一種好氧生物處理有機廢水的新工藝設備
提要：生物曝氣濾池是近年來國外發展起來的一項廢水好氧生物處理的新工藝。該工藝具有處理能力強，處理效果好，不需二沉池等突出的優點。綜述了生物曝氣濾池的工藝原理、優點、有機物去除能力、填料、需氧量、污泥產量、反沖洗及工程實例。
關鍵詞：生物曝氣濾池火山巖填料需氧量反沖洗
1工藝概述
法國CGE(Compaguie Generele des Eanx)公司所屬的OTV(L'Omnium de Traitements et de Val～orisation)公司近年來開發了一種名為生物曝氣濾池的新型好氧生物處理設備。這種濾池采用固定床形式，充氣方式幾經改變，曾經報道過的有：進水預充氧的上向流濾池、底部充氧的上向流顆料濾料濾池、底部充氧的上向流塑料濾料濾池。最后改為將穿孔管曝氣系統設在濾床中間，從而將濾床分為兩部分：上部分為曝氣的生化反應區，下部分為非曝氣的過濾區，這樣就省掉了二次沉淀池。
生物曝氣濾池與傳統的生物濾池不同，它采用人工曝氣供氧，與生物接觸氧化工藝具有更多的共同點，不過比傳統的生物接觸氧化池填料的尺寸更小而已。生物曝氣濾池作為污水二級處理設施，其進水需經過一級處理。典型的生物曝氣濾池處理污水的工藝流程如圖1所示。
圖2為生物曝氣濾池示意圖。進水水流向下，同時空氣從距濾料底部30cm處通入。這樣，空氣流向上，兩者形成逆流，增大了氣水接觸面積，有利于氧的轉移。一方面有利于發揮下層濾料表面生物膜的氧化降解作用，另一方面又有利于提高整個生物濾池的儲污能力，延長反沖周期。曝氣點以下30cm厚的濾層起到過濾的作用，進一步截留水中懸浮物和脫落的生物膜，完成固液分離的過程。由于生物膜生長，固著在比表面積較大的濾料表面上，這就使得池中容納著大量微生物，從而在體現出容積負荷高、停留時間短的特點的同時，又能保證濾池在較低的污泥負荷下運行，為進一步降解污水中的有機污染物提供了可靠的保證，進而獲得了優良處理效果，保證了出水的穩定性。
處理水由底部出水系統收集到出水渠進入集水池。當濾池運行到一定時期，隨著生物量和濾料中截留雜質的增加，濾料中水頭損失增大，水位上升，需對濾料進行反沖洗，反沖洗廢水通過排水管回流到一級處理設施。
當進水濃度過高時，需進行稀釋，降低有機物濃度。
其優點是：
(1)填料的顆粒細小，因而提供了巨大的比表面積，使濾池單位體積內保持較高生物量，而且由于填料上的生物膜較薄，其活性相對較高，因此，該工藝的有機物容積負荷和去除率都較高。
(2)該工藝的處理裝置結構緊湊，生化反應和過濾統一在一個單元中進行，不需要二次沉淀池。這一方面節省了占地面積，另一方面使處理能力不受生物膜沉降性能的影響，從而有利于發展高效、快速的處理工藝。
(3)氣水相對運動，氣泡接觸面積增大，增加氣水與生物膜的接觸面積，從而提高處理效果。在處理水水質相同的狀態下，填料的容積負荷幾乎可提高1倍。同時，還可使進水處的生物膜不受過分沖刷而處于對數生長期。
(4)生物曝氣濾池可和其它傳統工藝組合使用，可對一些老廠進行技術改造，避免了浪費。
(5)生物曝氣濾池具有多種凈化功能，除了用于有機物去除外，還能夠去除NH3－N等。
2有機物去除
根據OTV公司的資料介紹，生物曝氣濾池可以處理生活污水、含高濃度COD的有機工業廢水，也可以用于廢水深度處理(硝化、脫氮)，或飲用水處理。
法國OTV公司經過多年的研究和工廠實踐，總結出了生物曝氣濾池的運行參數。生物曝氣濾池進水水質見表1。
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水質指標 |
濃度/mg/L |
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BOD5 |
50～150 |
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COD |
100～300 |
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TSS |
50～150 |
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TKN |
15～30 |
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NH3－N |
10～25 |
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溫度/℃ |
NH3－N去除率/% |
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12 |
39 |
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18 |
50 |
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24 |
60 |
填料是生物膜的載體，同時兼有截留懸浮物質的作用，因此，載體填料是氧化池的關鍵，直接影響著生物接觸氧化法的效能，同時，載體填料的費用在生物接觸氧化處理系統的基建費用中又占較大比重，所以填料關系到接觸氧化技術的合理性。
法國OTV公司最初在生物曝氣濾池中使用的填料為活性炭。此種填料孔隙率大，有利于吸附更多的生物量，且活性炭比重小，有利于氣水反沖洗。但是，活性炭填料價格昂貴。后來，法國OTV公司使用了一種新型填料——火山巖，這種填料為有棱角型，在放置和反沖洗過程中有一定程度的磨損。
火山巖特點：
(1)質輕，松散容重小，表面積大，孔隙率高，有足夠的機械強度。
(2)不含有害于人體健康和妨礙工業生產的有害雜質，化學穩定性良好。
(3)火山巖水頭損失小，形狀系數好，吸附能力強，有適宜的水力粗度值。
(4)用火山巖組裝的濾池，同石英砂濾池相比，具有濾速高，工作周期長，產水量大，產水水質好，反沖洗強度低，反沖洗水量小的優點。
填料級配對生物曝氣濾池運行有重要影響。濾料級配不但影響出水BOD5和TSS的濃度，而且影響水頭損失增長速度和反沖洗間隔時間。填料粒徑越小，水頭損失越大，反沖間隔越短。OTV研究的填料級配與出水水質關系見表3。由表3可以看出，填料粒徑越小，出水水質越好。但是由表4可知，填料粒徑越小，固體容量也越小。所以，在污水中TSS濃度高時，不能使用粒徑為2mm～4mm的填料，因為這樣反沖洗間隔時間過短。
表3 填料級配與出水水質
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填料級配/mm |
出水水質/mg/L |
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BOD5 |
TSS |
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2～4 |
10 |
10 |
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3～6 |
20 |
20 |
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4～8 |
30 |
30 |
表4 濾料級配與固體容量
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濾料級配/mm |
固體容量/kg/m3 |
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2～4 |
1.0～1.5 |
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3～6 |
2.2～2.7 |
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4～8 |
3.0～3.5 |
4 污泥產量
污泥產量表示去除單位重量的TBOD所產生的TSS量。污泥產量與進水TSS/TBOD比值有密切的關系。進水TSS/TBOD比值越大，污泥產量也就越多。污泥產量可用式(1)計算：
Y＝（0.6×ΔSBOD＋0.8×X0）／ΔTBOD ?。?）
式中Y——污泥產量，kgTSS/kgΔTBOD；
X0——進水懸浮物濃度，mg/L。
從式(1)可以看出，在生物曝氣濾池中，進水中被去除的懸浮物有一些不能被降解。有一種觀點認為：在生物曝氣濾池系統中，懸浮物停留的時間較短，它們被過濾后只是暫時停留在填料層中，不象在活性污泥系統中與活性生物充分混合。而且一些被截留的懸浮物充滿了填料的小孔以及填料與填料之間的縫隙，阻止了氧的傳遞和水的流動，也限制了懸浮物的降解。
5 反沖洗
在生物曝氣濾池運行中，生物膜漸漸增厚。膜的厚度一般應控制在300μm～400μm，此時生物膜新陳代謝能力強，出水水質好。當膜的厚度超過這一范圍時，(1)氧的傳遞速率減小，導致溶解氧過低，影響微生物的繁殖，生物膜活性變差，同時又抑制絲狀菌的生長，結果使去除能力降低，出水水質變壞；(2)傳質速度減緩，有機物濃度過低，造成營養不足，生物膜難以形成。此外，進水中的顆粒物質被截留在濾池表面及填料空隙中，同時，生長的過量微生物也聚集在生物曝氣濾池表面和填料的空隙中。隨著處理過程的持續運行，填料的空隙度減小。這對生物曝氣濾池的運行有以下兩方面的影響：
(1)加大了透過濾池的水頭損失；
(2)加大了對水流的剪應力。
最后，總的水頭損失可能達到或接近使設計流量通過生物曝氣濾池所必須的水頭或是出現顆粒穿透。在這兩種可能情況任一種出現之前，生物曝氣濾池即應停止運行進行清洗。
反沖洗是維持生物曝氣濾池功能的關鍵，其基本要求是：在較短的反沖洗時間內，使填料得到清洗，恢復其除污能力。反沖洗的質量對出水水質、工作周期、運行狀況的影響很大。
美國H.D.Stensel等人在生產性試驗中采用氣水聯合反沖洗方式。其反沖洗順序為：先單獨氣反沖洗，再氣水聯合反沖洗，停止清洗30s,最后用水反沖洗。在進水管、出水管、曝氣管、反沖洗水管和氣管上安裝自動閥門，通過微機進行自動控制。
生物曝氣濾池通常運行一天沖洗一次，從而保證了過濾順利進行。反沖洗水量為進水水量的7％～10％，沖洗后的水平均TSS濃度為1 500mg/L。
對于生物曝氣濾池，控制好氣水反沖洗強度顯得尤為重要，過低達不到反沖洗的目的，過高會使生物膜嚴重脫落，造成填料層內生物量減少，以致影響處理效果，并易造成填料的破損、流失及增加不必要的反沖洗耗水量、耗電量。反沖洗濾層的膨脹率較小，約為10%左右。
法國OTV公司調查的污水廠生物曝氣濾池反沖洗的空氣和水強度見表5：
表5 氣水反沖洗強度
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反沖洗氣 |
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反沖洗水 |
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6 氧的利用與需氧量
生物曝氣濾池中的氧的利用率是活性污泥法的2倍。有人認為，這是由于填料具有均勻細小，彎彎曲曲而又互不連通的孔洞，可以容納向上移動的氣泡。氣泡的滯留時間比較長。
活性污泥法的耗氧量為0.8kgO2/kgTBOD～1.0kgO2/kgTBOD。生物曝氣濾池中的耗氧量低于活性污泥法，這是因為活性污泥法中的污泥產量比較高。
生物曝氣濾池中的需氧量可用式(2)計算：
OR＝0.82×ΔSBOD／TBOD＋0.32×X0/TBOD ?。?）
式中 OR——單位重量的TBOD所需的氧量，kgO2/kgTBOD；
X0——進水懸浮物的濃度，mg/L；
ΔSBOD——去除的可溶性BOD濃度，mg/L。
在試驗中，ΔSBOD/TBOD=0.2
X0/TBOD=1.3
可得出 OR＝0.58
據試驗結果統計，OR取值范圍0.42～0.8，平均為0.51kgO2/kgTBOD。
7 工程實例
生物曝氣濾池在歐洲已廣泛用于污水處理。在美國生物曝氣濾池被稱為是二級處理設施的更新換代產品。美國目前有5個生產性生物曝氣濾池，規模為750m3/d～7 570m3/d。在法國已經運行的和正在建設的已有15個生物曝氣濾池，服務人口數范圍為20 000～200 000。
OTV公司建的第一座生物曝氣濾池在法國Soissons。它呈環狀，中心是清水井，儲存處理過的水并用于反沖洗。它的服務人口數為40 000，用于處理城市污水和工業廢水。表6為其運行數據(均為平均數)。
表6 運行數據
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水力負荷 |
0.69m3/(m2 . d) |
出水COD濃度 |
61mg/L |
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進水量 |
3 460m3/d |
廢水溫度 |
13.7℃ |
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BOD5負荷 |
1.74kg/(m3 . d) |
反沖洗水量(進水量 |
33.2% |
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COD負荷 |
3.22kg/(m3 . d) |
||
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NH3－N負荷 |
0.32kg/(m3 . d) |
進水TSS濃度 |
111mg/L |
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進水BOD5濃度 |
161mg/L |
出水TSS濃度 |
10mg/L |
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出水BOD5濃度 |
10mg/L |
進水NH3－N濃度 |
30mg/L |
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進水COD濃度 |
299mg/L |
出水NH3－N濃度 |
8mg/L |
8 結論
綜上所述，生物曝氣濾池具有處理能力強，處理效果好，不需要二次沉淀池等較突出的優點。生物曝氣濾池與生物濾池相比，占地面積小，不易堵塞；與生物接觸氧化法相比，生物膜薄，活性相對較高，且無需設置二沉池；與生物流化床相比，動力消耗低，不需要生物膜與載體顆粒的分離和載體顆粒的循環系統，運轉操作比較簡單。因此，生物曝氣濾池工藝技術值得在我國廢水處理實踐中引進推廣。
筆者以火山巖為填料進行了生物曝氣濾池處理生活污水的試驗研究，當進水COD=137mg/L～229mg/L，BOD＝98mg/L～150mg/L，SS＝77mg/L～138mg/L時，當有機負荷為3.50kgBOD5/(m3 . d)，氣水比為6，反沖洗周期為24h時，處理出水可以達到我國《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)COD<60mg/L，BOD5<20mg/L,SS<20mg/L的要求。