曝气生物滤池的研究与应用

曝气生物滤池的研究与应用

1曝气生物滤池技术的应用目前，中国的废水处理排放量仅为排放总额的10%左右。大量废水进入天然水体，导致严重的水环境问题，以及水资源严重不足。曝气生物滤池技术具有处理效率高、占地面积小、基建及运行费用低、管理方便和抗冲击负荷能力强等特点,在污水的有机物去除、硝化去氨、反硝化脱氮、除磷以及微污染水源水的预处理过程中有着较好的应用前景。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采用气生物滤池特色及发展2.1曝气生物滤池与其它生物固定膜方法不同,曝气生物滤池将生物氧化过程与固液分离集于一体,使碳源去除、固体过滤和硝化过程在同一个单元反应器中完成,经池结构改进后增加了厌氧区的曝气生物滤池还可以进行反硝化脱氮及除磷。目前全球范围内的以曝气生物滤池为主体技术的水处理厂已超过100座以上,主要分布在欧洲和北美洲地区。亚洲的韩国,我国台湾、大连也有曝气生物滤池的实际应用。被广泛地应用于工业废水、生活污水的有机物、SS去除的二级处理,脱氮除磷的三级处理以及微污染水源水的预处理。我国对该技术的研究尚处于起步阶段,对曝气生物滤池处理生活污水、啤酒废水进行了处理效能及机理方面有了一定的研究。同时,国内的一些污水处理工程也采用了曝气生物滤池单元。2.2曝气生物滤池曝气生物滤池的基本原理在于在一级强化的基础上,以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为主要处理介质,充分发挥生物代谢作用、物理过滤作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反应器内食物链的分级捕食作用,实现污染物在同一单元反应器内去除。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原理,省却了二次沉淀设备。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。曝气生物滤池的形式在进水方式、填料选择和使用功能上各有所不同,即上向流曝气生物滤池和下向流曝气生物滤池;悬浮填料曝气生物滤池和沉没填料曝气生物滤池;去碳曝气生物滤池、硝化曝气生物滤池、反硝化生物滤池、水源水预处理曝气生物滤池和组合曝气生物滤池等等。目前工程中曝气生物滤池的使用形式可以分为四大类:即BIOCARBONE、BIOFOR、BIOSTYR、BIOPUR,其各自构造特点如图1~3所示,BIOPUR的形式与BIOFOR的形式基本相同,只是BIOPUR的填料根据不同水质采用波纹板、陶粒或砂,以取得不同的处理效果。2.3baf反应器工艺特点曝气生物滤池的主要特点为:(1)采用小粒径颗粒填料作为过滤主体的池型反应器。(2)同步发挥生物氧化作用和物理截留作用。(3)氧转移和利用效率高。(4)具有较高的处理效率,出水水质好,能耐受较高负荷。(5)运行过程中通过反冲洗去除滤层中截留的污染物和脱落的生物膜,不需要二沉池。(6)充分借鉴了单元反应器原理,采用模块化结构设计,为整个工艺的紧凑化、设备化及改扩建提供了有利条件。(7)反应器沿水流方向呈明显的空间梯度特征。目前已开发出的BAF反应器的主要工艺参数为:有机物负荷2~10kg/m3·d;滤速2~15m/h氨氮负荷0.5~1.5kg/m3·d;氮氧化物负荷0.5~1.5kg/m3·d;填料石英砂、无烟煤、陶粒、合成塑料、火山灰等,粒径为3~10mm,多数为3~6mm;曝气条件气水比大多为1~3∶1,最高不超过10∶1,曝气量与处理要求、进水条件、填料情况直接相关;运行周期分级式滤池的运行周期一般为24~48h,硝化及反硝化滤池的运行周期稍长,一体式硝化及反硝化滤池的运行周期与进水情况关系密切,一般为24h;反冲洗条件反冲洗时间一般依水头损失来确定,反冲洗方式为气冲、水冲、气水联合反冲以及脉冲反冲,反冲洗水强度为15~35L/m2·s,气强度为15~45L/m2·s,冲洗时间一般在30min以内。2.4生物除磷工艺(1)进水一般要求进行预处理,一定程度上增加了工艺的复杂性。(2)进水悬浮物较多时,运行周期短,反冲洗频繁。(3)产生的污泥稳定性差,进一步处理比较困难。(4)同步生物除磷效果不好,一般多采用化学法进行,增加了药剂的使用量。(5)污染物去除机理尚不十分明确,未能充分发挥处理潜力。3开发生物滤池的科学研究3.1生物反应器、曝气生物滤池、bod5和ss的去除效果由于填料和生物膜的作用,曝气生物滤池的污泥龄(SRT)长,而相应的水力停留时间(HRT)短,因而有机物去除效率高,处理水量大。于1996年投入运行的美国宾夕法尼亚州的Monessen焦化废水处理厂,对硫氰化物、氨及酚类化合物的去除率分别达到了99%、78%和99.9%,出水硫氰化物、氨及酚类化合物的浓度分别为3.93mg/L,36.41mg/L,0.04mg/L。台湾高雄的塑料工业废水处理厂在活性污泥处理工艺后加上了臭氧氧化单元和曝气生物滤池单元,使二级出水的CODCr由150~180mg/L降至100mg/L以下。英国Packington污水厂由曝气生物滤池处理含工业废水的生活污水,在进水CODCr562mg/L,BOD5286mg/L,SS139mg/L的条件下,CODCr、BOD5、SS的去除率分别达到80%,91.3%,78%。笔者在自行开发研制的二段曝气生物滤池试验研究中,生物反应器对CODCr和SS的去除率分别达到90%和85%以上。李汝琪等利用曝气生物滤池进行生活污水处理试验时发现BOD5、CODCr和SS的平均去除率分别为95.3%、92.6%和96.7%。在滤速分别为6.5m/h和13m/h时的中试结果表明,在平均负荷为5.4kg/m3·d的条件下,BOD5去除可达80%以上,而且滤速对BOD5的去除没有影响。这些研究表明,曝气生物滤池在有机废水的处理中有很大的应用潜力。3.2滤速与硝化菌的关系通过合理的运行调控,曝气生物滤池可以取得很好的除氨效果,其硝化效能可以接近100%。Monessen污水厂在去除几乎全部酚、氰化合物的同时也去除了78%的氨。韩国的电子工业废水处理中,曝气生物滤池的硝化效率达99.5%,加上后续的厌氧生物滤池,总氮去除率达90.7%。Cromphout利用上向流曝气生物滤池处理含氨的富营养化水源水,在气水比1∶1,滤速5~18m/h,温度10℃以上条件下,硝化效率可达100%,随着温度的下降,硝化速率降低。温度为6.5℃时,仍可将15mg/L的氨氮在0.4h内完全消化,并发现滤速对硝化效率没有影响。李汝琪在研究中发现用曝气生物滤池处理生活污水同步硝化效率可达91.5%。Pujol的近期中试结果表明,在温度为22℃、NH+4-N负荷2.5kg/m3·d条件下,曝气生物滤池对氨氮的去除率可达90%以上,同时出水中BOD5和SS分别降至10mg/L和16mg/L以下。Pujol认为提高滤速会对硝化有积极的促进作用。Tschui等人也证实提高滤速会增加反应器的硝化能力。Fdz-Polanco等研究了硝化曝气生物滤池中异养菌和硝化菌的空间分布情况,发现进水CODCr低于200mg/L时不影响硝化效能;当进水CODCr>200mg/L时,硝化效能将下降;当CODCr/NH+4-N>4时,生物膜内将出现不同的功能分区;通过测定耗氧速率发现硝化细菌、亚硝化细菌及异养细菌在反应器中的空间分布与CODCr浓度有关,呈明显的分区分布。Wijeyekoon研究了滤速与硝化菌活性的关系,发现硝化菌活性分布与滤速有关。目前的研究表明,曝气生物滤池的硝化性能与有机物浓度、温度有密切的关系,而滤速的影响也很大。硝化性能研究一直是曝气生物滤池技术的核心课题,该方向上的研究成果不仅提高了生物过滤技术在硝化脱氨方面的应用效果,还带来了研究方法上的革命。3.3反硝化与生物过滤反应器在生物膜反应系统中,由于存在着厌氧区,可实现一定程度的反硝化脱氮。脱氮效率的高低取决于底物条件、传质条件及反硝化细菌的代谢特点。在曝气生物滤池系统中,反硝化以两种方式进行,即在滤池设置缺氧区或单独设一个不曝气的反硝化生物滤池,并根据底物供应情况决定是否投加碳源物质。研究表明,曝气生物滤池系统的反硝化效能在较高滤速和负荷下可以接近100%。Pujol认为,反硝化最好采用外加碳源的办法,最佳滤速为10~15m/h。Pujol还比较了前置反硝化和后置反硝化的优劣,认为反硝化过程应采用上向流的进水方式进行。Aesϕy等研究了利用热水解处理的污泥及有机固体废物与乙醇、乙酸分别作为外加碳源进行反硝化的对比情况,发现NO-3-N负荷为2.5kg/m3·d时,水解污泥及有机固废在CODCr/NO-3-N为8~10∶1时可达到与以乙醇做碳源时(CODCr/NO-3-N为4.5∶1)同样的去除效率,而以水解污泥及有机固废做碳源时,如进水CODCr<75mg/L时,脱氮效率将下降。进一步试验结果表明,进水中CODCr有60%被去除,45%被用以反硝化,同时这一过程需磷量比理论需要量大3倍。Aesϕy认为有机物和磷的去除是由于生物吸附和生物积累作用的结果。Chen等研究生物过滤反应器与活性污泥反应器、流化床的反硝化特性时,发现在不同水力条件下,反应器内微生物种群会发生一定的变化,但优势种群——杆菌属基本稳定。曝气生物滤池的反硝化功能研究也是热点领域,在饮用水处理和污水的三级处理中将会发挥巨大的作用。3.4增磷除磷技术曝气生物滤池对磷的去除主要是通过加入化学除磷剂,再通过反冲洗排除富磷污泥;或是在一级强化过程中通过化学混凝除磷。由于生物的同化作用、吸附作用及生物积累作用也会对除磷有所贡献,在脱氮过程中同步除磷机理的研究成果也不断出现。Goncalves等进行曝气生物滤池同步脱氮除磷的研究时发现,进水方式对磷去除效果没有差异性影响。德国Koln的同步硝化除磷曝气生物滤池除磷可达70%,总磷可降至0.5mg/L。Aesϕy等人发现,利用曝气生物滤池反硝化脱氮时,如利用水解污泥或水解固体废物做外加碳源,可同时去除比微生物生长需要量高3倍的磷。Pak等研究了利用两级生物滤池在交替好氧、厌氧条件下运行对污水中氮磷的去除情况,发现影响除磷的因素为CODCr/TP值和水力停留时间,好氧过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐对磷的释放有一定影响,而反冲洗过程的损失生物量对除磷也有影响。在同步除磷方面的不足一直是曝气生物滤池的缺点之一,上述研究成果有望在这方面取得突破。3.5悬浮填料滤池的研究现状生物填料的物理特征、化学稳定性、有无生物毒害、吸附特征、粒径、材质、孔隙率等对微生物的吸附生长和反应器效能有着重要的影响。曝气生物滤池中采用的多为颗粒状硬性填料,可以分为悬浮性(密度<1)和沉没性两大类(密度>1)。研究表明,悬浮填料在截留SS、降解CODCr等方面要优于沉没填料,但悬浮填料需要加固着装置,增加了反应器的复杂程度,也会使反冲洗的水头损失增加太快。填料的粒径对处理效果也有很大的影响,粒径较小可以提高处理效率,但同时也会缩短运行周期,增加反冲洗次数和强度。目前在曝气生物滤池中使用的填料有石英砂、陶粒、无烟煤等无机硬性材料和聚乙烯、聚丙烯、PVC等有机硬性材料,而软性填料滤池的开发研究尚未见报道。填料作为微生物吸附生长的载体和吸附并截留水中的污染物及脱落生物膜介质,其表面的介电特性和官能团结构对其吸附特性有很重要的影响。通过物理、化学手段可以改变填料表面的介电特性和官能团结构,从而实现填料的表面改性,强化其吸附效能,进而提高整个反应器的处理能力。3.6生物滤池的性质有关生物膜结构特征、生物活性、生物种群构成,污染物负荷、传质效率、扩散效率、水力条件、处理效率与反应器微生物特征相关性的研究近年来比较活跃。Fdz-Polanco等研究了硝化曝气生物滤池中异养菌和硝化菌的空间分布情况,发现当CODCr/NH+4-N>4时,生物膜内将出现具有不同处理效能的功能分区,并观察到有明显的分区界线。通过测定耗氧速率发现硝化细菌、亚硝化细菌及异养细菌在反应器中的空间分布与CODCr浓度有关,呈明显的分区分布。Wijeyekoon研究了滤速与硝化菌活性的关系,发现硝化菌活性分布与滤速有关。通过采用分子生物学技术、扫描隧道显微镜技术(STM)等检测手段,提高了生物检测的灵敏性和准确性,使得生物膜的研究正得以广泛而深入地进行着,成为一个较前沿的领域。但与曝气生物滤池直接相关的研究报道尚很少见。可以预见,有关曝气生物滤池处理机理的研究将随着生物膜研究的不断深入而有所突破。3.7生物处理系统理论生物膜反应器系统的动力学研究已进行得比较深入,在Monod公式的基础上建立了一系列生物膜反应动力学模型,如比较著名的反应-扩散理论、我国学者刘雨等提出的表面反应理论等等。但是直接针对曝气生物滤池的动力学研究报道还很少。Hamoda通过对曝气生物滤池处理合成碳水化合物废水的研究,提出了一种理论模型,他认为底物利用速率是底物浓度的双曲线函数,固体停留时间是水力停留时间、有机物负荷及冲洗因子(f=washoutfactor)的函数。Mann等人则推导出了以溶解性CODCr的进出浓度及反应器高度为参数因子的经验模型,在试验中对模型进行了应用研究,并在预测试验中取得了满意的结果。目前许多学者认为好氧生物膜过滤反应器的总反应级数为一级,但在具体的处理理论和数学模型形式上还有许多分歧。同时由于运行条件及处理对象、处理目的的不同,许多经验模型缺乏普遍性,理论模型又过于复杂而实际指导意义差,进一步对曝气生物滤池的反应动力学进行深入探讨是研究曝气生物滤池处理机理的主要工作之一。3.8级处理工艺在生活污水中的应用曝气生物滤池在实际运行时要求对进水进行一级强化处理,以延长过滤周期。对一些水质情况比较复杂的污水,可通过单元操作组合,充分发挥曝气生物滤池的优势,使污水中的各种污染物逐次去除,达到彻底净化污水的目的。Goncalves等利用UASB和曝气生物滤池串联对生活污水进行二级处理,系统的污泥产量大大减少,同时UASB的产气量也有一定程度的提高,对SS、BOD5、CODCr的平均去除率为94%,96%,91%,出水的SS、BOD5、CODCr分别为10mg/L,9mg/L,38mg/L。Chen等报道的台湾高雄塑料工业废水的三级处理系统由臭氧氧化和曝气生物滤池组成,由活性污泥法二级处理出水CODCr为150~180mg/L,O3投加量6kg/h,再经曝气生物滤池处理后,CODCr降至100mg/L以下,达到当地的排放标准。3.9生物滤池处理曝气生物滤池也用作于被污染水源水的预处理工艺,以除去过多的SS、有机物和营养性物质,减轻后续水处理工艺的负担,提高供水水质。Cromphout在处理富营养化水源水时应用曝气生物滤池进行硝化,取得了很高的氨去除率。Melln等在研究生物滤池处理经O3氧化处理的水源水时发现,整套工艺对腐殖酸和色度有较高的去除效果,O3过程产生的大部分醛类经生物滤池处理后可降至1μ