（环境工程专业论文）滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究.pdf

南昌大学硕士学位论文 滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 摘要 曝气生物滤池( b a f ) 是近年受到广泛关注的污水处理新技术，具有面积省、 处理效率高、运行管理方便等特点。并在实际应用中取得良好的处理效果。然而， 目前曝气生物滤池在诸如填料的作用，曝气方式、处理机理、反冲洗、运行参数 和进水条件控制等方面的系统研究尚不够完善，存在一系列问题。本文采用人工 模拟生活污水为处理对象，通过实验室模型研究不同粒径陶粒，不同孔径穿孔曝 气管的充氧性能，并对优化后的滤料和穿孔管组合的曝气生物滤池进行污水处理 效能研究。连续的试验得到以下结果： r 、 1 、3 4 r a r a 陶粒在各进气量、曝气管孔径组合上的氧总传质系数、氧利用率 和充氧动力效率都优于同等条件下5 6 m m 陶粒。 2 、同等条件下，2 m m 孔径的穿孔曝气管的氧传质速度要优于3 m m 和4 m m 孔 径穿孔曝气管，4 m m 孔径稍好于3 m m 孑l 径，同一反应器中不同穿孔曝气管孔径氧 传质效果相比较无明显规律。 3 、清水充氧试验中，三种孔径的穿孔曝气管的充氧能力( r o ) 在滤池a 和 滤池b 中都是随着进气量的升高而增大；氧利用率e 在进气量0 1 0 4 m 3 h 之 间氧利用率e 有一最小极值点；充氧动力效率e p 趋势是随进气量的减少先降低 再升高。而在污水充氧试验中，与清水充氧试验一样的是三种孔径的穿孑l 曝气管 的充氧能力( r o ) 在滤池a 和滤池b 中都是随着进气量的升高而增加；氧利用率 e 一随着进气量的降低而不断升高；充氧动力效率e p 趋势是随着进气量的减少而升 高。 4 、当进水c o d 容积负荷小于1 5 k g ( m 3 d ) ，滤池的c o d 容积负荷增加对c o d 去除能力没有影响，但反应器的硝化能力受到明显抑制，而悬浮物的去除受迸水 有机物负荷的影响较小：提高进水氨氮负荷会影响反应器的氨氮去除能力。增加 水力负荷使反应器对c o d 、氨氮和浊度的去除率逐渐下降。试验条件下的温度 ( 1 0 2 5 c ) 和p h 值( 6 4 8 4 ) 对反应器有机物处理效能无明显影响，但低 温下氨氮去除率明显下降。曝气生物滤池只需较低的曝气量即可取得较高的处理 澈率。气水比( 3 5 ：1 ) 对反应器处理能力无明显影响。曝气生物滤池采用气 一气+ 水一水的反冲洗方式，反冲洗强度为气i o l ( m 2 s ) ，水i o l ( m 2 s ) ，这种 反冲洗方式可以取得良好的冲洗效果。 关键词：曝气生物滤池；滤料粒径；穿孔管孑l 径；氧总传质系数；运行特性 ， l a b s t r a c t b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ( b a f ) i sa na t t r a c t i v ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e w i t ht h ea d v a n t a g e so fe c n o m i c sg r o u n d s ，h i g h t r e a t m e n te f f i c i e n c ya n de a s yo p e r a t i o n a sar e s u l t ，g o o dp e r f o r m a n c e sb a fh a v eb e e no b t a i n e di n m a n yw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t s h o w e v e r , t h e r es t i l ls o m ep r o b l e m st h a tn e e df u r t h e rs t u d vi nb a f 弭口伪r e s p e c tt om e d i as i z e 、a e r a t i o nm o d e 、t r e a t m e n tm e c h a n i s m s 、o p 口r a t i o n a l f a c t o r s 、b a c k w a s h i n ga n di n f l u e n tc o n t r 0 1 aab e n c hs c a l ee x p e r i m e n t a ls t u d vw a s c a r r i e do u tw i t hs y n t h e t i cd o m e s t i cw a s t e w a t e ra st h em o d e lw a t e r , f o c u s i n go nt l l e o x y g e n i n ge f f i c i e n c yo fd i f f e r e n tc e r a m i s tm e d i as i z ea n dd i f f e r e n tm a c r o p o r e a e r a t i o n a p e r t u r e ，b u ta l s of o c u s i n go nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t e f f i c i e n c yo f o p t i r n z i e dm e d i as i z ea n dm a c r o p o r ea e r a t i o na p e r t u r ec o m b i n a t i o no fb a f i tc a n b e d r a w nt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o nd e r i v e df r o mt h ee x p e r i m e n tr e s u i t s 1 、t h ep a r a l l e le x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tab e r e re f f e c tf o ro x y g e n t r a n s f e rc o e f f i c i e n t 、o x y g e nu t i l i z a t i o nr a t i o na n dp o w e r e f f i c i e n c yo fo x y g e ns u p p l y c o u l db ea c h i e v e di nt h es m a l ls i z em e d i a ( 3 - - 一4 m m ) f i l t e rt h a nt h a ti nt h el a r g es i z e m e d i a ( 5 - - - 6 m m ) f i l t e ri nt h ec o n t e x to fd i f f e r e n ti n f l u e n ta i rv o l u m ea n dm a c f o p o r e a e r a t i o na p e r t u r ec o m b i n a t i o n 2 、t h eo x y g e nt r a n s f e rr a t eo f2 m m a p e r t u r em a c r o p o r ea e r a t i o np i p ew a sb e t t e r t h a nt h a to f3 m ma n d4 m m a p e r t u r em a c r o p o r ea e r a t i o np i p e ，a tt h es a m et i m e ，4 n n a p e r t u r ee x c e l l e dt h a n3 m ma p e r t u r eab i t a tt h es a m er e a c t o r , t h e r ew a sn oo b v i o u s l a w so nt h eo x y g e nt r a n s f e rc o e f f i c i e n to f d i f f e r e n ta e r a t i o na p e r t u r e 3 、i nt h ep u r ew a t e ro x y g e na e r a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h eo x y g e ns u p p l yc a p a c i t yo f t h r e ea p e r t u r em a c r o p o r ea e r a t i o np i p ei n c r e a s e dw i t hr i s e i ni n f l u e n t a i rv o l u m e ； t h e r ew a sam i n i m i z ev a l u eo fo x y g e nu t i l i z a t i o nr a t i o ( e a ) b e t w e e no 1 a n d0 4m 3 h i n f l u e n ta i rv o l u m e t h et r e n do fp o w e r e f f i c i e n c yo fo x y g e ns u p p l y ( e p ) f i r s t d e c r e a s e da n dt h e ni n c r e a s e dw i t hd e c l i n ei ni n f l u e n ta i rv o l u m e i nt l l e 、w l s t e w a t e r o x y g e na e r a t i o ne x p e r i m e n t s ，t h et r e n do fo x y g e ns u p p l yc a p a c i t yw a ss i m i l a rw i t h t h a to fp u r ew a t e ro x y g e na e r a t i o ne x p e r i m e n t s o x y g e nu t i l i z a t i o nr a t i o ( e a ) a n d p o w e re f f i c i e n c yo fo x y g e ns u p p l y ( e o ) i n c r e a s e dw i t hd e c l i n ei ni n n u e n ta j rv o l u i n e 4 、i tw a sf o u n dt h a ti n c r e a s eo fc o dl o a dd i dn o ta f f e c tc o d r e m o v a lo n c o n d i t i o nt h a tt h ec o dl o a di sl e s st h a n 15 k g ( m 3 d ) b u ta m m o n i a lr e m o v a lw a s u i n h i b i t e ds e r i o u s l y s u s p e n d e ds o l i dr e m o v a lw a si n f l u e n c e d s l i g h t l yb yi n f l u e n t h y d r a u l i cl o a d ；a m m o n i a lr e m o v a lc a p a c i t yw a si n f l u e n c e db yi n f l u e n ta m m o n i a l l o a d a m m o n i a la n dt u r b i d i t yr e m o v a ld e c r e a c e dg r a d u a l l yw i t hi n c r e a s eo f h y d r a u l i c l o a d i nt h ee x p e r i m e n t s ，t e m p e r a t u r e ( 10 - - 2 5 ) a n dp h ( 6 4 - - - 8 4 ) h a dl e s so b v i o u s e f f e c t so nt h et r e a t m e n tc a p a c i t yo ft h er e a c t o r ，b u ta m m o n i a lr e m o v a lr a t i od e c r e a s e d e v i d e n t l ya tt h el o wt e m p e r a t u r e i tc o u l db eg a i n e dg o o dc o n t a m i n a t i o nr e m o v a l e f f i c i e n c ya tl o w e ra i ra e r a t i o ni nt h eb a e g a s w a t e rr a t i o ( 3 5 ：1 ) h a dl e s se f f e c to n t r e a t m e n t c a p a c i t y t h eb a c k w a s h i n gm o d ew a sg a s - g a s + w a t e r - w a t e rm i x b a c k w a s h i n g ，b a k w a s h i n gi n t e n s i t yo fg a sw a s10 l ( m 2 s ) ，i n t e n s i t yo fw a t e rw a s 10 l ( m 2 s ) ，i tc o u l dg a i n e dg o o db a c k w a s h i n ge f f e c tt h r o u g h t h i sw a y k e y w o r d s ：b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ；m e d i as i z e ：m a c r o p o r ea p e r t u r e ；o x g e nt r a n s f e r c o e f f i c i e n t ；o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c s i i i 南昌大学硕士学位论文 滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 1 1 课题的来源 第1 章绪论 1 1 1 国内水环境污染状况 水是生命活动中最为最重要的物质之一，是人类文明不断发展的基础条件。 和谐的水环境和丰裕的水资源是人类社会可持续发展的前提基础。然而，随着科 学技术的不断进步，工业文明的迅猛发展，人口的持续增加，人类社会正面临着 严重的水资源危机，具体表现为严重的水环境污染和水资源短缺，已经成为影响 和制约人类社会发展的主要桎梏。 以我国为例，改革开放以来，随着城市化进程的加快，人口不断增加，工农 业生产规模的扩大，生活污水和工业废水的排放量迅速增加。由于资金与技术的 原因，污水处理设施严重不足，大量污水未经处理直接排放到自然水体，使我国 的大部分河流江湖水域都受到严重污染。根据国家环保总局( ( 2 0 0 4 年中国环境 状况公报【l j 2 0 0 4 年我国大部分江河湖水域受到不同程度的污染，七大水系的 4 1 2 个水质监测断面中，i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为： 4 1 8 、3 0 3 和2 7 9 ，七大水系总体水质与去年基本持平，珠江、长江水质 较好，辽河、淮河、黄河、松花江水质较差，海河水质差。主要污染指标为氨氮、 五日生化需氧量、高锰酸盐指数和石油类。2 7 个重点湖库中，i i 类水质的湖库2 个，类水质的湖库5 个，类水质的湖库4 个，v 类水质湖库6 个，劣v 类水 质湖库1 0 个。在4 7 个重点城市中，饮用水源地水质达标率为1 0 0 、9 9 9 8 0 、7 9 9 - - 6 0 和5 9 9 - 0 1 的城市分别为2 5 个、8 个、3 个和1 0 个。 主要城市和地区的地下水水质受人为活动影响较大，硝酸盐、亚硝酸盐、氨氮、 氯化物等组分的含量普遍升高。2 0 0 4 年废水排放量为4 8 2 4 亿吨，其中工业废水 排放量为2 2 1 1 亿吨，生活污水排放量为2 6 1 3 亿吨。化学需氧量排放量为1 3 3 9 2 万吨，氨氮排放量为1 3 3 0 万吨。 水环境问题产生的另一方面则源于人类用水量激增导致的水资源短缺。目前 我国水资源利用工作中存在的问题是水质普遍下降，水量供不应求。具体表现为： 城市水体普遍污染；部分城市水源短缺；用水浪费相当严重；供水设施明显不足； 南昌大学硕士学位论文滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 污水处理和回用率太低。随着工农业的快速发展，我国的城市用水量将大幅度增 加，据预计【2 1 ，到2 0 5 0 年城市需水量要达到2 0 7 亿m 3 ，城市污水排放量将达到 1 2 0 0 亿m 3 ，相应增加8 5 0 亿m 3 的污水排放量。这不仅对水环境造成很大的压 力，也势必导致水源供需矛盾的进一步加剧，且污水排放量的增大加剧了水环境 的恶化。因此，开发研制高效、经济、稳定的污水处理和资源化回用技术，将具 有广阔的市场应用前景。以工业用水和生活用水为例，工业用水有8 0 为循环 冷却水，生活用水有3 0 为冲厕水，采用中水回用技术将此部分污水回用将大 大降低废水排放量，且可以达到缓解用水紧张的局面。由此，研究开发基建投资 低、运行管理费用低、占地面积小、简易易行，污水处理和回用工艺是我国水环 境保护和水资源利用事业的当务之急。 近二十年来，许多大中城市相继新建了一些污水处理厂。遏制了水环境质量 不断下降的趋势。然而，由于运行费用高，管理不善和缺乏专业的技术人员等原 因，许多已建成的大型集中式污水处理厂未能全部发挥作用；另一方面数量众多 的小型分散点源污染源，由于缺乏资金和技术，一直难于有效治理。因此，要彻 底治理水环境污染，改善水环境质量状况，必须大力研究发展新型高效经济污水 处理技术，特别是能有效地处理小型分散点源污染治理的简易、高效、低耗污水 处理技术，提高污水排放效率，从源头上控制污染物的排放总量。 1 1 2 目前国内废水处理技术现状 水处理是利用物理、化学和生物的技术方法将水体中的各种污染物去除以使 处理后的水质满足某一特定使用要求的单元操作的组合过程。是水科学和工程学 科的主要研究对象。污水处理是水处理技术在污水处理领域的具体运用，以满足 水体自净条件为主要处理目标：而污水回用则是以使用过的废水( 污水) 作为处 理对象，以达到某一特定使用要求的水质条件作为处理目标的单元操作过程的组 合，涵盖了传统范畴内的污水处理和给水处理过程。 根据欲去除对象的不同，现在水处理过程分别采取以物理、化学和生物技术 为主体的单元过程来去除水中的杂质，即物理处理法，化学处理法和生物处理法 1 3 - 5 。由于污水中成分比较复杂，完整的污水处理系统通常由上述处理单元过程 集成而成。 对于城市污水而言，由于其主要污染物中有机物含量较高，所以，生物化学 2 南昌大学硕士学位论文 滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 处理法在整个处理系统中占主导地位，也是污水处理中得到广泛研究和应用的处 理技术。 生物化学处理法包括好氧处理和厌氧处理两大类。厌氧生物处理法主要用于 高浓度有机废水、污泥硝化和生物能源回收等过程。而好氧处理又可以分为活性 污泥法、生物膜法、稳定塘法、土地处理法【6 1 。其中活性污泥法及其改进方法在 大中型城市污水处理厂得到广泛的应用：稳定塘法和土地处理法作为半人工生态 处理系统可用于污水的二、三级处理；生物膜法是与活性污泥法并列的好氧生物 处理法，具有处理效率高、运行管理方便等特点【3 1 ，在污水处理中发挥了重要作 用。 生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法、生物流化床和曝气生 物滤池等不同工艺。其中曝气生物滤池是近年来得到广泛研究的新型生物处理技 术7 2 5 1 ，具有处理效率高，占地面积小，基建投资省，运行费用低，管理方便和 抗冲击负荷能力强等特点，可以用于悬浮物、有机物和氨氮的去除、反硝化脱氮 和除磷等污水的二、三级处理，在污水处理及资源资源化回用中具有良好的发展 和应用潜力。 与活性污泥法及其改进方法、氧化沟法、a b 法等目前在大中型污水处理厂 中普遍采用的污水生物处理工艺相比，曝气生物滤池不仅能在一定程度上克服传 统污水处理工艺占地面积大、基建投资高、处理系统复杂、运行管理难度大，处 理效能低等特点，还具有出水水质好、应用范围广、处理工艺系统化和自动化集 成潜力大的特点。尽管曝气生物滤池目前还存在周期性反冲洗、对进水悬浮物浓 度要求较高和单池处理水量较小等问题，但是对于中小型点源污水处理而言，曝 气生物滤池在占地面积、处理效能、基建和运行管理等方面具有更为明显的技术 和经济优势。因此，曝气生物滤池是能够有效解决中小型点源污染控制面所面临 的资金短缺、技术和管理水平落后、污水资源化回用水平差等现实问题的污水生 物处理技术之一。鉴于曝气生物滤池目前尚处于发展完善过程之中，其理论研究 和实践应用中还存在一些不足和问题，并且国内无论在理论研究和工程应用方面 都处于起步阶段，因此对该技术进行进一步的理论和工艺研究，对于提高我国水 处理视野的整体污水处理排放率和资源化回用水平，促进我国水环境污染和水资 源的根本好转有着重要的现实意义。 南昌大学硕士学位论文 滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 1 2 曝气生物滤池污水处理技术 曝气生物滤池( b a f , b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r ) 是种高效、节能、占地面积小、 运行管理方便的水处理新技术，是近年来水处理技术研究中的热点之一。 1 2 1 曝气生物滤池的产生和发展 最早的曝气生物滤池出现于2 0 世纪初期，其发展可以追溯到早期的石片滤池 以及后来在德国出现的e m s c h e r 1 2 】滤池。现代意义的曝气生物滤池在二十世纪 7 0 年代末8 0 年代初出现于欧洲大陆【7 1 ，在8 0 年代末基本成型，后不断改进，并开 发出多种形式。与其他生物膜方法不同，曝气生物滤池将生物氧化与固液分离集 于一体，在同一单元反应器中完成有机物去除、固体截滤和硝化过程，并且对池 结构进行改进后增加厌氧区的曝气生物滤池还可以进行反硝化脱氮和除磷。曝气 生物滤池研究在二十世纪8 0 年代中后期经历了一个快速发展时期7 1 ，出现了具有 代表性的b i o f o r 2 6 1 、b i o s t y r 2 7 1 、b i o p u r 2 8 】和d e e p b e d e l l 】等反应器和工艺 形式，9 0 年代以来有关曝气生物滤池的技术方法、工艺流程不断完善，在滤料的 选择、反冲洗技术的改进以及提高滤速研究方面取得一定的进展。 目前全球范围的以曝气生物滤池作为处理主体的污水处理厂已超过1 0 0 座以 上，主要分布在欧洲和北美地区。亚洲的韩国、中国台湾也有曝气生物滤池的实 际应用，大连马栏河污水处理厂【2 9 】也引进t b i o f o r 形式的曝气生物滤池。这些 曝气生物滤池被应用于处理工业废水、生活污水及其深度处理以及微污染水源水 的预处理中，取得良好的处理效果，在水处理事业中发挥着越来越重要的作用。 我国对曝气生物滤池的研究处于起步阶段，哈尔滨工业大学市政环境工程学 院【2 0 1 、清华大学环境科学与工程系【2 1 矧和同济大学环境工程学院对曝气生物滤 池处理生活污水、啤酒废水的处理效能和处理机理进行了初步研究。同时，国内 一些设计单位也尝试采用曝气生物滤池单元处理生活污水和工业废水【3 0 3 7 1 ，并 取得了良好的效果。 1 2 2 曝气生物滤池的工艺原理 曝气生物滤池利用填料上生物膜的强氧化降解能力对污水进行快速净化。当 污水流经填料表面时，由于填料的粒径一般都较小以及生物膜的生物絮凝作用， 4 茨冀 t 整锈 辫冀 鬟生 图l 生物膜净化污7 f ( 的萁抖翱 曝詹、高滤速、截留悬浮物、定期反冲蒹：兰一? 翟篓池的设计思路，集 中装填定量粒径较小的粒状滤料，滤i 姜：耋三兰：。羔工艺原理为：在滤池 流经时，利用滤料上高浓度生物膜量的强氧i = 三三墨竺窖池内部曝气，污水 等物氧化降解过程；吼因污水流戤磊：裂：竺行快速净化，此为 点及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中磊：主二篡纛耄竺竺兰料粒径较小的特 随水漂出，此为截留作用；运行一定时蒹瑟茎：兰证竺落的蚴膜不会 竺释放姻的悬浮物并更新生物膜，此凳三磊篡删翟! 兰紫进行反冲 等绷惝觏蝴撇撇泛麓篡竺虹龆理 锻黜妣谢作用硅物絮凝作用、物；：；蒜。i = 2 黝酚屁充 竺以及反应器内食物链的分级捕食篇：纂：竺? 竺填料的生物吸附 去除，同时，由于反应器不同的好氧、厌；苫：纛雾翼兰：_ ；兀反应器内得到 南昌大学硕士学位论文滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 同步实现硝化和反硝化，取得良好的脱氮效果。 1 2 3 曝气生物滤池的形式 根据曝气生物滤池形式和功能的划分【3 8 】，根据有无反冲洗系统分为两类：没 有反冲洗系统的，通常叫做淹没式曝气生物滤池( s u b m e r g e da e r a t e df i l t e r , s a f ) ； 有反冲洗系统的，通常叫做曝气生物滤池( b a f ) 。根据进水方式，可分为向上 流式曝气生物滤池和向下流式曝气生物滤池。根据其不同的处理功能又可以划 分：同时去除c o d 和氨氮的单级b a f 系统；分别去除c o d 和氨氮的两级b a f 系 统；去除c o d 和脱氮的两级b a f 系统；去除c o d 、氮和除磷的b a f 组合系统。 曝气生物滤池主要形式： ( 1 ) b i o c a r b o n e 2 4 】 k- 藏挣鞋 r 一 南昌大学硕士学位论文 滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 垫层、滤料。所用滤料密度大于水，自然堆积。b i o f o r 运行时一般采用上向流， 污水从底部进入气水混合室j 经长柄滤头配水后通过垫层进入滤料，在此进行 b o d 、c o d 、氨氮、s s 的去除。反冲洗时，气、水同时进入气水混合室，经长柄滤 头配水、气后进入滤料，反冲洗出水回流入初沉池，与原污水合并处理。b i o f o r 采 用上向流( 气水同向流) 的主要原因有：( 1 ) 同向流可促使布气、布水均匀：( 2 ) 若采用下向流，则截留的s s 主要集中在填料的上部。运行时间一长，滤池内会出 现负水头现象，进而引起沟流，采用上向流可避免这一点：( 3 ) 采用上向流，截留 在底部的s s 可在气泡的上升过程中被带入滤池中上部，加大填料的纳污率，延长 了反冲洗间隔时间。 缎 图3b i o r f o r 示意图 如图4b i o s t y r 示意图 处理国承 菠羚滋农 菠渖逛承 遵承 ( 3 ) b i o s t y r 2 4 】 b i o s t y r 和b i o f o r 不同的是采用密度小于水的滤料，一般为聚苯乙烯小球。 运行时采用上向流，在滤池顶部设格网或滤板以阻止滤料流出，正常运行时滤料 南昌大学硕士学位论文 滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 呈压实状态，反冲时采用气水联合反冲，反冲水采用下向流以冲散被压实的滤料 小球，反冲出水从滤池底部流出。其余跟b i o f o r 大同小异。 ( 4 ) b i o s m e d i 3 9 1 上海市政工程设计研究院开发出的一种新型“b i o s m e d i 生物滤池”，其主要 是对反冲洗方式加以改进，采用脉冲气冲，连续水冲提高反冲效率，减少反冲洗 水量 图5b i o s m e d i 结构示意图 b i o s m e d i 生物滤池正常运行时进水采用上向流，原水从进水管进入气室后通 过进水中空管进入滤层，曝气管安装在滤层下部，空气通过穿孔布气管进行布气。 由于滤料较轻，因而正常运行时滤料呈向上压实状态，为此需在滤池顶部设格网 或滤板以防止滤料的流失，出水经顶部出水装置进入上部清水区后排出。滤池运 行一段时间后需要进行反冲洗，根据滤料的特点，该工艺采用脉冲冲洗的方法。反 冲洗时首先关闭进水阀和曝气管，打开滤池下部的反冲进气管把气室中的大部分 水压出，形成一定高度的气垫层，然后打开放气阀把气垫层中的空气瞬时排空，这 时上部滤层中的水由上而下快速进入气室，把被压实的滤料冲散，滤料得到清洗， 反冲出水从滤池底部排出，如此反复几次就可达到有效清洁滤料的目的。 1 2 4 曝气生物滤池的工艺流程 ( 1 ) 完整的b i o f o r 工艺流程【2 4 】如图6 所示。 8 南昌大学硕士学位论文滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 图6b i o f o r 工艺流程l 污水经格栅、沉砂池后，进入初沉池进行初步沉降，出水从底部进入一级 b i o f o r ( b i o f o rc n ) ，进行b o d 、c o d 的降解以及部分氨氮的氧化：上向流流 出后，从底部进入二级b i o f o r ( b i o f o rn ) ，进行剩余b o d 、c o d 的降解及氨氮的完 全氧化：接着再从底部进入三级b i o f o r ( b i o f o rd n ) ，通过在进水端投加外加碳源 ( 如甲醇等) 和化学除磷剂( 女f l f e c l 。等) ，进行反硝化脱氮和化学除磷，最终排 出。另外需建两池，一为反冲水储备池，另一为反冲出水缓冲池。b i o f o r 每运行 一定周期即进行反冲洗( 用滤后水) ，反冲污泥先进入污泥缓冲池，以缓冲反冲污 泥对初沉池造成的冲击负荷，最终回流入初沉池。b i o f o r 反冲污泥具有较强的生 物活性，表现为具有一定吸附悬浮有机物颗粒的作用，可作为一种生物絮凝剂，将 其回流到初沉池进水端，和原污水充分混合后，将大大有助于原污水中s s 的沉降 及c o d 的去除。 ( 2 ) 该工艺也可将b i o f o rd n 置于b i o f o rc n 前【2 4 1 ，如图7 所示。 图7b i o f o r 工艺流程2 b i o f o rn 出水部分回流入b i o f o rd n 内，利用原污水中的b o d 进行前置反硝 9 南昌大学硕士学位论文滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 化：同时在b i o f o rn 入口处投加化学除磷剂，将化学除磷置于b i o f o rn 池内。 与后置反硝化相比，前置反硝化利用城市污水中的有机碳源，反硝化细菌是异氧 菌，需大量利用废水中的有机碳源进行合成新的细胞，而且可以减弱硝化阶段的 异氧菌和自养菌对氧和空间的竞争。同时前置反硝化具有一下优点：污泥生成量 少，能耗少，无需外加碳源，改善碱度的平衡。对于上流式曝气生物滤池来说， 能承受更高的t s s 和碳负荷( c o d ) ，不需定期搅动滤料来消除被截留的n 。，水利 分布更加均匀，能充分利用整个滤池的净化功能。 以上为b i o f o r 全套处理工艺。根据要达到的不同出水标准，也可对b i o f o r 的级数进行取舍，如仅需达到二级处理排放水标准，则只需单b i o f o rc n 或者 b i o f o rc n + b i o f o rn ：如需进行反硝化处理，也可根据对出水总氮的不同要 求，采用b i o f o rd n + b i o f o rc n 或b i o f o r c n + b i o f o rd n 。 、 1 2 5 曝气生物滤池的应用和研究现状 颗粒填料和生物膜的共同作用使曝气生物滤池同时具有生物氧化和过滤截 留功能，因而具有良好的有机物和悬浮物的去除效能。 1 2 5 。1 曝气生物滤池对有机物和悬浮物的去除作用 曝气生物滤池由于采用的滤料粒径较小，比表面积大，生物量高，再加上反 冲洗可有效更新生物膜，保持生物膜的高活性，这样就可在短的时间内对污水进 行快速净化曝气生物滤池水力负荷、容积负荷大大高于传统污水处理工艺，停 留时间短。并且由于填料本身截留及表面生物膜的生物絮凝作用，使得出水s s 很低，一般不超过l o m g l ：因周期性的反冲洗，生物膜得以有效更新，表现为生 物膜较薄，活性很高。高活性的生物膜可吸附、截留一些难降解的物质。 2 0 0 0 年建成运行的大连马栏河污水处理厂1 2 9 1 采用s e d i p a c3 d + b i o f o r c n + b i o f o rn 工艺处理城市生活污水，b i o f o rc n 、b i o f o rn 滤池在滤速6 7 m h 运行条件下，对c o d 、b o d 、s s 、n h 4 一n 的去除率分别达到了6 9 ，7 1 ，6 7 ，3 8 和 5 5 ，7 4 ，8 2 ，7 9 。滤池出水c o d d 、于3 3 m g 1 ，b o d 5 d 于7 m g 1 ，s s 4 , 于9m g 1 ， n h 4 一u d 于2 m g 1 ，达到了城市污水再生利用一一城市杂用水水质标准。美国 的m o n e s s e n 1 1 】焦化废水处理厂，曝气生物滤池单元在滤速为1 5 m h 的运行条件 下，对硫氰化物、氨和酚类化合物的去除率分别达到了9 9 、7 8 和9 9 9 ，出 1 0 南昌大学硕士学位论文 滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 水中硫氰化物、氨和酚类化合物的浓度分别为3 9 m g 1 、3 6 4m g l 、0 0 4m g l 。 清华大学李汝琪1 2 2 】利用曝气生物滤池处理生活污水发现，去除率同填料高度成 正相关，最高层的3 7 c m 厚滤料去除污染物的效果最好，该处的s s 、c o d 、b o d 5 、 m h 。一n 和t n 的去除率分别为7 0 、8 2 5 6 6 9 5 、5 3 6 和5 0 2 。h a m o d a 【4 0 】 等利用曝气生物滤池处理食糖工业废水与生活废水的混合废水时发现，当进水 b o d 5 负荷在5 1 2k g ( m 3 d ) 范围内变化时，b o d 5 去除率仅从9 7 9 降到8 8 5 ，表现出一定抗冲击负荷能力。此外，曝气生物滤池在养猪废水【4 1 1 、水产养 殖废水、塑料工业废水和微污染水源水处理中都表现出具有良好的有机物和悬浮 物去除效能，在污水的二级三级处理中可取得良好的应用效果。 1 2 5 2 曝气生物滤池硝化脱氮作用 曝气生物滤池的填料床结构特点使得反应器内能够实现固体停留时间( s r t ) 和水力停留时间( h r t ) 的分离，又因为有机物和氧在反应器内沿沉梯度分布， 因而在反应器内可以有生长迅速，世代时间较短的异养菌又有生长缓慢，世代时 间较长的自养菌，同时反应器内氧浓度分布差别很大，形成了不同与活性污泥法 中菌胶团特别的微生物群落，这使得曝气生物滤池具有很高的硝化效能 7 , 1 0 , 4 2 】。 目前人们一致认为曝气生物滤池具有较好的氨氮去除能力，并在实践应用中得到 了检验。 在韩国的电子工业废水【1 0 】处理中，利用两级生物滤池进行硝化反硝化脱氮， 当好氧和厌氧滤池的水力停留时间分别为1 3 6 h 和0 8 4 h 时，曝气生物滤池的硝化 率达9 9 5 ，总氮去除率达到9 0 7 。清华大学钱易【4 3 1 采用沸石作为填料处理 生活污水，由于天然斜发沸石具有孔隙度高、比表面积大的特点，对氨氮具有很 强的选择性离子交换能力，采用此滤料的曝气生物滤池氨氮去除率可以达到8 8 4 。李汝琪【2 3 j 在研究中发现氨氮的去除率为7 9 1 ，总氮去除率为5 8 4 ( 在 水力负荷为1 i m h 时) t n 和去除同n h 。一n 的去除基本同步，说明在进行硝化反应 的同时也进行着反硝化反应，在滤层的好氧环境中存在着大量厌氧微环境和大量 兼性和厌氧微生物，使得反硝化反应进行良好。c r o m p h o u t 4 4 $ 1 j 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 - - 一1 8 m h 的条件下研究 了曝气生物滤池的硝化效能。p u j o l 1 0 , 4 5 1 1 鬟j 研究结果表明，在温度2 2 。c ，n h 4 一n 负 荷在1 2 5k g ( m 3 d ) 的运行条件下，氨氮的去除率可达9 0 以上，处理出水 南昌大学硕士学位论文滤料粒径和曝气管开孔率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 中b o d 和s s 分别为l o m g 1 和1 6 m g 1 ，并认为提高滤速不会影响反应器的硝化速率， 反而对硝化有积极的作用，同时指出提高滤速也会提高水头损失增加的速度，缩 短反应器的运行周期。t h o g e r s o n 4 6 】等在生产性实验中发现曝气生物滤池有着比 活性污泥发更为稳定的氨氮去除效果，尤其是在水温较低时，前者的硝化效率比 后者更为稳定。曝气方式和曝气量对氨氧化过程的影响小于亚硝酸盐氧化过程。 在有机物存在的情况下，间歇曝气和低曝气都可使反应器具有一定程度的同步硝 化反硝化能力。 利用生物滤池系统进行反硝化脱氮也是近期曝气生物滤池研究中比较活跃 的研究热点。b a f 中的反硝化脱氮通常以两种方式来实现：即在滤池中设置缺氧 区或单独一个不曝气的反硝化生物滤池，并根据有机底物的供应情况决定是否投 加碳源物质。有资料【4 7 “8 】发现在曝气生物滤池存在亚硝酸盐积累的现象，表明 有短程硝化反硝化，即控制硝化过程至产生n 0 。一阶段，然后再由n o 。直接还原n 。 逸出，或在厌氧或缺氧条件下由n 0 ：一与n h 。一n 作用形成n 。，实现反硝化脱氮。曝气 生物滤池采用陶粒作为过滤和生物氧化的介质和载体，进水沿填料推流向上 ( 下) ，但在填料孔隙间则为局部紊流，因而在整体上和每一单元填料表面所附 着的生物膜都存在基质和溶解氧的浓度梯度分布，也为各种不同生态类型的微生 物在生物膜内不同部分占据优势生态位提供了条件。o r l 【4 9 】在采用普通曝气和限 制曝气对曝气生物滤池的影响发现，采用限制曝气方式较普通曝气方式对氨氮的 去除效果要好。马军 4 8 1 等在曝气生物滤池滤速l 2 m 1 、气水l l 3 ：1 ，进水氨氮 负荷o 2 6 o 6 2k g ( m 3 d ) 、总氮负荷0 2 8 , - , 0 6 3k g ( m 3 d ) 、水温2 0 5 - 2 6 5 运行情况下，通过对反应器含氮化合物空间分析以及微生物数量基活性测定结 果表明，反应器中出现了明显的亚硝酸盐积累现象，表现出显著的短程硝化反硝 化特征，认为曝气生物滤池的结构特征和运行方式是亚硝酸积累并进行短程硝化 反硝化的主要原因，反冲洗是影响亚硝酸盐积累的主要因子。 以上的研究结果表明，颗粒填料生物滤池为反硝化细菌提供了适宜的生长环 境，因而可以用于进行同步硝化反硝化脱氮。 1 2 5 3 曝气生物滤池除磷作用 污水的脱氮除磷是控制水体富营养化的主要措施，目前曝气生物滤池工艺对 磷的去除主要是通过在b a f 进水中加入化学除磷剂，再经过反冲洗富磷污泥完成 1 2 南昌大学硕士学位论文滤料粒径和曝气管开孑l 率对曝气生物滤池处理效能影响的研究 除磷；或是在一级强化过程中通过化学混凝除磷。采用直接投加化学除磷剂的德 匡 k o l n 7 】曝气生物滤池污水处理厂的除磷效果可达7 0 以上，处理出水的总磷小 于0 5 m g 1 。另外，由于可以在曝气生物滤池通过交替的厌氧一好氧过程来实现 磷的释放和吸收。p a k 5 1 1 等利用曝气生物滤池交替进行厌氧一好氧运行，取得 一定的同步脱氮除磷效果，并发现影响生物除磷的主要因子为c o d t p 值和水利停 留时间，好氧过程的产生的硝酸盐和亚硝酸盐对磷的释放也有一定的影响，反冲 洗损失的生物膜量也影响磷的去除效果。a e s o y 5 2 j 等人在利用曝气生物滤池系统 中进行硝化脱氮时发现，利用污泥或固体废物的水解产物做外加碳源，可去除比 微生物生长需要量高三倍的磷，可能是由于污泥或水解产物加速生物膜的快速生 长而产生的生物絮凌除磷作用，可考虑通过回流外加碳源，控制反应器中氧浓度 单独设置b i o f o rd p 处理单元。所以，如何在曝气生物滤池系统中创造好氧厌氧 交替变化的生物除磷环境，是提高曝气生物滤池能力的关键。当不宜将曝气生物 系统结构复杂化，故在目前状况下，采用化学除磷为主的方式还是曝气生物滤池 除磷的主要选择。 1 2 6 曝气生物滤池工艺的优点 采用小粒径颗粒填料作为过滤介质和生物膜载体，有机物容积负荷高，占 地面积小，反应器结构简单，基建费用低，运行管理方便。 同步发挥生物氧化作用、生物絮凝、吸附和物理截留作用，生物相复杂， 处理效率高。 颗粒填料床具有较高的氧转移效率，采用低曝气量即可达到供氧要求，运 行能耗低。 具有较高的处理效率，能耐受较高的有机物负荷，硝化和反硝化效率高， 运行能耗低。 反应器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， 无需二沉池，进一步减少占地面积，并减化了工艺流程，使运