曝气生物滤池的原理及工艺

曝气生物滤池的原理及工艺 摘要 曝气生物滤池 BAF 是近年发展起来的一项废水好氧生物处理的新工 艺 介绍了上向流和下向流曝气生物滤池的基本工作原理 相比较传统的活性 污泥法 曝气生物滤池具有处理能力强 处理效果好 受气温影响小 耐冲击 负荷 不需二沉 工艺流程简单和菌群结构合理等优点 分析了国内外典型曝 气生物滤池处理工艺的特点及应用 并讨论了曝气生物滤池工艺运用中的预处 理及除 P 脱 N 等关键技术 该工艺在我国具有广阔的应用前景 关键词 曝气生物滤池 除磷脱氮 生物膜 预处理 Working principle and technology of BAF Wangxin Abstract The Biological Aerated Filter BAF in recent years developed an aerobic biological treatment of waste water of the new technology Introduced to the stream and flow to the BAF s basic working principle Compared to conventional activated sludge BAF has a strong capacity to deal with good results the effects of small temperature resistance impact load no two Shen a simple process and the flora a reasonable structure of the advantages Analysis of a typical home and abroad BAF process and the characteristics of the application And discussed the BAF technology and the use of pre N in addition to P from the key technology The process in our country will be widely applied Key words biological aerated filter removel of P and N biofilm pretreatment 我国执行的 污水综合排放标准 GB8978 1996 对除 P 脱 N 提出了较高 要求 而现有城市污水处理中的活性污泥法难以达到该目标 为此 必须建立 新的污水厂或对现有污水厂进行改造 使之具有除 P 脱 N 功能 同时 随着城 市发展步伐的加快及城市区域的拓展 污水处理设施离城区越来越近 有的甚 至建在城区 因此 污水厂的土地使用受到严格的限制 传统的污水处理厂不 可避免地要产生异味和噪音 由于以上诸多客观需求 必须寻找新的污水处理 技术 实践表明 淹没式曝气生物滤池 BAF 工艺是最为经济有效的除 P 脱 N 处理方法之一 BAF Biological Aerated Filer 技术最早由法国 CGE Compaguine Generele des Eanx 公司所属的 OTV L Omnium de Fraitements et de Valorisation 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 BAF 技术 我国已经有多个示范工程 从 BAF 工艺的开发到日趋成熟 国内外出现 了多种基于 BAF 技术的水处理工艺 我们针对国家 污水综合排放标准 GB8978 1996 就如何运用 BAF 水处理方案进行了探讨 1 BAF 技术的基本工作原理和工艺特点 1 1 BAF 基本工作原理 BAF 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以 及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用 BAF 水流流向主要分为下向流和上向流 其中下向流以 OTV 公司的 BIOCARBONE 工艺为代表 上向流以 OTV 公司的 BIOSTYR 工艺为代表 BIOSTYR 和 BIOCARBONE 工艺示意图见图 1 图 1 BIOSTYR 和 BIOCARBONE 工艺 BAF 反应器为周期运行 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 BIOCARBON 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 在反映其中 有机物被微生物氧化分解 NH3 N 被氧化成 NO3 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 在无脱 N 要求的情况下 从滤池底部的出水口直接排 出系统 一部分留做反冲洗之用 如果有脱 N 的要求 出水需进入下一级后置 反硝化柱 同时需外加碳源 因为内环境反硝化不能使出水 TN 达到排放要求 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 SS 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到达极限 此时 应立即进入反冲洗再生 以去除滤床内过量的生物膜及 SS 恢复处理能力 反冲洗采用气水联合反冲 反冲洗水为经处理后达标水 反冲空气来自于 地部单独的反冲气管 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 SS 与填料分离 冲洗下来的生物膜及 SS 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 而是以最快的速度离开滤池 这对保证滤池的出水是有利的 在 BIOSTYR 工艺中 经预处理的污水与经硝化的滤池出水按一定回流比 混合后进入滤池底部 在滤层中进行曝气 曝气系统将滤池分为好氧和缺氧两 部分 在缺氧区 一方面反硝化菌利用进水中的有机物作为碳源 将滤池中的 NO3 N 转化为 N2 实现反硝化 另一方面 填料上的微生物利用进水中的溶解 氧和反硝化产生的氧降解 BOD 同时 一部分 SS 被吸附截留在滤床内 这样 便减轻了好氧段的固体负荷 经过缺氧段处理的污水然后进入好氧段 好氧段 的微生物利用从气泡转移到水中的溶解氧进一步降解 BOD 硝化菌将 NH3 N 氧化为 NO3 N 滤床继续截留在缺氧段没有被除去的 SS 流出滤层的水经上部 滤头排除滤池 出水按需求分为 1 排出处理系统 2 按回流比与原水 混合进行反硝化 3 用作反冲洗水 随着过滤的进行 滤层中新产生的生物 膜和 SS 积累不断增加 水头损失与时间呈线性正相关 当水头损失达到极限 水头损失时 应及时进入反冲洗以恢复滤池的处理能力 由于在 BIOSTYR 工 艺中没有形成表面堵塞层 使得 BIOSTYR 工艺比 BIOCARBONE 工艺运行时 间要长 反冲时也为气水交替反冲 反冲洗水即为贮存在滤池顶部的达标排放水 反冲空气来自底部的反冲洗气管 反冲水自上而下 其反冲过程基本类似于 BIOCARBONE 工艺 两者的反冲过程没有太多的理论依据 但必须把握以下原则 既要恢复过 滤能力 又要保证填料表面仍附着有足够的生物体 使滤池满足下一周期净化 处理要求 从 BIOCARBONE 到 BIOSTYR 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 8g cm3左右的有机填料 相比 而言 BIOSTYR 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 1 2 BAF 的工艺特点 与活性污泥法相比 具有以下特点 1 具有更高的生物浓度和更高的有机负荷 BAF 中采用的粗糙多孔的粒 状填料为微生物提供了更佳的生长环境 易于挂膜及稳定运行 可在填料表面 保持较多的生物量 单位体积内微生物量远远大于活性污泥中的微生物量 可 达 10 15g L 高浓度的微生物量使得 BAF 的容积负荷增大 进而减少了池 容积和占地面积 使基建费用大大降低 2 占地面积小 由于在 BAF 反应器中 处理效果与填料高度成正相关 因此可以通过增加填料高度来减少占地面积 3 工艺简单 基建费用低 由于填料的机械截留作用以及滤料表面的微 生物和代谢中产生的粘性物质形成的吸附架桥作用 因此 可省去二沉池 进 而降低基建费用 在稳定运行情况下 去除 SS 的机理类似于普通快滤池 只 要没有发生穿透 出水 SS 均较为理想 4 受气温影响小 由于 BAF 滤池为半封闭或全封闭构筑物 其生化反应 受外界温度影响较小 因此适合于寒冷地区进行污水处理 5 菌群结构合理 传统的活性污泥法 微生物的分布相对均匀 而在 BAF 中从上到下形成了不同的优势生物菌种 因此使得除 C 硝化 反硝化能在 同一个池子中发生 简化了工艺流程 6 耐冲击力强 BAF 滤池对有机负荷 水力负荷 温度的变化不像活性 污泥法那么敏感 2 国内外典型的 BAF 组合工艺及特点 按照污水处理要求不同 可将 BAF 工艺分为以下几类 除 C 硝化工艺 C 硝化 反硝化工艺 除 C 除 P 脱 N 工艺 2 1 除 C 硝化工艺 图 2 为某设计院设计的试验工程 原水经过预处理 进入 BAF 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 TN 有一定的去除 率 但 TN 不是控制指标 适用于对 NH3 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 图 2 水解 BAF 工艺 2 2 除 C 硝化 反硝化工艺 图 3 的工艺为基于 A O 的原理对图 2 工艺的改进 因为在图 2 工艺中未涉 及对 TN 的要求 如果对 TN 排放有限制 只需将出水的一部分回流到前段水 解池便可以实现反硝化 实现脱 N 目的 通常回流比 R 为 100 300 图 4 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 TN 排放不能达标 外加碳源过多 出水 COD 难 以达标 因此建议适当多加碳源 但必须再出水中将 DO 质量浓度维持在 2 4mg L 以防止出水 COD 超标 图 5 的工艺中将 BAF 作为三级处理 实现脱 N 的目的 该工艺采用 BIOSTYR 工艺 代表性的有法国 GERGY 污水厂 该厂处理流量为 40 000m3 d 进出水水质见表 1 图 3 水解 BAF 硝化工艺 图 4 两端后置脱 N 工艺 图 5 BAF 三级处理工艺 表 1 GERGY 污水厂进出水水质 mg L 项目 进水 出水 COD SS BOD5 TKN 670 350 350 350 60 20 25 10 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 污水处理厂的扩建工艺 使出水 TN 达标排放 2 3 除 C 除 P 脱 N 工艺 图 6 的工艺适用于进水杂质 SS 浓度很高的原水 BAF 为中间曝气 利用 进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 BAF 池中有充足的 P 营养源 该工艺中 BAF 为上向流 国外用 得较多的为 BIOSTYR 工艺 图 7 的工艺将硝化和反硝化分别在两个不同滤池中进行 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 在混沉池中加入化学出 P 剂 实现除 P 目标 该工艺进水杂质 SS 浓度 不宜过大 否则混沉池的排泥将成为问题 同时要保证 BAF 池生化反应所需的 P 营养源 图 8 的工艺中在预沉池中投加化学除 P 剂实现化学除 P 除 C 硝化 反 硝化分别在三个滤池中进行 BAF 池均为 BIOSTYR 工艺 外加碳源进行后置 脱 N 由于各滤池相对独立 各自的处理目的明确 因此运行稳定性和处理效 果好 虽然池数较多 但可以将大部分的池容埋于地面以下 只要设计合理仍 可做到节约用地 特别是该工艺的雨水处理技术值得在设计中进行借鉴 法国 塞纳中心 COLOMBES 污水厂为该工艺的典型代表 该厂的设计流量为 240 000m3 d 进出水水质见表 2 图 6 前置脱 N 后续化学除 P 工艺 图 7 两段前置脱 N 工艺 图 8 三阶段除 P 脱 N 工艺 表 2 COLOMBES 污水厂进出水水质 mg L 项目进水旱季排放雨季排放 COD SS BOD5 NH3 N TKN TP 600 360 240 40 60 16 60 20 25 8 10 1 80 30 30 12 15 该工艺适用于大水量 运行稳定要求高的生活污水处理 图 9 两段曝气 BAF 工艺 图 9 的工艺与常规两段曝气生物滤池的最大不同在于 一般除 C 在硝化池 而在这里除 C 与反硝化同处一池 硝化池只是作为除 C 的可靠保证 在该工艺 中硝化池和反硝化池均需进行曝气 进水从 BAF DN 池上部经填料后进入 BAF N 池的底部 然后从 BAF N 池上部出水 空气从 BAF DN 的底部通入形成逆流 增大了气水接触面积 有利于氧的转移 有利于发挥表面生物膜的氧化降解作 用 反硝化作用主要利用 BAF DN 池中氧下多上少的分布在顶部实现反硝化 BAF N 池中进行曝气为出水 COD 达标提供了更可靠的保证 如对 P 有更高的 要求 可在 BAF N 池进水端投加 Fecl3 该工艺可以处理生活污水 含高浓度 COD 的有机工业废水 也可用于废 水的深度处理 其运行参数见表 3 表 3 两段曝气 BAF 运行参数 参数BOD 处理负荷 kg d 1 m 3 HRT h气 水比 指标2 100 5 1 2 3 1 参数除 P 脱 N生物反应器体积污泥量 kg m 3 指标强活性污泥法的 1 20 3 10 2 4 工艺的技术评价 纵观以上工艺 流程非常简单 但能使出水达到处理要求 这是由 BAF 滤 池本身固有的性质决定的 每个工艺主要有以下两部分构成 预处理 沉淀或 水解 BAF 根据出水是否有脱 N 的污水 如果有进水碳源充足可考虑选择 上向流前置脱 N 这样既可以缩短流程 减少占地面积 同时又可以节省投 资 如果进水碳源不充分 最好将硝化 反硝化单独进行 考虑后置脱 n 其最 为不利的一面是需要外加碳源 运行成本相对较高 另一个最大的问题是如何 投加适当剂量的碳源 这需要可靠的自动控制 稳定的进水浓度 同时 出水 需要进行曝气用于去除过量的碳 但后置脱 N 一旦进入正常运行 出水水质稳 定 同时操作也较为简单 BAF 除 P 工艺主要有两种 前置除 P 和后置除 P 如果进水固体杂质较少 可选前置除 P 如果进水固体杂质较多则最好选择后置除 P 除 P 剂一般用 Fecl3较为经济合理 表 4 为同时进行硝化 反硝化的 BIOSTYR 滤池常用设计参数 表 4 BIOSTYR 常用设计参数 处理目的污水性质滤速 m h 1 COD 负荷 kg m 3 d 1 NH3 N 负荷 kg m 3 d 1 硝化 反硝化城市污水为主1 2 22 5 5 1 1 单池面积 m2好氧区高度 缺氧区高度 回流比 气水比 1001 5 1 0 4 0 1 0100 300 1 3 1 3 BAF 运行控制的影响因素 3 1 滤料 滤料是生物膜的载体 兼有截留悬浮物质的作用 同时滤料作为曝气生物 滤池的核心组成部分 影响着曝气生物滤池的发展 曝气生物滤池发展过程一 次形成的 3 种不同的形式 采用的滤料各不相同 BIOCARBONE 采用的是石 英砂粒 BIOFOR 采用的是轻质陶粒 BIOSTYR 采用的则是密度比水小的聚苯 乙烯球形颗粒 国外的实际运行表明 BIOFOR 和 BIOSTYR 明显优于 BIOCARBONE 因此 曝气生物滤池的性能优劣很大程度上取决于滤料的特性 滤料的研究和开发在曝气生物滤池工艺中至关重要 滤料的粒径对曝气生物滤池的运行有重要的影响 Moore 等研究发现随着 曝气生物滤池内滤料尺寸的减小 可以提高反应器对底物的去除效率 但会增 加反冲洗的需求 肖文胜在单级 BIOFOR 中 使用不规则形状页岩及球形粘土 陶粒作填料处理生活污水 试验结果表明 它们对 CODcr SS 的去处均能达到 满意效果 对 CODcr 二者处理效果接近 对 NH3 N 和 SS 的去除 不规则页岩 比陶粒效果略好一点 但差别不大 3 2 反冲洗 随着悬浮物的截留和生物膜的增长 对曝气生物滤池进行反冲洗是必须的 以便将老化的生物膜和截留的悬浮物冲洗除去 张杰等对小规模的曝气生物滤池的研究表明 脉冲反冲洗的效率远大于气 水连续反冲洗 扩展流池型曝气生物滤池比均匀流池型曝气生物滤池易于洗净 和生物滤层的恢复 扩展流曝气生物滤池脉冲气流强度为 8 10L m2 s 连续水冲强度为 2 4L m2 s 反冲洗时间为 5min 李玉华等采用气浮 曝 气生物滤池工艺处理哈尔滨某棉纺厂印染废水的试验结果表明曝气生物滤池采 用气 水联合反冲的效果较好 得出最佳水冲强度为 5 7L m2 s 气冲强 度为 13 17L m2 s 反冲洗时间为 15min 反冲洗周期为 24h 3 3 气水比 气水比是影响生物膜生长和出水效果的重要因素 在好氧处理工艺中需氧 量是工业控制的主要指标 生物膜的量 微生物的代谢能力和代谢过程 有机 物的去处动力 出水有机物的浓度 均与氧的供给密度相关 通常 用于硝化的 BAF C N 需要较高的气水比 而仅需碳化的 BAF C 可 采用较低的比值 应用 BIOSTYR 进行硝化的研究表明 去除 1kgNH3 N 所需 的供气量为 70m3 刘金香等在对沸石 陶粒曝气生物滤池处理微污染水源水的 试验研究中指出 当气水比为 0 5 时 出水中溶解氧的质量浓度为 2 3mg L CODMn的平均去除率为 26 34 氨氮的平均去除率为 78 15 当气 水比增大为 1 时 出水中 DO 的质量浓度为 5 7mg L CODMn的平均去除率上 升为 36 31 氨氮的去除率上升为 94 4 而气水比增大为 2 时 CODMn 氨 氮的去除率没有明显增加 3 4 水力负荷 水力负荷的大小以多种方式影响曝气生物滤池的净化效果 水力负荷的大 小直接关系到水在曝气生物滤池中与滤料上生物膜的接触时间 从水力停留时 间 HRT 来考虑 微生物对基质的降解需要一定的接触反应时间作保证 水 力负荷愈小 水与滤料接触时间愈长 处理效果愈好 反之亦然 但是 HRT 与 工程造价密切相关 在满足处理要求的前提下 应尽可能减少 HRT 王立立等采用以球形轻质陶粒作为填料的曝气生物滤池对南方特有的低浓 度生活污水进行试验 研究发现在低曝气条件下 当水力负荷在 0 7 1 7m3 m2 h 范围变化时 CODcr的去除率呈现先增加后降低的趋势 而 氨氮的去除率则受水力负荷的变化影响较小 4 讨论 4 1 预处理 为了使滤池能有较长的运行周期 减少反冲次数降低能耗 运用 BAF 的工 艺都需对水进行预处理 否则原水中的大量杂质和 SS 将进入曝气滤池 将会 堵塞曝气 布水系统 给系统的运行带来严重的后果 尤其是滤池用于二级处 理时 往往需投加药剂才能达到这一要求 药剂的使用不仅增加了运行费用 部分药剂还降低碱度 进而影响反硝化 这是运用 BAF 工艺时需要考虑的问题 4 2 除 P 脱 N 在生物除 P 技术中 将脱 N 和除 P 相结合的系统对除 P 不利 因为除 P 脱 N 本身是一对不可调和的矛盾 如果 DO 太低 除 P 率会下降 硝化反应受 到限制 污泥沉降性能差 如果 DO 太高 则由于回流厌氧区 DO 增加 反硝 化受到限制 同时 NO3 N 的浓度可影响厌氧区 P 的释放 因为 P 的释放最好 为厌氧环境 如果有 NO3 N 存在就表明只能为兼氧环境 从目前的 BAF 运行工艺看 完全用生物除 P 是很难达到