新型生物滤池的工程应用与发展

新型生物滤池的工程应用与发展

生物耳池作为生物膜探测器的经典形式之一已成为一种成熟的工艺。20世纪70年代,我国在城市污水处理系统中引入生物滤池,但由于生物滤池易出现布气不均、易堵塞,环境卫生较差等问题,该技术未得到广泛应用。近年来,针对生物滤池存在的问题和实际工程需求,科技人员将传统生物滤池不断改进,开发出许多新型生物滤池,如曝气生物滤池(BAF)、反硝化滤池(DNBF)以及厌氧生物滤池(AF)等。并在国外各类水处理中得到了大量成功应用。我国也已逐渐应用于城市污水处理、再生水处理、农村废水深度处理、微污染水预处理及工业废水处理。但是,上述新型生物滤池在国内缺乏设计经验、尚无详细明确的工艺设计准则、缺乏实际工程运行经验。基于此,本文综述了3种典型新型生物滤池的工作原理、结构、关键性工艺参数与应用领域,分析与探讨了BAF、DNBF和AF的最新研究进展,并综合分析国内外3种典型生物滤池的实际应用现状,指出新型生物滤池的应用瓶颈及未来发展方向。1生物滤池afBAF、DNBF及AF都是以滤料表面附着生长的生物膜以及滤料间隙中的生物膜为介质生化去除污染物。基于其不同的生化功能,生物膜中的优势菌种分别为异养好氧微生物和自养硝化菌、缺氧反硝化菌和厌氧微生物(产酸细菌和产甲烷细菌等)。同时,BAF、DNBF及AF结构、关键性工艺参数与应用领域等诸多方面也各有特点,如表1所示。BAF和DNBF在结构上略有不同,BAF具有独立的曝气系统,而DNBF仅需提供缺氧环境,不需要独立的曝气系统;AF与BAF和DNBF的结构差别较大,BAF与DNBF必须具有反冲洗系统,AF依据所用滤料的情况可选择不设反冲洗系统,同时,AF厌氧产生甲烷需要设置沼气收集系统。滤料是生物滤池的核心组成部分,它对滤池投资、运行成本和正常操作都有很大影响。BAF滤料多以沉没式无机滤料为主,粒径多在3~5mm范围内,滤料层高3~6m。DNBF也以无机滤料为主,材质可与BAF相同,但通常要求颗粒呈球形,有较大比表面积((1~4)×104cm2/g)、孔隙率大(0.3%~0.4%)截污能力强、有较好的生物化学稳定性,粒径在4~6mm之间,填料层高2.5~4.5m。早期AF多以石头为填料,孔隙率小,因而滤池堵塞严重,随着软性及半软性填料的发展,AF的堵塞问题得到有效的缓解。BAF、DNBF及AF都能承受较高负荷,与滴滤池和活性污泥法相比,BAF可承受BOD5容积负荷可达常规活性污泥法或接触氧化法的6~12倍。2新工艺的特点BAF是20世纪80年代末90年代初在普通生物滤池的基础上,借鉴给水滤池开发的污水处理新工艺,其最大特点是集生物接触氧化和过滤于一体,省去了二沉池,工艺更为简单。BAF工艺在科学研究与工程应用方面已取得了显著进展。2.1曝气生物滤池运行影响因素近年来,针对BAF的研究主要集中于应用基础研究和基础研究两个方面。一方面,旨在解决曝气生物滤池设计与运行问题,针对影响滤池运行效果的关键性因素,如,滤池启动方式、进水负荷、曝气量及反冲洗方式等方面的研究;另一方面,探索将曝气生物滤池与短程硝化、同步硝化反硝化等新脱氮理论结合,以进一步改进与完善生物滤池工艺。2.1.1反冲洗过程与负荷滤料特性(材料、粒径、孔隙度、表面粗糙度、表面电位、密度等)直接影响生物膜的形成。一般而言,表面粗糙、带有正电荷且具有亲水性的圆形填料有利于微生物附着生长。BAF的填料粒径越大,堵塞问题相对较轻,运行周期也较长。BAF启动主要有接种挂膜法、自然挂膜法。滤料、污水水质、温度等对挂膜时间均有影响。许多研究结果显示在室温条件下,BAF成功启动一般需约1个月的时间。负荷是BAF设计与运行的关键参数,有机负荷过高,异养菌迅速繁殖,而使得硝化细菌生长受到抑制。当进水有机负荷控制在1.5kg/(m3·d)以内,才能保证较充分的硝化反应。同时,由于BAF中首先降解有机物,而后进行硝化,当水力停留时间较短时,硝化细菌将很难在生物膜中富集。溶解氧(DO)在生物膜系统中的传质阻力较大,气水比对BAF去除效果也有较大影响,尤其是对氨氮去除影响较大,这主要是由于硝化细菌对氧敏感,增大气水比可以强化硝化效果,处理污水保障氨氮去除率的气水体积比应在3~5:1。反冲洗过程主要有两方面作用,一方面,及时更新生物膜,排放过量生长的微生物;另一方面,防止过量生长的生物膜堵塞滤池,防止滤池出现板结等问题,保证正常的过水性能。因此,反冲洗周期和强度与历时对于保证BAF的稳定高效运行至关重要,滤池一旦反冲洗出现问题,轻则影响出水水质,重则导致滤池无法正常运行。BAF反冲洗方式通常采用气-水联合反冲洗,气冲强度为12~20L/(m2·s),水冲强度为4~10L/(m2·s)。2.1.2微生物同步硝化反硝化技术近年来,许多学者研究BAF运行中发现了同步硝化反硝化、短程硝化反硝化等不同于传统脱氮过程的现象,并以此为基点,通过运行参数调控等手段,在BAF中实现了同步硝化反硝化和短程硝化反硝化等新型脱氮方式。BAF滤料表面的生物膜上存在基质和DO的浓度梯度,DO浓度在生物膜上由外向内呈递减趋势,因而生物膜上形成了好氧、缺氧、厌氧的微环境,为异养菌、自养菌和厌氧菌等提供生存条件,也为微生物进行同步硝化反硝化提供场所。目前对同步硝化反硝化技术的研究主要集中在SBR、RBC、生物流化床、氧化沟等。有学者研究在20~28℃、DO质量浓度为0.8~1.5mg/L的条件下同步硝化反硝化效果最明显。BAF中同步硝化反硝化的脱氮效果易受进水碳氮比和DO浓度的影响,实现同步硝化反硝化DO质量浓度需控制在1.5mg/L以下,然而,受BAF结构的影响,曝气阻力较大,相应的所需供氧压力较大,因此,难于控制低DO浓度,此方面需要寻求更好的解决途径。短程硝化反硝化将氨氮仅氧化为亚硝酸盐氮,而后直接进行反硝化。目前实验室条件下虽通过控制温度、pH和DO等途径已实现城市污水的短程硝化反硝化工艺,实际工程中该工艺仅用于污泥消化上清液、垃圾渗滤液等高氨氮废水处理,而城市污水处理中难以大规模推广。该工艺目前主要在SBR、A2/O等活性污泥法处理系统中实现,但研究发现亚硝酸盐累积浓度过高时,由于游离亚硝酸的抑制作用,易发生污泥膨胀问题。BAF等生物膜处理系统不仅可实现亚硝酸盐累积,且无污泥膨胀等问题。目前,已有学者发现该工艺中可实现亚硝酸盐累积,但如何保证该工艺中稳定的亚硝酸盐累积尚需进一步研究。2.2运行效果及分析随着人们对BAF研究的深入和实际工程的需求,该工艺已从设计、运行及相关设备等方面得到了不断的提高和改进,目前,该工艺已成为一种具有适应性强、出水水质高、占地面积小且可自动化运行等诸多优点的重要水处理技术。在工程造价方面,与传统活性污泥法相比BAF也有很大的技术优势,其占地面积是传统工艺的1/5~1/10,曝气量降低30%~40%,一次性投资降低25%,运行费用降低20%。表2详细列举了国内外运行较成功BAF实例。我国BAF主要用于城市污水和工业废水处理,随着近年来污水处理厂升级改造和再生水厂的兴建,该工艺已逐渐应用于再生水处理过程,以进一步强化氨氮的去除。3dnbf在再生水处理工艺中的应用DNBF是在BAF基础上改进的生物滤池,早期该工艺被当作具有反硝化作用的BAF,随着近年来该工艺在污水厂升级改造和再生水深度处理中的重要作用,以及与BAF的显著区别,才作为一种工艺单独提出。在20世纪70年代,DNBF多用于污水二级处理,近年来,为了满足最大日负荷总量的要求,欧美等发达国家在中水回用厂中引进DNBF以提高出水水质。我国DNBF用于再生水处理刚刚起步,有关DNBF的研究多侧重于工艺影响因素方面,旨在确定关键性设计与运行工艺参数。目前,我国部分污水处理厂的升级改造已采用该工艺,已有建成并投入运行的DNBF工程实例。3.1纤维素类碳源反硝化效果碳源类型及投加量是影响反硝化的关键性因素之一。许多学者对传统碳源研究比较时发现以甲醇的反硝化效果为最佳,其次为乙酸、葡萄糖。虽然传统碳源如甲醇、乙酸钠、葡萄糖等都在工程上应用广泛,但它们都存在一些不容忽视的缺点。甲醇具有毒性,因此运输困难,运营成本较高;乙酸钠会引起明显的亚硝酸盐积累;葡萄糖的反硝化效果和速率不如甲醇等低分子有机物,其最佳碳氮比为6~7,比甲醇高得多,且反硝化速率较甲醇的慢4倍,出水中也存在亚硝酸盐积累现象。近年来,人们又致力于开发一些新型碳源,如纤维素类固体有机物(麦秸、棉花等)。但是有研究表示纤维素类碳源反硝化效果不稳定,易受到进水负荷及HRT的影响。Tak-HyunKim等人采用加碱水解和γ射线照射方法从废弃活性污泥中回收有机碳源。此外,有学者建议采用混合碳源取代单一碳源,弥补后者成本高、运输困难等各种问题。合适的碳源投加量有利于DNBF高效运行。投加量过大会直接导致出水COD过高,过小又难以保证反硝化效果。碳源投加控制是DNBF需要解决的关键性问题,目前国内尚未成功解决该问题。理论上达到完全反硝化所需的C/N为3~4,但在实际工程中生物膜的生长状态、碳源种类及操作条件等因素都会影响碳源利用,因此实际工程中的C/N一般大于4。此外,HRT与温度也是影响反硝化效果的因素。HRT与反硝化效果呈正相关性,DNBF停留时间比BAF和AF短得多,但DNBF处理效率极高(见表1)。反硝化细菌最合适的生长温度为20~35℃,低于15℃虽然反硝化速率降低,但是在冬季,工程上可采取降低负荷、增加水力停留时间等措施保证反硝化效果。反冲洗过程是保证DNBF的稳定高效运行的关键性因素,由于DNBF效率较高,反硝化菌生长迅速等原因,DNBF的反冲洗周期均低于BAF,采用甲醇为碳源,硝酸盐去除负荷为2kg/(d·m3),反冲洗周期为1d,反冲洗周期过长将导致出水SS升高。DNBF反冲洗方式与BAF相同,通常采用气-水联合反冲洗,气冲强度10~18L/(m2·s),水冲强度4~8L/(m2·s)。3.2dnbf和roi水处理在生物处理中的应用DNBF既可用于污水处理,也可用于污水深度脱氮处理,还可以与硝化滤池、砂滤池和机械过滤技术等相结合用于再生水的生产。相比物理化学法脱氮,DNBF在运行管理和投资耗费上更有优势。依DNBF在工艺中位置的不同,可分为前置反硝化和后置反硝化。前置反硝化工艺设有回流系统,可使滤池获得较高滤速,减少后续CN池的数量,出水TN质量浓度在3~5mg/L,但能耗高,必须控制DNBF进水DO不能过高;后置反硝化工艺无需回流系统,动力消耗少,同时反硝化速率较高,出水TN含量可达3mg/L以下,但通常需要外加碳源,成本相对较高。当污水或二级生物处理出水中有大量的可利用碳源,且出水水质对总氮去除要求较高时可选用前置反硝化工艺;而当进水中总氮,尤其是硝酸盐氮较高,水中缺乏或几乎没有可利用有机碳源,同时对出水TN要求较严格时多采用后置反硝化工艺。表3总结了国内外污水厂应用反硝化滤池工艺的概况。4上流式af滤料的设置AF是Young于20世纪60年代末发明的一种装填滤料的高效厌氧反应器。AF按运行方式可分为上流式和下流式两种。相比下流式AF,上流式AF滤膜形成较快、容积负荷比较高,但是容易堵塞。根据AF采用滤料的不同,可选择设置二沉池,不设置反冲洗系统,或不设置二沉池,增设反冲洗系统的方式。早期针对AF的主要为影响厌氧反应的因素,随着微生物学的发展,近年来许多学者发现了厌氧氨氧化技术(Anammox),该技术在AF中得以实现。4.1厌氧处理技术影响AF的因素主要有填料、HRT及温度,其中产酸细菌和产甲烷细菌对温度要求很高。理论上认为厌氧细菌在中温(35~38℃)、高温(52~55℃)条件下活性最强,因此AF适于处理高浓度废水或有废热可以利用的废水。新型生物脱氮技术(Anammox),即在厌氧条件下,以NH4+-N为电子供体、NO2--N为电子受体将NH3氧化成N2的生物过程。Anammox通常在厌氧环境中进行,因此有研究人员也认定其为一种厌氧处理技术。该技术从处理效率和经济性等方面考虑都具有巨大前景,如降低污水处理过程中的CO2排放量、容积小、污泥产量少;亚硝酸盐氮无需转化成硝酸盐氮,节省60%供氧量等。根据鹿特丹已建Anammox水厂的评估报告得知,传统硝化-反硝化工艺的脱氮成本为2~5欧元/kg,而Sharon-Anammox工艺仅为0.75欧元/kg。由于Anammox细菌生长速率较慢、对温度和DO浓度要求很严格,故该技术多与SBR、UASB等生物膜反应器相结合以获取大量的厌氧氨氧化菌,但是当反应器中氮负荷超过污泥的最大厌氧氨氧化活性,污泥会上浮。AF反应器结构也有利于Anammox细菌的富集,且与SBR、UASB相比,不会出现污泥上浮现象,但AF可控参数较少,稳定Anammox反应过程难度较大。大量的研究成果显示,厌氧氨氧化菌的富集、DO浓度(1~2μmol/L)、温度(30~35℃)及容积负荷等都是该技术的关键影响因素,同时还发现厌氧氨氧化的成功进行必然伴随有很好的短程硝化效果。目前Anammox技术多处于实验室研究阶段,工程应用在世界各地并不普遍,多用于高温高