曝气生物滤池的研究发展动态.doc

曝气生物滤池的研究发展动态一、曝气生物滤池工艺发展和特点 曝气生物滤池(biological aerated filter)与普通活性污泥法相比，具有有机负荷高、占地面积小(是普通活性污泥法的1/3 )、投资少(节约30%)、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点，但它对进水SS要求较严(一般要求SS100 mg/L，最好SS60mg/L)，因此对进水需要进行预处理。同时，它的反冲洗水量、水头损失都较大。世界上首座曝气生物滤池于1981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20世纪80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VEOLIA公司均把它作为拳头产品在全世界推广。在中国内地，曝气生物滤池正处于推广阶段。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（由东北市政院设计），广东新会东郊污水处理厂采用了水解曝气生物滤池污水处理工艺（由中冶马院设计）。另外，我国一部分工业废水的处理也采用了此项技术。国内许多科研设计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。二、国内外发展情况1. BIOSTYR工艺BIOSTYR是法国OTV公司的注册水处理工艺技术，由于采用了新型轻质悬浮填料- BIOSTYRENE(主要成分是聚苯乙烯，且比重小于1g/cm3)而得名。下面以去除BOD、SS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。BIOSTYR工艺是一种上向流生物滤池，是一种运行可靠、自动化程度高、出水水质好、抗冲击能力强和节约能耗的新一代污水处理革新工艺。BIOSTYR 工艺是成熟/高效的一种污水生物处理工艺，其参与生物处理的生物附着在颗粒状滤料上。污水通过滤料，其中含有的污染物被滤料表层上的生物膜降解转化，同时，溶解状态的有机物和特定物质也被去除，所产生的污泥保留在过滤层中，而只让净化的水通过，这样可在一个密闭反应器中达到完全的生物处理而不需在下游设置二沉池进行固液分离。法国威立雅水务系统(前身为OTV)在淹没式生物滤池领域拥有十几年的工程设计、建设和运行经验，并且在世界各地建设了100多座类似工艺的污水处理厂，该工艺最先开发时是用于二级和三级处理，而目前该工艺已经可以和多种预处理工艺配合直接进行生化处理，并且能够达到很好的排放水质标准。滤池底部设有进水和排泥管，中上部是填料层，厚度一般为2.53.5m，为防止滤料流失，滤床上方设置装有滤头的混凝土挡板，滤头可从板面拆下，不用排空滤床，方便维修。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,在不需要反硝化的工艺中则没有该回流系统。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。该工艺具有如下优点：上向流滤池，底部渠道进配水，顶部出水滤料比重小于1穿孔管曝气，节省设备投资和维护费滤头在滤池的顶部，与处理后水接触，易于维护重力反冲洗，无须反冲洗水泵工艺空气和反冲洗用气共用鼓风机曝气管可布置在滤层中部或底部，在同一池中可完成硝化、反硝化功能2. Biofor工艺Biofor（生物过滤氧化反应池）是得利满水务继滴滤池、Biodrof干式过滤系统之后的专为污水处理厂设计的第三代生物膜反应池。与其它类型的生物过滤工艺相比， Biofor 主要具有下列特性：向上流生物过滤待处理的水自滤池底部流至顶部，这个上流过滤在滤池的整个高度上持续提供正压条件，与下向流过滤相比，这为向上流过滤提供了许多优势。使用特制的过滤及生物膜支持煤介：Biolite生物滤料 生物滤料将孔隙率、密度、硬度和耐磨损度等完美的结合，以确保获得很高的生物膜浓度和较大的截留能力，并加长了运行周期。高性能曝气Biofor采用了特制的曝气头：它不仅能高效的供氧，而且节约能源、使用安全、易于操作和维护。流体完全均匀的分布空气和水流为同向流。Biofor生物滤池的滤板配有特殊的25UB33e滤头，该滤头的防阻塞设计通过均匀的配水使过滤效果更加优化。有效的冲洗冲洗操作为全自动、可编程3BIOSMEDI工艺上海市政院邹伟国等开发了一种名为BIOSMEDI的曝气生物滤池，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。BIOSMEDI生物滤池是上海市政工程设计研究院针对微污染原水开发的一种新型生物滤池，该滤池以轻质颗粒滤料为过滤介质，滤料比重较小，一般约在0.1左右，粒径的大小为45mm左右，比重及粒径的大小可根据实际需要选择确定，这种滤料具有来源广泛、滤料比表面积大、表面适宜微生物生长、价格便宜（300500元/米3）、化学稳定性好等一系列优点。 BIOSMEDI生物滤池原理如图1：滤池上部采用钢筋混凝土板（板上采用倒滤头出气和水）抵制滤料的浮力及运行的阻力。在滤层下部，用混凝土板或钢板分隔在滤层下部形成气囊，在反冲洗时下部形成空气室。原水从进水阀进入气室，通过中空管进入滤层，在滤料阻力的作用下使滤池进水均匀，空气布气管安装在滤层下部，空气通过穿孔布气管进行布气，经过滤层去除水中的有机物、氨氮后，出水经倒滤头进入上部清水区域排出。滤池反冲洗采用脉冲冲洗的方法，首先关闭进水阀及曝气管，打开滤池下部的反冲洗气管，在滤层下部形成一段气垫层，当气垫层达到一定高度后，此时瞬时把气垫层中的空气通过阀门或虹吸的方法迅速排空，此时滤层中从上到下冲洗的水流量瞬时突然加大，导致滤料层突然向下膨胀，脉冲几次后，可以把附着在滤料上的悬浮物质脱落，再打开排泥阀，利用生物滤池的出水进行水漂洗，可有效地达到清洁滤料的目的。具有以下优点：、 较小的滤层阻力；采用气水同向流，避免了气水逆向流时水流速度和气流速度的相对抵消而造成能量的浪费，另外，滤料粒径较均匀，大大增加滤层的孔隙率，减少滤池运行时的水头损失。、 价格低、性能优的滤料；滤料具有来源广泛、滤料比表面积大、表面适宜微生物生长、价格便宜（一般价格低于500元/m3）、化学稳定性好；滤料比表面积大，有利于氧气的传质，大大提高了充氧效率，布气可采用穿孔管布气即可，节省工程投资。、 独特的脉冲反冲洗形式；传统的水反冲、气水反冲均难以奏效，该滤池采用独特的脉冲反冲洗方式，不需要专门的反冲洗水泵及鼓风机，是一种高效、低能耗的反冲洗形式。 三、应用范围曝气生物滤池的应用范围较为广泛，其在水深度处理、微污染源水处理、难降解有机物处理、低温污水的硝化、低温微污染水处理中都有很好的、甚至不可替代的功能。在低温污水中，西宁第二污水处理厂由于冬季最低水温约6，为了解决硝化问题，在可行性研究报告报告中就推荐了曝气生物滤池+A2/O处理工艺。在广东新会4万立方米/吨污水处理厂（BOT特许权项目）项目中，首次应用于国内生活污水处理工程中并获得成功，其工艺为水解+二级曝气生物滤池（设CN池与N池二级），该项目已经投产运行。在难降解有机物处理中，青岛啤酒（徐州金波）有限公司废水处理工程中，再用了水解酸化+曝气生物滤池处理工艺，从运行上看，选用的工艺是满足要求的。在中水回用中，大连马栏河污水处理厂工程，采用的是法国得利满A3D+BIOFOR工艺技术, 出水水质达到三级标准，日处理污水12万吨，其中4万吨出水可回用于城市绿化，建筑施工，工业等。山西临汾中水回用工程中，二级处理的出水作为水源，为了解决其氨氮这一指标，该工程采用曝气生物滤池作为预处理单元。在国内，猪场粪便污水处理工程，印染废水处理工程，肠衣加工废水处理工程，淀粉废水处理工程等中都有应用。四、问题与前景作为一种崭新的水处理工艺曝气生物滤池正处在推广之中。根据目前的研究和应用情况，今后仍有好多问题有待研究：生物膜的特点及其快速启动的方式；生物氧化功能和过滤功能之间的相互关系；反冲洗过程中生物膜的脱落规律；进一步拓宽曝气生物滤池的应用范围，研究其在水深度处理、微污染源水处理、难降解有机物处理、低温污水的硝化、低温微污染水处理问题中如何与其他工艺相结合。曝气生物滤池中核心介质滤料的研究也会促进该工艺在中国的应用的范围，BIOSTYR、Biofor两种工艺功能比较强大，但在中国大范围的应用仍存在问题，如专利问题，再有它们从投资上都比较大，这也阻碍了这两种工艺在中国的大范围的应用。 所以特种滤料的的研究与生产的国产化将是曝气生物滤池在国内大范围的应用的关键。曝气生物滤池的研究进展曝气生物滤池(biological aerated filter)与普通活性污泥法相比，具有有机负荷高、占地面积小(是普通活性污泥法的1/3 )、投资少(节约30%)、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点13，但它对进水SS要求较严(一般要求SS100 mg/L，最好SS60mg/L)，因此对进水需要进行预处理。同时，它的反冲洗水量、水头损失都较大。 世界上首座曝气生物滤池于1981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20世纪80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OTV公司均把它作为拳头产品在全世界推广。在中国内地，曝气生物滤池正处于推广阶段。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，目前正处于试运行阶段。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。 1 结构形式 曝气生物滤池的结构与普通快滤池基本相同，不同之处在于曝气生物滤池下部或底部增加了曝气系统。根据水流方向其可分为上向流和下向流两种，早期的曝气生物滤池多采用下向流，如BIOCARBON4。由于下向流曝气生物滤池的纳污效率不高、易堵塞 、运行周期短，因此现在多采用上向流方式(即采用气水同向流)，使布水、布气更加均匀。同时，在水气上升过程中可把底部截留的SS带入滤池中上部，增加了滤池的纳污能力，延长了工作周期。目前，上向流曝气生物滤池有BIOFOR、BIOSTY、COLOX、DeepBedTM、BIOPURR等多种形式5、6，其中BIOFOR&R应用最为广泛，图1是BIOFOR的结构示意图。 为了适应不同的水质和拓宽应用范围，很多科研、工程技术人员对曝气生物滤池结构进行了研究改造。邹伟国等开发了一种名为BIOSMEDI的曝气生物滤池，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7。孙力平等为了解决BIOFORR的滤头堵塞问题把滤头改成穿孔管并降低了空气扩散管的位置，该工艺用于造纸和印染废水的处理取得了良好的效果8。 2 功能 单个曝气生物滤池可完成碳化、硝化、反硝化、除磷等功能，与其他工艺组合可进行一般城市污水或工业废水的二级或三级处理。表1是采用曝气生物滤池处理污水的典型流程。 由于各功能的实现对滤料粒径大小和滤层厚度、负荷、曝气等参数的要求不尽相同，一般认为不宜把各种功能放在同一个曝气生物滤池中完成。但最近有研究者对在一个曝气生物滤池中完成碳化+硝化、硝化+反硝化、硝化+生物除磷、硝化+化学除磷和反硝化+生物除磷等组合功能进行了尝试和探讨，均取得了一定的研究成果。 3 启动 曝气生物滤池的启动与一般生物膜法的启动方式相同。国外一般采用三种方式：间歇培养并逐步增加流速；在设计流速下或逐渐增加流速进行连续培养9；用活性污泥接种，稳态运行10。三种启动方式中生物膜的生长速率、分布和对污染物的去除率等变化规律各不相同，但达到稳态所需的时间却大致相同。Allan等根据自己的试验结果建议采用设计流速进行连续培 养以期得到更加稳定的生物量11。国内很多生物膜装置采用了快速排泥法，这种方法一般是采用活性污泥接种，通气闷曝一段时间后排出上清液，再加入待处理污水继续闷曝一段时间，然后连续进水、进气直至稳态运行为止。根据一些资料的报道，这种方法具有挂膜迅速的特点。 4 几个关键问题 4.1 滤料 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。目前，滤料多为专利产品或处于保密状态，常用的滤料有石英砂、陶粒及塑料制品(合成纤维、聚苯乙烯小球、波纹板等)。Kent等对滤料进行了详细的研究，他参照BEWA的标准对曝气生物滤池常用的7种滤料进行了对比研究，认为Arlita和膨胀页岩最适合用作曝气生物滤池的滤料。但是，由于BEWA标准是处理饮用水所用快滤池的滤料标准，并且Kent只是对滤料的物理化学性能进行了对比，并没有对其做污水处理试验，因此对Kent等人的结论应进一步试验论证。 滤料的粒径主要取决于曝气生物滤池的功能。Stensel等就滤料粒径对具有碳化或碳化+硝化功能的曝气生物滤池的影响进行了试验，结果发现滤料粒径越小曝气生物滤池的效果越好，但小粒径会使其工作周期变短，滤料也不易清洗，相应的反冲洗水量也会增加，因此应综合考虑各种因素以选定合适的滤料粒径。Kent等人也做了类似试验，结果表明滤料粒径为24mm时，曝气生物滤池的硝化功能比滤料粒径为48mm和5.611.2mm时的要好得多。目前，曝气生物滤池普遍采用的滤料粒径为36mm，滤层厚度为34m。 4.2 负荷 曝气生物滤池一般采用两种负荷：容积负荷kg/(m3?d)和水力负荷m3/(m2?h )，也称滤速。早期的曝气生物滤池均采用了较低的负荷值，但随着对曝气生物滤池研究的深入和认识水平的提高，负荷值近几年有逐渐加大的趋势。表2是较为典型的负荷值。 对以碳化为目的的曝气生物滤池，一些研究结果认为在一定的范围内出水COD值与COD容积负荷呈线性关系12。在此基础上，一些研究者给出了COD去除率与进水BOD、COD的函数关系式。同时，很多学者就水力负荷对出水水质的影响也做了探讨，普遍认为 水力负荷对BOD5的去除效率影响甚微，只要温度、曝气量、反冲洗等因素在不受制约的条件下应尽量加大水力负荷以获得尽可能大的处理能力。如Pujol等的试验证实了滤速在6m/h、13m/h时BOD5的去除率基本不变。Canler的试验也证实增加滤速对出水水质影响很小。Pujol等人认为低滤速使传质不均匀，从而造成底部堵塞(上向流)，影响曝气生物滤池功能，提高滤速有利于传质。对于用于硝化或反硝化的曝气生物