曝氣生物濾池的研究與應(yīng)用

曝氣生物濾池的研究與應(yīng)用

1曝氣生物濾池技術(shù)的應(yīng)用目前，中國的廢水處理排放量僅為排放總額的10%左右。大量廢水進(jìn)入天然水體，導(dǎo)致嚴(yán)重的水環(huán)境問題，以及水資源嚴(yán)重不足。曝氣生物濾池技術(shù)具有處理效率高、占地面積小、基建及運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便和抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn),在污水的有機(jī)物去除、硝化去氨、反硝化脫氮、除磷以及微污染水源水的預(yù)處理過程中有著較好的應(yīng)用前景。該技術(shù)特別適合我國水處理事業(yè)所面臨的資金不足、技術(shù)水平低的現(xiàn)狀,應(yīng)對其研究和應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié),并進(jìn)行深入的理論探討和工藝研究,使之快速國產(chǎn)化并盡快應(yīng)用于我國的水處理實(shí)踐中。2采用氣生物濾池特色及發(fā)展2.1曝氣生物濾池與其它生物固定膜方法不同,曝氣生物濾池將生物氧化過程與固液分離集于一體,使碳源去除、固體過濾和硝化過程在同一個單元反應(yīng)器中完成,經(jīng)池結(jié)構(gòu)改進(jìn)后增加了厭氧區(qū)的曝氣生物濾池還可以進(jìn)行反硝化脫氮及除磷。目前全球范圍內(nèi)的以曝氣生物濾池為主體技術(shù)的水處理廠已超過100座以上,主要分布在歐洲和北美洲地區(qū)。亞洲的韓國,我國臺灣、大連也有曝氣生物濾池的實(shí)際應(yīng)用。被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)廢水、生活污水的有機(jī)物、SS去除的二級處理,脫氮除磷的三級處理以及微污染水源水的預(yù)處理。我國對該技術(shù)的研究尚處于起步階段,對曝氣生物濾池處理生活污水、啤酒廢水進(jìn)行了處理效能及機(jī)理方面有了一定的研究。同時,國內(nèi)的一些污水處理工程也采用了曝氣生物濾池單元。2.2曝氣生物濾池曝氣生物濾池的基本原理在于在一級強(qiáng)化的基礎(chǔ)上,以顆粒狀填料及其附著生長的生物膜為主要處理介質(zhì),充分發(fā)揮生物代謝作用、物理過濾作用、生物膜和填料的物理吸附作用以及反應(yīng)器內(nèi)食物鏈的分級捕食作用,實(shí)現(xiàn)污染物在同一單元反應(yīng)器內(nèi)去除。曝氣生物濾池借鑒了生物接觸氧化反應(yīng)器和深床過濾器的設(shè)計(jì)原理,省卻了二次沉淀設(shè)備。反應(yīng)器內(nèi)存在著不同的好氧、缺氧區(qū)域,可同步實(shí)現(xiàn)硝化和反硝化,在去除有機(jī)物的同時達(dá)到脫氮的目的。曝氣生物濾池的形式在進(jìn)水方式、填料選擇和使用功能上各有所不同,即上向流曝氣生物濾池和下向流曝氣生物濾池;懸浮填料曝氣生物濾池和沉沒填料曝氣生物濾池;去碳曝氣生物濾池、硝化曝氣生物濾池、反硝化生物濾池、水源水預(yù)處理曝氣生物濾池和組合曝氣生物濾池等等。目前工程中曝氣生物濾池的使用形式可以分為四大類:即BIOCARBONE、BIOFOR、BIOSTYR、BIOPUR,其各自構(gòu)造特點(diǎn)如圖1~3所示,BIOPUR的形式與BIOFOR的形式基本相同,只是BIOPUR的填料根據(jù)不同水質(zhì)采用波紋板、陶?；蛏?以取得不同的處理效果。2.3baf反應(yīng)器工藝特點(diǎn)曝氣生物濾池的主要特點(diǎn)為:(1)采用小粒徑顆粒填料作為過濾主體的池型反應(yīng)器。(2)同步發(fā)揮生物氧化作用和物理截留作用。(3)氧轉(zhuǎn)移和利用效率高。(4)具有較高的處理效率,出水水質(zhì)好,能耐受較高負(fù)荷。(5)運(yùn)行過程中通過反沖洗去除濾層中截留的污染物和脫落的生物膜,不需要二沉池。(6)充分借鑒了單元反應(yīng)器原理,采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),為整個工藝的緊湊化、設(shè)備化及改擴(kuò)建提供了有利條件。(7)反應(yīng)器沿水流方向呈明顯的空間梯度特征。目前已開發(fā)出的BAF反應(yīng)器的主要工藝參數(shù)為:有機(jī)物負(fù)荷2~10kg/m3·d;濾速2~15m/h氨氮負(fù)荷0.5~1.5kg/m3·d;氮氧化物負(fù)荷0.5~1.5kg/m3·d;填料石英砂、無煙煤、陶粒、合成塑料、火山灰等,粒徑為3~10mm,多數(shù)為3~6mm;曝氣條件氣水比大多為1~3∶1,最高不超過10∶1,曝氣量與處理要求、進(jìn)水條件、填料情況直接相關(guān);運(yùn)行周期分級式濾池的運(yùn)行周期一般為24~48h,硝化及反硝化濾池的運(yùn)行周期稍長,一體式硝化及反硝化濾池的運(yùn)行周期與進(jìn)水情況關(guān)系密切,一般為24h;反沖洗條件反沖洗時間一般依水頭損失來確定,反沖洗方式為氣沖、水沖、氣水聯(lián)合反沖以及脈沖反沖,反沖洗水強(qiáng)度為15~35L/m2·s,氣強(qiáng)度為15~45L/m2·s,沖洗時間一般在30min以內(nèi)。2.4生物除磷工藝(1)進(jìn)水一般要求進(jìn)行預(yù)處理,一定程度上增加了工藝的復(fù)雜性。(2)進(jìn)水懸浮物較多時,運(yùn)行周期短,反沖洗頻繁。(3)產(chǎn)生的污泥穩(wěn)定性差,進(jìn)一步處理比較困難。(4)同步生物除磷效果不好,一般多采用化學(xué)法進(jìn)行,增加了藥劑的使用量。(5)污染物去除機(jī)理尚不十分明確,未能充分發(fā)揮處理潛力。3開發(fā)生物濾池的科學(xué)研究3.1生物反應(yīng)器、曝氣生物濾池、bod5和ss的去除效果由于填料和生物膜的作用,曝氣生物濾池的污泥齡(SRT)長,而相應(yīng)的水力停留時間(HRT)短,因而有機(jī)物去除效率高,處理水量大。于1996年投入運(yùn)行的美國賓夕法尼亞州的Monessen焦化廢水處理廠,對硫氰化物、氨及酚類化合物的去除率分別達(dá)到了99%、78%和99.9%,出水硫氰化物、氨及酚類化合物的濃度分別為3.93mg/L,36.41mg/L,0.04mg/L。臺灣高雄的塑料工業(yè)廢水處理廠在活性污泥處理工藝后加上了臭氧氧化單元和曝氣生物濾池單元,使二級出水的CODCr由150~180mg/L降至100mg/L以下。英國Packington污水廠由曝氣生物濾池處理含工業(yè)廢水的生活污水,在進(jìn)水CODCr562mg/L,BOD5286mg/L,SS139mg/L的條件下,CODCr、BOD5、SS的去除率分別達(dá)到80%,91.3%,78%。筆者在自行開發(fā)研制的二段曝氣生物濾池試驗(yàn)研究中,生物反應(yīng)器對CODCr和SS的去除率分別達(dá)到90%和85%以上。李汝琪等利用曝氣生物濾池進(jìn)行生活污水處理試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)BOD5、CODCr和SS的平均去除率分別為95.3%、92.6%和96.7%。在濾速分別為6.5m/h和13m/h時的中試結(jié)果表明,在平均負(fù)荷為5.4kg/m3·d的條件下,BOD5去除可達(dá)80%以上,而且濾速對BOD5的去除沒有影響。這些研究表明,曝氣生物濾池在有機(jī)廢水的處理中有很大的應(yīng)用潛力。3.2濾速與硝化菌的關(guān)系通過合理的運(yùn)行調(diào)控,曝氣生物濾池可以取得很好的除氨效果,其硝化效能可以接近100%。Monessen污水廠在去除幾乎全部酚、氰化合物的同時也去除了78%的氨。韓國的電子工業(yè)廢水處理中,曝氣生物濾池的硝化效率達(dá)99.5%,加上后續(xù)的厭氧生物濾池,總氮去除率達(dá)90.7%。Cromphout利用上向流曝氣生物濾池處理含氨的富營養(yǎng)化水源水,在氣水比1∶1,濾速5~18m/h,溫度10℃以上條件下,硝化效率可達(dá)100%,隨著溫度的下降,硝化速率降低。溫度為6.5℃時,仍可將15mg/L的氨氮在0.4h內(nèi)完全消化,并發(fā)現(xiàn)濾速對硝化效率沒有影響。李汝琪在研究中發(fā)現(xiàn)用曝氣生物濾池處理生活污水同步硝化效率可達(dá)91.5%。Pujol的近期中試結(jié)果表明,在溫度為22℃、NH+4-N負(fù)荷2.5kg/m3·d條件下,曝氣生物濾池對氨氮的去除率可達(dá)90%以上,同時出水中BOD5和SS分別降至10mg/L和16mg/L以下。Pujol認(rèn)為提高濾速會對硝化有積極的促進(jìn)作用。Tschui等人也證實(shí)提高濾速會增加反應(yīng)器的硝化能力。Fdz-Polanco等研究了硝化曝氣生物濾池中異養(yǎng)菌和硝化菌的空間分布情況,發(fā)現(xiàn)進(jìn)水CODCr低于200mg/L時不影響硝化效能;當(dāng)進(jìn)水CODCr>200mg/L時,硝化效能將下降;當(dāng)CODCr/NH+4-N>4時,生物膜內(nèi)將出現(xiàn)不同的功能分區(qū);通過測定耗氧速率發(fā)現(xiàn)硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌及異養(yǎng)細(xì)菌在反應(yīng)器中的空間分布與CODCr濃度有關(guān),呈明顯的分區(qū)分布。Wijeyekoon研究了濾速與硝化菌活性的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)硝化菌活性分布與濾速有關(guān)。目前的研究表明,曝氣生物濾池的硝化性能與有機(jī)物濃度、溫度有密切的關(guān)系,而濾速的影響也很大。硝化性能研究一直是曝氣生物濾池技術(shù)的核心課題,該方向上的研究成果不僅提高了生物過濾技術(shù)在硝化脫氨方面的應(yīng)用效果,還帶來了研究方法上的革命。3.3反硝化與生物過濾反應(yīng)器在生物膜反應(yīng)系統(tǒng)中,由于存在著厭氧區(qū),可實(shí)現(xiàn)一定程度的反硝化脫氮。脫氮效率的高低取決于底物條件、傳質(zhì)條件及反硝化細(xì)菌的代謝特點(diǎn)。在曝氣生物濾池系統(tǒng)中,反硝化以兩種方式進(jìn)行,即在濾池設(shè)置缺氧區(qū)或單獨(dú)設(shè)一個不曝氣的反硝化生物濾池,并根據(jù)底物供應(yīng)情況決定是否投加碳源物質(zhì)。研究表明,曝氣生物濾池系統(tǒng)的反硝化效能在較高濾速和負(fù)荷下可以接近100%。Pujol認(rèn)為,反硝化最好采用外加碳源的辦法,最佳濾速為10~15m/h。Pujol還比較了前置反硝化和后置反硝化的優(yōu)劣,認(rèn)為反硝化過程應(yīng)采用上向流的進(jìn)水方式進(jìn)行。Aes?y等研究了利用熱水解處理的污泥及有機(jī)固體廢物與乙醇、乙酸分別作為外加碳源進(jìn)行反硝化的對比情況,發(fā)現(xiàn)NO-3-N負(fù)荷為2.5kg/m3·d時,水解污泥及有機(jī)固廢在CODCr/NO-3-N為8~10∶1時可達(dá)到與以乙醇做碳源時(CODCr/NO-3-N為4.5∶1)同樣的去除效率,而以水解污泥及有機(jī)固廢做碳源時,如進(jìn)水CODCr<75mg/L時,脫氮效率將下降。進(jìn)一步試驗(yàn)結(jié)果表明,進(jìn)水中CODCr有60%被去除,45%被用以反硝化,同時這一過程需磷量比理論需要量大3倍。Aes?y認(rèn)為有機(jī)物和磷的去除是由于生物吸附和生物積累作用的結(jié)果。Chen等研究生物過濾反應(yīng)器與活性污泥反應(yīng)器、流化床的反硝化特性時,發(fā)現(xiàn)在不同水力條件下,反應(yīng)器內(nèi)微生物種群會發(fā)生一定的變化,但優(yōu)勢種群——桿菌屬基本穩(wěn)定。曝氣生物濾池的反硝化功能研究也是熱點(diǎn)領(lǐng)域,在飲用水處理和污水的三級處理中將會發(fā)揮巨大的作用。3.4增磷除磷技術(shù)曝氣生物濾池對磷的去除主要是通過加入化學(xué)除磷劑,再通過反沖洗排除富磷污泥;或是在一級強(qiáng)化過程中通過化學(xué)混凝除磷。由于生物的同化作用、吸附作用及生物積累作用也會對除磷有所貢獻(xiàn),在脫氮過程中同步除磷機(jī)理的研究成果也不斷出現(xiàn)。Goncalves等進(jìn)行曝氣生物濾池同步脫氮除磷的研究時發(fā)現(xiàn),進(jìn)水方式對磷去除效果沒有差異性影響。德國Koln的同步硝化除磷曝氣生物濾池除磷可達(dá)70%,總磷可降至0.5mg/L。Aes?y等人發(fā)現(xiàn),利用曝氣生物濾池反硝化脫氮時,如利用水解污泥或水解固體廢物做外加碳源,可同時去除比微生物生長需要量高3倍的磷。Pak等研究了利用兩級生物濾池在交替好氧、厭氧條件下運(yùn)行對污水中氮磷的去除情況,發(fā)現(xiàn)影響除磷的因素為CODCr/TP值和水力停留時間,好氧過程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽對磷的釋放有一定影響,而反沖洗過程的損失生物量對除磷也有影響。在同步除磷方面的不足一直是曝氣生物濾池的缺點(diǎn)之一,上述研究成果有望在這方面取得突破。3.5懸浮填料濾池的研究現(xiàn)狀生物填料的物理特征、化學(xué)穩(wěn)定性、有無生物毒害、吸附特征、粒徑、材質(zhì)、孔隙率等對微生物的吸附生長和反應(yīng)器效能有著重要的影響。曝氣生物濾池中采用的多為顆粒狀硬性填料,可以分為懸浮性(密度<1)和沉沒性兩大類(密度>1)。研究表明,懸浮填料在截留SS、降解CODCr等方面要優(yōu)于沉沒填料,但懸浮填料需要加固著裝置,增加了反應(yīng)器的復(fù)雜程度,也會使反沖洗的水頭損失增加太快。填料的粒徑對處理效果也有很大的影響,粒徑較小可以提高處理效率,但同時也會縮短運(yùn)行周期,增加反沖洗次數(shù)和強(qiáng)度。目前在曝氣生物濾池中使用的填料有石英砂、陶粒、無煙煤等無機(jī)硬性材料和聚乙烯、聚丙烯、PVC等有機(jī)硬性材料,而軟性填料濾池的開發(fā)研究尚未見報(bào)道。填料作為微生物吸附生長的載體和吸附并截留水中的污染物及脫落生物膜介質(zhì),其表面的介電特性和官能團(tuán)結(jié)構(gòu)對其吸附特性有很重要的影響。通過物理、化學(xué)手段可以改變填料表面的介電特性和官能團(tuán)結(jié)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)填料的表面改性,強(qiáng)化其吸附效能,進(jìn)而提高整個反應(yīng)器的處理能力。3.6生物濾池的性質(zhì)有關(guān)生物膜結(jié)構(gòu)特征、生物活性、生物種群構(gòu)成,污染物負(fù)荷、傳質(zhì)效率、擴(kuò)散效率、水力條件、處理效率與反應(yīng)器微生物特征相關(guān)性的研究近年來比較活躍。Fdz-Polanco等研究了硝化曝氣生物濾池中異養(yǎng)菌和硝化菌的空間分布情況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)CODCr/NH+4-N>4時,生物膜內(nèi)將出現(xiàn)具有不同處理效能的功能分區(qū),并觀察到有明顯的分區(qū)界線。通過測定耗氧速率發(fā)現(xiàn)硝化細(xì)菌、亞硝化細(xì)菌及異養(yǎng)細(xì)菌在反應(yīng)器中的空間分布與CODCr濃度有關(guān),呈明顯的分區(qū)分布。Wijeyekoon研究了濾速與硝化菌活性的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)硝化菌活性分布與濾速有關(guān)。通過采用分子生物學(xué)技術(shù)、掃描隧道顯微鏡技術(shù)(STM)等檢測手段,提高了生物檢測的靈敏性和準(zhǔn)確性,使得生物膜的研究正得以廣泛而深入地進(jìn)行著,成為一個較前沿的領(lǐng)域。但與曝氣生物濾池直接相關(guān)的研究報(bào)道尚很少見?？梢灶A(yù)見,有關(guān)曝氣生物濾池處理機(jī)理的研究將隨著生物膜研究的不斷深入而有所突破。3.7生物處理系統(tǒng)理論生物膜反應(yīng)器系統(tǒng)的動力學(xué)研究已進(jìn)行得比較深入,在Monod公式的基礎(chǔ)上建立了一系列生物膜反應(yīng)動力學(xué)模型,如比較著名的反應(yīng)-擴(kuò)散理論、我國學(xué)者劉雨等提出的表面反應(yīng)理論等等。但是直接針對曝氣生物濾池的動力學(xué)研究報(bào)道還很少。Hamoda通過對曝氣生物濾池處理合成碳水化合物廢水的研究,提出了一種理論模型,他認(rèn)為底物利用速率是底物濃度的雙曲線函數(shù),固體停留時間是水力停留時間、有機(jī)物負(fù)荷及沖洗因子(f=washoutfactor)的函數(shù)。Mann等人則推導(dǎo)出了以溶解性CODCr的進(jìn)出濃度及反應(yīng)器高度為參數(shù)因子的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?在試驗(yàn)中對模型進(jìn)行了應(yīng)用研究,并在預(yù)測試驗(yàn)中取得了滿意的結(jié)果。目前許多學(xué)者認(rèn)為好氧生物膜過濾反應(yīng)器的總反應(yīng)級數(shù)為一級,但在具體的處理理論和數(shù)學(xué)模型形式上還有許多分歧。同時由于運(yùn)行條件及處理對象、處理目的的不同,許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿狈ζ毡樾?理論模型又過于復(fù)雜而實(shí)際指導(dǎo)意義差,進(jìn)一步對曝氣生物濾池的反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行深入探討是研究曝氣生物濾池處理機(jī)理的主要工作之一。3.8級處理工藝在生活污水中的應(yīng)用曝氣生物濾池在實(shí)際運(yùn)行時要求對進(jìn)水進(jìn)行一級強(qiáng)化處理,以延長過濾周期。對一些水質(zhì)情況比較復(fù)雜的污水,可通過單元操作組合,充分發(fā)揮曝氣生物濾池的優(yōu)勢,使污水中的各種污染物逐次去除,達(dá)到徹底凈化污水的目的。Goncalves等利用UASB和曝氣生物濾池串聯(lián)對生活污水進(jìn)行二級處理,系統(tǒng)的污泥產(chǎn)量大大減少,同時UASB的產(chǎn)氣量也有一定程度的提高,對SS、BOD5、CODCr的平均去除率為94%,96%,91%,出水的SS、BOD5、CODCr分別為10mg/L,9mg/L,38mg/L。Chen等報(bào)道的臺灣高雄塑料工業(yè)廢水的三級處理系統(tǒng)由臭氧氧化和曝氣生物濾池組成,由活性污泥法二級處理出水CODCr為150~180mg/L,O3投加量6kg/h,再經(jīng)曝氣生物濾池處理后,CODCr降至100mg/L以下,達(dá)到當(dāng)?shù)氐呐欧艠?biāo)準(zhǔn)。3.9生物濾池處理曝氣生物濾池也用作于被污染水源水的預(yù)處理工藝,以除去過多的SS、有機(jī)物和營養(yǎng)性物質(zhì),減輕后續(xù)水處理工藝的負(fù)擔(dān),提高供水水質(zhì)。Cromphout在處理富營養(yǎng)化水源水時應(yīng)用曝氣生物濾池進(jìn)行硝化,取得了很高的氨去除率。Melln等在研究生物濾池處理經(jīng)O3氧化處理的水源水時發(fā)現(xiàn),整套工藝對腐殖酸和色度有較高的去除效果,O3過程產(chǎn)生的大部分醛類經(jīng)生物濾池處理后可降至1μ