一种新型异径筒填料在生物膜水处理装置中的应用.doc

一种新型异径筒填料在生物膜水处理装置中的应用1 背 景 生物膜水处理工艺是近20年来发展的一种运行稳定、能抗冲击负荷、经济节能、剩余污泥量少并具有一定硝化与反硝化功能的先进方法。生物膜反应器中的填料是决定生物膜反应器污泥处理效率与质量的主要因素之一。本文从填料在生物膜污水处理工艺中的作用及水动力学机理出发，分析了生物膜污水处理技术中的填料对水流流动特性、污水处理效率的影响，并选用了一种新型异径筒填料作为生物膜处理器填料，通过试验取得了良好的污水净化效果。2 填料与实验 2.1异径筒填料填料的材料和类型对生物膜形成的质量与数量、池中水流及气流(气泡流)的运动、生化反应的效率以及对SS的捕获能力都有重要影响。本文经分析研究，选用了厚度为0.015mm的聚苯乙烯制成的异径筒状填料。聚苯乙烯制成的异径筒填料经前期试验表明它挂膜时间短、效果好。填料的比表面积大有利于增加生物膜的总量，空隙率高有利于截留和保留大量的悬浮生长的微生物，并能防止生物反应器阻塞和生物载体结团。经过测算，本文所用异径筒塑料填料比表面积为157m2表面积/m3(每立方米装8300个填料)，空隙率达到97.8%。此种填料对布气和布水要求不高，有畅通的流道，不容易阻塞，而且可内外挂膜。 试验中这些填料筒是随机地放入生物处理器中的，所以不存在直上直下的通道，水流在异径筒内、外流动中都处在与垂直方向有一定角度的绕流流动中。在不断地绕流中，水流速度时快时慢，水中悬浮颗粒SS很容易在流速较慢时被捕集，因为颗粒的再起动流速要远大于沉降速度。本试验中水流平均流速u为0.010.02mm/s，6小时停留时间u为0.050.06 mm/s。对于粒径在0.010.1mm的颗粒，Stokes沉速v=0.11.0mm/s。当SS的沉降速度v大于水流上升速度u时，就会产生沉降，可见异径筒填料有良好的捕集SS功能。水力条件对生物膜反应器的运行及净化功能有很大的影响。异径筒填料在池中形成了良好的适合于生物膜反应器运行的环境条件。水力停留时间是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。本文采用的是推流式反应器，污染物浓度衰减方程有：Se=S0e-kt。从表面上看，延长水力停留时间，则出流污染物浓度Se 将降低，但过分延长水力停留时间会影响反应器的水力负荷或有机负荷，另外随着停留时间t的增加，衰减速率会逐渐减小，所以t超过某一值后继续增加水力停留时间是不经济和不可取的。试验证明异径筒填料在这方面有较好的性能。水流在筒内、外交替流动并经多次绕流，不存在垂直方向的通道，经测定在同一断面上浓度离差系数 Cv0.05。所以容易获得最佳水力停留时间。反应器中水流剪切力会对生物膜产生冲刷并使其脱落，所以作用于生物膜上的水流剪切力直接决定生物膜厚度和生物膜量，对生物膜反应器的运行效果有重要影响。本文采用的异径筒填料的水流基本上属于管流层流。运行工况下，Re100，此时水流对生物膜的剪切力完全决定于粘滞性，而与生物膜表面状态无关，即水流剪切力只取决于水温和流道内的流速分布，对于圆管层流流速分布符合抛物面分布。本文按异径筒填料最大可能的平均流速u=0.5cm/s考虑，水流剪切力 0.01dyn/cm2，这比大多数填料要小一个数量级。所以从水力停留时间和水流剪切力等水动力条件看，异径筒填料有很好的生物膜反应器运行水力条件。2.2 实验研究本文采用异径筒填料在一套微污染河水处理装置上进行了验证性实验。试验设备为有机玻璃制成的圆筒形装置，总容积为235L，其中初沉-缺氧池为98L，曝气池为79L，二沉池为33L，消毒池为25L。各指标均用标准方法测定，在每一工艺条件下稳定运行3天，取其平均值作为分析数据。由于异径筒填料尺度比一般填料大，且属于各向异性填料，对气流有导流和绕流影响，结果使得气体在填料层中存在不同的溶解氧浓度，这样会出现不同的微生物种群共存。3 结果与讨论3.1 停留时间试验结果表明CODCr 去除率随停留时间的增加而升高。当停留时间为24h时，出水清澈，CODCr 去除率接近60%，但生化作用利用率低。当停留时间为16h时，出水水质略差，CODCr 去除率为54.7%，仍低于15mg/L(地表水环境质量标准GHZB 1-1999 I类标准)。当停留时间缩短为6h时，CODCr 去除率只有38.2%，出水水质明显下降。因此，综合考虑各因素，最佳停留时间为16h。3.2 生物膜状态及其脱落在运行试验中，系统的污泥产率很低且稳定在0.16左右。运行中生物膜几乎保持动态平衡。在初沉-缺氧池中生物膜外观呈灰黑色，结构密实。在曝气池内的生物膜成黄褐色，有较明显的泥腥味，进水处生物膜极厚，出水处生物膜较薄。填料层中还发现硝化和亚硝化细菌，以及不同种群的微生物，说明曝气池也运行良好。4 结论(1) 采用聚苯乙烯制成的异径筒填料，在生物处理器池中具有良好的挂膜性能。(2) 异径筒填料能在生物处理器池中形成良好的水流条件，有利于固体悬浮颗粒SS的捕集，提高污水与生物膜的反应效率以及减小水流剪切力维持生物膜的稳定、保持动态平衡。(3) 异径筒填料尺寸较大，且有导流作用，气体在填料体中传输会形成不同的溶解氧浓度，有利于同一主体设备中共存不同微生物种群，提高净化效果。(4) 整个系统处理效果良好，在停留时间为16h时，微污染河水的CODCr 、BOD5 、NH3-N 、SS去除率可接近55%，70%，75%，80%，整个系统出水水质稳定，污泥产率低。一种占地小耗电少的污水污泥处理新工艺加拿大诺曼公司在污水处理方面推出了一项专利技术-双威污水污泥处理系统，包括VERTREATTM污水处理工艺(简称VT工艺)和VERTADTM污泥处理工艺(简称VD工艺)。在加拿大和美国已建有3座采用该工艺的污水处理厂投入运行。1VT处理工艺 1.1工艺概况 VT污水处理工艺利用潜置于地下的竖向反应器对污水进行超深水好氧生物处理。该工艺与普通深井曝气工艺相比，其主要特点是：设有3个不同功能的处理区，使反应池体积更小、氧的利用率更高，从而有效地降低了工程投资和运行费用。井式生化反应器从上而下分为氧化区、混合区及深度氧化区3个部分(见图1)。该反应器深一般为75110 m，直径通常为0.76 m。 图1VT污水处理工艺示意 VERTREATTM是一种高效率的生物反应器，可以广泛地用于高浓度工业废水和生活污水的处理，与其他深井曝气工艺相比较，其不同之处在于，VERTREATTM工艺包括3个不同的处理区。氧化区：这个区在井筒的上部，包括一个同心通风试管和供混合液体再循环带；混合区：这个区域直接位于氧化区的下部，恰好位于整个井深度为3/4的位置，上部区域高速率的生物氧化反应所需的空气注入到混合区，提供空气提升循环的运行动力；深度氧化区：这部分位于井的底部。 VERTREATTM反应器可以通过普通的井钻和井凿技术来安装。反应器深度通常可达110 m，其占地面积仅相当于传统活性污泥法一个反应池的占地；其空气消耗量为传统活性污泥法的10%。井筒的直径一般可达3 m，其具体大小由待处理的污水的水质和水量来决定。 1.2工艺流程 参见图1，工艺具体流程如下： 起始阶段，空气通过入流管进入混合区以产生循环。升起的气泡产生一个密度坡度，从而导致空气在氧化区内循环。 一旦这个循环建立并稳定后，空气注入点转移到混合区的下部。未处理的污水通过入流管在混合区空气注入点的同等高度进入液体循环。 压力和深度导致了高的氧气传导速率从而保证混合区内的混合溶液中具有高的溶解氧量。氧化区内高的反应速率保证了有机物能在垂直循环圈的上部被生物氧化。 再循环液体沿着井筒的竖壁到达上部箱体中，在那里含有废气的气泡可以将废气释放进入大气。去掉这些微生物呼吸作用产生的气态产物对于防止这些废气重新回到系统内而影响空气动力效率是非常必要的。 混合液体中比例较小的一部分从混合区进入下部深度氧化区。这个区域内溶解氧含量极高，停留时间较长，因而有极高的BOD去除率。同时饱含的溶气也有利于后续气浮澄清池中的固液分离。 深度氧化区内的混合液体以极快的速度(2 m/s)进入气浮澄清池，这可保证砂粒和固体物质不会沉积在井的底部。 混合液体行至上表面过程中的快速减压可以产生经过充分充氧的低密度的悬浮物。再经过气浮澄清池中的有效分离，可以产生结合密实的生物絮体和高质量的待消毒和排放的液体。1.3工艺特点与其他污水生物处理工艺相比，VT技术具有以下特点： (1)运行费用低。通常只有传统活性污泥法的一半以下。 (2)占地少。本系统结构非常紧凑，所需占地面积通常只有传统工艺的10%20%。 (3)环境影响小。和传统工艺相比，VT工艺的VOC(挥发性有机化合物)排放量是最低的。由于占地小，也便于根据特定需要将系统置于封闭的建筑之内。 (4)维修、管理方便。并可以通过自动控制，实现无人值守。 (5)抗冲击负荷能力强。1.4主要技术经济指标 BOD去除率95%；出水BOD15 mg/L，SS15 mg/L；去除1 kg BOD耗电0.8 kWh。对城市污水而言，每处理1 m3水耗电0.1 kWh左右；占地面积仅为传统污水处理工艺的10%20%。2VD处理工艺2.1工艺概况 VD工艺是一种高温好氧污泥消化技术，初沉污泥及剩余活性污泥经VD工艺处理后，可转化成美国环境保护局(USEPA)CFR?503条规定的A级生物固体。A级生物固体可直接用作土壤肥料，彻底解决污泥的最终处置问题。该工艺的核心是深埋于地下的井式高压反应器( 见图2)。该反应器深一般是110 m，井的直径通常是0.53 m，所占面积仅为传统污泥消化技术的一个零头。 图2VD污泥处理工艺示意 VERTADTM是一个高效的高温好氧污泥消化过程。与其他高温消化系统相比，其不同之处在于将3个独立的功能区放在1个反应器中进行。井筒的最上部是第一级反应区，包括一个同心通风试管和用于混合液体循环的再循环带。混合区在第一级反应区的下部，位于整个井筒的1/2深度处。在井筒上部区域所发生的高速率生物氧化所需的空气注入区域，为空气循环提升提供动力。第二级反应区域在井筒的底部，井径3 m，井深一般约100 m，是普通好气氧化所用气量的10%。具体由污水浓度及污泥量确定。2.2工艺流程 参见图2，具体工艺过程如下： 起始阶段，空气通过入流管进入混合区以产生循环。升起气泡产生一个密度坡度，从而导致空气在氧化区内循环。 一旦这个循环建立并稳定后，空气注入点转移到混合区的下部。未处理的污泥通过入流管在混合区空气注入点的同等高度进入液体循环。 压力和深度导致了高的氧气传导速率从而保证混合区内的混合溶液中具有高的溶解氧量。氧化区内高的反应速率保证了有机物能在垂直循环圈的上部被生物氧化。 再循环液体沿着井筒的竖壁到达上部箱体中，在那里含有废气的气泡可以将废气释放入大气中。去掉这些微生物呼吸作用产生的气态产物，对于防止这些废气重新回到系统内影响空气动力效率是非常必要的。 混合液体中比例较小的一部分从混合区进入下部第二级消化区。这个区域内溶解氧含量极高，停留时间较长，所以，污泥中剩余的有机物在此被高度氧化。同时所含的溶气也有利于后续产物池中的固液分离。此过程最关键和最重要的特点是在这个过程中随着有机物的氧化，污泥温度不断升高，并利用周围良好的保温环境使反应器的温度得到稳定。 消化后的污泥以极快的速度到达地表的产物箱，这个速度可以保证砂粒和固体物质不会沉积在井底。 混合液体行至上表面过程中快速的减压可以导致固体物质从液体中分离并悬浮于表面。分离出来的高浓度生物具有不同的用处。废液循环至二级处理以便于达标排放。2.3工艺特点 VD污泥处理技术与传统的厌氧及好氧污泥处理工艺相比，具有以下优点： (1)投资省。在大多数情况下，总投资比传统工艺低。 (2)占地小。本系统结构非常紧凑，占地面积小。 (3)处理效果好。在处理过程中，挥发性固体要减少40%50%。经处理后的出厂污泥可达到US EPA污泥A级标准。污泥经脱水后，可以直接用作土壤肥料，彻底解决污泥的最终处置问题。 (4)运行费用为传统高温好氧消化的一半以下。 (5)对经消化后的污泥，只需投加少量的有机絮凝剂进行污泥脱水，就可使污泥的含水率降至65%70%。 (6)环境影响小。采用VD污泥处理工艺，异味气体和挥发性有机物的排放量很低。 (7)在气候非常恶劣的地方，或者对环境有特殊需要的情况下，便于将该系统置于封闭的建筑之内。 (8)维修、管理方