第三章固定床生物处理技术

1、第三章 固定床生物处理技术3.1 概述 利用微生物在固体表面的附着生长（Attached Growth）对废水进行生物处理的技术，在传统上称为生物膜法，主要包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法、生物流化床法等。生物膜法的基本原理就是通过废水与生物膜的相对运动，使废水与生物膜接触，进行固液两相的物质交换，并在膜内进行有机物的生物氧化，使废水获得净化。同时，生物膜内微生物不断得以生长和繁殖。与微生物悬浮生长的活性污泥法相比，生物膜法具有许多明显的优点。主要表现在： (1) 由于存在许多生长繁殖速度缓慢的硝化细菌，因此具有较高的脱氮能力； (2) 生物膜中存在的微生物具有多样性，包括好氧菌、厌氧菌

2、、真菌和藻类等，使其在去除污染物方面具有广谱性； (3) 大量微生物生长和占据了整个反应器的空间，单位体积生物量远比活性污泥法为高，因此单位处理能力巨大； (4) 膜法中的食物链比活性污泥法长，产生的污泥大都被生物所消耗，因此剩余污泥量很少； (5) 系统操作维护方便，能耗低，无需污泥回流； (6) 因系统的微生态复杂，对水力和有机负荷变化的承受能力强，操作运行稳定。 目前，膜法已不仅是一种好氧处理技术，相继出现了厌氧滤池、厌氧生物流化床等；而且，在反应器型式、膜支承材料种类和结构、操作运转方式等方面都有较大发展。从反应器的型式考虑，生物流化床技术已经发展成为废水生物处理的重要分支，因此放在下

3、一章专门讨论，本章将重点讨论属于生物膜法的各种新型固定床附着生长技术。 固定床附着生长系统依据为微生物附着所提供的材料和填充形式不同，可分为填充床、软性填料床、网式或笼式床生物反应器、旋转盘片式生物反应器等。例如，普通生物滤池常采用碎石、焦炭、塑料滤料等各种填料，而塔式生物滤池则常用蜂窝状填料或鲍尔环等各种化工用填料。依据运行方式还可将固定床附着生长系统分为完全浸没式和半浸没式生物反应器。例如，软性填料床生物反应器都属于完全浸没式，而生物转盘常采用半浸没式。另外，依据对污染物的去除机理不同，还可分为好氧附着生长系统和厌氧附着生长系统。表3-1为几种常规的固定床附着生长系统的特点和主要设计参数。

4、 表3-1 常规固定床生物膜法的主要特点方 法BOD容积负荷(kg/ m3×d)BOD去除率(%)低负荷生物滤池0.1-0.385-95高负荷生物滤池0.8-1.275-90塔式生物滤池0.8-2.585-95生物转盘6.0-30.080-95生物接触氧化1.0-3.585-953.2 生物滤池及其发展3.2.1 干床生物滤池（dry bed filtration） 干床生物滤池最早出现在本世纪初，一直被应用在饮用水的净化方面。联邦德国的一家食品公司，在1976年首次将干床生物滤池用于处理食品废水。1985年用于造纸废水，1987年开始应用于城市污水的处理。所谓干床是相对于完全浸没式

5、而言的，该工艺要求废水从滤池的上部通过布水器滴洒到床层，同时在床层底部用引风机吸入空气，以确保整个滤床与空气接触而供氧，强化生物膜的同化作用。干床生物滤池通常为双层填料，再加上底部的承托层，共有三层构成。图3-1为典型干床生物滤池的结构和流程。流入水分布器冲洗水吹脱气过滤水过滤水收集器顶层底层承托层冲洗水收集器图3-1 干床生物滤池结构与流程 该系统主要由滤池、进水泵、反冲洗泵、引风机、鼓风机、集水池等构成。当生物滤池总高度为3.5m时，各层填充高度分别为：承托层0.25m，碎石粒径4.012.0mm；下层0.55m，石英砂粒径1.52.2mm；上层1.0m，膨胀板岩粒径2.54.0mm。滤池

6、上部设有布水器，下部为空段。 填料性质对生物滤池的性能有重要影响，不同填料具有不同的表面结构，因而为微生物提供不同的生长空间。生物膜的性质可能因填料的表面结构（是否多孔）而发生变化，进而影响对基质的去除能力。表3-2为几种常用填料的性能参数。其中，无烟煤、玄武岩、石英砂不需人工处理或仅需机械破碎，而褐煤焦、石油焦、膨胀板岩和烧结玻璃则需经热处理后筛分得到。表3-2 几种常用填料的性能参数填 料面结构粒度(mm)水利学直径(mm)沉降速度(cm/s)形状因子y空隙率e比表面积(m2/m3)无烟煤光滑或粗糙2.5-4.01.7011.340.510.4801883褐煤焦粗糙多孔2.0-4.01.6

7、010.630.560.4962001石油焦破碎多孔2.5-4.01.4813.900.510.5132112膨胀板岩粗糙少孔2.5-4.02.0416.680.590.4871575烧结玻璃粗糙多孔2.5-4.02.9618.920.840.3481349玄武岩粗糙1.4-2.20.9217.740.560.4543566石英砂光滑或粗糙1.4-2.21.1919.930.670.4132988 随着过滤时间的增加，废水中悬浮物质造成滤池压损增大，达到某一临界值时，必须对滤池进行反冲洗。反冲洗速度应足够高到能将悬浮颗粒物从滤池中洗出，但确定该值时应考虑两种情况。当床层为单一均质填料时，反冲洗

8、速度至少应达到填充粒料的临界流化速度；但对于双层或多层干床生物滤池，必须考虑的问题是不能因反冲洗而破坏原有的层状结构。目前，尚没有通用的确定反冲洗速度的规则，大多通过试验来确定。图3-2为无烟煤(Æ2.54.0mm)和玄武岩(Æ1.42.2)两种填料在敞开和覆盖情况下，其膨胀比随反冲洗速度的变化。试验表明，床层膨胀1520%时所对应的反冲洗速度为最佳适用范围。 图3-2 填料膨胀行为随反冲洗速度的变化某污水处理厂采用图3-1所示的干床生物滤池系统，对城市污水进行二级生化处理，获得比较满意的出水水质，这是其它过滤方法所无法达到的，表3-3给出其实际运行结果。在平均过滤速度2.

9、2m/h条件下，悬浮物质的去除率平均为77%，与其它过滤法相近。由于填料表面为繁殖速度缓慢的难降解有机物的专性菌提供了场所，并且膜内部的确存在着需氧区和厌氧区，因此对难降解有机物和氨氮有较好的去除效率，能够对一级生化的出水做补充性降解。平均去除率为COD39%，BOD54%，氨氮51%，出水水质可达到排放标准。表3-3 干床生物滤池处理城市污水运行结果项 目进 水(mg/L)出 水(mg/L)去除率 (%)最小最 大平均最小最大平均最小最大平均COD4228313425187 80 13 74 39BOD137528719 10 11 89 54氨氮95531331 16 41 65 51SS

10、46222116 5 36 96 77Q(m3/h)3.1814.56.1Vf(m/h)1.145.22.23.2.2 浸没式生物滤池 浸没式生物滤池在结构上类似于常规的快速砂滤池，不同之处是所用填料较粗，进水方式分为下流和上流两种，并从滤床底部鼓入空气，为好氧生物处理提供氧源。颗粒状填料既可截留废水中的悬浮固体，又为生物膜提供附着生长的表面，因此属于好氧生物降解法与过滤技术的结合。图3-3为下流浸没式生物滤池的流程示意。图3-3 浸没式生物滤池系统 下流浸没式填充床是由床顶部进水，并保持一定液位。由于悬浮物质在床顶的聚集，因此一般不设布水器。从床底部的曝气，造成水流与空气的逆流接触，再加上水

11、压作用，致使该系统具有较高的氧传递速率。另外，设有的反冲洗装置用于洗出一定时间内积累的悬浮物质。填料粒径为36mm，填充高度在1.52.5m，下设0.250.35m承托层。反冲洗周期由压损决定，反冲洗速度与普通砂滤池相似，通过试验确定。 用生物滤池法处理城市污水的工艺流程如图3-4所示，为降低负荷，前面设有絮凝和斜板沉降等预处理装置。通过投加FeCl3絮凝剂，使总COD去除约70%，过滤液COD去除40%，总悬浮物SS去除85%。这样，生物滤池的出水可实现COD和SS分别低于20mg/L，对应于城市污水，出水COD低于90mg/L。图3-4 絮凝生物滤池法工艺流程废水通过滤床的过滤速度恒定控制

12、在2.0m/h，负荷随原水的性质波动而变化。以一定流量为滤床提供空气，氧传递效率约为15%。生物滤床的出水水质主要受到进水浓度和床内滞留时间的影响，当进水浓度低于200mg/L时，在空床接触时间30min内，出水COD即可达到90mg/L；而进水浓度上升到400mg/L时，达到同样出水水质所需的接触时间为1.0h。表3-4给出生物滤池法处理城市污水的操作参数和出水水质。表3-4 生物滤池法平均的操作参数和出水水质项 目容积负荷(kg/m3×d)出水水质mg/L (min.- max.)总COD10.568 (47-100)溶解性COD5.555 (23-82)SS3.111 (5-2

13、5) 图3-5某工业化装置实际运行中，滞留时间与BOD去除率及出水SS和总氮残留浓度的关系。对于细颗粒填料床（2 4mm），在空床接触时间超过2.0h时，BOD去除率约为95%，SS值低于5.0mg/L。总凯氏氮（TKN）的出水浓度与过滤速度关系密切，要使出水值低于10.0 mgTKN/L，过滤速度必须小于1.0m/h，结果总水力停留时间超过3.5h。246810121416SS，TKN（mg/l)图3-5 BOD去除率、出水SS和TKN与接触时间的关系3.2.3 活性生物滤池活性生物滤池简称ABF法（Activated Bio Filter），是近年来发展起来的废水生物处理新工艺。它是把生物

14、滤池与生化曝气池串联起来，但与一般两级生物处理流程不同的是，二沉池的污泥不回流到曝气池，而是直接送到生物滤池。所谓的这种活性生物滤池，无论在运行机理还是在生物相上，都与普通生物滤池不同。对污水中有机物的降解，除受到生物膜的作用外，还有回流活性污泥的吸附和氧化作用。因此，活性生物滤池工艺兼具悬浮生长和附着生长技术两大特点，可显著提高处理能力，适应进水水质较大范围的变化，使运行比较稳定。图3-6为活性生物滤池法的工艺流程示意。 污水经过格栅、调节和初沉池预处理后，首先进入活性生物滤池，出水部分回流，其它进入曝气池，进行正常的曝气处理。混合液在二沉池分离后，部分活性污泥回流到活性生物滤池。活性生物滤

15、池一般为多层填充床，其滤料是由一层层横向固定的条型材料做成的框架，水平放置，层间留有空隙便于通风供氧。滤池的结构类似于干床生物滤池，污水自上而下逐层滴溅充氧，污水曲折流经滤料，延长了在滤池中的停留时间。活性生物滤池工艺目前在国内已有应用，主要用于处理罐头和啤酒等食品工业废水。例如，某罐头厂生产规模为20000t/a，需处理废水量约2000m3/d。采用活性生物滤池法处理，BOD总去除率超过95%，而且防冲击负荷能力强，运行稳定。其工艺流程如图3-6，主要设计参数见表3-5。 污水 格栅 调节池 沉淀池 活性生物滤池 污泥 部分出水回流 剩余污泥 出水 二沉池 曝气池 图3-6 活性生物滤池法工

16、艺流程表3-5 活性生物滤池工艺主要设计参数活 性 生 物 滤 池曝 气 池BOD负荷 (kg/m3×d)1.6-4.8BOD负荷 (kg/m3×d)0.8-3.6滤料高度 (m)4.2MLSS (mg/L)1500-4000BOD去除率 (%)65氧量 (kgO2/kgBOD)0.8-1.2滤池回流 (%)40总污泥产量 (kgVSS/kgBOD)0.55-0.75污泥回流 (%)50停留时间 (h)0.5-2.03.3 活性炭生物膜法3.3.1 工艺特征 该方法是以粒状活性炭作为生物滤池的填料，利用其对基质的强吸附能力，同时为微生物的附着生长提供巨大的比表面积，吸附与好

17、氧生物膜相结合，可较大提高生物量和对基质的去除效率。该法也称为生物炭法（Biocarbone），自70年代问世以来，目前已经得到广泛应用。据美国专利介绍，COD的去除率可达到92%。国内一般是将此法作为二级处理后的补充，在处理印染废水和炼油废水方面已有成功的工业化经验。活性炭生物膜反应器的工艺流程如图3-7所示。三段空压机贮水箱计量泵反冲气反冲水活性炭气体流量计液面控制计图3-7 活性炭生物膜法工艺流程 活性炭生物膜法的运行一般采用下流浸没式，从床底部或中下部位置鼓入空气，与水流形成逆流接触。所用填料除传统的粒状活性炭外，近几年还发展了用其它廉价吸附剂如粒状焦炭等的替代物，粒径在25mm范围。

18、曝气头安装在填料层内，按每平方米床层截面积布置50150个曝气孔，进行连续或脉冲式曝气。反冲洗的频率与水质状况和处理负荷有关，由试验确定操作循环。 活性炭微孔具有类似树状的结构，因此为微生物附着生长提供丰富的内表面，这种从内到外的层次性极有利于微生物种类的多样化，生物膜内部的好氧和厌氧区比普通生物滤池功能更好。另外，活性炭对有机物的强吸附能力，有利于提高基质的降解速度和效率。特别是生物对基质的不断氧化，能使活性炭的吸附能力得以再生，自身维持吸附-再生平衡。因而活性炭-生物膜法无论在COD去除还是生物脱氮方面，都能获得较好效果。3.3.2 基质去除动力学 对活性炭生物膜反应器加以分析可知，反应器

19、内部的流态可以分成三段加以考虑。第一段为填充床层以上无填料区，是浸没式工艺为保持一定液位而设，其内悬浮有活性污泥及少量活性炭粉末，它的流态接近全混流；第二段为曝气头以上填料区，该段内气、液、固三相都存在，气、液逆流接触；第三段为曝气头以下填料区，只有液、固两相，它除起进一步降解有机物作用外，还具有过滤作用。需要缺氧运行时，可适当增加第三段占整个床层的比例，有时可达50%。 研究表明，填充层的流态接近平推流，因此COD浓度沿床层深度的变化是按指数规律下降的。图3-8为活性炭生物膜法处理生活污水的试验数据，用一级反应动力学模型对试验数据进行拟合，结果相关系数达到0.98，证明其基质去除过程符合一级

20、反应动力学。图3-8 COD浓度随床层深度的变化 对于平推流，反应器的停留时间分布曲线可用如下形式表示： 0 ( t < to ) E (t) = At Bt ( to £ t < tm ) ( 3-1 ) C exp (- Dt ) + E exp (- Ft ) ( t ³ tm ) 式中，E(t)为停留时间分布函数；t为时间(min)；to为示踪剂出现时间(min)；tm为出现峰值时间(min)；A，B，C，D，E，F分别为曲线拟合参数。反应器各段的动力学常数，可根据实验数据用一级反应动力学方程式求出。第一段为全混流，第二段和第三段假设为平推流时，计算得到

21、的不同进水流量和COD浓度下的动力学常数K1、K2和K3被列入表3-6。反应器各段的动力学常数相差不大，其范围为0.0110.027min-1，证明基质在各段的降解速度相近。表3-6 反应器各段的基质去除动力学常数进水流量 (ml/min)406080进水COD (mg/L)175.1300.2182.3363.7162.3283.7K1 (min-1 )0.01450.01150.02620.01640.02430.0187K2 (min-1 )0.01610.01510.02000.01340.02770.0148K3 (min-1 )0.01480.01380.01790.01250.0

22、1130.0177结合流态实验的E(t) 曲线，在不考虑返混影响的情况下，以第二段为例可求得相对实际的动力学常数K2，并与平推流模型的计算值进行比较。对一级反应而言，转化率可由下式求得： X = ò E (t) 1exp (K2/ t) dt ( 3 - 2 )根据转化率数据，用试差法求出上式中的K2，并与K2一同列入表3-7。可以看出，K2和K2相差很小，说明反应器第二段的流态接近平推流，其动力学常数可按平推流模型求取。 表3-7 基质去除动力学常数不同求取方法的比较进水流量 (mL/min)406080进水COD (mg/L)106.2198.1102.3244.0105.120

23、0.0出水COD (mg/L)42.684.148.1147.147.9131.4K2(min-1 )0.01580.01490.02150.01350.03150.0150K2 (min-1 )0.01610.01510.02000.01340.02770.0148相对误差 (%)1.81.27.10.812.21.43.3.3 活性炭生物膜法处理效果 活性炭生物膜法已经成功地应用于印染废水和炼油废水的二级补充处理，并取得较好效果。采用该技术直接处理生活污水的试验研究表明，可以获得理想的出水水质。小试研究用反应器为内径9.03cm的有机玻璃管，内填新华8号柱状活性炭颗粒(Æ 1.5

24、´2.5mm)。液高度28cm ，曝气头以上填料区高度75cm，以下高速62cm。用城市污水处理厂的活性污泥进行菌种挂膜，生物膜形成之后，通过改变污水流量和进水浓度来考察其处理效果。 污水在反应器的停留时间，反映了基质与生物膜的接触反应时间，停留时间越长，出水水质应该越好。表3-8为实验研究中所取得的各种条件下的数据。当停留时间超过160 min时，COD去除率大于80%，停留时间超过80min时，去除率也在69%以上，出水COD值小于国家排放标准（<100mg/L）。 出水COD与COD容积负荷的关系如图3-9所示，在进水COD浓度160360mg/L范围，COD容积负荷在0

25、.862.6kg/m3×d 变化，此时出水COD均低于100mg/L。图3-10为水力负荷与COD容积负荷的关系。随水力负荷提高，COD容积负荷逐渐增加。当进水浓度小于360mg/L时，水力负荷控制在不高于17.0m3/m2×d，即可满足COD出水要求。进水浓度越高，达到同样出水指标，反应器所能承受的水力负荷越低。表3-8 不同停留时间下的处理效果停留时间 ( min ) 进水COD ( mg/L ) 出水COD ( mg/L ) 去除率 ( % ) 63.8 171.2 45.2 73.0 291.9 101.9 65.0 363.1 140.8 61.2 79.7 16

26、2.3 34.6 78.6 283.7 87.7 69.1 357.0 93.7 73.8 106.3 182.3 29.7 83.7 298.5 44.0 85.3 363.7 90.7 75.1 159.5 175.1 18.1 89.7 300.2 37.8 87.4 351.8 69.9 80.0图3-9 出水COD与容积负荷的关系 图3-10 水力负荷与容积负荷的关系3.4 软性载体生物膜法3.4.1 工艺特征 随着生物膜法的迅速发展，许多新型载体材料应运而生，使生物膜反应器的设计得以不断革新。软性载体的使用，不仅可增加供微生物附着生长的比表面积和对微生物的容纳能力，而且克服了颗粒填

27、充床阻力大，容易阻塞，需要反冲洗等缺点。反应器型式灵活多样，箱体式、柱形、构筑物池体等均有采用。图3-11为典型的箱体式反应器结构，主要由反应器箱体、束状载体、进水、出水、曝气、搅拌等装置组成。系统采用完全浸没式运行，从一端进水，折流返回后出水。对于圆柱形反应器，大多采用上流式运行。高位槽流出槽流出流入电子搅拌器曝气器曝气头曝气管图3-11 软性载体生物膜反应器的结构软性载体的材质大多为合成纤维材料，柔软性和耐腐蚀性好，表面丰富。根据需要可制成束状、网状、笼状等，图3-12给出两种载体的式样。载体在反应器的放置方式依照其型式不同而异，对于束状纤维载体，常常是固定一端，然后漂浮在水流中；网状或笼

28、状主要是指支撑物的形状而言，按反应器要求制成后直接放入。 ·81·生物网反应器填料环边式反应器填料图3-12 典型的载体型式 目前采用较多的为微孔曝气管，可获得较高的氧转移率。曝气方式因处理目的不同而异，包括连续曝气法，间歇曝气法，延时曝气法方式等。该技术既可独立使用，又可与活性污泥法相结合。能够承受较高的水力和有机负荷，BOD和NH3-N的去除率比常规活性污泥法好，产生的污泥量仅为它的1/201/10。但不足之处是载体及其支撑物的成本较高，膜破碎后产生的细小颗粒有时会影响出水水质。3.4.2 生物膜的性质 生物膜法对基质的去除效果以及运行的稳定性，主要受到微生物在载体表面

29、的生长繁殖速度，微生物群落的组成，对环境变化的适应能力等因素的影响。软性载体延时曝气生物膜法的研究表明，当维持充足的氧供应使DO值超过3.0mg/L时，生物膜能够以黄灰色浓密生长，此时具有优良的处理能力。反应器中不同区域束状载体上的生物膜性质呈现明显差异，沿进水方向将反应器分成4个区域时，靠近进水端的I区膜生长最浓密，黄灰色呈丝绸状，有些长达56cm，每束载体的生物量干重约2.0g。在该区域水流低部，DO值有时低于2.0mg/L，此时载体上出现黑色膜，有些地方并开始脱落。取样分析显示，8090%的BOD去除是在该区域实现。观察识别该区域的细菌种类发现，大都是能够有效氧化降解BOD物质的菌类以及

30、氨转化菌和硝化菌。在区域II中，黄灰色膜完好地浓密生长，但生物量比I区少，每束载体仅有1.51.8g。大部分的氨氮参加到新菌种和藻类细胞的合成中，因磷硫供应充足而得以浓密生长。当水力停留时间为2d和3d时，原水中90%的BOD、TN和NH3-N在第I、II区被去除。第III区的生物膜为淡黄灰色，生长也比较浓密，每束载体的生物量约1.21.5g。第IV区生物膜呈奶黄色，明显比其它三区薄，每束生物量约1.0g。大量的硝化菌存在于第III、IV区中，通过硝化和反硝化起到进一步脱氮的作用。值得注意的是，当供氧不足时，膜开始变暗变黑并出现脱落现象，漂浮在水表面而影响出水水质。 从表3-9中的数据，可以看

31、出在不同水力停留时间的正常操作情况下，反应器进水、中间、出水区域的纤维载体，其洗脱后生物膜的沉降性能及生物量出现明显不同。在水力停留时间为2.0d时，污泥的沉降性能最好，其良好的絮凝和快速沉降能在1.0h内完成。另外，沉降后生物膜的含水量最少，SVI值最小。在水力停留时间1.0和0.5d操作条件下，洗脱后生物膜的沉降性能仍属良好，但比HRT=2.0d为差。原因是在此条件下某些膜出现缺氧，导致水力和有机负荷增加，这种情况可以通过充足供氧维持膜的好氧工作条件而得以改善。表3-9 洗脱生物膜的沉降性能HRT(d)载体位置膜体积(ml)30min/2h干 重(g)含水率(%)SVI(ml/g)2前 端

32、156/1061.97896.1279.062中 间130/1021.84798.2160.503尾 端96/741.35998.1670.641前 端339/2382.42498.98139.851中 间197/1571.94298.76101.441尾 端188/1411.50698.9393.620.5中 间225/1452.55698.2388.020.5尾 端210/1301.93498.51108.58无论如何，生物膜法表现出很高的活性与处理效率。据估计，当HRT=2d, 1d, 0.5d时，反应器内膜的生物量相当于MLSS值分别为560mg/L, 410mg/L和250mg/L，

33、而达到同样的处理效果，延时曝气活性污泥法的MLSS应该在20003000mg/L，但在进水SS和BOD浓度如此低的情况下是很难达到的。表3-10为膜法工艺与延时曝气活性污泥法BOD容积负荷的对比。在HRT=1和2d时，膜法负荷是延时曝气活性污泥法的4倍，而在HRT=0.5d达到8倍。表3-10 延时曝气膜法与活性污泥法的负荷比较 活性污泥法 生物膜法 HRT 进水BOD 进水BOD 进水BOD 进水BOD (d) 100 mg/L 200 mg/L 100 mg/L 200 mg/L 2 0.025 0.05 0.09 0.18 1 0.05 0.10 0.24 0.48 0.5 0.10 0

34、.20 0.78 1.563.4.3 软性载体膜法的运行效果 用束状软性载体在箱型生物反应器中，对生活污水进行处理的小试研究结果显示，该工艺在水力停留时间0.5d-3.0d范围内，都能够获得良好的出水水质，对水力和有机负荷变化不灵敏。水力停留时间越长，脱氮效果越好。图3-13、14、15给出在HRT=1.0d时，该工艺对SS、BOD、NH3-N的去除效果。图3 -13 出水和进水水质随时间的变化图3 -14 TN和NH3N随时间的变化NO3-N(mg/l)0.0000.0020.010.006入水(NO2-N)入水NO3-N)图3 -15 NO2-N和NO3-N随时间的变化 在DO浓度维持3.

35、0mg/L以上时，水力停留时间从3.0d缩短到1.0d，由于在反应器前端和底部有机和NH3-N负荷成倍增加，会造成黑色膜产生和灰黑色膜脱落。但脱落膜具有很好的沉降性能，因此SS浓度很低。在进水SS从87.2168.4mg/L变化时，出水值为6.911.5mg/L，平均去除率达到92.3%；BOD5进水值为100.6210.6mg/L，出水在5.912.3mg/L范围变化，平均去除率93.5%；进水的TN浓度为21.633.6mg/L，出水达到3.814.0mg/L，去除率67.2%；NH3-N从19.428.8mg/L变为1.16.5mg/L，去除率达到83.1%，而出水的NO2-N和NO3-

36、N浓度大大增加。3.5 生物砂滤系统3.5.1 概述 生物砂滤技术出现在70年代，由于系统具有一次性投资少，建于地下而不影响环境，操作维护简便，适用于处理排放少及排量不稳定的小型污染源等特色，因此国外在80年代得到推广应用，特别是在处理村庄、学校等生活废水方面应用十分广泛。据统计，到1990年在丹麦正式登记的生物砂滤系统超过50个，其中大部分运行良好。随着我国环保经济技术水平的不断提高，生物砂滤系统必将在众多小污染源治理中得到运用。 生物砂滤系统在结构和操作运行方面与普通砂滤十分相似，不同之处是不设反冲洗装置，因此需要对废水进行过滤和沉降预处理以防止滤池阻塞。另外，为保持微生物生长繁殖，需专门

37、设置通风换气管。系统经常建在地下或半地下，多数靠位差自流操作，用于某些大污染源者例外。 一般而言，生物砂滤都能获得良好的运行效果。处理能力和出水水质并不直接与水力或有机负荷有关，往往是预处理效果、结构设计、砂粒大小、操作规程等决定实际的处理能力，特别是砂粒直径对脱氮效果致关重要。对丹麦50多个生物砂滤系统的分析调查表明，间歇性操作能够获得最好和最稳定的处理效果，但没有准确的操作运行周期。典型的生物砂滤系统可去除有机物90%95%，脱氮效率30%45%，除磷效率40%60%。脱氮效果取决于硝化过程，要求供氧状况良好，同时在滤池中存在进行反硝化的厌氧区。系统能否实现有效脱氮认为与操作条件和负荷有关

38、，但目前尚没有指导性的结论。然而，使用较粗滤料时容易得到好的硝化效果。另外，在水力负荷最低并且供氧状况相当好的条件下，使用传统滤料也可获得高硝化率。砂滤池中好氧与厌氧区域并存时，能获得最好的脱氮效果。 砂滤池中细菌的生长繁殖和对基质的去除能力，取决于多种因素，特别与水力及有机负荷有关。高负荷时，滤池操作运转3个月后硝化过程仍不稳定，但在低负荷下6周后即达到稳定。一般地，达到最大去除能力需要运行几个月甚至更长。砂滤池的除磷机制由不同过程所控制，在操作周期的开始阶段，滤料的吸附作用可使大量磷得以去除，但稳定的除磷效率主要决定于预处理阶段的沉积以及活性污泥的生成，因为污泥中的某些颗粒物可以富集磷。3

39、.5.2 结构与流程 生物砂滤系统一般都设有1-4个沉降池，通过机械预处理清除较大的有机和无机颗粒物，防止阻塞毁坏砂滤池，系统靠位差或泵维持运转。砂滤池的结构设计大同小异，最常见的为地下或半地下式，很少有象沙丘一样建在地面上，除非地下水位很高时。 生物砂滤池在结构上可分为封闭型和敞开型两种，其中封闭型最常见。图3-16为封闭型生物砂滤系统的结构和流程。废水经两级沉降预处理后进入配水池，然后流入砂滤池，从填料层上面渗入，下面设有排水管，另设有排风换气管。封闭型的优点是整个系统隐蔽，池上面允许种植花草树木，不破坏环境，但检修维护较困难。通风设备砾石砂石分布罐渗入管排水管沉积罐图3 -16 封闭型生

40、物砂滤系统 图3-17为敞开型生物砂滤系统的流程与结构，除池表面敞开外，完全与封闭型相同。敞开型的优点在于当滤池顶部阻塞时维修方便。为防止冬季结冻，其布水系统必须封闭。敞开型的供氧情况好于封闭型，因此敞开型滤池上层的有机物去除和硝化能力较好。敞开型的不足之处是暴露在环境中，影响美观，有时甚至散发难闻气味，并且在冬季低温条件下硝化过程容易受到抑制。沉积罐分布罐砾石砂石通风设备纵断面排水管通风设备分布管石头覆盖横段面图3 -17 敞开型生物砂滤系统 砂滤池的深度大约为80cm，主层为0.23.0mm的砂粒，底层为约20cm厚粒径1632mm的卵石。为防止废水渗漏，常用塑料薄膜垫衬于池底和四壁。处理

41、后的废水通过排水管排放。常用的砂粒数据为： 有效粒径 ( d10 ) ： 0.51.0mm 平均粒径 ( d60 ) ： 1.02.0mm 比 值 ( d60 /d10 ) ： < 3.5mm 大多数用于小型污染源的生物砂滤系统处于非连续性操作状态，主要由废水的实际排放情况决定，而非出于净化目的。当采用交替操作时，停开周期一般相等，分别为12周。通过泵为滤池间歇供水，可使滤池得到比较规则的负荷分配。通常，非连续性供水比连续供水能获得更好的处理性能。3.5.3 生物砂滤法的处理效果 生物砂滤系统与常规废水生物处理技术一样，废水中的有机物和部分氮依靠滤池中的活性生物相降解，而磷的去除主要为物

42、理化学过程。调查表明，生物砂滤系统对有机物和悬浮物的去除十分有效。另外，能够通过硝化过程去除氨氮，但总营养物质的去除率非常有限。丹麦一套生物砂滤19831990连续8年的监测结果见图3-18和3 -19。 从图中可以看出，在进水BOD和氨氮浓度变化很大的情况下，出水值相对比较稳定，表明滤池具有良好的运行性能。对BOD和SS表现出高去除率，经常超过90%。 表3-11给出生物砂滤系统对有机物、氮、磷和氨氮的平均去除效果与出水水质。一般在几个月内滤池就能够达到正常运转参数，由于硝化菌的繁殖需要较长时间，因此达到完全硝化要在6个月以上。BOD(mg/l) 83 84 85 86 87 88 89 9

43、0年入水出水800600400200图3 -18 BOD进出水浓度随时间的变化NH3(mg/l)入水出水403530252015105 83 84 85 86 87 88 89 90 年图3 -19 氨氮进出水浓度随时间的变化表3-11 生物砂滤的去除效率和出水水质项 目BOD5NPNH4+去 除 率 (%)90-9530-4540-60变化范围87-992-6623-92出水水质(mg/L)5-1015-353-81-7变化范围3-2712-781-141-253.6 附着生长环流反应器（AGCR）3.6.1 工艺特征 附着生长环流反应器是结合附着生长与氧化沟技术的特点而发展起来的废水生物处

44、理新工艺，简称为AGCR系统（Attached-Growth Circulating Reactor）。氧化沟工艺能够在同一反应器中实现有机物的氧化、硝化和反硝化过程，随着基质和微生物在槽中循环，硝化产生的硝酸盐氮利用废水中的碳源通过反硝化而生成氮气。氧化沟中的部分区段维持厌氧条件对反硝化过程十分必要，但往往由于过量曝气、有机负荷过低和负荷变化等因素造成厌氧段不稳定，从而影响TN的去除率。AGCR系统与氧化沟具有同样的功能，但生化反应主要由附着生长的微生物完成，避免了氧化沟工艺中许多生长速度缓慢的菌容易流失的缺点。其微生物群落主要由碳氧化菌、硝化和反硝化菌组成，并依照槽内各段的DO浓度不同而分

45、布和生长。槽内流速由循环泵控制，应该达到能够使基质扩散通过液膜的速度，同时确保过量膜脱落产生的悬浮固体不在槽内沉淀。 AGCR系统在结构上与氧化沟相似，不同之处是在槽内的部分区段填充象河卵石一样的大粒径填料，为微生物附着生长提供空间。图3-20为一典型的AGCR系统小型实验装置，由玻璃钢制成，其沟槽的宽´深´长为0.05m´0.20m´180.0m，整个反应器的宽´长为3.0m´3.0m。槽进水端的头60m用玻璃钢板加盖密封，以便创造厌氧条件和避免因生物相过量生长造成废水从槽内溢出，剩下的120m以一定间隔均匀填充80块扩散石，并与空

46、压机相连。另外，系统还包括进水、出水和循环水装置。C6H12O6NH4Cl+KH2PO4流入物质水供应管闭路部分扩散石流出空气供应管图3 -20 AGCR系统的结构示意 废水在循环过程中相继通过厌氧和好氧段，最终达到氧化降解BOD物质和生物脱氮的目的。废水中的基质在好氧区段被氧化，同时含氮化合物经过硝化过程而转化为硝酸盐氮，由循环泵打入进水端，并与原水混合后进入厌氧段，此时进行反硝化过程，原水中的有机物正好作为反硝化的碳源，因此脱氮反应能够顺利进行。在好氧段，由于生物的附着生长，使繁殖速度缓慢的硝化菌在膜上得以富集，避免了氧化沟工艺中硝化菌容易流失的缺点。因而，AGCR系统具有比氧化沟工艺更好

47、的脱氮效果。随着对水体富营养化问题的重视，废水的脱氮除磷要求越来越高，探索AGCR工艺的应用范围，或对现有的氧化沟工艺加以改造，可为废水脱氮提供一条新途径。3.6.2 生物膜的性质AGCR系统槽内的生物量、膜厚、生物群落等沿长度而发生显著变化，受负荷与其它操作运转条件所支配。表3-13为不同负荷条件下，生物膜积累量和膜厚沿槽长度的变化。从表中数据可以看出，在槽的前一半长度中，生物膜的积累量和厚度远比后一半为大。膜的总挥发固体（TVS）占总固体（TS）的百分比在37.5%71.7%之间变化，其密度沿槽长无显著不同，平均值为61.9mg/m3。对各长度段生物膜的镜检结果显示，它们主要由丝状菌组成。

48、另外，在膜的内外幼虫形成荚膜，一旦幼虫生长为成虫，它们在某种程度上会导致膜脱落，从而影响膜的厚度。表3-12中的操作条件从I到IV-3，COD和TN负荷依次增大。 生物膜发生的连续脱落是由于膜内层的自然衰落和水流冲击造成，另外循环泵的停止和再启动引起突然的水流冲击，也会造成偶然性脱落。因此，AGCR系统应维持足够高的流速以防止脱落膜在槽内的沉积。AGCR系统对基质的降解过程，可通过测定槽内不同区段基质的最大生物利用率（k）来加以探讨。在给表3-12 生物膜的积累量和厚度变化运行条件参 数沿 槽 长 取 样 距 离 ( m )3-2127-4551-8187105123-171I积累量(gTS/

49、m2)8.0-22.14.1-37.12.1-12.02.22.21.3-2.4TVS/TS(%)53.7-57.258.0-67.350.2-65.254.351.846.3-71.7膜厚度 (m)130-35866-60134-194363621-39II积累量(gTS/m2)8.4-26.923.7-37.434.7-62.34.33.91.0-3.5TVS / TS (%)53.1-57.554.2-57.157.8-61.462.852.037.5-47.6膜厚度 (m)136-436384-606562-1009706316-57III积累量(gTS/m2)44.6-66.435.

50、6-79.456.8-60.269.19.51.2-4.0TVS / TS (%)64.1-69.964.3-71.366.2-70.170.866.037.9-53.6膜厚度 (m)723-1076577-1286920-975111915419-65IV积累量(gTS/m2)56.2-105.933.3-36.539.0-62.641.015.77.6-16.4TVS / TS (%)65.7-71.553.2-59.444.8-71.370.765.646.1-59.4膜厚度 (m)910-1716539-591632-1014664254123-266定COD与TN负荷的条件下，运行AGCR系统，当系统处于稳定状态时，从槽的不同区段采取一定量的生物膜于曝气试验瓶中