新型曝气生物滤池--Biostyr
摘要：介绍一种新型曝气生物滤池--Biostyr，着重论及了该工艺的结构、工作原理、工艺特点以及 目前 的 应用 情况。
关键词：曝气生物滤池(BAF) Biostyr 悬浮填料
0 前言
现代 曝气生物滤池是在生物接触氧化工艺的基础上引入饮用水处理中过滤的思想而产生的一种好氧废水处理工艺，70年代末80年代初出现于欧洲，其突出特点是在一级强化处理的基础上将生物氧化与过滤结合在一起，滤池后部不设沉淀池，通过反冲洗再生实现滤池的周期运行。由于其良好的性能，应用范围不断扩大，在经历了80年代中后期的较大 发展 后，到90年代初已基本成熟。在废水的二级、三级处理中，曝气生物滤池(biological aerated filter,以下简称BAF)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，BAF的发展方兴未艾，工艺形式不断推陈出新，本文要介绍的即是现代BAF的代表工艺之一Biostyr。
1 Biostyr的结构和原理
Biostyr是法国OTV公司的注册工艺，由于采用了新型轻质悬浮填料- -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并具有硝化脱氮功能的反应器为例说明其工艺结构与基本原理[1]。
1.1 基本结构
如图1所示，滤池底部设有进水和排泥管，中上部是填料层，厚度一般为2.5～3m，填料顶部装有挡板，防止悬浮填料的流失。挡板上均匀安装有出水滤头。挡板上部空间用作反冲洗水的储水区，其高度根据反冲洗水头而定，该区内设有回流泵用以将滤池出水泵至配水廊道，继而回流到滤池底部实现反硝化。填料层底部与滤池底部的空间留作反冲洗再生时填料膨胀之用。
1 配水廊道 2 滤池进水和排泥 3 反冲洗循环闸门 4 填料
5 反冲洗气管 6 工艺空气管 7 好氧区 8 缺氧区 9 挡板
10 出水滤头 11 处理后水的储存和排出12 回流泵 13 进水管
图1 Biostyr滤池结构示意
滤池供气系统分两套管路，置于填料层内的工艺空气管用于工艺曝气，并将填料层分为上下两个区：上部为好氧区，下部为缺氧区。根据不同的原水水质、处理目的和要求，填料层的高度可以变化，好氧区、厌氧区所占比例也可有所不同。滤池底部的空气管路是反冲洗空气管。
1.2 工作原理
反应器为周期运行，从开始过滤至反冲洗完毕为一完整周期，具体过程如下：经预处理的 污水(主要是去除SS以避免滤池频繁反冲洗)与经过硝化后的滤池出水按照回流比混合后通过 滤池进水管进入滤池底部，并向上首先流经填料层的缺氧区。此时反冲洗空气管处于关闭状 态。缺氧区内，一方面，反硝化细菌利用进水中的有机物作为碳源将滤池进水中的NO3-N 转化为N2，实现反硝化脱氮。另一方面，填料上的微生物利用进水中的溶解氧和反硝化过程 中生成的氧降解BOD，同时，SS也通过一系列复杂的物化过程被填料及其上面的生物膜吸附 截留在滤床内。经过缺氧区处理的污水流经填料层内的曝气管后即进入了好氧区，并与空气 泡均匀混合继续向上流经填料层。水气上升过程中，该区填料上的微生物利用气泡中转移到 水中的溶解氧进一步降解BOD，滤床继续去除SS，污水中的NH3-N被转化为NO3-N，发 生硝化反应。值得指出的是，以SS形态被截留在滤床内的可降解污染物以及被生物膜吸附的难降解有机物实际被降解吸收的时间可接近一个运行周期，这一点有着很强的现实意义。流出填料层的净化后废水通过滤池挡板上的出水滤头排出滤池，出路分为：(1)排出处理系统外 ;(2)按回流比例与原污水混合进入滤池实现反硝化;(3)用作反冲洗水(在多个滤池并联运行的情况下，当某一个滤池反冲洗时，反冲洗水由其它工作着的滤池出水共同提供)。
随着过滤的进行，由于填料层内生物膜逐渐增厚，SS不断积累，过滤水头损失逐步加大，在一定进水压力下，设计流量将得不到保证，此时即应进入反冲洗再生以去除滤床内过量的生物膜及SS，恢复滤池的处理能力。依据不同的处理情况，滤池出水指标(如SS)也可通过自控系统成为反冲洗的控制条件。
反冲洗采用气水交替反冲，反冲洗水即为贮存在滤池顶部的达标排放水，反冲洗所需空 气来自滤池底部的反冲洗气管。反冲再生过程如下：(1)关闭进水和工艺空气;(2)水单独冲 洗;(3)空气单独冲洗;继而(2)、(3)步骤交替进行并重复几次;(4)最后用水漂洗一次。反 冲洗水自上而下，填料层受下向水流作用发生膨胀，填料层在单独水冲或气冲过程中，不断 膨胀和被压缩，同时，在水、气对填料的流体冲刷和填料颗粒间互相摩擦的双重作用下，生 物膜、被截留吸附的SS与填料分离，冲洗下来的生物膜及SS在漂洗中被冲出滤池。反冲洗污 泥回流至滤池预处理部分的沉淀系统。再生后的滤池进入下一周期运行。由于正常过滤与反 冲时水流方向相反，填料层底部的高浓度污泥不经过整个滤床，而是以最快的速度通过池底 排泥管离开滤池。客观的讲，反冲过程没有太多的 理论 依据，基本是从再生效果考虑的，既 要恢复过滤能力，又要保证填料表面仍附着有足够的生物体，使滤池能满足下一周期净化处 理要求。
2 工艺特点
Biostyr工艺最初是为在污水的二级、三级处理中实现硝化、反硝化开发的，设计思想来自A/O法。在具体工艺形式的实现中，该工艺抓住了BAF的技术关键--填料，并由此带来了一系列的工艺特点。
(1)采用新型填料。从化工原理的角度看，填料技术的改进是对反应器内部构造的改善， 是加强传质、改善反应器内水力条件、生化反应条件的基本手段，是提高负荷的根本途径。 在BAF工艺中，填料一方面起着生物载体的作用，为生物膜提供良好的生长环境，另一方面 也起着过滤的作用。事实上，BAF性能的优劣很大程度上取决于填料的特性。Biostyr采用的是比重小于水的球形有机填料，粒径3.5～5mm[2]，具有较好的机械强度和化学稳定性，在为微生物提供生长环境、截留SS、促进气水均匀混合等方 面有一定优势。
目前 ，用于BAF的填料有许多种，BAF的另一代表形式BIOFOR使用的Biolite膨胀硅铝酸盐，属于沉没填料(sunken media)。相比之下，Biostyrene易于反冲洗， 结合其具体的运行方式，就为Biostyr拥有高的处理能力、延长运行周期 ，减少反冲洗水量创造了条件。目前有资料表明，悬浮填料在截留SS、降解COD等方面要优 于沉没填料[3～4]。
表1 Biostyr试验装置用于二级处理中的试验记录[5]
| 检测指标 | 反应器进水 | 反应器出水 | 废水排放指标 |
备 注
|
| 总COD(mg/L) | 324 | 44 | 90 |
1.反应器进水为经过斜板沉淀的市政污水
2.HRT小于2h 3.在满足脱氮的前提下，COD负荷可达10kg/(m3·d) 4. 17℃、NH3-N负荷为1kg/(m3·d)的条件下， NH3-N去除率达95%； NO3-N负荷为1.5kg/(m3·d)(以缺氧区计)时，NO3-N去除率75%
|
| 溶解性COD(mg/L) | 172 | 32 | 30(BOD5) | |
| SS(mg/L) | 105 | 12 | 30 | |
| TKN(mg/L) | 40 | 5 | 10 | |
| NOx-N(mg/L) | - | 9 | 10 |
(2)试验 研究 表明，滤池内微生物浓度大，活性高，结合具体的运行方式，Biostyr
处理负荷高，出水水质优，性能稳定。废水先流经缺氧区，不但提供反硝化所 需的碳源，还有部分BOD被异养微生物降解掉，降低了进入曝气区的污染负荷，达到了好氧 区 内降低曝气量、为硝化创造条件的目的[5]。硝化过程得益于生物膜法的特点，摆 脱了因硝化细菌世代期长而造成的泥龄限制。填料对水流的阻力，保障了水流的均匀分布， 创造了滤池内半推流的水力条件以及较好的传质条件。水气平行向上流动，促进了气水的均 匀混合，避免了气泡的聚合，有利于降低能耗，提高氧转移效率。表1是F.Rogalla等人将B iostyr试验装置 应用 于二级处理中的试验记录，从中可对Biostyr 的性能有定量的了解。
(3)占地省，投资少。这一点是由于Biostyr的高处理能力，加上滤 池易于规范化设计，故工程结构紧凑。此外，滤池运行过程中，原污水以及反冲洗污泥从不 暴露于外部，所以本工艺在处理系统外观、减少不良气味等环境方面有着好的表现。
(4)运行灵活，管理方便。Biostyr工艺一般具有自动化程度较高的控 制系统，滤池的过滤、反冲洗均可有保障的进行。实际工程中，对于多格滤池的情形，Biostyr的运行可类似于给水处理中的虹吸滤池，当某一格滤池反冲洗，乃至 检修时，滤池系统自身发生调节，而不 影响 整个处理系统。
(5)工艺流程简单。
Biostyr工艺将BOD降解、硝化、反硝化集于一个处 理单元内，简化了工艺流程。
在工艺流程上，具备预处理系统、不设置二沉池是以BAF为核心的处理系统的特点，Biostyr也不例外。由此也导致了一些不足之处。
(6)增加日常药剂费用。为了使滤池能以较长的周期运行，减少反冲次数，降低能耗，须 对滤池进水进行预处理以降低进水中的SS，尤其是滤池用于二级处理的情况下，往往须投加药剂才能达到这一要求。药剂的使用不仅仅增加运行费用，许多药剂还将降低进水的碱度，进而影响反硝化，当然，BAF用于三级处理时，由于滤池进水来自二级处理的沉淀池，所以这一矛盾并不突出。目前，水处理工作者正在从事如何利用自控系统有效控制加药量的研究[6～7]。
(7)污泥量相对较大，污泥稳定性较差。对好氧生物处理来讲，负荷越高，单位体积处理能力越强，产生的生物体越多，再加上滤池中截留的大量SS，无疑增加了污泥的产量。当然，减少反冲洗水量会降低污泥体积，这也就提出了在保证反冲效果的前提下，如何提高反冲效率的 问题 。滤床中截留的SS有许多属于可生物降解的，但在过滤运行后期，由于来不及被降解而经反冲洗转化为反冲洗污泥，成为降低污泥稳定性的因素之一。
3 应用
Biostyr工艺在欧美应用较为普遍，而且许多集中在处理厂用地紧张、 出水水质要求高的地方。对于已实现有机碳降解、硝化的处理厂，该工艺可在外加有机碳源 的情况下，完成反硝化[8]。也可对只进行有机碳降解的二级处理厂进行升级，达到脱氮的水平。在具备一级强化处理的条件下，该工艺又能完全胜任 工业 废水、市政污水的二级处理。此外，与化学混凝沉淀结合，还能有效除P。从功能上讲，在去除废水中BOD、SS以及硝化、脱氮等方面，该工艺已经系列化[7]，通过具体工艺形式的改变(是否设 置回流、改变工艺空气管在滤池内的高度以及曝气量等)，Biostyr即可单 独实现去除SS和降解BOD、完成硝化和反硝化的功能。表2记录了Biostyr 在丹麦的几个运行实例。
表2 丹麦Biostyr的运行实例(所有处理厂Biostyr的预处理中均投加FeCl3用于除P)[9]
|
处理厂
|
Nyborg
|
Hobro
|
Frederikshavn
|
||||
|
处理目的
|
硝化反硝化
|
硝化 Biostyr反硝化
|
硝化反硝化
|
||||
|
污水性质
|
城市污水
(含50%工业废水) |
(BiostyrDynasand)
城市污水(含40%工业废水) |
城市污水
(含20%工业废水) |
||||
|
设计流量(m3/d)
|
13000
|
9100
|
10100
|
||||
|
滤速(m/h)
|
1.1
|
2.2
|
1
|
||||
|
COD负荷(kg/(m3·d))
|
2.4
|
2.2
|
2.3
|
||||
|
滤池面积(m2)
|
504
|
168
|
441
|
||||
|
好氧区高度/缺氧区高度
(m) |
1.5/1.0
|
2.4/0.6
|
2.1/0.9
(后置DN滤床深3.0m) |
||||
|
回流比(%)
|
300
|
100
|
200
|
||||
|
反硝化碳源
|
甲醇
|
乙醇-甲醇(1996.1以后)
|
甲醇
|
||||
|
出水
水质 (mg/L) |
NH3-N
|
1994
官方 数据 |
1.8
|
1995.8.1～1996.9.1的数据
流量为8350m3/d |
0.35
|
1995.6的数据
流量为6979m3/d |
0.9
|
|
NO2/NO3-N
|
4.6
|
-
|
3.9
|
||||
|
TN
|
6.5
|
6.34
|
-
|
||||
|
TP
|
0.8
|
0.06
|
-
|
||||
|
COD
|
7(BOD5)
|
38
|
58.5
|
||||
|
SS
|
11
|
7
|
5.9
|
||||
备注: Hobro和Frederikshavn处理厂的Biostyr只部分 地完成反硝化，其余的反硝化由其他反硝化装置(仍是生物滤池)完成 Biostyr 目前 在国内尚无工程应用，但值得一提的是，大连市引进BAF的另一工艺形式--BIO FOR工艺成为国内 研究 开发BAF新的契机，与之相关的填料技术的进展也已取得一定成果。从动态的角度看，随着我国对 现代 BAF试验与开发的进展，该工艺的各个工程环节--各类填料、自控系统、运行方式等诸多方面必将会有不同程度的突破，生物膜的作用机理的研究也将以这一较新的工艺形式为载体逐步深入。
4 结论
Biostyr是现代BAF的代表工艺之一，具有处理负荷高、出水水质优、占地省等特点，而且功能完善，一定程度上体现了生物膜法好氧处理的本质。
参考 文献
1 F Rogalla,et al. Upscaling a compact nitrogen removal process. Wat Sci Tech,1992,26(5～6):1067～1076
2 F Rogalla,et al. High rate aerated biofilters for plant upgrading. Wat Sci Tech,1994,29(12):207～216
3 Allant Mann,et al. Performance of floating and sunken media biological aerated filters under unsteady state conditions. Wat Res,1999,33(4):1108～1113
4 Allant Mann,et al. A comparison of floating and sunken media biological aerated filters for nitrification. J Chem Technol Biotechnol,1998,72,273～279
5 Frank Rogalla,et al. New development in complete nitrogen removal with biological aerated filters. Wat Sci Tech,1990,22(1～2):273～280
6 N Puznav,et al. Simple control strategies of methanol dosing for post denitrification. Wat Sci Tech,1998,38(3):291～297
7 Slim Zaghal,et al. Process control for nutrients removal using lamella sedimentation and floating media filtration. Wat Sci Tech,1998,38(3):227～235
8 SvendErik Jepsen,et al. Biological filters for postdenitrification. Wat Sci Tech,1993,27(5～6):369～379
9 Vibeke R Borregaard. Experiment with nutrient removal in a fixedfilm system at fullscale wastewater treatment plants. Wat Sci Tech,1997,36(1):129～137
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