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)是實現(xiàn)水資源可持續(xù)發(fā)展的一種經(jīng)濟有效的手段。再生水深度處理的效果會影響再生水的水質(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曝氣生物濾池對污水廠的二級出水進行深度處理，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，運行效果良好。

1 BIOSMEDI基本結(jié)構(gòu)及運行原理

1.1 濾池結(jié)構(gòu)

BIOSMEDI濾池是一種淹沒式上向流生物濾池，其濾料為懸浮細小顆粒。每個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）進水管及閘門；（2）出水管；（3）排泥管及閥門；（4）反沖洗進氣管；（5）放氣管及閥門；（6）穿孔曝氣管；（7）氣囊 ；（8）進水、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水總渠，然后分配至每組生物濾池進水管，每組生物濾池進水管將污水送至濾池底部，污水與來自鼓風(fēng)機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，吸附的有機物，在傳遞到濾料表面的微生物之前，已被代謝。此時，濾料表面的內(nèi)層微生物因得不到有機營養(yǎng)而進入內(nèi)源代謝，失去其粘附在濾料上的性能，脫落下來。這時濾池則需要進行沖洗，沖洗水采用生物濾池出水，沖洗空氣由專用鼓風(fēng)機供給。

該工程的BIOSMEDI生物濾池只具有硝化功能，污水首先進入濾池，在此由硝化菌進行反硝化反應(yīng)，將回流水中的硝基氮去除；然后進入好氧區(qū)，在此將含碳污染物分解，同時將氨氮轉(zhuǎn)化為硝基氮，再通過頂部的濾板或濾網(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，此時濾池底部的進水閥關(guān)閉，進行脈沖反沖洗和氣水反沖，反沖洗后結(jié)束后，污泥進入濾池下部，通過排泥管排到一個集水池中，然后由泵輸送到單獨的處理構(gòu)筑物進行處理。

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)氣墊層達到一定高度后，此時瞬時通過閥門迅速排空氣墊層中的空氣，此時濾層中從上到下的水流量瞬時加大，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，從而可有效地達到清潔濾料的目的。

2 工程設(shè)計與運行

2.1 設(shè)計進出水水質(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，出水滿足國家二級排放標(biāo)準(zhǔn)。北郊再生水深度處理廠進水為北郊污水處理廠的二級處理出水，出水用作工業(yè)循環(huán)冷卻水。設(shè)計進出水水質(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)加氯加藥后進入纖維濾池，進一步分離截留后進入清水池，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)計參數(shù)

生物濾池共一座，設(shè)計水量為7.7萬m3/d，濾池共16格，分6組運行，其中4組為3格濾池，2組為2格濾池，每組可單獨運行。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)，濾池采用水力負荷為2.48 m3/m2·h，NH3-N填料負荷為0.371 kgNH3-N/m3，水力停留時間為1.15 h。整個濾池設(shè)有進水總渠，進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濾池上部出水相互補充。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)一覽表

圖2 深度處理流程圖

生物濾池配置羅茨風(fēng)機3臺，供生物濾池曝氣風(fēng)量，2用1備，單臺風(fēng)機Q=55m3/min，H=6.0m，參考功率P=90 kW，氣水比可以根據(jù)實際需要調(diào)整為(1.0～2.0)：1。配置濾料反沖洗風(fēng)機2臺，1用1備，單臺風(fēng)機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2臺，1用1備，用于各種氣動蝶閥的啟動，單機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)實際情況調(diào)整)。

2.4 運行效果分析

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

由表2可知，BIOSMEDI生物濾池對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）水力停留時間較短；（2）進水為污水處理廠二級出水，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，對外界環(huán)境變化具有較強的適應(yīng)能力。如表2所示，1～10月份，BIOSMEDI生物濾池對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NH4+-N的去除率下降至3.94%，硝化作用明顯降低。可能是因為：（1）硝化菌生長繁殖緩慢，當(dāng)進水NH4+-N濃度增加時，系統(tǒng)的硝化活性短時間內(nèi)沒有提升，對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，對工程的運行效果有一定影響。

許多文獻認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%。

工程運行結(jié)果表明：BIOSMEDI生物濾池對NH4+-N具有穩(wěn)定的去除效果，同時對CODCr、TP均有一定的截留作用，出水水質(zhì)滿足要求，工程達到了預(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力費、生物濾池曝氣及反沖洗動力費，以及加氯加藥的藥劑費。根據(jù)多年運行成本分析，工程直接處理成本為0.12元/噸水。

3 工程特點分析

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荷，使生物濾池去除效率大大提高；另外，運行過程中，強烈的水、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菌、菌膠團、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，有利于對水中污染因子的去除。

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

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，可降低工程投資費用及占地面積；另一方面避免了氣水逆向流時水流速度和氣流速度的相對抵消而造成能量的浪費。另外，該工藝濾料粒徑較均勻，濾層的孔隙率較大，濾池運行時的水頭損失較小。由于其濾層阻力小，據(jù)試驗，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、布氣均勻，在常規(guī)情況下，濾層的阻力損失不超過0.5 m。

表2 工程運行結(jié)果一覽表（單位：mg/L）

3.3 較強的抗阻塞能力

濾池對進水的懸浮物質(zhì)要求相對較低，濾池為上向流，不需要嚴(yán)格的均勻配水，對于原水中含有易造成濾池堵塞的物質(zhì)，不會對濾池的運行造成影響。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)約運行費用，同時布氣可采用穿孔管布氣即可，不僅可節(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荷，使生物濾池去除效率大大提高，在溫度10℃以上時，氨氮去除負荷可大于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，布氣可采用穿孔管布氣即可，節(jié)省工程投資。

3.6 獨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。采用脈沖反沖洗方法，有利于增強反沖洗效果，同時反沖洗時耗水量、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濾池進行自動連續(xù)脈沖反沖洗。

4 總結(jié)

BIOSMEDI生物濾池用于再生水深度處理，工程運行達到預(yù)期效果。當(dāng)進水NH4+-N濃度在5～10 mg/L時，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)。

通過多年運行分析總結(jié)，認為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，適用于再生水深度生化處理。

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