导流曝气生物滤池在污水处理中的应用
摘要：导流曝气生物滤池是根据导流曝气生物过滤原理，采用一定工艺及流程制作而成的一种污水处理过滤池，该滤池技术已获国家专利（专利号：ZL200420033672.4）。滤池结构为U型双锥导流式，内锥为生物接触氧化区，外锥为生物过滤区。滤池的技术关键是将生物氧化、生物过滤和沉降回流结合在一起，通过反冲洗再生实现滤池周期性运行。在污水的二级或三级处理的实际应用中，充分地显示出其处理效果好、负荷高、占地面积少、基建投资低、运行费用少等优点，其出水水质达到或优于国家标准，实现中水回用。
关键词： 导流曝气生物滤池；污水；中水回用
1 导流曝气生物过滤技术的背景
曝气生物过滤技术于80年代初出现在欧洲，其突出的特点是在一级强化处理的基础上，将生物氧化和过滤结合在一起，滤池后不设沉淀池，通过反冲洗再生实现系统的周期性运行。由于曝气生物过滤技术具有良好的性能，其应用范围不断扩大，在经历了80年代中、后期的较大发展后，90年代初这种工艺已基本成熟。在污水的二级或三级处理中，曝气生物过滤技术体现出处理负荷高、出水水质好、占地面积省等特点。90年代以后，曝气生物过滤技术发展很快，派生出多种工艺型式。贵州长城环保科技有限公司经过多年的研制和实践，开发研制出了获国家专利的新工艺、新技术产品“导流曝气生物滤池”（专利号：ZL200420033672.4）。
我国在污水处理中采用的工艺技术繁多，也取得了一定成效，然而不少污水处理项目建成后并不能正常运转，较长期地处于停机或半停机状态。其主要原因一是工艺技术或设备运转不过关，不能保证污水处理后各项指标全面达到排放标准；二是建成后的项目运行费用高，使用单位无力承受昂贵的运行费用。这样的结果不但不能获得应有的经济效益、社会效益和环保效益，相反造成国家在污水处理项目上资金投入的严重损失。面对这种情况，2003年国家发改委、国家环保局在珠海组织了污水处理新工艺、新技术的遴选工作。并拨专款在中国环境科学研究院设立课题，在国家发改委项目评审中心监督下，从国内和国外污水处理工艺、技术和设备中，经反复对比，多次审查、现场认定，最后认定出污水处理过程具有创新性、技术水平具有前瞻性、工程应用具有可靠性、地域应用具有代表性、实际操作具有稳定性、工程建设与运行具有经济性的新工艺、新技术七项，这七项技术被国家发改委列为今后污水处理国债项目和国家项目的必选技术，目前正在编写大纲和有关资料。贵州长城环保科技有限公司开发研制的“导流曝气生物滤池”被列入了遴选出的七个项目之一。这已充分地说明，国家和环保专家对导流曝气生物滤池在污水处理中的应用是十分重视和肯定。
2 导流曝气生物滤池的原理
贵州长城环保科技有限公司研制的导流曝气生物滤池充分借鉴了污水处理接触氧化法、给水快滤法和阿基米德定律的设计思路，集曝气、快速过滤、悬浮物截留、定期反冲洗、清污分流、消毒杀菌等特点于一体。其工艺原理为在滤池中装填粒径较小的粒状滤料，滤料表面上生长着好氧生物膜。当污水流经滤层时，滤料上高浓度生物膜的生物氧化能力对污水中的污染物进行快速降解，此为生物降解过程；同时，当污水流经滤层时，由于滤层的截留及生物膜的生物絮凝综合作用，使污水中的悬浮物得以有效截留，保证滤池出水的SS达标，此为截留作用；导流曝气生物滤池通过生物氧化降解过程及截留作用实现对污染物的去除。由于污水在生物接触氧化区由上而下，在生物过滤区由下而上穿过滤料层，借助于生长在滤料表面的微生物菌群吸附来降解污水中的含碳有机物和硝化氨氮，与此同时，滤料层还有效地截留随污水进入的SS和脱落的生物膜，最终出水经消毒杀菌后，达标排放或中水回用。
导流曝气生物滤池的形式为U型双锥导流曝气池，内锥为生物接触氧化区，外锥为生物过滤区。滤池底部设有滤池反冲洗空气管和水管，污水自上而下进入内锥及生物接触氧化区内，空气在导流曝气过滤池中自下而上，在装有填料的接触氧化区内对流接触氧化，接触氧化后的水在内锥的导流作用下进入外锥及生物过滤区。
在导流曝气生物滤池中的对流接触氧化区下部，自养型细菌如硝化菌占优势，氨氮在此被硝化。在生物膜内部以及部分填料之间的缝隙蓄积的大量活性污泥存在着兼性微生物。因此，在导流曝气生物过滤池中可发生碳污染物的去除，同时有硝化和反硝化的功能。
导流曝气生物滤池在运行一定时间之后，由于生物膜的增长和更新，生物滤料的孔隙将逐步被填充，整个滤层的阻力（水头损失）逐步增加，当滤层的水头损失增加到设定值后，就需对滤池进行气、水反冲洗，以清除滤层中积存的SS并更新滤料表面的生物膜。因此，导流曝气生物滤池处于周期性的工作状态，用于城市、医院等污水处理，其工作周期一般在12～18h之间。
导流曝气生物滤池的关键是其是一种高负荷、淹没式、固定化生物膜三相导流反应器。它兼有活性污泥法、生物膜法和泥水分流法三者的优点，集生物氧化、生物吸附、过滤、清污分流于一体，处理后的污水各项指标可达到回用标准。
3 工艺流程及说明
3.1 工艺流程（如图1）
3.2 工艺流程说明
预处理池主要由化粪池、格栅调节池、预消毒系统三部分组成。其功能是降低污水中的SS和一定程度的BOD5、CODcr等指标，出来的污水自上而下进入导流曝气生物过滤系统。
导流曝气生物滤池的内锥为生物接触氧化区，外锥为生物过滤区，底部为导流沉降回流区。在接触氧化区和生物过滤区内，设有滤料，导流沉降回流区内装有导流板，滤料下部设有滤池反冲洗空气管和水管。其污水流向为：污水自上而下进入内锥及生物接触氧化区内，通过滤料空隙间曲折下行至导流沉降回流区，在导流墙的作用下，进入生物过滤区，并同样通过滤料空隙曲折上升。空气的流向为：在接触氧化区内，空气是自下而上，在滤料空隙间曲折上升；在生物过滤区内空气同样是自下而上，在滤料空隙间曲折上升。水与空气在接触氧化区内对流接触，在滤料空隙间曲折上升，与污水及滤料上附着的生物膜充分接触，在好氧条件下发生气、液、固三相反应。同样，水与空气在生物过滤区内，在滤料空隙间曲折上升，与污水及滤料上附着的生物膜充分接触，在好氧条件下，发生气、液、固三相反应。由于生物膜附着在滤料上，不受泥龄限制，因而种类丰富，对于污染物的降解十分有利。污染物被吸附、拦截在滤料表面，作为降解菌的营养基质，加速降解菌形成生物膜，生物膜又进一步“俘获”基质，将其同化、代谢、降解。在碳氧化／硝化合并处理时，靠近滤池进水口的滤层段内有机污染浓度高，异养菌群占绝对优势，大部分的含碳污染物（CODcr）BOD5和SS在此得以降解和去除，浓度逐渐降低。在导流曝气生物滤池下部的自养型细菌中硝化菌占优势，氨氮被硝化。在生物膜内部以及部分填料间的空隙，蓄积的大量活性污泥中存在着兼性微生物。因此，在导流曝气滤池中可发生碳污染物的去除，同时有硝化和反硝化的功能。粒状滤料及生物膜除了吸附拦截等作用外，兼有过滤的作用，随着处理过程的进行，在滤料空隙间蓄积了大量的活性污泥。这些悬浮状活性污泥在滤料缝隙间形成了污泥滤层，在氧化降解污水中有机物的同时，还起到了很好的吸附过滤作用，从而能使有机物及悬浮物均得到比较彻底的清除。
在运行过程中，随着生物膜的新陈代谢，脱落的生物膜及滤料上截留的杂质不断增加，滤料中水头损失增大，水位上升，到一定时期，需对滤料进行反冲洗。导流曝气生物滤池以其贮存在清水池中清澈的出水作为反冲用水，不另设反冲水池，反冲洗废水通过排水管回流到预处理设施。经导流曝气生物滤池处理后的水，流入消毒区，本工艺采用二氧化氯消毒，使净化后的水质优于《国家污水排放综合标准》二级排放标准或达到中水回用标准。污水处理过程中，要产生一定的污泥，污泥经消毒、干化处理后可用作肥料。
4 本工艺主要特点
4.1 较小的池容和占地面积
导流曝气生物滤池的BOD5容积负荷大，几乎是常规二级生物处理的5～10倍，所以它的池容积和占地面积较常规二级生物处理工艺要小得多。同时，由于初滤池后可不设二次沉淀池，大大节省了占地面积和土建费用。污水处理厂采用导流曝气生物滤池的总占地面积只有氧化沟工艺的1/3。
滤池内高比表面积和粗糙多孔的粒状生物填料，使其可能积聚多达10～15g／L的微生物量，高浓度的微生物量将使得导流曝气生物滤池的容积负荷大为提高，减少池容及占地面积，此对拟建的污水处理设施具有重要意义。
由于导流曝气生物滤池对污水中悬浮物的生物截留作用，使出水中的SS很少，完全达到国家所要求的排放标准，故滤池后面不需设置二沉池。
4.2 抗冲击负荷能力强，处理效果稳定
处理系统的出水水质好，是由于整个过滤分流中存在着较高浓度的微生物，生化反应速率高，并可通过控制供气量使滤池中存在好氧和缺氧环境，使得该装置组合可实现硝化、反硝化。同时，由于高浓度的微生物以生物膜的形式固定在粒状滤料的表面，无污泥膨胀之虑，不会因滤池受水力负荷的冲击而造成微生物流失，因此，导流曝气生物滤池对水力负荷及有机负荷都具有较强的抗冲击能力。
4.3 简化处理流程
由于导流曝气生物滤池的生物和物理综合截留作用，处理后水中的SS很少，故不需设置二沉池和污泥回流泵房，使处理流程得以简化，进一步节省占地面积。
4.4 工程费用及运转费用相对较低
由于导流曝气生物滤池工艺流程短、池容小和占地省，使工程费用大大低于常规二级生物处理工艺。同时，采用滤池专用曝气系统并利用粒状滤料对气泡的切割及阻挡作用，使得气泡在滤层中进一步被细碎，强化气、液传质效应，增加滤层内的微生物与空气的接触面积和时间，导致滤池总体充氧效率大为提高，氧的利用率达30%以上，从而降低能耗。
4.5 自动化程度高，运行管理简单
由于相关工业技术的发展，一些先进的自动化设备如液位传感器、在线溶氧测定仪、定时器、变频器、PLC中央程控系统及微电脑等产品的出现，使得导流曝气生物滤池运行管理自动化得以顺利实现，其运行管理变得简单易行。
一般来说，导流曝气生物滤池可以对进水水质、水量以及污水中溶解氧浓度进行在线检测，并通过PLC控制系统方便地调整曝气时间的长短，控制风机的供氧量，易于优化运行，特别是对大规模污水处理厂更显突出。
4.6 脱氮除磷效果好
通过设置不同功能的滤池组合或在同一滤池中设置不同的功能分区，即通过两组装置或在同一座滤池内，分别人为地造成好氧、缺氧的环境，可使滤池在降解污水中有机物（BOD5）的同时，还能去除污水中的氮和部分磷。
根据生活和医院污水处理工程实际情况表明，在导流曝气生物滤池运行过程中，滤料中存在着厌氧或缺氧的微环境，使得导流曝气生物滤池内部生存着大量厌氧或兼性微生物。在导流曝气生物滤池进行除碳、硝化的过程中，由于滤料上存在着厌氧或兼性微生物，脱氮的同时反硝化反应也在进行，其反硝化效率可达50%以上。
4.7 对气温及运行方式的适应性强
由于大量的微生物生长在粒状填料粗糙多孔的内部和表面，微生物不会流失，即使长时间不运转也能保持其菌种的活性。如长时间停止不用后再恢复运行，可在进水、供气后的几天内恢复正常运行；由于导流曝气生物滤池所特有的高微生物量，使得该滤池对气温变化的适应性也较强。
4.8 构筑物模块化，有利于扩建
导流曝气生物滤池单元为模块化结构，能较好地适应城镇污水处理厂分期建设的要求。
4.9 材料设备国产化
导流曝气生物滤池所需的主要设备和材料，国内均可配套生产，基本不需进口。只有少量自控检测仪表和执行机构需进口。
5 典型工程实例（5000m3／d城镇生活污水处理工程）
5.1 主要技术参数
5000m3／d城镇生活污水处理工程对污染物的去除效果见表1。
5.2工程建设费用投资概算
5.2.1 主要构筑物及工艺参数
该工程主要构筑物及工艺参数见表2。
5.2.2 土建部分造价
该工程土建部分的造价见表3。
5.2.3 设备直接费用
该工程设备购置直接费用见表4。
5.2.4 工程总造价
该工程总造价见表5。
5.2.5 运行成本概算
5.2.5.1 电力消耗及电耗费用
该工程污水设施运行时电力消耗情况见表6。
耗电费用计算按照0.45元／度电计，折合吨水电费为：W1＝J／Q＝907.1×0.45／5000＝0.0816元／m3
5.2.5.2 人工工资
由于该设备是自动控制，需要维修操作人员3名，月平均工资以1000元计，折合每吨水处理所需人员工资消耗为：
W2＝3×1000／30／5000＝0.02元／m3
5.2.5.3 运行成本计算
日常运行成本为：W＝W1＋W2＝0.0816＋0.02＝0.1016元／m3
6 应用范围和实例
6.1应用范围
6.1.1 在生活污水、城镇污水的处理及回用方面
主要用于沿江、河、湖泊等水体周围对氮、磷有特殊要求的生活污水处理以控制水体富营养化，包括：
（1）城市、村镇、住宅小区及开发区生活污水。
（2）车站、航空港、码头等污水。
（3）工厂、矿山、部队、旅游区、风景点的污水。
（4）医院、宾馆、饭店、疗养院、学校、商场及办公楼生活污水。
6.1.2 在有机工业废水的处理及回用方面
主要用于亚麻废水、酒类废水、制糖废水、奶牛养殖废水、淀粉废水、屠宰废水等高浓度和低浓度的有机废水。
6.1.3 有特殊要求的污水处理：
（1）有脱氮除磷要求的废水处理。
（2）要求深度处理的废水处理，不需增加三级处理设施，出水即可达到回用水标准。
6.2应用实例
6.2.1 项目效果技术参数
其它工程项目效果技术参数见表7。
6.2.2 项目投资及运行费用（表8）
其它工程项目投资及运行费用详细情况见表8。
7 结论
综上所述，导流曝气生物过滤技术在国内外20多年的应用和发展中日趋成熟，实践证明在污水的二级或三级处理中采用是较为适宜的。问题是在该技术的应用中如何提高容积负荷（kgBOD5／m3·d），降低水力停留时间（h），缩小反应器体积，减少占地面积，节省项目投资，降低运行费用，而又要保证出水达到标准要求。使该技术在污水处理中的应用更为合理并具有强劲的生命力。贵州长城环保科技有限公司新研制成功的“导流曝气生物滤池”是一种高负荷、淹没式、固定化生物膜三相导流反应器清污分流技术，其主要技术关键是提供一种导流曝气生物过滤池，将生物氧化、生物过滤和沉降回流结合在一起，通过反冲洗雨生实现滤池的周期性运行，在污水的二级或三级处理中，充分地显示出其处理负荷高、占地面积少、基建投资低、运行费用低等优越性，且出水水质达到或优于国家标准，实现中水回用。充分体现出其污水处理工程具有创新性、技术水平具有前瞻性、工程应用具有可靠性、地域应用具有代表性、实际操作具有稳定性、工程建设与运行具有经济性，这对污水处理部门而言，无疑是一种尚佳的选择。
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