城市给排水 一种好氧生物处理有机废水的新工艺设备 ) 生物曝气滤池徐丽花 李亚新提要 生物曝气滤池是近年来国外发展起来的一项废水好氧生物处理的新工艺。该工艺具有处理能力强, 处理效果好, 不需二沉池等突出的优点。综述了生物曝气滤池的工艺原理、 优点、 有机物去除能力、 填料、 需氧量、 污泥产量、 反冲洗及工程实例。 关键词 生物曝气滤池 陶粒填料 需氧量 反冲洗1 工艺概述法国 CGE( Compaguie Generele des Eanx) 公司 所属的 OTV( L. Omnium de Traitements et de Va- lorisation) 公司近年来开发了一种名为生物曝气滤池的新型好氧生物处理设备。这种滤池采用固定床形式, 充气方式几经改变, 曾经报道过的有: 进水预充 氧的上向流滤池、 底部充氧的上向流颗料滤料滤池、底部充氧的上向流塑料滤料滤池。最后改为将穿孔管曝气系统设在滤床中间, 从而将滤床分为两部分: 上部分为曝气的生化反应区, 下部分为非曝气的过滤区, 这样就省掉了二次沉淀池。生物曝气滤池与传统的生物滤池不同, 它采用人工曝气供氧, 与生物接触氧化工艺具有更多的共 同点, 不过比传统的生物接触氧化池填料的尺寸更小而已。生物曝气滤池作为污水二级处理设施, 其进水需经过一级处理。典型的生物曝气滤池处理污 水的工艺流程如图 1 所示。图 1 生物曝气滤池流程图 2 为生物曝气滤池示意图。进水水流向下,同时空气从距滤料底部 30cm 处通入。这样, 空气流向上, 两者形成逆流, 增大了气水接触面积, 有利于氧的转移。一方面有利于发挥下层滤料表面生物 膜的氧化降解作用, 另一方面又有利于提高整个生物滤池的储污能力, 延长反冲周期。曝气点以下30cm 厚的滤层起到过滤的作用, 进一步截留水中悬浮物和脱落的生物膜, 完成固液分离的过程。由于 生物膜生长, 固着在比表面积较大的滤料表面上, 这就使得池中容纳着大量微生物, 从而在体现出容积负荷高、 停留时间短的特点的同时, 又能保证滤池在 较低的污泥负荷下运行, 为进一步降解污水中的有机污染物提供了可靠的保证, 进而获得了优良处理效果, 保证了出水的稳定性。图 2 生物曝气滤池示意处理水由底部出水系统收集到出水渠进入集水池。当滤池运行到一定时期, 随着生物量和滤料中 截留杂质的增加, 滤料中水头损失增大, 水位上升, 需对滤料进行反冲洗, 反冲洗废水通过排水管回流到一级处理设施。 当进水浓度过高时, 需进行稀释, 降低有机物浓给水排水 Vol125 No111 19991 度。其优点是:( 1) 填料的颗粒细小, 因而提供了巨大的比表面积, 使滤池单位体积内保持较高生物量, 而且由于填 料上的生物膜较薄, 其活性相对较高, 因此, 该工艺的有机物容积负荷和去除率都较高。( 2) 该工艺的处理装置结构紧凑, 生化反应和过滤统一在一个单元中进行, 不需要二次沉淀池。这一方面节省了占地面积, 另一方面使处理能力不受 生物膜沉降性能的影响, 从而有利于发展高效、 快速的处理工艺。( 3) 气水相对运动, 气泡接触面积增大, 增加气水与生物膜的接触面积, 从而提高处理效果。在处 理水水质相同的状态下, 填料的容积负荷几乎可提高 1 倍。同时, 还可使进水处的生物膜不受过分冲刷而处于对数生长期。( 4) 生物曝气滤池可和其它传统工艺组合使用,可对一些老厂进行技术改造, 避免了浪费。 ( 5) 生物曝气滤池具有多种净化功能, 除了用于有机物去除外, 还能够去除 NH3- N 等。2 有机物去除根据 OTV 公司的资料介绍, 生物曝气滤池可以处理生活污水、 含高浓度 COD 的有机工业废水, 也可以用于废水深度处理( 硝化、 脱氮) , 或饮用水处理。法国 OT V 公司经过多年的研究和工厂实践,总结出了生物曝气滤池的运行参数。生物曝气滤池 进水水质见表 1。表 1 进水水质水质指标浓度/ mg/ LBOD550 150COD100 300T SS50 150TKN15 30NH3- N10 25法国 OTV 公司研究表明, 有机物容积负荷越 高, 出水有机物浓度也越高。所以, 为了保证出水水质符合要求, 有机物负荷的提高有一定限制。NH3- N 的去除一定程度上取决于有机负荷。当有机负荷稍高于 310kg/ ( m3#d) 时, NH3- N 去除受到抑制; 当有机负荷高于 410kg/ ( m3#d) 时, NH3- N 去 除受到明显抑制。因此用生物曝气滤池去除 NH3- N 时, 须降低有机负荷, NH3- N 的去除主要决定于T KN 的负荷, 当 TKN 负荷从 0116kg/ ( m3#d) 增加到 0159kg/ ( m3#d) 时, NH3- N 去除率明显降低。 温度对 NH3- N 去除率也有影响, 见表 2。表 2 温度对 NH3- N去除率影响温度/ eNH3- N 去除率/ %1239185024603 填料填料是生物膜的载体, 同时兼有截留悬浮物质的作用, 因此, 载体填料是氧化池的关键, 直接影响 着生物接触氧化法的效能, 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技术的合理性。法国 OT V 公司最初在生物曝气滤池中使用的 填料为活性炭。此种填料孔隙率大, 有利于吸附更多的生物量, 且活性炭比重小, 有利于气水反冲洗。但是, 活性炭填料价格昂贵。后来, 法国 OTV 公司使用了一种新型填料) ) 陶粒, 这种填料为有棱角 型, 在放置和反冲洗过程中有一定程度的磨损。陶粒特点:( 1) 质轻, 松散容重小, 表面积大, 孔隙率高, 有 足够的机械强度。( 2) 不含有害于人体健康和妨碍工业生产的有害杂质, 化学稳定性良好。( 3) 陶粒水头损失小, 形状系数好, 吸附能力强, 有适宜的水力粗度值。( 4) 用陶粒组装的滤池, 同石英砂滤池相比, 具有滤速高, 工作周期长, 产水量大, 产水水质好, 反冲洗强度低, 反冲洗水量小的优点。填料级配对生物曝气滤池运行有重要影响。滤 料级配不但影响出水 BOD5和 TSS 的浓度, 而且影响水头损失增长速度和反冲洗间隔时间。填料粒径越小, 水头损失越大, 反冲间隔越短。OTV 研究的填料级配与出水水质关系见表 3。由表 3 可以看 出, 填料粒径越小, 出水水质越好。但是由表 4 可2 给水排水 Vol125 No111 1999知, 填料粒径越小, 固体容量也越小。所以, 在污水中T SS 浓度高时, 不能使用粒径为 2mm 4mm 的填料, 因为这样反冲洗间隔时间过短。表 3 填料级配与出水水质填料级配/ mm出水水质/ mg/ LBOD5T SS2 410103 620204 83030表 4 滤料级配与固体容量滤料级配/ mm固体容量/ kg/ m32 4110 1153 6212 2174 8310 3154 污泥产量污泥产量表示去除单位重量的 TBOD 所产生 的T SS 量。污泥产量与进水 TSS/ TBOD 比值有密切的关系。进水 T SS/ TBOD 比值越大, 污泥产量也就越多。污泥产量可用式( 1) 计算:Y = ( 016 $SBOD+ 018 X0)/ $TBOD(1)式中 Y ) 污泥产量, kgT SS/ kg $TBOD;X0) 进水悬浮物浓度, mg/ L。从式( 1) 可以看出, 在生物曝气滤池中, 进水中被去除的悬浮物有一些不能被降解。有一种观点认为: 在生物曝气滤池系统中, 悬浮物停留的时间较短, 它们被过滤后只是暂时停留在填料层中, 不象在 活性污泥系统中与活性生物充分混合。而且一些被截留的悬浮物充满了填料的小孔以及填料与填料之间的缝隙, 阻止了氧的传递和水的流动, 也限制了悬浮物的降解。5 反冲洗在生物曝气滤池运行中, 生物膜渐渐增厚。膜 的厚度一般应控制在 300L m 400Lm, 此时生物膜新陈代谢能力强, 出水水质好。当膜的厚度超过这一范围时, ( 1) 氧的传递速率减小, 导致溶解氧过低,影响微生物的繁殖, 生物膜活性变差, 同时又抑制丝状菌的生长, 结果使去除能力降低, 出水水质变坏; ( 2) 传质速度减缓, 有机物浓度过低, 造成营养不足,生物膜难以形成。此外, 进水中的颗粒物质被截留在滤池表面及填料空隙中, 同时, 生长的过量微生物也聚集在生物曝气滤池表面和填料的空隙中。随着处理过程的持续运行, 填料的空隙度减小。这对生物曝气滤池的运行有以下两方面的影响: ( 1) 加大了透过滤池的水头损失;( 2) 加大了对水流的剪应力。最后, 总的水头损失可能达到或接近使设计流量通过生物曝气滤池所必须的水头或是出现颗粒穿透。在这两种可能情况任一种出现之前, 生物曝气 滤池即应停止运行进行清洗。反冲洗是维持生物曝气滤池功能的关键, 其基本要求是: 在较短的反冲洗时间内, 使填料得到清洗, 恢复其除污能力。反冲洗的质量对出水水质、 工作周期、 运行状况的影响很大。 美国 H1D1Stensel 等人在生产性试验中采用气水联合反冲洗方式。其反冲洗顺序为: 先单独气反冲洗, 再气水联合反冲洗, 停止清洗 30s, 最后用水反冲洗。在进水管、 出水管、 曝气管、 反冲洗水管和 气管上安装自动阀门, 通过微机进行自动控制。生物曝气滤池通常运行一天冲洗一次, 从而保证了过滤顺利进行。反冲洗水量为进水水量的 7% 10%, 冲洗后的水平均 T SS 浓度为 1 500mg/ L。对于生物曝气滤池, 控制好气水反冲洗强度显 得尤为重要, 过低达不到反冲洗的目的, 过高会使生物膜严重脱落, 造成填料层内生物量减少, 以致影响处理效果, 并易造成填料的破损、 流失及增加不必要的反冲洗耗水量、 耗电量。反冲洗滤层的膨胀率较小, 约为 10%左右。 法国 OT V 公司调查的污水厂生物曝气滤池反冲洗的空气和水强度见表 5:表 5 气水反冲洗强度反冲洗气速率/m3空气/ m3滤料/ min气量/m3空气/ m3滤料0143 01525114 6125反冲洗水速率/m3水/ m3滤料/ min水量/m3水/ m3滤料0133 013521506 氧的利用与需氧量生物曝气滤池中的氧的利用率是活性污泥法的 2 倍。有人认为, 这是由于填料具有均匀细小, 弯弯给水排水 Vol125 No111 19993 曲曲而又互不连通的孔洞, 可以容纳向上移动的气泡。气泡的滞留时间比较长。活性污泥法的耗氧量为 018kgO2/ kgTBOD 110kgO2/ kgTBOD。生物曝气滤池中的耗氧量低于活性污泥法, 这是因为活性污泥法中的污泥产量比 较高。生物曝气滤池中的需氧量可用式( 2) 计算:OR = 0182 $SBOD/ TBOD+ 0132 X0/ TBOD(2) 式中 OR ) 单位重量的 TBOD 所需的氧量,kgO2/ kgT BOD;X0) 进水悬浮物的浓度, mg/ L;$SBOD) 去除的可溶性 BOD 浓度, mg/ L。在试验中, $SBOD/ TBOD= 012 X0/ TBOD = 113可得出OR = 0158据试验结果统计, OR 取值范围 0142 018, 平均为 0151kgO2/ kgTBOD。7 工程实例 生物曝气滤池在欧洲已广泛用于污水处理。在美国生物曝气滤池被称为是二级处理设施的更新换代产品。美国目前有 5 个生产性生物曝气滤池, 规模为 750m3/ d 7 570m3/ d。在法国已经运行的和正在建设的已有 15 个生物曝气滤池, 服务人口数范围为 20 000 200 000。OTV 公司建的第一座生物曝气滤池在法国 Soissons。它呈环状, 中心是清水井, 储存处理过的水并用于反冲洗。它的服务人口数为 40 000, 用于处理城市污水和工业废水。