（环境工程专业论文）曝气生物滤池及其在污水处理中的应用.pdf

摘要 近年来，在传统污水处理工艺的基础上，已经研究开发了许多污水处理新 工艺。在传统生物膜法的基础上研究开发的曝气生物滤池( b a f - - b i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r s ) ，具有体积小、处理效率高、出水水质好、流程简单等优点， 在欧洲、美国和日本被广泛地用于处理生活污水和工业废水。二十世纪九十年 代以来，国内对该工艺进行了大量的研究，并致力于使其国产化。 本文主要阐述了曝气生物滤池的发展状况以及目前国际上流行的几类曝气 生物滤池工艺，综述了曝气生物滤池技术的最新发展，并为实际工程应用提供 设计方法和相关的设计依据，具有很强的实用性。此外，此次以江联小区生活 污水为处理对象，设计了一套曝气生物滤池污水处理工艺，研究分析了曝气生 物滤池在污水处理各个领域的应用情况，为曝气生物滤池的实际应用和运行提 供可靠的数据。 关键词：曝气生物滤池，工艺设计，工程应用，反冲洗 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r sm a n yn e ww a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e sh a v eb e e ns t u d i e da n d d e v e l o p e do i lt h eb a s i so ft h et r a d i t i o n a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s t h eb a f ( b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r s ) p r o c e s sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt r e a t i n gm u n i c i p a l a n d i n d u s t r i a lw a s t e w a t e ri ne u r o p e ，u s aa n dj a p a nf o ri t sa d v a n t a g e si nc o m p a c t s t r u c t u r e ，h i g ht r e a t m e n te f f i c i e n c y , a n dq u a l i t ye f f l u e n ta n ds i m p l i f i e dp r o c e s s f l o w s i n c e19 9 0 sm a n yr e s e a r c h e sh a v eb e e nm a d eo nt h ea p p l i c a t i o na n dl o c a l i z a t i o no f t h i s p r o c e s si n o u rc o u n t r y t h i sp a p e rm a i n l ye l a b o r a t e dt h ed e v e l o p m e n to f b i o l o g i c a la e r a t i o nf i l t e r , a sw e l la ss e v e r a lk i n d so fb a f c r a f t st h a ti sp o p u l a ri nt h e w o r l dn o w a d a y s ；s u m m a r i z e dr e c e n td e v e l o p m e n to fb a ft e c h n o l o g y , a n dp r o v i d e d t h ed e s i g nm e t h o da n dc o r r e l a t i o nd e s i g nb a s i cf o rt h ea c t u a lp r o j e c ta p p l i c a t i o n ，i ti s u s a b l e i na d d i t i o n ，t h i sr e s e a r c hh a sa n a l y z e dt h ea p p l i c a t i o no fb a fi ne a c hd o m a i n o fs e w a g et r e a t m e n t ；t h i sp a p e rp r o v i d e dt h er e l i a b l ed a t af o rb a f sa c t u a l a p p l i c a t i o na n do p e r a t i o n k e y w o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t i o nf i l t e r ，p r o c e s sd e s i g n ，a p p l i c a t i o n ，b a c k w a s h i n g 声明尸明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果，撰写成硕士学位论文“曝气生物滤池及其在污水处理中 的应用。除论文中已经标明引用的内容外，对论文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 净雨、 如哆年苫月孑p 日 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 第一章绪论 1 1 世界水资源现状 水资源是指可直接被人类利用、能不断更新的天然淡水，主要指陆地上的 地表水和地下水的浅层部分。通常以淡水水体的年补给量作为水资源的定量指 标，如地表水资源量以河川年径流量表示，地下水资源用含水层补给量表示。 联合国教科文组织和世界气象组织对水资源的定义为：“作为水资源的水应当是 可供利用或可能被利用，具有足够数量和可用量，并适合于某地水需求而能长 期供应的水源。 全球水的总储量为1 3 8 6 1 0 8 k m 3 ，但陆地、大气和生物体中只 占到很少的部分，而可供人类使用的淡水资源占的比例更少，约为2 5 3 ，其 中有8 7 储存于高山冰川、两极冰盖、冰冻地带和深度7 5 0m 以上的地下层便 于取用的河水、湖泊水及浅层地下水等淡水资源仅占地球总储量的0 2 6 。 评价水资源是否丰富，可以用径流量的利用率作为标准。径流量被利用的 百分比越小，说明水资源越丰富，人们认为径流利用率不足1 0 的为淡水资源 丰足；径流利用率在1 0 - - 2 0 间的为淡水资源不足；径流利用率超过2 0 的 为淡水资源严重不足。 随着社会的进步和经济的发展，工农业和城市的扩展，尤其是人口的增多， 人类活动的失控，使世界水资源日趋匮乏。而且淡水资源分布极不平衡，6 0 6 5 以上的淡水集中分布在9 - - 1 0 个国家，如美国、哥伦比亚、加拿大等，占 世界人口总量的4 0 的8 0 多个国家是水资源缺乏的国家有近3 0 个国家为严 重缺水国；水资源的另一重大问题是水质下降，由于水质下降造成的经济损失、 生态破坏和健康损害很严重。水质下降的原因是工业废水和生活污水的排放。 2 0 0 1 年3 月在海外召开的“第二届世界水资源论坛部长级会议上，2 1 世纪世 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 界水事委员会报告说，目前全球有1 0 , 1 1 亿人没有用上洁净水有2 1 亿人没有 良好的卫生设备。随着人口的增加，今后2 0 - - 2 5 年人类用水量将增加4 0 左右， 世界将面临水资源短缺的严重危机。2 0 2 5 年世界新增人口3 0 亿以上，所需供水 缺少2 0 ，加之浪费与污染，供水缺少可达5 0 以上。 水资源的短缺早已引起国际社会的关注，1 9 7 7 年3 月联合国水会议首先向 世界发出了郑重警告；“水，不久将成为一个深刻的社会危机，石油危机之后的 下一个危机就是水。 城市化、工业化和农业集约化的进程以及人口的剧增，从 根本上导致了水污染的日益严重，并在一定程度上改变了水循环，从而导致了 水危机，以致对人类生存及发展产生重大的影响。 1 2 我国水资源现状 众所周知，水资源紧缺已经成为世界性问题。我国也同样面临水资源短缺 的现实。在支撑可持续发展的土地、水、森林、草原、矿产、能源、海洋、气 候、物种和旅游等十大资源中，水资源是母体资源。水资源的现状令人担忧， 地表水污染、地下水水位下降使人类赖以生存的生态环境日益破坏，不得不重 新审视水资源及其引发的安全问题。我国的地域特征决定了我国水资源总量丰 富、但人均水资源的占有量相对不足，而且时空分布不均衡。 我国多年平均水资源总量约为2 8 1 2 4 x1 0 1 2 m 3 ，占世界径流资源总量的6 ， 其中河川径流量为2 7 11 1 0 1 3 m 3 ，居世界第六位。我国主要以地下水作为供水 水源，与降水和地表水有直接水力联系的浅层地下水资源量为6 7 6 2 1 0 8 m 3 ，其 中有9 7 6 转化为河川径流。中国虽然从总体上水资源量有2 8 1 0 1 2 m 3 ，但人 均只有2 3 0 0 m 3 ，到2 0 3 0 年我国的人i z l 将达到1 6 亿，人均水资源量还将下降到 1 7 0 0 m 3 。按国际上一般人1 2 1 的标准，人均年拥有水量在2 0 0 0 - - - , 1 0 0 0 0 m s 时，将出 现干旱季节的用水现象；人均年拥有水量在1 0 0 0 2 0 0 0 m 3 ，淡水消耗占全国可 2 申请同济人学工程硕士学位论文 曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 用淡水的2 0 , - - , 4 0 时，会出现缺水现象；少于1 0 0 0 m 3 时，淡水消耗超过全国 可用淡水的4 0 ，将出现严重缺水的水荒局面。而我国日前的状况接近国际公 认的警戒线，未来水资源的状况令人担忧。 我国水资源空间分布不均的特征是东南多西北少，水量在地区上分布不均 衡；在时间分布上由于季风气候影响，降雨量和径流量年内变化大，年际变 化不稳定。水资源的地区分布不均匀，使我国的北方和西北地区出现了资源性 缺水，水资源的时间分布不均匀，加剧了水资源格局的持续不均衡性，南方出 现洪涝灾害，北方却干旱缺水，使得水资源越缺乏的地区，丰、枯水期之间的 降水量和径流量相差越大，造成北方河流连年枯水。水资源的时间和空间的分 布不均，水资源的分布与人口分布、经济发展程度不匹配，促成和加剧了我国 水资源供需间的矛盾，给水资源的综合利用带来了很大困难，并成为2 1 世纪制 约中国社会经济持续发展的瓶颈。而且我国的水土资源组合不相适宜，西北、 东北、黄淮河流域径流量占全国总量的1 7 ，但土地占全国的6 5 ；长江以南 地区径流量占全国的8 3 ，土地仅占3 5 。水资源与人口、耕地的分布不相适 应的特点，使得各地对水的利用程度差别很大，南方多水地区的水利用程度较 低，北方干旱少水地区的地表水、浅层地下水的开发利用程度高，进一步造成 了水资源的不平衡。 1 3 课题研究的目的及意义 随着中国社会的发展和经济的提高，人们对污水处理的要求也将日益提高， 更高的污水水质排放标准也将会逐步出台，曝气生物滤池的处理工艺更是可以 充分发挥其独特的优点：在已有的污水处理厂的二级处理后可以加一段曝气生 物滤池做深度处理，或在拟建的污水处理厂中直接应用曝气生物滤池将污水处 理到可回用的水质标准( 生活杂用水水质标准或中水水质标准) 。我国是一个水 3 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 资源缺乏的国家，近年来许多地区缺水现象逐渐加剧。与此同时我国污( 废) 水排 放量逐年增加，以1 9 9 7 年为例，污( 废) 水排放总量为4 1 6 亿m 3 ，污水中化学需 氧量( c o d c r ) 为7 5 7 万t ，而集中处理率仅为1 0 左右。大量污水未经处理或未 经有效处理即进行排放，其结果是一方面污染了环境特别是水环境，另一方面 加剧了水资源的短缺。可以说资金和技术已成为制约我国污水处理的两大主要 因素。因此很有必要找到一种基建投资少、运行费用低、占地面积小、管理方 便、适合我国国情的污水处理新技术，既能使污水得以有效处理，又能使其适 当回用。因此曝气生物滤池应用于中国污水处理，符合国民经济、社会发展和 环境保护的要求。对于节省土地资源，回用水资源，降低污水处理工程造价及 运行费用具有重大意义，也将因此产生重大的社会效益、经济效益和环境效益。 本课题针对目前最新发展的生物膜法技术：曝气生物滤池技术，查阅国内 外相关文献，并进行实地调查，对曝气生物滤池技术有了很深刻地了解。本课 题研究目的旨在综述曝气生物滤池技术的最新发展，并为实际工程应用提供设 计方法和相关的设计依据，具有很强的实用性。同时此次研究分析了曝气生物 滤池在污水处理各个领域的应用情况，为曝气生物滤池的实际应用和运行提供 可靠的数据。 4 申请同济大学工程硕士学位论文 曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 第二章曝气生物滤池技术 2 1 曝气生物滤池的发展现状 我国水污染现状是“局部有所改善，整体仍在恶化 。目前我国城市污水处 理排放量仅为排放总量的1 0 左右【。水体受污染后，对环境的生态系统造成很 大的危害，严重时会使水体生态平衡破坏，物质循环中止，水生动物因急性或 慢性中毒而死亡，甚至危及人类生命，并使经济严重受损。据专家预测，我国 每年由于水污染造成的直接经济损失约为1 5 0 亿元【2 】。传统的城市污水生物处理 存在着占地多、建筑物庞大、投资及运转费用高等缺点。曝气生物滤池( b i o l o g i c a l a e r a t e df i l t e r 简称b a f ) 集生物氧化和截留悬浮固体为一体，节省了后续二沉 池，具有体积小、有机负荷高、出水水质好、工艺流程简单等优点。 b a f 技术最早由法国c g e ( 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 ( u o m n i u md ef r a i t e m n t se td ev a l o r i s a t i o n ) 公司开发【3 】。世界上首座曝气生物 滤池于1 9 8 1 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2 0 世纪8 0 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o t v 公司均把它作为拳头产品在全世界推广。在中国曝气生物滤池正 处于推广阶段。我国北京已有5 个示范工程，马鞍山钢铁设计院即将成立全国 b a f 研究中心。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。另外我国一部分工业废水的处理也采用了此项技术。清华 大学、太原理工大学等科研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。邹伟国等开发了一种名为 5 申请同济大学- t 程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 b i o s m e d i 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【3 1 。也有研究把曝气生物滤池池体改造为扩展 流池型以加强反冲洗效果。 曝气生物滤池先是作为三级处理而产生的，后发展成直接用于二级处理。随 着研究的深入，曝气生物滤池从单一的工艺逐渐发展成系列综合工艺。曝气生 物滤池借鉴了生物接触氧化反应器和深床过滤器的设计思路，在反应器内存在 着不同的好氧、缺氧区域，可同步实现硝化和反硝化，在去除有机物的同时达 到脱氮的目的。该技术特别适合我国水处理事业所面临的资金不足、技术水平 低的现状，应对其研究和应用发展现状进行总结，并进行深入的理论探讨和工 艺研究，使之快速国产化并尽快应用于我国的水处理实践中。 2 2 曝气生物滤池原理及其特点 b a f 工艺类型和操作方式有多种，各具特点但其基本原理是一致的。曝气 生物滤池处理污水的原理是反应器内填料上所附生物膜中微生物氧化分解作 用，填料及生物膜的吸附阻留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用1 4 以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用。b a f 水流流向主要分为下向流 和上向流，其中下向流以o t v 公司的b i o c a r b o n e 工艺为代表；上向流以 o t v 公司的b i o s t y r 工艺为代表，以下章节将做具体的介绍。 曝气生物滤池工艺原理为，在滤池中装填粒径较小的粒状滤料，滤池内部 曝气，污水通过滤池时在滤料表面生长着以微生物为主的生物膜，利用高浓度 生物膜的强氧化降解能力对污水进行快速净化，此为生物氧化降解过程；同时， 因污水流经时滤料呈压实状态，利用滤料粒径较小的特点及生物膜的生物絮凝 作用，截留污水中的大量悬浮物，且保证脱落的生物膜不会随水漂出，此为截 留作用：随着过滤的进行，由于填料表面新产生的生物量越来越多，截留的s s 6 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 不断增加，在开始阶段水头损失增加缓慢，当固体物质积累达到一定程度，堵 塞滤层的上表面，并且阻止气泡的释放，将会导致水头损失很快达到极限，这 时需对滤池进行反冲洗，以释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。 曝气生物滤池的主要工艺特点有【5 】： ( 1 ) 用粒状填料作为生物载体，如陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、聚苯乙烯 滤料等； ( 2 ) 区别于一般生物滤池及生物滤塔，在去除b o d 、氨氮时需进行曝气； ( 3 ) 高水力负荷、高容积负荷及高的生物膜活性； ( 4 ) 具有生物氧化降解和截留悬浮固体的双重功能，生物处理单元之后不需 再设二次沉淀池； ( 5 ) 需定期进行反冲洗，清洗滤池中截留的悬浮固体，同时更新生物膜； 附着在滤料上的生物膜组成丰富，并有空间分布，生物量大且有相当大的 区别。对于下向流曝气生物滤池，在反应器的上部，异养微生物为优势菌，碳 污染物( c o d 、b o d 5 和s s ) 主要在这里被去除：而在池的下部，自养菌如硝 化细菌占优势，氨氮被硝化。在生物膜的内部以及部分填料之间的缝隙，还存 在兼性微生物。因此在一个池子中可发生碳污染物的去除，硝化反应和反硝化 反应。正由于曝气生物滤池的生物膜的特点，使得曝气生物滤池优于其他生物 处理方法。表2 1 、表2 - 2 分别为德国p h i l i p pm u l l e r 公司对三种污水处理工艺处 理效果的比较和该公司对三种污水处理工艺占地、投资费和运行费的比较。 表2 1 不同工艺处理出水水质的比较 处理工艺 b o d s c o d n h 4 + - n 浓度n 浓度p 浓度s s 浓度 ( m g 1 )c m g i )( r a g 1 ) ( m g 1 ) ( r a g 1 ) ( r a g 1 ) 传统活性污泥法1 57 5 51 8 l 1 0 混合法 1 0 6 0 2 1 0 l 1 0 全b i o f o r 1 0 6 0 2 1 0 1 7 0 作为曝气生物滤池的b i o p u r 污水处理工艺，其进水一般需经过初沉池处 理。典型的b i o p u r 曝气生物滤池工艺流程如图2 - 4 。 反冲洗空气 原 粗 格 栅 细 格 栅 司鬻眦一f e c l 的反冲洗水ll加a ii 筹悟砷一 池ilt个 混合污泥池 1 4 处理后 出水 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 污泥 图2 4 典型的b i o p u r 法处理污水的工艺流程 b i o p u r 曝气生物滤池工艺具有以下优点【1 6 】： ( 1 ) 高的比表面积或高的孔隙率； ( 2 ) 氧利用率高：氧的利用率可达2 0 一3 0 ，可节省气量5 0 以上； ( 3 ) 生物膜更新快、泥龄短，因而活性高； ( 4 ) 传质速度快：由于曝气强度大，流体扰动强烈，生物膜表面代谢物质 的流动和更新速度快，浓度梯度大； ( 5 ) 出水水质好：根据污水类型和进出水指标，结合填料类型选择不同工 艺，使第一级高负荷，出水浓度高，而第二级低负荷，出水水质好； ( 6 ) 占地面积小，处理装置紧凑，可与其他工艺组合； ( 7 ) 可以实现多种控制目标：去除有机物外，还可以除磷脱氮。 2 3 4b 1 0 s 珊t 曝气生物滤池 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 耻n e ( 主要成分是聚苯乙烯，且比重小于1 9 c i n 3 ) 而得名。b i o s t y r 上向流生物滤池运行可靠、自动化程度高、出水水质好、抗冲击能力强、节约 能耗，既可用于城市污水的二级处理，也可用于其他污水的深度处理。b i o s t y r 工艺在欧美应用较为普遍，而且许多集中在处理厂用地紧张、出水水质要求高 的地方【1 7 】。对于已实现有机碳降解、硝化的处理厂，该工艺可在外加有机碳源 的情况下，完成反硝化【1 8 】。也可对只进行有机碳降解的二级处理厂进行升级， 达到脱氮的水平。在具备一级强化处理的条件下，该工艺又能完全胜任工业废 水、市政污水的二级处理。此外与化学混凝沉淀结合还能有效除p 。从功能上 讲，在去除废水中b o d 、s s 以及硝化、脱氮等方面，该工艺已经系列化【1 9 1 ，通 过具体工艺形式的改变( 是否设置回流、改变工艺空气管在滤池内的高度以及曝 1 5 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 气量等) ，b i o s t y r 可单独实现去除s s 和降解b o d 、完成硝化和反硝化的功 能。b i o s t y r 在丹麦已有几个运行实例刚。b i o s t y r 目前在国内尚无工程应用， 但值得一提的是，大连市引进b a f 的另一工艺形式- b i o f o r 工艺成为国内 研究开发b a f 新的契机，与之相关的填料技术的进展也已取得一定成果。 下面以去除b o d 、s s 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【2 1 1 。其基本结构如图2 5 所示，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 1 1 1 ，填料顶部装有挡板，防止悬浮填料的流失。挡 板上均匀安装有出水滤头。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。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。 挡板 好氧区 曝气区 厌氧区 反冲洗进气管 反冲洗水管 及捧泥管 图2 - 5b i o s t y r 结构示意图 反应器为周期运行，从开始过滤至反冲洗完毕为一周期。具体过程如下： 1 6 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 污水( 预处理去除s s 以避免滤池频繁反冲洗) 与经过硝化后的滤池出水按照 一定回流比混合后通过滤池进水管进入滤池底部，向上流经缺氧区( 此时反冲洗 空气管关闭) 。在缺氧区内，一方面反硝化细菌将n 0 3 - n 转化为n 2 ，实现反硝化 脱氮；另一方面水中的s s 通过一系列物化过程被填料及其上面的生物膜吸附截 留在滤床内，有机物被填料上的微生物吸附、氧化分解，并用进水中的溶解氧 和反硝化过程中生成新的生物膜，从填料中脱落的生物膜，随水流出后被去除。 经过缺氧区处理的污水流经填料层的曝气管后即进入了好氧区，与空气泡均匀 混合继续向上流经填料层。水气上升过程中，该区填料上的微生物利用水中的 溶解氧进一步降解b o d ，滤床继续去除s s ，污水中的n h 3 - n 被转化为n 0 3 - n ， 发生硝化反应。流出填料层的净化后废水通过滤池档板上的出水滤头排出滤池。 随着过滤的进行，由于填料层内生物膜逐渐增厚，s s 不断积累，过滤水头损失 逐步加大，在一定进水压力下，设计流量将得不到保证，此时反冲洗再生以去 除滤床内过量的生物膜及s s ，恢复滤池的处理能力。 反冲洗采用空气、水交替反冲( 反冲洗水即为贮存在滤池顶部的达标排放水， 反冲洗所需空气来自滤池底部的反冲洗气管) 。反冲过程如下( 关闭进水和曝气 管) ：( 1 ) 空气反冲洗；( 2 ) 气、水同时反冲洗；( 3 ) 水反冲洗；利用上升空气中的气 泡振动及填料颗粒间互相摩擦的双重作用下，可有效地将附着于滤料表面的生 物膜、被截留吸附的s s 擦洗下来使之悬浮于水中，然后利用水反冲把冲洗下来 的生物膜及s s 在漂洗中冲出滤池。反冲洗污泥回流至滤池预处理部分的沉淀系 统。再生后的滤池进入下一周期运行。b i o s t y r 工艺具有以下特点： ( 1 ) 采用比重小于水的球形有机填料b i o s t y r e n e ( 主要成分是聚苯乙烯) ， 粒径3 5 5 衄，具有较好的机械强度和化学稳定性、具有较大的比表面 积，填料对微生物的活性没有影响，在为微生物提供生长环境、截留s s 、 促进气水均匀混合等方面有独特优势。 1 7 申请同济大学工程硕士学位论文 曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 ( 2 ) 滤池内微生物浓度大、活性高。 ( 3 ) 占地省，投资少。由于b i o s t y r 的高处理能力，加上滤池易于规范化 设计，故工程结构紧凑。 ( 4 ) 运行灵活，管理方便，b i o s t y r 工艺一般具有自动化程度较高的控制 系统，滤池的过滤、反冲洗均可有保障的进行。 ( 5 ) 工艺流程简单，b i o s t y r 工艺将b o d 降解、硝化、反硝化集于一个 处理单元内，简化了工艺流程。 ( 6 ) 增加日常药剂费用，为使滤池能以较长周期运行，减少反冲次数，降 低能耗，须对滤池进水进行预处理以降低进水中的s s ，尤其滤池用于 二级处理的情况下，往往需投加药剂才能达到这一要求。药剂使用不 仅增加运行费用，许多药剂还将降低进水碱度，进而影响反硝化。 ( 7 ) 污泥量相对较大，污泥稳定性较差，对好氧生物处理来讲，负荷越高， 单位体积处理能力越强，产生的生物体越多，再加上滤池中截留的大 量s s ，无疑增加了污泥的产量。 从b i o c a r b o n 到b i o s t y r 工艺的运用是一个逐步发展的过程，该技术 的关键是采用了一种特殊的填料( 密度为0 s g c m 3 左右的有机填料) 。相比而言， b i o s t y r 工艺有如下优点： ( 1 ) 重力流反冲洗无需反冲泵，节省了动力； ( 2 ) 滤头布置在滤池顶部，与处理水接触不易堵塞，便于更换； ( 3 ) 硝化反硝化在同一池内完成。 2 4 曝气生物滤池填料的选择 填料是生物膜的载体，兼有截留悬浮物质的作用。同时载体填料的费用在 生物接触氧化处理系统的基建费用中又占较大比重，所以填料关系到接触氧化 1 8 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 技术的合理性。填料作为曝气生物滤池核心组成部分，影响着曝气生物滤池的 发展。曝气生物滤池发展过程中依次形成的3 种不同的形式，采用填料各不相 同。b i o c a r b o n 用石英砂粒；b i o f o r 用轻质陶粒。b i o s t y r 用密度比水小 的聚苯乙烯球形颗粒。石英砂粒因密度大，比表面积、孔隙率小，污水流经滤 层时阻力很大，生物量少，因此滤池负荷不高、水头损失大。轻质陶粒和聚苯 乙烯作填料时，由于密度小，比表面积大、孔隙率大，生物量大，因此滤池负 荷较大，水头损失较小。国外实际运行表明b i o f o r 和b i o s t y r 明显占优。 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 料一般为沉没式填料，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。 b a f 性能优劣很大程度上取决于填料特性，填料的研究和开发在b a f 工艺 中至关重要，为此美国a w w a t 2 2 1 、英国b e w a 2 3 和印度【刎等国家制定了曝气生 物滤池滤料的标准。t d k e n t 等【2 5 】人对7 种滤料做了详细的比较，各滤料特性 如表2 5 。研究认为最适合用做曝气生物滤池的滤料是a r l i t a ，其次是老的页岩。 表2 5 滤料的主要性能参数 滤料 s t a r l i g h t m o l o c h i t ee f g l y t a g o l d e sn e w e sa r l i t a 粒径范围 2 6 - 3 41 8 52 5 4 72 6 - 4 32 1 3 92 6 5 4 13 5 - 6 2 ( m m ) ( + 2 8 ) ( 2 6 ) ( 2 5 ) ( 2 3 6 - 4 7 5 )( 2 4 4 ) ( 3 - 6 )( 3 6 ) 密度 1 3 4 02 6 0 01 7 2 01 9 4 01 9 9 01 6 8 0。1 5 5 0 ( k g m 3 ) ( 2 7 0 0 )( 1 9 5 0 )( 1 3 5 0 ) 孔隙率 o 0 60 0 10 1 5o 0 60 0 8o 1 80 0 5 ( m 3 m 3 ) 1 9 申请同济人学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 空隙度 o 3 90 4o 40 3 50 3 4o 3 6o 3 易碎性 4 53 51 46 56 52 25 5 耐磨性 4 2 51 16 5 5 2 32 81 5 耐腐性 o 1 5oo 1 o 7 5 0 3 50 81 4 沉降速率 6 1 8 91 0 0 2 9 78 8 1 7 19 5 2 3 98 0 1 7 28 7 1 4 11 3 2 2 2 5 ( r a m s )( 2 0 )( 2 0 )( 2 0 1 2 )( 1 9 )( 1 9 )( 2 4 )( 1 9 ) r e b c c am o o r e 掣2 6 】人研究了以s t a r l i g h t 为滤料，尺寸范围分别为1 5 3 5 m m 和2 5 4 5 m m ，对曝气生物滤池处理效果的影响，发现小颗粒( 1 5 3 5 m m ) 填料虽 然有利于脱氮，但不适应高的水力负荷；大颗粒( 2 5 4 5 m m ) 填料虽改善了滤池 操作条件，减少了反冲洗次数，但不利于脱氮和s s 的去除，这为曝气生物滤池 填料在尺寸要求上提供了一定的依据。w s c h a n g 等【2 7 】用天然沸石作填料对纺织 废水进行处理，效果明显好于砂砾，原因归结于天然沸石具有更强阳离子交换 能力和更大比表面积。法国o t v 公司研究的填料级配与出水水质关系见表2 6 。 表2 - 6 填料级配与出水水质关系 填料级配m m 出水水质m g l b o d 5 t s s 2 41 01 0 3 “2 02 0 4 83 03 0 由表2 - 6 可以看出，填料粒径越小，出水水质越好。但填料粒径越小，固体 容量也越小。所以在污水中t s s 浓度高时，不能使用粒径为2 r n r n - - - 4 r n r n 的填料， 因为这样反冲洗间隔时间过短。a l l a n t 等 2 8 1 研究结果表明：在截留s s 、降解c o d 和耐有机负荷和水力负荷冲击等方面，悬浮填料优于沉没式填料。说明轻质填 申请同济人学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 料取代高密度填料是曝气生物滤池污水处理技术发展过程中的必然趋势。 从曝气生物滤池填料以后的发展研究看，主要方向将在以下几个方面g ( 1 ) 研究填料对污染物去除影响及污染物去除机制。目前对b a f 运行工艺 条件研究很多，但对于污染物的转移和代谢途径没有深入研究；填料 上生物膜分布、生态结构缺乏系统分析和解释；另外填料如何影响污 染物去除机制不明。 ( 2 ) 开发以天然材料为主要成分的无机填料，如轻质陶粒的研究开发。合 成的高分子填料与微生物之间相容性较差，所以挂膜时生物量少、易 脱落，而以天然材料为原料的无机填料可以克服以上不足，但是需要 重点解决的问题是如何增加强度、增大空隙率和减小密度。 ( 3 ) 寻求改善填料性能的工艺和方法。填料加工过程中的工艺非常重要， 为了获得优质填料，生产工艺和方法需要不断改进。 ( 4 ) 制定适于曝气生物滤池的填料标准。欧美国家对曝气生物滤池用填料 均有较为严格的标准，但在我国目前还没有，在系统掌握填料的尺寸、 性状、密度等因素对污染物去除的影响后，制定适于我国曝气生物滤 池的填料标准意义深远。这不仅使填料的生产规范化，而且极大促进 b a f 污水处理技术在我国的应用和推广。 2 5 曝气生物滤池的反冲洗 曝气生物滤池的反冲洗过程要求达到释放截留的悬浮物，不损害并更新生 物膜的多重目的。因此反冲洗是保证曝气生物滤池运行效能的关键步骤。滤池 的冲洗方式发展到现在已有单独气冲洗、单独水冲洗、气水联合反冲洗和脉冲 反冲洗等几种形式。 目前普遍采用的反冲洗方式是气水联合反冲洗，即先用气冲，再用气水联 2 1 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 合冲洗，最后再用水漂洗。气水冲洗技术自诞生以来经历了不少演变和发展， 气水冲洗相对单水冲洗具有许多明显的优点：冲洗彻底、节约冲洗水量、节省能 耗等。不同形式、不同滤料的曝气生物滤池，其反冲洗强度、历时、周期各不 相同，用水量和用气量也存在较大差异。表2 7 是一些资料提供的曝气生物滤 池采用的反冲洗参数。 表2 7 曝气生物滤池的反冲洗参数嗍 反冲洗周期冲洗水冲洗气备注 4 5 d 流速：1 0 - 3 0 m h流速：5 0 7 0 m h气水联合反冲洗 时间为1 0 1 5 m i n 流速：7 0 1 2 0 m h流速：6 0 15 0 m hb i o p u r 数据 2 3 d 水量：6 8 m 3 ( m 3 陶粒) 气量：2 5 5 0m 3 m 2 流速：6 0 m h流速：1 5 m hb i o s t y r 数据 流速：2 0 8 0 m h流速：2 0 8 0b i o f o r 数据，冲 洗时间3 0 4 0 m i n 1 2 h 3 d 流速：o 3 3 0 3 5 m 3 ( i n 3 陶流速：o 4 3 0 5 2m 3 法国o t v 公司的 粒m i n ) 水量2 5 m 3 ( m 3 陶粒)( m 3 陶粒m i n ) 气量： 污水厂调查资料 5 1 4 6 2 5m 3 ( m 3 陶粒) 气水反冲洗过程中综合了空气剪切、摩擦和水流剪切、摩擦以及滤料颗粒 间碰撞摩擦的多重作用【3 0 】。反冲水使滤料略有流化以减小滤料间的摩擦阻力， 使滤层底部进入的小气泡合成不易分散的大气泡穿越滤层。由于气泡较大，对 滤层扰动范围也较大，增强了滤料间的碰撞摩擦；同时气流还强化了水流的剪 切和碰撞作用【3 1 1 。总之气泡高速浮升产生的泡振作用和气泡尾迹的混掺作用以 及气泡在浮升过程中出现的尾迹效应是气水反冲效果较佳的主要原因【3 2 1 。 反冲洗水为经处理后达标水，反冲空气来自于底部单独的反冲气管。反冲 时关闭进水和工艺空气，水气交替单独反冲，最后用水漂洗。滤层有轻微的膨 胀，在气水对填料的流体冲刷和填料间相互摩擦下，老化的生物膜和被截留的 申请脚济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 s s 与填料分离，冲洗下来的生物膜及s s 在漂洗中被冲出滤池，反冲洗污泥回流 至预处理部分。由于正常过滤和反冲时水流方向相反，使填料层顶部的高浓度 污泥不经过整个滤床，而是以最快速度离开滤池，这对保证滤池出水是有利的。 脉冲反冲洗是针对滤料密度小，采用常规的水反冲、气水反冲等难以奏效的 某格滤池而开发的一种新的冲洗方式。邹伟国等人经过较长时间的研究，开发 出的一种新型生物滤池_ b i o s m e d i ，就采用了脉冲反冲洗方式。其反冲洗过 程为【5 l ：当某格滤池需要反冲洗时，首先关闭进水阀及曝气管，打开滤池反冲洗 气管，排除气室内的水以形成空气垫层，当空气垫层达到一定容积后，打开排 气阀这时滤池中的水迅速补充至气室中，此时滤层中从上到下的冲洗水流量瞬 时增大，导致滤料层突然向下膨胀，可以对滤层进行有效的脉冲反冲洗，把附 着在滤料层上的悬浮物质洗脱。通过几次脉冲后，打开穿孔排泥阀，利用其他 正在运行的生物滤池出水对滤层进行漂洗，可有效的达到清洁滤料的目的，且 耗水量、耗气量小。有试验从反冲洗方式方面进行了深入地对照研究表明1 3 3 】： 在相同的反冲条件下，脉冲反冲洗具有远大于气水连续反冲洗的功效。 2 6 影响曝气生物滤池运行效果的主要因素 2 6 1 挂膜 生物反应器的启动运行是生物处理的关键技术之一。采用合适的启动方法， 迅速启动并进入稳态运行，不仅可以缩短运行时间，还可以在发生运行事故时 采取有效的补救措施。与其它生物膜法处理技术一样，曝气生物滤池的启动也 需要同步进行微生物在反应器内的富集过程和在填料表面的附着增殖过程，即 填料表面稳态生长的生物膜的形成过程，也称“挂膜“。生物反应器的挂膜启 动方法一般分为三种：一是先间歇培养，然后再进行负荷逐渐增加的连续流进 水：二是在设计流速或逐渐增加流速进行连续流培养曲钔；三是投加活性污泥接 申请同济大学工程硕士学位论文 曝气生物滤池及其在污水处理中的应用 种，然后再进行间歇或连续培养啪1 。o h a s h ia n dh a r a d a l 3 6 】认为采用逐渐增加流速 进行连续培养的方式，滤料上形成不稳定的生物膜，且z i n e b i 研究表明口7 1 ，采 用此方式导致生物膜容易脱落现象的发生。虽然三种方法在启动过程中生物膜 的形成特征各不相同，但达到稳态时的处理效能却基本一致。 曝气生物滤池反应器的挂膜启动是一个渐进的连续过程，由于粒状填料比表 面积大，吸附能力强，生活污水中的微生物极易吸附于填料表面，同时填料所 接触的有机颗粒也增加了填料表面的粗糙程度，进一步强化了对游离细菌的吸 附作用，在充足的供氧、适合的温度和一定浓度的底物条件下，被吸附的微生 物开始大量繁殖，同时代谢产生各种不同胞外多聚物( e p s ) ，这些物质的存在 也促进了生物膜的形成。填料的凹陷表面较好地抵消了水气剪切作用，更加有 利于微生物膜的扩展。这一过程中水流的剪切作用与填料间的摩擦对生物膜的 形成有副作用。当填料表面布满生物膜时即形成初生生物膜，随着培养时间的 延长，生物膜不断增厚而逐渐成熟。总的来看，曝气生物滤池比较容易挂膜， 具有启动迅速、操作简便等特点，在实际工程运行调试中也具有一定积极意义。 2 6 2p h 值 曝气生物滤池作为一种生物处理方法，环境条件对生物膜的影响是重要的， 有时甚至是决定性的。其中p h 值是重要的环境因素之一。根据有关资料介绍， 适合微生物生长繁殖的p h 值范围见表2 8 。 表2 - 8 适合微生物生长繁殖的p h 值范围 p h 值 适合生长繁殖的微生物和污泥性能 p h 值 适合生长繁殖的微生物和污泥性能 2 0 火部分霉菌，污泥的沉降性能不佳 8 1 0 污泥呈黄褐色，但透明度恶化 3 - 5 霉菌及细菌，污泥呈白褐色 9 1 1 污泥呈粉红色，透明度不佳，微生 7 污泥呈黄色，沉降性与透明度很好物增值减少 在污水处理中，特别是在工业废水处理中，污水的p h 值往往不能稳定达到 上述适宜的p h 值范围，不能符合微生物生长繁殖的要求。当受到高p h 值冲击 申请同济大学工程硕士学位论文曝气生物滤池及其在污水处理中的庵用 时，微生物是不能适应的。在这种情况下反应最敏感的是生物相，钟虫呈呆滞 状或消失，菌胶团解体，呈松散模糊状，游离菌、豆形虫增多，c o d 、b o d 去 除率下降。 2 6 3 有机负荷 有研究表明【3 引，c o d c r 、氨氮去除率随水力负荷的增大呈现先增加后降低 的趋势。因为水力负荷很小时，气水在反应器内的传递输移的阻力较大，容易 造成气、水的分布不均，出现沟流；而且水力负荷很小时有机负荷也很低，微 生物会出现营养不足的情况，所以c o d c r 、氨氮的去除率较低 3 9 1 。随着水力负 荷的提高，反应器中的传质条件得到改善，有机负荷随之提高，反应器中的微 生物得到丰富的营养，促进了生物膜的生长，同时较大水力负荷也加强了对填 料表面微生物膜的冲刷，促进了膜的更新，增强了微生物的活性，使c o d c r 、 氨氮的去除率得到提高。但当水力负荷提高超过一定限度时，对填料表面的冲 击力大，生物膜容易脱落，速度较大的水流容易将脱落的生物膜同截留在陶粒 缝隙问的悬浮物带出，造成出水浑浊，导致c o d c r 、氨氮的去除率降低。 2 6 4 气水比( 曝气量) 在水力负荷不变的条件下，曝气量是影响处理效果的一个主要因素，曝气 量过小，水中溶解氧浓度较低，不利于好氧菌的繁殖生长，其降解有机物的活 性也随之降低。但曝气量过大，反应体系中氧的浓度受平衡溶解度限制，水中 溶解氧浓度不再增加，且过强的湍流造成填料上生物膜脱落，降低了微生物总 量，致使c o d c r 和氨氮去除率降低。此外曝气量过大，动力消耗也将随之增加。 刘旭东等h o 在原水水力