BIOSMED I生物濾池工藝在唐山北郊再生水深度處理中的應(yīng)用

孔凡博

(唐山城市排水有限公司，河北唐山 063000)

0 引言

隨著水資源緊缺問題的日益凸顯，污水的再生循環(huán)使用，已經(jīng)是實(shí)現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。再生水深度處理的效果會(huì)影響再生水的水質(zhì)和后續(xù)循環(huán)使用的效能。目前，常用于再生水深度處理的工藝主要有膜生物處理+弱酸樹脂處理和曝氣生物處理+石灰混凝過濾處理。唐山北郊污水處理廠采用BIOSMEDI曝氣生物濾池對(duì)污水廠的二級(jí)出水進(jìn)行深度處理，處理后的水用作工業(yè)循環(huán)冷卻用水。該工程為BIOSMEDI生物濾池工藝在再生水處理中首例應(yīng)用，運(yùn)行效果良好。

1 BIOSMEDI基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

1.1 濾池結(jié)構(gòu)

BIOSMEDI濾池是一種淹沒式上向流生物濾池，其濾料為懸浮細(xì)小顆粒。每個(gè)濾池有以下幾部分組成：（1）濾池頂部的濾板；（2）根據(jù)工藝要求的濾床；（3）曝氣管道系統(tǒng)；（4）獨(dú)特的脈沖反沖洗系統(tǒng)及排泥系統(tǒng)；（5）配水、出水收集系統(tǒng)及回流系統(tǒng)。濾池構(gòu)造如圖1所示。

圖中：（1）進(jìn)水管及閘門；（2）出水管；（3）排泥管及閥門；（4）反沖洗進(jìn)氣管；（5）放氣管及閥門；（6）穿孔曝氣管；（7）氣囊 ；（8）進(jìn)水、氣區(qū)域；（9）輕質(zhì)濾層；（10）蓋板；（11）倒濾頭；（12）中空管；（13）清水區(qū)域；（14）混凝土板。

圖1 BIOSMEDI生物濾池構(gòu)造圖

1.2 運(yùn)行原理

1.2.1 硝化除氮

污水經(jīng)提升泵房提升生物濾池進(jìn)水總渠，然后分配至每組生物濾池進(jìn)水管，每組生物濾池進(jìn)水管將污水送至濾池底部，污水與來自鼓風(fēng)機(jī)房的空氣一同自下而上以一定的流速流經(jīng)生物濾料。濾料上長滿生物膜，污水與生物膜相接觸，在生物膜微生物的作用下，污水得到凈化。同時(shí)充滿濾料的濾床可以有效的截留水中的懸浮物質(zhì)，從而使污水能得到進(jìn)一步澄清。

由于微生物的不斷繁殖，生物膜逐漸增厚，超過一定厚度后，吸附的有機(jī)物，在傳遞到濾料表面的微生物之前，已被代謝。此時(shí)，濾料表面的內(nèi)層微生物因得不到有機(jī)營養(yǎng)而進(jìn)入內(nèi)源代謝，失去其粘附在濾料上的性能，脫落下來。這時(shí)濾池則需要進(jìn)行沖洗，沖洗水采用生物濾池出水，沖洗空氣由專用鼓風(fēng)機(jī)供給。

該工程的BIOSMEDI生物濾池只具有硝化功能，污水首先進(jìn)入濾池，在此由硝化菌進(jìn)行反硝化反應(yīng)，將回流水中的硝基氮去除；然后進(jìn)入好氧區(qū)，在此將含碳污染物分解，同時(shí)將氨氮轉(zhuǎn)化為硝基氮，再通過頂部的濾板或?yàn)V網(wǎng)出水，排放。

隨著生化反應(yīng)的深入和生物膜的不斷生長，濾床開始逐步堵塞，此時(shí)濾池底部的進(jìn)水閥關(guān)閉，進(jìn)行脈沖反沖洗和氣水反沖，反沖洗后結(jié)束后，污泥進(jìn)入濾池下部，通過排泥管排到一個(gè)集水池中，然后由泵輸送到單獨(dú)的處理構(gòu)筑物進(jìn)行處理。

1.2.2 濾池反沖洗

具體沖洗流程如下：首先打開濾池下部的反沖洗氣管，在濾層下部形成一段氣墊層，當(dāng)氣墊層達(dá)到一定高度后，此時(shí)瞬時(shí)通過閥門迅速排空氣墊層中的空氣，此時(shí)濾層中從上到下的水流量瞬時(shí)加大，導(dǎo)致濾料層突然向下膨脹，從而把附著在濾料上的懸浮物質(zhì)脫落，經(jīng)濾池截留的污泥進(jìn)入濾池底部，再打開排泥閥，排除濾池底部污泥，從而可有效地達(dá)到清潔濾料的目的。

2 工程設(shè)計(jì)與運(yùn)行

2.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

北郊再生水深度處理廠規(guī)模為5萬t/d，2007年4月開工，2008年初投入運(yùn)行，污水處理廠的工藝為三槽式氧化溝工藝，出水滿足國家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。北郊再生水深度處理廠進(jìn)水為北郊污水處理廠的二級(jí)處理出水，出水用作工業(yè)循環(huán)冷卻水。設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)如表1所列。

2.2 深度處理的工藝流程

該工程深度處理的工藝流程為：污水處理廠二級(jí)出水經(jīng)提升泵房提升后，由分配水管均勻布水至BIOSMEDI生物濾池，生物濾池出水經(jīng)加氯加藥后進(jìn)入纖維濾池，進(jìn)一步分離截留后進(jìn)入清水池，然后經(jīng)提升泵房加壓后輸送至用水戶。具體流程如圖2所示。

2.3 BIOSMEDI生物濾池的設(shè)計(jì)參數(shù)

生物濾池共一座，設(shè)計(jì)水量為7.7萬m3/d，濾池共16格，分6組運(yùn)行，其中4組為3格濾池，2組為2格濾池，每組可單獨(dú)運(yùn)行。單格濾池面積為70.2 m2。為了有效去除氨氮，保證出水水質(zhì)，濾池采用水力負(fù)荷為2.48 m3/m2·h，NH3-N填料負(fù)荷為0.371 kgNH3-N/m3，水力停留時(shí)間為1.15 h。整個(gè)濾池設(shè)有進(jìn)水總渠，進(jìn)水分配溢流堰和出水總管，每格濾池通過溢流堰跌落均勻配水。每格濾池上均設(shè)有進(jìn)水管、排泥管、放氣管、曝氣管和放空管等。每格濾池的清水區(qū)采用管道連接，通過閥門啟閉控制反沖洗時(shí)濾池上部出水相互補(bǔ)充。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)一覽表

圖2 深度處理流程圖

生物濾池配置羅茨風(fēng)機(jī)3臺(tái)，供生物濾池曝氣風(fēng)量，2用1備，單臺(tái)風(fēng)機(jī)Q=55m3/min，H=6.0m，參考功率P=90 kW，氣水比可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整為(1.0～2.0)：1。配置濾料反沖洗風(fēng)機(jī)2臺(tái)，1用1備，單臺(tái)風(fēng)機(jī)Q=6.0 m3/min，H=6.0 m，參考功率P=4.5 kW。該工程另配備空壓機(jī)2臺(tái)，1用1備，用于各種氣動(dòng)蝶閥的啟動(dòng)，單機(jī)Q=0.3m3/min，參考功率P=4.5 kW。

生物濾池的反沖洗過程由PLC控制。每組濾池分別反沖洗，反沖洗周期為1～2 d(具體沖洗頻率需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整)。

2.4 運(yùn)行效果分析

再生水深度處理廠于2008年初投入運(yùn)行，采用連續(xù)進(jìn)水自然掛膜。在工程穩(wěn)定運(yùn)行期間，考察了2013年1月1日至2013年12月31日一年運(yùn)行期內(nèi)，BIOSMEDI生物濾池對(duì)CODCr、NH4+-N、TP的去除效果，工程運(yùn)行結(jié)果如表2所列。

由表2可知，BIOSMEDI生物濾池對(duì)CODCr的去除率為19.7%～38.9%，平均值為27.8%，去除效果一般，可能的原因是由于：（1）水力停留時(shí)間較短；（2）進(jìn)水為污水處理廠二級(jí)出水，水中難生物降解物質(zhì)所占比例較高。濾池全年出水CODCr濃度為15～50 mg/L，平均值為29 mg/L，滿足出水水質(zhì)要求。

生物濾池對(duì)NH4+-N的去除主要是通過濾料上附著微生物的硝化作用，掛膜成功后，濾料表面形成具有一定厚度的致密的生物膜，對(duì)外界環(huán)境變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。如表2所示，1～10月份，BIOSMEDI生物濾池對(duì)NH4+-N的平均去除率為13.0%～34.8%，出水濃度為2.74～5.31 mg/L，出水水質(zhì)較為穩(wěn)定，表明在適宜的運(yùn)行條件下，BIOSMEDI生物濾池中生物系統(tǒng)具有穩(wěn)定的硝化效果。在11、12月份，隨進(jìn)水NH4+-N濃度的增加，出水NH4+-N增加至9.79～12.55 mg/L，BIOSMEDI生物濾池對(duì)NH4+-N的去除率下降至3.94%，硝化作用明顯降低。可能是因?yàn)椋海?）硝化菌生長繁殖緩慢，當(dāng)進(jìn)水NH4+-N濃度增加時(shí)，系統(tǒng)的硝化活性短時(shí)間內(nèi)沒有提升，對(duì)NH4+-N的去除量有限；（2）硝化菌的硝化活性受溫度影響較大，我國北方冬季氣溫較低，對(duì)工程的運(yùn)行效果有一定影響。

許多文獻(xiàn)認(rèn)為在生長致密的生物膜內(nèi)部，由于空氣無法滲入，存在部分厭氧區(qū)，為生物除磷提供了可能。正常運(yùn)行中，僅僅依靠生物作用，除磷效果不佳，還需要化學(xué)輔助除磷。該工程中通過定量投加絮凝劑來輔助除磷，結(jié)果如表2所示，TP的去除率為6.8%～48.0%，平均值為20.6%。

工程運(yùn)行結(jié)果表明：BIOSMEDI生物濾池對(duì)NH4+-N具有穩(wěn)定的去除效果，同時(shí)對(duì)CODCr、TP均有一定的截留作用，出水水質(zhì)滿足要求，工程達(dá)到了預(yù)期效果。

2.5 工程效益分析

工程處理成本主要包括提升泵房動(dòng)力費(fèi)、生物濾池曝氣及反沖洗動(dòng)力費(fèi)，以及加氯加藥的藥劑費(fèi)。根據(jù)多年運(yùn)行成本分析，工程直接處理成本為0.12元/噸水。

3 工程特點(diǎn)分析

3.1 較高的去除效率及濾速

該工藝采用顆粒濾料濾池，單位體積內(nèi)附著的生物量大，增大了生物濾池的容積負(fù)荷，使生物濾池去除效率大大提高；另外，運(yùn)行過程中，強(qiáng)烈的水、氣流作用，以及在周期性的反沖洗作用下，生物膜內(nèi)的生物大多停留在細(xì)菌、菌膠團(tuán)、原生生物階段，一些附著型生物及水生生物難以在濾料內(nèi)生長，而且由于生物膜厚度較薄，可維持較高的活性，有利于對(duì)水中污染因子的去除。

相對(duì)傳統(tǒng)的生物濾池，該生物濾池可以達(dá)到較高濾速，在水力停留時(shí)間20～30 min的情況下，即可達(dá)到滿意的去除效果。

3.2 較小的濾層阻力

該生物濾池采用氣水同向流，相對(duì)于傳統(tǒng)的氣水異向流顆粒濾料濾池，在保證去除效果的條件下，可以允許較高的濾速，一方面可提高濾池內(nèi)傳質(zhì)效果，提高處理效率，可降低工程投資費(fèi)用及占地面積；另一方面避免了氣水逆向流時(shí)水流速度和氣流速度的相對(duì)抵消而造成能量的浪費(fèi)。另外，該工藝濾料粒徑較均勻，濾層的孔隙率較大，濾池運(yùn)行時(shí)的水頭損失較小。由于其濾層阻力小，據(jù)試驗(yàn)，在相同條件下，采用該濾料濾池的水頭損失明顯低于不規(guī)則陶粒濾池的水頭損失，且濾層的阻力可促使布水、布?xì)饩鶆颍诔Ｒ?guī)情況下，濾層的阻力損失不超過0.5 m。

表2 工程運(yùn)行結(jié)果一覽表（單位：mg/L）

3.3 較強(qiáng)的抗阻塞能力

濾池對(duì)進(jìn)水的懸浮物質(zhì)要求相對(duì)較低，濾池為上向流，不需要嚴(yán)格的均勻配水，對(duì)于原水中含有易造成濾池堵塞的物質(zhì)，不會(huì)對(duì)濾池的運(yùn)行造成影響。另外，由于濾池頂部采用蓋板，又可使濾層內(nèi)部不透陽光，從而有效地防止藻類生長。

3.4 較高的氧利用效率

傳統(tǒng)生物預(yù)處理多采用微孔曝氣器，目的是增加氧利用率，微孔曝氣器容易堵塞、易損壞，檢修困難。由于該濾池濾料對(duì)氣泡有剪切和阻擋作用，有利于氧氣的傳質(zhì)，大大提高了充氧效率，從而減少用氣量，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)布?xì)饪刹捎么┛坠懿細(xì)饧纯桑粌H可節(jié)省工程投資，而且曝氣設(shè)備的維修和管理又比較方便。

3.5 性能優(yōu)良的濾料

所用濾料具有來源廣泛、濾料比表面積大、表面適宜微生物生長化學(xué)穩(wěn)定性好。

填料比表面積可達(dá)1 000～1 500 m2/m3，單位體積內(nèi)附著的生物量大，大大增大了生物濾池的容積負(fù)荷，使生物濾池去除效率大大提高，在溫度10℃以上時(shí)，氨氮去除負(fù)荷可大于0.5 kg NH3-N/m3填料·d；濾料比表面積大，有利于氧氣的傳質(zhì)，大大提高了充氧效率，布?xì)饪刹捎么┛坠懿細(xì)饧纯桑?jié)省工程投資。

3.6 獨(dú)特的脈沖反沖洗形式

由于濾料介質(zhì)輕，傳統(tǒng)的水反沖、氣水反沖均難以奏效，該濾池采用獨(dú)特的脈沖反沖洗形式，反沖洗過程漂洗水可采用濾池出水，不需要專門的反沖洗水泵及鼓風(fēng)機(jī)。采用脈沖反沖洗方法，有利于增強(qiáng)反沖洗效果，同時(shí)反沖洗時(shí)耗水量、耗氣量小，是一種高效、低能耗的反沖洗形式。此外，反沖洗可采用破壞虹吸控制方式對(duì)濾池進(jìn)行自動(dòng)連續(xù)脈沖反沖洗。

4 總結(jié)

BIOSMEDI生物濾池用于再生水深度處理，工程運(yùn)行達(dá)到預(yù)期效果。當(dāng)進(jìn)水NH4+-N濃度在5～10 mg/L時(shí)，NH4+-N去除效率為35%左右，處理效果較為穩(wěn)定，出水滿足水質(zhì)要求。與常規(guī)工藝相結(jié)合，對(duì)CODCr、TP均具有一定的截留效果，保證了良好的出水水質(zhì)。

通過多年運(yùn)行分析總結(jié)，認(rèn)為BIOSMEDI生物濾池具有濾速高，濾料性能優(yōu)，反沖洗方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于再生水深度生化處理。

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