和溶解氧，形成由好氧和兼养微生物组成的好氧层；而生物膜内， 由于缺氧形成厌氧和兼性微生物组成的厌氧层【2 2 , 2 3 1 。随着厌氧层的老化，生物膜 与填料表面的结合松动，在水流的剪切冲刷以及反冲洗的作用下，老化的生物膜 脱落，脱落后的空白表面又逐渐形成新的生物膜，依次变化，反复进行，使得生 物膜始终处于活性强的“年轻”阶段，以确保其处理效率的稳定性。在经过一段 运行时间后，由于微生物的增殖，使生物膜得到增长，游离的生物污泥也逐渐增 多，废水通过滤料的阻力增大，通水量降低，并可能产生局部堵塞、死水区，为 了恢复滤层的过滤能力，对滤层定期地用水、气进行强制的冲洗。曝气生物滤池 在运行中需要补充一定量的压缩空气，曝气的作用主要有两个方面【矧：一是供给 生物氧化所需的氧：二是提供生物处理反应器内良好的水流紊动程度，以利于污 染物、微生物和氧的充分接触，保证传质效果，而且有助于新老生物膜的更新换 代，保证生物膜的高氧化能力。一般来说曝气生物滤池具有以下特征【2 5 , 2 6 1 ： ( 1 ) 较小的池容积和占地面积： ( 2 ) 高质量的出水水质； ( 3 ) 处理工艺流程短； ( 4 ) 基建费用、运行费用省： ( 5 1 易于操作管理： 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 ( 6 ) 处理设施可间歇启动运行； ( 7 ) 易挂膜，启动快； ( 8 ) 曝气生物滤池采用模块化结构，便于扩大生产规模的改、扩建； ( 9 ) 可建成封闭式厂房，减少臭气、噪声和对周围环境的影响： ( 1 0 ) 需定期进行反冲洗，清洗滤池中截留的s s 以及更新生物膜 1 3 3 曝气生物滤池的构造 根据污水在生物滤池运行中过滤方向的不同，曝气生物滤池可分为上向流和 下向流滤池，除污水在滤池中的流向不同外，上向流和向下流滤池的池型结构基 本相同。早期曝气生物滤池多采用向下流流态，但随着上向流态曝气生物滤池比 下向流滤池的众多优点被人们所认识，所以近年来国内外实际工程中多采用上向 流曝气生物滤池结构。曝气生物滤池结构形式与普通快滤池类似，曝气生物滤池 的主体结构由滤池池体、滤料层、承托层、布水系统、布气系统、反冲洗系统、 出水系统、管道和自控系统组成。 ( 1 ) 滤池池体滤池池体的作用是容纳被处理的废水和围挡滤料，并承托滤 料和曝气装置的重量。生物滤池池体的形状有圆形、正方形和矩形三种，结构形 式有钢制设备和钢筋混凝土结构等。一般当处理水量较少、池体容积较小并为单 座池时，采用圆形钢结构为多；当处理水量和池容较大，选用的池体数量较多并 考虑池体共壁时，采用矩形和方形钢筋混凝土结构较经济。池体的平面尺寸以满 足所要求的流态，布水布气均匀，填料安装和维护管理方便，尽量同其他处理构 筑物尺寸相匹配等为原则。 ( 2 ) 滤料从生物滤池处理污水的反展状况来看，接触填料的选取较为重要。 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【2 ”。曝气生物滤池滤料选择得当、正确，就可以达到反应器高效运行。然 而，一旦错误地选用了不适宜的生物膜载体，甚至可能导致整个生物膜过程的失 败，或需付出沉重的运行、管理代价。在实际工程中，生物膜载体的选择应遵循 以下所述原则【2 7 - 2 9 】： 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 1 ) 机械强度一般讲，生物膜反应器从启动至运行稳定需要较长时间。如 果生物膜载体本身不具有一定的机械强度，那么在反应器运行过程中势必引起不 同程度的破损而丧失其功能，这将使得生物膜反应器中所持有的生物量呈不规律 变化。因此，正确选择生物膜载体的第一步是确定其机械强度是否可以满足所用 生物膜反应器的需要。 2 ) 物理形态在生物膜载体选择时，物理形态方面常考虑以下几个方面的 因素：载体所提供的表面积尽可能大；对固定微生物有较好的保护作用：具有较 好的传质特性；尽可能减少载体的碰撞几率等。 3 ) 生物化学及热力学稳定性在实际应用中，生物膜载体的生物化学稳定 性是必须认真加以考虑的，有专家提出有关载体生物化学稳定性应从以下几个方 面加以考虑：抗生物膜微生物对载体的腐蚀：载体具有惰性，不参与生物膜的生物 化学反应：载体本身是不可生物降解的。生物膜载体的热力学稳定性指对周围温 度变化的惰性反应。 4 ) 亲疏水性及表面电性根据物理化学中体系自由能最小原则，亲水性微 生物易于在亲水性载体表面附着、固定，而疏水性载体有利于疏水性微生物在其 表面的固定。载体表面亲疏水性及电性是可以通过对载体表面的改性完成的，或 直接在载体材料加工过程中得以实现的。 5 ) 孔隙度及表面粗糙度生物膜载体表面的孔隙度及表面粗糙度通过以下 途径直接影响生物膜形成、发展及稳定过程：增加了载体与微生物接触的有效面 积：可以保护固定微生物免受过强水力剪切作用；减慢由于载体间的碰撞所造成 的固定微生物失落速度；在某种程度上，有利于传质效率的提高。因此，生物膜 载体表面具有一定的孔隙度及粗糙度有利于生物膜反应器的成功运行。 6 ) 比重生物膜载体的比重对于悬浮载体生物膜系统即流动床的运行是一 个必须考虑的因素。载体比重过大，造成载体悬浮困难或是能耗过高。然而，若 载体比重过小，又不易维持载体在反应器中的一定流态。因此，对流化床或其它 载体需要悬浮的生物反应器，载体的比重一般控制在1 0 3 1 1 0 间为佳。 7 ) 对生物膜活性的影响作为生物膜载体，其本身必须对固定微生物无害、 无抑制性作用，这是选择生物载体的最基本要求。如果固定细胞或酶技术应用于 生产各种生物制品，那么载体本身必须对人力机体无害。因此，在环境生物技术 领域，所选用的载体材料不能显著影响固定微生物的生物活性，这是选择载体的 9 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 又一基本要求。 8 1 可再用性从经济角度讲，生物膜载体应具有可再用性，这一点在大规 模工业过程中更具有重要性。从工程角度讲，一般应避免选用一次性材料作为污 水生物处理技术中的载体。 9 、价格在选用生物膜载体时，价格因素也是工程需要考虑的因素之一。 在载体的性能及价格间做出优化选择，在不影响设计或有机目标时，一般选用廉 价的载体为宣。 在众多填料中，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。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i 韧。 0 1 承托层承托层主要是为了支撑滤料，防止滤料流失和堵塞滤头，同时 还可以保持反冲洗稳定的进行。承托层常用材质为软石或磁铁矿，为保证承托层 的稳定，并对配水的均匀性起充分作用，要求材质具有良好的机械强度和化学稳 定性，形状应尽量接近圆形，工程中一般选用鹅软石作为承托层。 布水系统曝气生物滤池的布水系统主要包括滤池最下部的配水室和滤 板上的配水滤头。配水室的功能是在滤池正常运行时和滤池反冲洗时使水在整个 滤池截面上均匀分布，它由位于滤池下部的缓冲配水区和承托滤板组成。 ( 5 ) 布气系统曝气生物滤池内的布气系统包括正常运行时曝气所需的曝气 系统和进行气水联合冲洗时的供气系统两部分。保持曝气生物滤池中足够的溶解 氧是维持曝气生物滤池内生物膜高活性、对有机物和氨氮的高去除率的必备条 件，因此选择合适的充氧方式对曝气生物滤池的稳定运行十分重要。曝气生物滤 池一般采用鼓风曝气形式。 ( 6 ) 反冲洗系统曝气生物滤池反冲洗系统与给水处理中得v 形滤池类似， 采用气水联合反冲洗，其目的是去除生物滤池运行过程中截留得各种颗粒及胶体 污染物以及老化脱落得微生物膜。 ( 7 1 出水系统曝气生物滤池出水系统有采用周边出水和单侧堰出水等。 1 0 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 ( 8 ) 管道和自控系统曝气生物滤池既要完成有机污染物得降解功能，也要 完成对污水中各种颗粒物及胶体污染物以及老化脱落的微生物膜的截留功能，同 时还要完成滤池反冲洗，这几种方式交替运行。对于小型污水厂控制较容易，但 对大型污水处理厂就需要设计必要的自控系统。 1 3 4 曝气生物滤池的主要形式 曝气生物滤池主要分为以下三种形式。 ( 1 ) 生物碳滤池( b 1 0 c a r b o n l 习结构简图如图1 1 ，从开始过滤到反冲洗 完毕为一个完整的周期。具体过程如下：在b i o c a r b o n e 工艺中，经预处理的 污水从滤池顶部进入，在滤池底部进行曝气，气水处于逆流。在反应器中，有机 物被微生物氧化分解，n h 3 一n 被氧化成n o s - 一n ，另外由于在生物膜的内部存 在厌氧兼氧环境，在硝化的同时实现部分反硝化。在生物碳滤池中，其滤料为 密度比水大的球形陶粒，结构类似于普通快滤池，污水从滤池上部流入，下向流 流出滤池。在靠近滤池底部设曝气管( 一般距底部2 5 - - 4 0 c m 处) 进行曝气，曝气 管上部起生物降解作用，下部起截留s s 及脱落的生物膜的作用。运行中，因截 留了s s 与生物膜的生长，水头损失逐渐增加，达到设计值后，开始反冲洗，一 般采用气、水联合反冲，底部设反冲洗气、水装置。b i o c a r b o n e 属早期曝气 生物滤池，其缺点是负荷仍不够高，且大量被截留的s s 集中在滤池上端几十厘 米处，此处水头损失占了整个滤池水头损失的绝大多数，滤池纳污率不高，容易 堵塞，运行周期短。 进水 o 一 反冲气 冲出水 反冲进水 一 二p 一 “一- _ h 水 图l 一1 生物碳滤池 体式生物滤池处理城市污水试验研究 ( 2 ) 轻质滤料生物滤池( b i o s t y r ) b i o s t y r 是法国o t v 公司的注册工 艺，由于采用了新型轻质悬浮填料- - b i o s t y r e n e ( 主要成分是聚苯乙烯，且比 重小于l g c m 3 1 而得名 3 1 , a 2 1 。运行时采用上向流，在滤池顶部设格网或滤板以阻 止滤料流出，正常运行时滤料呈自然堆积状态，反冲时采用气水联合反冲，反冲 水采用下向流以冲散被压实的滤料小球，反冲出水从滤池底部流出。相比较而言 b i o s t y r 工艺有如下优点：一是重力流反冲洗无须反冲泵，节省了动力；二是 滤头布置在滤池顶部，预处理水接触不易堵塞，便于更换；三是硝化反硝化可 在同一池内完成。b i o f d r 的示意图如图1 2 。 进 反冲进水 永 反冲气反冲出水 图1 2 轻质滤料生物滤池 ( 3 ) 生物过滤氧化反应器( b i o f o r ) b i o f o r 结构示意图见图1 - - 3 。底部 为气水混和室，之上为长柄滤头、曝气管、垫层、滤料。所用滤料密度大于水， 自然堆积。b i o f o r 运行时一般采用上向流，污水从底部进入气水混和室，经长 柄滤头配水后通过垫层进入滤料，在此进行b o d 、c o d 、氨氮、s s 的净化。反 冲时气、水同时进入气水混和室，经长柄滤头配水、配气后，进入滤料，反冲洗 出水回流入初沉池，与原污水合并处型3 3 1 。 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 喷头 图1 3 生物过滤氧化反应器 以上为曝气生物滤池主要的三种形式，在世界范围内都有应用。其中 b i o c a r b o n e 为早期形式，目前大多采用b i o f o r 和b i o s t y r 。b i o f o r 的 滤料一球状轻质陶粒己实现国产化，这为b i o f o r 在我国的应用创造了重要的 条件。 1 3 5 曝气生物滤池的处理工艺及应用 按照污水处理要求不同，可将b a f 工艺分为以下几类：除c 硝化工艺；除 c 硝化，反硝化工艺；除c 除p ，脱n 工艺f 2 3 , 2 6 , 3 ”。现分述如下： ( 1 ) 除c 硝化工艺图1 4 为马鞍山钢铁设计院设计的试验工程，原水经过 预处理，进入b a f 滤池实现除c 和硝化，在该工艺中，由于生物膜厌氧内环境 的存在，对t n 有一定的去除率，但t n 不是控制指标，适用于对n h 3 一n 排放 有要求的工艺。当进水固体杂质较多时，初级处理建议采用水解，这样可减少初 级处理的产泥量。 一- - - - 一水解沉淀 。一 baf c n 图1 4 水解b a f 工艺 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 ( 2 1 除c 硝化反硝化工艺图1 5 的工艺为基于a o 的原理对图1 4 工艺 的改进。因为在图1 4 工艺中末涉及对t n 的要求，如果对t n 排放有限制， 只需将出水的一部分回流到前段水解池便可实现反硝化，实现脱n 目的，通常 回流比r 为1 0 0 - - 3 0 0 。图1 6 的工艺将硝化和反硝化分别在两个滤池中进 行，该工艺操作方便运行可靠，但必须外补充碳源供反硝化之用，并且外加碳源 的量必须严格控制，外加碳源过少，反硝化不彻底，t n 排放不能达标；外加碳 源过多，出水c o d 难以达标。因此建议适当多加碳源，但必须在出水中将d o 质量浓度维持在2 - - 4 m g l ，以防出水c o d 超标。图1 7 的工艺中将b a f 作为 三级处理，实现脱n 的目的，该工艺采用b i o s t y r 工艺，代表性的有法国c e r g y 污水厂。运行时，对曝气池出水水质需加控制以确保有充足的反硝化碳源。如果 要实现出水p 排放达标，可在斜沉池前加入化学除p 剂便可。该工艺可作为我国 部分已有污水处理厂的改扩建工艺，使出水t n 达标排放。 r 进承出水 厂f i 厂百1 1 ；f 图1 5 水解b a f 硝化工艺 碳源 竺4 矿_ _ 丽鬲叶万雨卜兰匕一 图1 6 两段后置脱氮工艺 r 图1 7 b a f 三级处理工艺 1 4 一体式生物滤池处理城市污水试验研究 ( 3 ) 除c 除p 脱n 工艺图1 8 的工艺适用于进水杂质s s 浓度很高的原水。 b a f 为中间曝气，利用迸水的碳作为反硝化碳源，减轻了好氧段的负荷，节省 了用地面积，同时后处理除p 可保证b a f 池中有充足的p 营养源。该工艺中b a f 为上向流，国外用得较多的为b i o s t y r 工艺。图1 9 的工艺将硝化和反硝化 分别在两个不同的滤池中进行，仍具有单段前置脱n 的许多优点，同时，操作 比单池脱n 稳定可靠，但该工艺投资及占地面积较大。在混凝池中加入化学除p 剂，实现除p 目标。该工艺进水杂质、s s 浓度不宣过大，否则混凝池的排泥将 成为问题。同时要保证b a f 池生化反应所需的p 营养源。 ! 一 i _ _ * 。一i ：了j ：”。+ 一! ! f 。叫! ! ! ! ! r o ! ! r _ ! ! ! r 。一 图1 8 前置脱n 后续化学除p 工艺 r j 。1 。1 。 生彳i r _ 上一百两i 卜f 丽型 图1 9 两段前置脱n 工艺 曝气生物滤池在污水和净水处理中都有应用。我国上海周家渡水厂就采用的 曝气生物滤池工艺，其出水表明b a f 对浊度有良好的去除效果，且曝气时去除 率较低( 对滤层有搅动) ，不曝气时较高。其对铁锰、氨氮、亚硝酸赫、a o c 有较 好的去除效果，但对水中含不饱和键的有机物含量的去除率很低，这种有机物多 是难生物降解有机物及致突变物【川。b a f 的处理效果见表1 。 一