某工程曝氣生物濾池填料與污泥粘連堵塞問題探討

管錫珺，曹宇浩，陳計洋，胡文韜，陳彥昭(青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266033)

曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，BAF)是20世紀80年代末在歐美興起的一種生物膜處理技術，兼有生物化學反應和過濾雙重功能，既可以有效去除水中的懸浮物和有機污染物，也可以脫氮除磷和去除有害物質[1].該工藝集曝氣、高濾速、截留懸浮物、定期反沖洗于一體，不需設置二沉池，具有容積負荷高、占地面積小、運行費用低、抗沖擊負荷能力強、自動化程度高等優點，在世界各地都有著廣泛的應用[2].在設計時需要嚴格把控濾料的選擇、有機負荷、水力負荷、氣水比、反沖洗等方面，如果施工設計人員對其運行機理和使用方式了解不夠，設計出錯，就會出現濾料堵塞、跑泥、出水水質惡化等問題，甚至導致運行失敗.

本文針對日照某醫院曝氣生物濾池項目曝氣時出水量少、濾料堵塞、出水水質惡化等問題進行分析研究，提出解決方案，以期能給同行業設計及施工管理人員以啟示和幫助，在以后的施工管理過程中能夠規范建造，及時發現和應對相關問題.

1 項目概述

圖1 污水處理站工藝流程

圖2為改造前曝氣生物濾池的剖面示意，池內底部為承托層，內設布氣系統；上部作為濾料的填料層.項目整體采取地埋式設計，池體采用鋼筋混凝凝土結構；濾池平面布局采用雙格組合，單格底部尺寸為4.8 m×4.8 m，高度為6.8 m；填料層填料為生物陶粒，陶粒粒徑為5 mm，相對密度1.1，整個填料層厚度為2.4 m.

圖2 改造前曝氣生物濾池剖面示意

項目建成投產運行一段時間后發現，在正常進水曝氣時，排水管出水量較少，曝氣池內水位逐漸上升，部分水通過反沖洗管道流入集水池；一旦停止曝氣，出水管處開始迅速出水，但出水水質較差.進行反沖洗后正常進水曝氣，出水短暫恢復正常后很快又出現上述問題.其根本原因為濾層堵塞嚴重，大量固體懸浮物和過量污泥粘連在濾料之間，在曝氣時產生氣泛現象，大部分進水無法通過濾層進行過濾，使水位上升，直接通過反沖洗水排放管流出；停止曝氣后水流可通過填料間隙流出，但進水與生物膜接觸面積有限，導致出水水質不達標.

2 問題原因與解決方法

2.1 問題原因探討

參閱常規資料發現國內鮮有關于BAF濾料層堵塞研究的相關論文，通過調研國內相同工藝的污水處理廠，發現沈陽仙女河污水處理廠及大連馬欄河污水廠均出現過濾池堵塞的情況，由此可見濾層堵塞是曝氣生物濾池的共有問題，根據以往工程經驗，有多種因素可能造成曝氣生物濾池堵塞，主要的影響因素有：進水水質、填料粒徑、反沖洗效果等.

2.1.1 進水水質

曝氣生物濾池對進水水質具有較高要求，需要嚴格控制進水有機物與固體懸浮物濃度，故曝氣生物濾池一般需要設置初沉池控制進水水質.進水懸浮物(SS)濃度過高會導致濾料層很快被堵塞，縮短運行周期，增加反沖洗頻率，根據運行經驗，曝氣生物濾池進水SS以不超過100 mg/L為宜，最好控制在60 mg/L以下；有機物濃度過高會導致有機物在生物降解過程中微生物大量繁殖，產生過量污泥，造成濾料層的堵塞，給反沖洗帶來難度，根據運行經驗，BOD5濃度在400 mg/L以下較為合適[3].

現場對格柵進行檢查，發現并無堵塞情況，取水解池出水進行檢測，檢測結果如圖3所示，7 d中平均SS濃度為46 mg/L，BOD5濃度為330 mg/L.由此排除進水水質對曝氣生物濾池堵塞的影響.

2.1.2 填料粒徑

雖然有的企業已經對每一個重要的崗位都制定了明確的崗位說明書，但是最基礎的崗位責任說明書并沒有得到最佳的使用效果，反而成為基層為了應付上級檢查的一項工具。例如：A企業缺乏完善而健全的財務風險內部控制措施，從而導致制度的執行力嚴重不足；作為企業的財務主管在執行財務風險控制制度時也不求甚解，不進行深入挖掘，從而導致企業各種潛在的風險問題和隱患逐漸增加。

曝氣生物濾池的濾料不僅要滿足強度、耐磨、耐水、耐腐蝕等方面的要求，還要有合適的粒徑.濾料的粒徑關系到處理效果的好壞和運行周期的長短.粒徑越小，處理效果越好，但因其孔隙小易被堵塞，會使運行周期縮短，降低反沖洗的效果.濾料使用時間久會導致部分濾料破碎，使濾料間孔隙過小，在濾料層出現積泥現象[4].

針對這種可能的情況，現場取樣發現陶粒完整無破損，核實了濾料級配，觀察反沖洗出水，并未發現濾料流失，綜上分析，基本排除濾料問題.

2.1.3 反沖洗效果

曝氣生物濾池運行一段時間后，由于生物膜厚度和濾床內截留懸浮物增加，使過濾阻力和水頭損失增加，因此需要定期進行反沖洗，去除多余的生物膜與SS.曝氣生物濾池的反沖洗效果對其運行周期和出水水質都有影響：若沖洗不充分，濾池運行周期將會縮短，造成濾池堵塞，處理效能無法充分發揮；若反沖洗過量，則會導致濾料表面的生物膜大量脫落，生物量不足，濾池處理效果下降，出水水質變差[5].

通過核算濾池面積與反沖洗泵出水流量，初步發現反沖洗強度不足，無法使濾料與污泥分離，因此，需對曝氣生物濾池進行改造，以恢復其處理能力.

2.2 理論探討

對于陶粒組成的單層濾料，反沖洗強度一般取5～10 L/(m2·s)[6]，反沖洗水量可由式(1)求得：

q=W×S

(1)

式中：q為反沖洗水量，L/s；W為反沖洗強度，取5 L/(m2·s)；S為濾池底面積，m2.

取反沖洗強度要求的最低值，計算得到反沖洗水最低需水量為q=5×4.8×4.8=115.2 L/s.

表1為現場反沖洗泵的型號及其部分性能參數，反映了反沖洗泵在不同揚程下所能提供的流量大小.對于反沖洗泵而言，其揚程由水力提升高度和管道水頭損失組成.以水泵的水力提升高度為揚程的0.8來計算，若要達到反沖洗出水管口6.4 m的提升高度，反沖洗泵只能提供83 L/s的水量，無法滿足反沖洗強度的要求，這就導致污泥沉積在反應池內.而曝氣生物濾池主要利用陶粒中的微生物進行脫氮除磷，懸浮污泥作用很小，過量的污泥沉積在池中，就會造成出水水質的惡化.

表1 反沖洗泵型號及性能參數

因為污泥沉積的太多，反沖洗強度不夠，無法使濾層膨脹呈流態化，只能在濾料之間沖出一條條水流通道，反沖洗只能清洗這一部分通道.曝氣時，水從上方流下，曝氣管由下而上曝氣，由于氣體流道集中、流速過大，把通道堵住使水無法流下，造成氣泛現象.而在不曝氣時，水可以通過通道流出，導致曝氣出水量少而停止曝氣時迅速出水，同時因為積泥太多，水只能從通道流出使水與濾料的接觸面積有限，使水質無法達標.

2.3 解決方法與效果

曝氣生物濾池堵塞的根本原因是反沖洗泵所提供的反沖洗強度不足，由式(1)可知，在不改變濾池面積的情況下，只有增加反沖洗水的流量才可加大反沖洗強度.加大反沖洗水流量有兩種方法，一是更換大流量泵，二是降低現有泵的靜揚程，從而提升現有泵的流量.根據以上思路，提出3種解決方案：

1) 更換大流量泵.優點是不需要對現有土建設施進行改造，可以快速解決問題，但缺點是更換新泵費用較高，舊泵被閑置造成浪費.

2) 降低排水管高度.優點是不需要更換反沖洗泵，缺點是地埋式結構改造難度大，需對管道重新鋪設，施工量大，施工周期長.

3) 附加潛水泵.在原出水口下1 m附加1臺潛水泵，將反沖洗水從原排水口排出改為由潛水泵抽出，改造后反沖洗泵出水流量為125 L/s，反沖洗強度為5.6 L/(m2·s)，可滿足曝氣生物濾池對反沖洗強度的要求.此方案相比上述兩方案工程量小，改造時間短，成本低.

綜上所述，最終選擇方案3作為本項目的解決方案，改造后曝氣生物濾池示意如圖4所示.采取了上述處理方法后，曝氣生物濾池出水正常，各項指標滿足出水要求，驗證了之前的推論.

圖4 改造后曝氣生物濾池剖面示意

3 結論

1) 若其他曝氣生物濾池出現文中類似現象，管理方應優先核算濾池的反沖洗強度是否達到要求.

2) 設計人員在設計建造相關構筑物之前，需要對其運行基本原理進行必要了解，必須在經過完整計算后再出圖.

3) 管理人員要定期檢查濾池的透水性，可在濾池進水端安裝流量計，在濾板下安裝壓力送變器，及時了解濾池的水頭損失及透水性.

4) 要控制進水的SS濃度.要定期檢查格柵和水解調節池的運行情況，保證進水SS不超過濾池的設計能力.

5) 按需求選用合適濾料，不可以次充好，定期檢查濾料是否平整均勻.