w曝氣生物濾池的短程硝化反硝化機(jī)理研究

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。w曝氣生物濾池的短程硝化反硝化機(jī)理研究曝氣生物濾池的短程硝化反硝化機(jī)理研究曝氣生物濾池的短程硝化反硝化機(jī)理研究曝氣生物濾池是一種新型污水生物處理技術(shù)，具有占地面積小、處理效率高、能耗較低等特點(diǎn),可進(jìn)行模塊化應(yīng)用，在對(duì)有機(jī)物、SS和氮的去除等方面具有良好的效果1。 1 試驗(yàn)裝置與方法 1.1 試驗(yàn)裝置 模型曝氣生物濾池由有機(jī)玻璃加工而成，尺寸為50mm×80mm×2000mm，底部為100mm高的礫石承托層，填料選用粒徑為35mm的陶粒，填充高度為1600mm。承托層以上每隔150mm

2、設(shè)一個(gè)取樣口，共設(shè)9個(gè)。進(jìn)氣口位于距底部400mm處，壓縮空氣經(jīng)曝氣擴(kuò)散器進(jìn)入反應(yīng)器。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。1.2 試驗(yàn)方法 原水由淀粉、蛋白胨、牛肉膏、NH4Cl、KH2PO4、CaCl2?H2O、MgSO4.7H2O、FeSO4.7H2O、食用堿等按一定比例配制而成，其COD為86.61424.6mg/L、NH3-N為34.344.38mg/L、TN為41.2646.16mg/L、NO3-N為00.82mg/L、NO2-N為00.32mg/L、pH值為5.88.18、BOD5為56.31236.45mg/L，TP為46mg/L。 采用下向流進(jìn)水，氣水逆向流。反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)投加一定量的消化污泥作為種

3、泥，悶曝3d后改為連續(xù)流進(jìn)水，系統(tǒng)運(yùn)行15d后對(duì)COD和NH3-N的去除率分別達(dá)到75%和60%，至此標(biāo)志掛膜成功，試驗(yàn)分別在1、2m/h的濾速下進(jìn)行，氣水比為31，水溫為2126.5，定時(shí)測(cè)定反應(yīng)器進(jìn)、出水及曝氣處水樣的COD、NH3-N、TN、NO3-N、NO2-N、pH值、溶解氧以考察反應(yīng)器去除有機(jī)物和硝化反硝化的效能及反應(yīng)器內(nèi)含氮化合物的空間變化特點(diǎn)。分析項(xiàng)目均按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行。采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，按運(yùn)行時(shí)的水頭損失和處理效果確定沖洗強(qiáng)度及頻率，周期一般為2448h。 2結(jié)果及分析 2.1 處理效果 NH3-N 曝氣生物濾池對(duì)NH3-N的去除效果見(jiàn)圖2。 由圖2可知，在進(jìn)水COD負(fù)荷

4、為1.185.57kg/(m3*d)、NH3-N負(fù)荷為0.260.63kg/(m3*d)時(shí)，曝氣生物濾池出水的氨氮含量316mg/L，對(duì)NH3-N的平均去除率為81.4%。濾速為1、2m/h時(shí)反應(yīng)器對(duì)NH3-N的去除率沒(méi)有明顯變化，其中在運(yùn)行的第17天由于改變?yōu)V速而引起處理效率下降，但是很快在一個(gè)過(guò)濾周期內(nèi)即恢復(fù)到原有水平，這說(shuō)明在一定的負(fù)荷條件下濾速對(duì)硝化的效率影響較小，但在較高濾速下的出水水質(zhì)相對(duì)更穩(wěn)定一些。 TN 試驗(yàn)期間系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果見(jiàn)圖3。 圖3系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果由圖3可知，在進(jìn)水TN負(fù)荷為0.280.63kg/(m3*d)、濾速為12m/h的條件下，曝氣生物濾池對(duì)TN的去除

5、率可達(dá)60%左右，出水TN為12.3319.46mg/L。提高濾速對(duì)TN去除率有一定的影響，其原因可能是提高濾速則相應(yīng)地增加了曝氣量，從而抑制了反硝化細(xì)菌的活性。 COD 試驗(yàn)表明，曝氣生物濾池對(duì)COD的平均去除率為79.53%，最高可達(dá)90%以上。個(gè)別水樣的COD去除率有些下降，可能是進(jìn)水COD較低的原因，而出水COD大多在50mg/L以下(最低為15.87mg/L)，說(shuō)明反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果相當(dāng)穩(wěn)定，而濾速在12m/h內(nèi)變化對(duì)COD的處理效果沒(méi)有影響。 NO2-和NO3-含量的變化 曝氣處的NO2-和NO3-含量的變化見(jiàn)圖4。 由圖4可知，曝氣處的NO2-含量顯著高于NO3-含量，說(shuō)明

6、在反應(yīng)器內(nèi)部發(fā)生了NO2-的積累，而同期NH3-N的減少量卻明顯地高于NO2-和NO2-生成量之和，說(shuō)明這一過(guò)程中發(fā)生了反硝化作用。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，提高濾速會(huì)加快水頭損失的增加速度，相應(yīng)地增加反沖洗次數(shù)，而濾速為2m/h時(shí)的NO2-積累現(xiàn)象比濾速為1m/h時(shí)更加明顯，說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)的NO2-積累與反沖洗有關(guān)。 試驗(yàn)表明，出水的NO3-含量幾乎為零，NO2-含量在10mg/L左右(明顯高于NO3-含量)，其與圖4的結(jié)果相比，NO2-含量減少了約520mg/L，可以推測(cè)減少的NO2-主要經(jīng)反硝化作用去除。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，曝氣生物濾池在氨氧化過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的NO2-積累現(xiàn)象，而出水中NO2-的減少并未

7、帶來(lái)NO3-的增加，說(shuō)明對(duì)TN的去除主要是通過(guò)將NH3-N氧化成NO2-，進(jìn)而由反硝化細(xì)菌將NO2-直接反硝化形成N2逸出的短程硝化反硝化途徑進(jìn)行的。 2.2 結(jié)果分析 根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論，硝化過(guò)程的產(chǎn)物主要是NO3-N，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)NO2-的積累，但試驗(yàn)中對(duì)反應(yīng)器內(nèi)NO2-和NO3-含量的測(cè)定結(jié)果表明，單級(jí)曝氣生物濾池不僅在去除有機(jī)物的同時(shí)具有較好的脫氮能力，而且其機(jī)理不同于傳統(tǒng)硝化反硝化理論，此時(shí)氨氧化的產(chǎn)物主要是NO2-N，出水中NO2-N降低而NO3-N未見(jiàn)增加，說(shuō)明大部分NO2-并沒(méi)有進(jìn)一步被氧化為NO3-，而是被直接反硝化去除，表現(xiàn)出明顯的短程硝化反硝化特征。 3短程硝化反

8、硝化 含氮化合物的空間變化 試驗(yàn)期間對(duì)曝氣生物濾池內(nèi)各種不同含氮化合物含量沿水流方向的空間變化進(jìn)行了研究，采樣時(shí)間為反沖洗后6h、水溫為22、氣水比為31，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。 由圖5可知，NH3-N的減少與NO2-的增加表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，但在數(shù)量上卻沒(méi)有表現(xiàn)出穩(wěn)定的同步變化，與此同時(shí)的NO3-含量幾乎沒(méi)有變化(數(shù)量低且變化趨勢(shì)平穩(wěn))。從進(jìn)水到0.7m深的濾層處NH3-N的減少量稍高于NO2-和NO3-的生成量，隨后NH3-N量急劇下降，而NO2-的增幅卻明顯低于NH3-N減少量；到1m深的濾層處及往后的變化比較平穩(wěn)，而NO2-的含量在11.3m深的濾層處也達(dá)到了最大值，隨后表現(xiàn)出與NH3-N降

9、低相一致的變化趨勢(shì)。由圖5可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：a.曝氣生物濾池對(duì)NH3-N的去除主要集中于0.71m深的濾層處，另外在0.40.7m深的濾層和1.3m深的濾層以上也有一定的去除；b.NH3-N被氧化的主要產(chǎn)物是NO2-N，但NO2-N并沒(méi)有進(jìn)一步被氧化為NO3-N，而是直接被反硝化去除。在曝氣處(1.3m深的濾層處)附近區(qū)域出現(xiàn)明顯的NO2-積累現(xiàn)象，但在反應(yīng)器的最下段又急劇下降，說(shuō)明該區(qū)域氨氧化過(guò)程比較活躍，而NO2-氧化和反硝化能力較低主要是受曝氣作用所帶來(lái)的溶解氧濃度和紊流強(qiáng)度變化的影響。 短程硝化反硝化機(jī)理 近來(lái)的研究表明2、3，在一定條件下生物反應(yīng)器可以進(jìn)行短程硝化反硝化脫氮，即控制硝

10、化過(guò)程至產(chǎn)生NO2-階段，然后再由NO2-直接還原為N2逸出，或在厭氧或缺氧條件下由NO2-與NH3-N作用形成N2，實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮。試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)的反應(yīng)器中NO2-積累現(xiàn)象和較高的脫氮效能說(shuō)明在曝氣生物濾池中產(chǎn)生了短程硝化反硝化作用，而曝氣生物濾池獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行特點(diǎn)是其能夠進(jìn)行短程硝化反硝化脫氮的根本原因。曝氣生物濾池采用陶粒作為過(guò)濾和生物氧化的介質(zhì)和載體，進(jìn)水沿填料推流而下，但在填料空隙間則為局部紊流，因而在整體上和每一單元填料表面所附著生物膜中都存在著基質(zhì)和溶解氧的濃度梯度分布，也為各種不同生態(tài)類(lèi)型的微生物在生物膜內(nèi)不同部位占據(jù)優(yōu)勢(shì)生態(tài)位提供了條件。 4結(jié)論 同步脫氮除碳曝氣生物濾池

11、在濾速為12m/h、氣水比為(13)1、水溫為2126.5、進(jìn)水COD負(fù)荷為1.185.57 kg/(m3*d)、NH3-N負(fù)荷為0.260.62kg/(m3*d)、TN負(fù)荷為0.280.63kg/(m3*d)的條件下可以取得良好的去除有機(jī)物和脫氮效果，其COD、NH3-N和TN的去除能力分別為0.74.76、0.150.52和0.180.42kg/(m3*d)，表現(xiàn)出較強(qiáng)的同步除碳和脫氮能力。 曝氣生物濾池運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的NO2-積累現(xiàn)象，而出水連續(xù)檢測(cè)和在反應(yīng)器內(nèi)不同部位取樣分析均未發(fā)現(xiàn)NO3-N的相應(yīng)增加，與此同時(shí)對(duì)TN去除率卻較高， 說(shuō)明NH3-N被氧化為NO2-N后并沒(méi)有進(jìn)一步

12、被氧化為NO3-N，而是直接被反硝化去除，表現(xiàn)出顯著的短程硝化反硝化特征。 曝氣生物濾池能夠進(jìn)行短程硝化反硝化脫氮的原理在于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行方式。陶粒填料為異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌和反硝化細(xì)菌分別占據(jù)不同生態(tài)位、形成合理的微環(huán)境體系提供了有效的載體，較低的曝氣量和定期反沖洗又使得競(jìng)爭(zhēng)能力較弱的NO2-N氧化細(xì)菌不能在反應(yīng)器內(nèi)形成優(yōu)勢(shì)群體而被自然淘汰，因而氨氧化產(chǎn)生的NO2-N可直接被反硝化去除。 有關(guān)曝氣生物濾池短程硝化反硝化的機(jī)理、作用因子及其影響規(guī)律的研究尚需進(jìn)一步深入，同時(shí)試驗(yàn)中反應(yīng)器出水的NH3-N和NO2-N濃度還比較高，因此有關(guān)如何提高脫氮效能、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件的優(yōu)化研究將具有更重

13、要的工程意義和應(yīng)用價(jià)值。曝氣生物濾池的研究發(fā)展動(dòng)態(tài)一、曝氣生物濾池工藝發(fā)展和特點(diǎn) 曝氣生物濾池(biological aerated filter)與普通活性污泥法相比，具有有機(jī)負(fù)荷高、占地面積小(是普通活性污泥法的1/3 )、投資少(節(jié)約30%)、不會(huì)產(chǎn)生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)進(jìn)水SS要求較嚴(yán)(一般要求SS100 mg/L，最好SS60mg/L)，因此對(duì)進(jìn)水需要進(jìn)行預(yù)處理。同時(shí)，它的反沖洗水量、水頭損失都較大。世界上首座曝氣生物濾池于1981年在法國(guó)投產(chǎn)，隨后在歐洲各國(guó)得到廣泛應(yīng)用。美國(guó)和加拿大等美洲國(guó)家在20世紀(jì)80年代末引進(jìn)此工藝，日本、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣也先后引進(jìn)

14、了此項(xiàng)技術(shù)。目前世界上較大的環(huán)保公司如法國(guó)得利滿公司、德國(guó)菲力普穆勒公司、法國(guó)VEOLIA公司均把它作為拳頭產(chǎn)品在全世界推廣。在中國(guó)內(nèi)地，曝氣生物濾池正處于推廣階段。大連市馬欄河污水處理廠是我國(guó)第一個(gè)采用曝氣生物濾池工藝的城市污水處理廠（由東北市政院設(shè)計(jì)），廣東新會(huì)東郊污水處理廠采用了水解曝氣生物濾池污水處理工藝（由中冶馬院設(shè)計(jì)）。另外，我國(guó)一部分工業(yè)廢水的處理也采用了此項(xiàng)技術(shù)。國(guó)內(nèi)許多科研設(shè)計(jì)單位對(duì)曝氣生物濾池也進(jìn)行了試驗(yàn)研究。隨著曝氣生物濾池在世界范圍內(nèi)不斷推廣和普及，很多學(xué)者在其結(jié)構(gòu)形式、功能、啟動(dòng)和濾料等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究，取得了很多成果。二、國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況1. BIOSTYR

15、74;工藝BIOSTYR®是法國(guó)OTV公司的注冊(cè)水處理工藝技術(shù)，由于采用了新型輕質(zhì)懸浮填料- BIOSTYRENE(主要成分是聚苯乙烯，且比重小于1g/cm3)而得名。下面以去除BOD、SS并具有硝化脫氮功能的反應(yīng)器為例說(shuō)明其工藝結(jié)構(gòu)與基本原理。BIOSTYR®工藝是一種上向流生物濾池，是一種運(yùn)行可靠、自動(dòng)化程度高、出水水質(zhì)好、抗沖擊能力強(qiáng)和節(jié)約能耗的新一代污水處理革新工藝。BIOSTYR® 工藝是成熟/高效的一種污水生物處理工藝，其參與生物處理的生物附著在顆粒狀濾料上。污水通過(guò)濾料，其中含有的污染物被濾料表層上的生物膜降解轉(zhuǎn)化，同時(shí)，溶解狀態(tài)的有機(jī)物和特定物質(zhì)也

16、被去除，所產(chǎn)生的污泥保留在過(guò)濾層中，而只讓凈化的水通過(guò)，這樣可在一個(gè)密閉反應(yīng)器中達(dá)到完全的生物處理而不需在下游設(shè)置二沉池進(jìn)行固液分離。法國(guó)威立雅水務(wù)系統(tǒng)(前身為OTV)在淹沒(méi)式生物濾池領(lǐng)域擁有十幾年的工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并且在世界各地建設(shè)了100多座類(lèi)似工藝的污水處理廠，該工藝最先開(kāi)發(fā)時(shí)是用于二級(jí)和三級(jí)處理，而目前該工藝已經(jīng)可以和多種預(yù)處理工藝配合直接進(jìn)行生化處理，并且能夠達(dá)到很好的排放水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。濾池底部設(shè)有進(jìn)水和排泥管，中上部是填料層，厚度一般為2.53.5m，為防止濾料流失，濾床上方設(shè)置裝有濾頭的混凝土擋板，濾頭可從板面拆下，不用排空濾床，方便維修。擋板上部空間用作反沖洗水的儲(chǔ)水區(qū)，

17、其高度根據(jù)反沖洗水頭而定，該區(qū)內(nèi)設(shè)有回流泵用以將濾池出水泵至配水廊道，繼而回流到濾池底部實(shí)現(xiàn)反硝化,在不需要反硝化的工藝中則沒(méi)有該回流系統(tǒng)。填料層底部與濾池底部的空間留作反沖洗再生時(shí)填料膨脹之用。濾池供氣系統(tǒng)分兩套管路，置于填料層內(nèi)的工藝空氣管用于工藝曝氣，并將填料層分為上下兩個(gè)區(qū)：上部為好氧區(qū)，下部為缺氧區(qū)。根據(jù)不同的原水水質(zhì)、處理目的和要求，填料層的高度可以變化，好氧區(qū)、厭氧區(qū)所占比例也可有所不同。濾池底部的空氣管路是反沖洗空氣管。該工藝具有如下優(yōu)點(diǎn)：上向流濾池，底部渠道進(jìn)配水，頂部出水濾料比重小于1穿孔管曝氣，節(jié)省設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)濾頭在濾池的頂部，與處理后水接觸，易于維護(hù)重力反沖洗，無(wú)須

18、反沖洗水泵工藝空氣和反沖洗用氣共用鼓風(fēng)機(jī)曝氣管可布置在濾層中部或底部，在同一池中可完成硝化、反硝化功能2. Biofor®工藝Biofor®（生物過(guò)濾氧化反應(yīng)池）是得利滿水務(wù)繼滴濾池、Biodrof®干式過(guò)濾系統(tǒng)之后的專為污水處理廠設(shè)計(jì)的第三代生物膜反應(yīng)池。與其它類(lèi)型的生物過(guò)濾工藝相比， Biofor® 主要具有下列特性：向上流生物過(guò)濾待處理的水自濾池底部流至頂部，這個(gè)上流過(guò)濾在濾池的整個(gè)高度上持續(xù)提供正壓條件，與下向流過(guò)濾相比，這為向上流過(guò)濾提供了許多優(yōu)勢(shì)。使用特制的過(guò)濾及生物膜支持煤介：Biolite生物濾料 生物濾料將孔隙率、密度、硬度和耐磨損度等

19、完美的結(jié)合，以確保獲得很高的生物膜濃度和較大的截留能力，并加長(zhǎng)了運(yùn)行周期。高性能曝氣Biofor®采用了特制的曝氣頭：它不僅能高效的供氧，而且節(jié)約能源、使用安全、易于操作和維護(hù)。流體完全均勻的分布空氣和水流為同向流。Biofor®生物濾池的濾板配有特殊的25UB33e濾頭，該濾頭的防阻塞設(shè)計(jì)通過(guò)均勻的配水使過(guò)濾效果更加優(yōu)化。有效的沖洗沖洗操作為全自動(dòng)、可編程3BIOSMEDI工藝上海市政院鄒偉國(guó)等開(kāi)發(fā)了一種名為BIOSMEDI的曝氣生物濾池，它采用了脈沖反沖洗、氣水同向流的形式，可用于微污染源水預(yù)處理或污水深度處理。BIOSMEDI生物濾池是上海市政工程設(shè)計(jì)研究院針對(duì)微污染

20、原水開(kāi)發(fā)的一種新型生物濾池，該濾池以輕質(zhì)顆粒濾料為過(guò)濾介質(zhì)，濾料比重較小，一般約在0.1左右，粒徑的大小為45mm左右，比重及粒徑的大小可根據(jù)實(shí)際需要選擇確定，這種濾料具有來(lái)源廣泛、濾料比表面積大、表面適宜微生物生長(zhǎng)、價(jià)格便宜（300500元/米3）、化學(xué)穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。 BIOSMEDI生物濾池原理如圖1：濾池上部采用鋼筋混凝土板（板上采用倒濾頭出氣和水）抵制濾料的浮力及運(yùn)行的阻力。在濾層下部，用混凝土板或鋼板分隔在濾層下部形成氣囊，在反沖洗時(shí)下部形成空氣室。原水從進(jìn)水閥進(jìn)入氣室，通過(guò)中空管進(jìn)入濾層，在濾料阻力的作用下使濾池進(jìn)水均勻，空氣布?xì)夤馨惭b在濾層下部，空氣通過(guò)穿孔布?xì)夤苓M(jìn)行布?xì)?/p>

21、，經(jīng)過(guò)濾層去除水中的有機(jī)物、氨氮后，出水經(jīng)倒濾頭進(jìn)入上部清水區(qū)域排出。濾池反沖洗采用脈沖沖洗的方法，首先關(guān)閉進(jìn)水閥及曝氣管，打開(kāi)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)把氣墊層中的空氣通過(guò)閥門(mén)或虹吸的方法迅速排空，此時(shí)濾層中從上到下沖洗的水流量瞬時(shí)突然加大，導(dǎo)致濾料層突然向下膨脹，脈沖幾次后，可以把附著在濾料上的懸浮物質(zhì)脫落，再打開(kāi)排泥閥，利用生物濾池的出水進(jìn)行水漂洗，可有效地達(dá)到清潔濾料的目的。具有以下優(yōu)點(diǎn)：、 較小的濾層阻力；采用氣水同向流，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，濾料粒徑較均勻，大大增加濾層的孔隙率，減

22、少濾池運(yùn)行時(shí)的水頭損失。、 價(jià)格低、性能優(yōu)的濾料；濾料具有來(lái)源廣泛、濾料比表面積大、表面適宜微生物生長(zhǎng)、價(jià)格便宜（一般價(jià)格低于500元/m3）、化學(xué)穩(wěn)定性好；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。、 獨(dú)特的脈沖反沖洗形式；傳統(tǒng)的水反沖、氣水反沖均難以奏效，該濾池采用獨(dú)特的脈沖反沖洗方式，不需要專門(mén)的反沖洗水泵及鼓風(fēng)機(jī)，是一種高效、低能耗的反沖洗形式。 三、應(yīng)用范圍曝氣生物濾池的應(yīng)用范圍較為廣泛，其在水深度處理、微污染源水處理、難降解有機(jī)物處理、低溫污水的硝化、低溫微污染水處理中都有很好的、甚至不可替代的功能。在低溫污水中，西寧第二污水處理廠由于冬季最低水溫約6，為了解決硝化問(wèn)題，在可