w曝氣生物濾池的短程硝化反硝化機理研究

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理研究曝氣生物濾池的短程硝化反硝化機理研究曝氣生物濾池的短程硝化反硝化機理研究曝氣生物濾池是一種新型污水生物處理技術，具有占地面積小、處理效率高、能耗較低等特點,可進行模塊化應用，在對有機物、SS和氮的去除等方面具有良好的效果1。 1 試驗裝置與方法 1.1 試驗裝置 模型曝氣生物濾池由有機玻璃加工而成，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、設一個取樣口，共設9個。進氣口位于距底部400mm處，壓縮空氣經曝氣擴散器進入反應器。試驗裝置見圖1。1.2 試驗方法 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。 采用下向流進水，氣水逆向流。反應器啟動時投加一定量的消化污泥作為種

3、泥，悶曝3d后改為連續(xù)流進水，系統(tǒng)運行15d后對COD和NH3-N的去除率分別達到75%和60%，至此標志掛膜成功，試驗分別在1、2m/h的濾速下進行，氣水比為31，水溫為2126.5，定時測定反應器進、出水及曝氣處水樣的COD、NH3-N、TN、NO3-N、NO2-N、pH值、溶解氧以考察反應器去除有機物和硝化反硝化的效能及反應器內含氮化合物的空間變化特點。分析項目均按標準方法進行。采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，按運行時的水頭損失和處理效果確定沖洗強度及頻率，周期一般為2448h。 2結果及分析 2.1 處理效果 NH3-N 曝氣生物濾池對NH3-N的去除效果見圖2。 由圖2可知，在進水COD負荷

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

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

6、在反應器內部發(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，說明這一過程中發(fā)生了反硝化作用。試驗中發(fā)現(xiàn)，提高濾速會加快水頭損失的增加速度，相應地增加反沖洗次數(shù)，而濾速為2m/h時的NO2-積累現(xiàn)象比濾速為1m/h時更加明顯，說明反應器內的NO2-積累與反沖洗有關。 試驗表明，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的結果相比，NO2-含量減少了約520mg/L，可以推測減少的NO2-主要經反硝化作用去除。上述試驗結果表明，曝氣生物濾池在氨氧化過程中出現(xiàn)了明顯的NO2-積累現(xiàn)象，而出水中NO2-的減少并未

7、帶來NO3-的增加，說明對TN的去除主要是通過將NH3-N氧化成NO2-，進而由反硝化細菌將NO2-直接反硝化形成N2逸出的短程硝化反硝化途徑進行的。 2.2 結果分析 根據(jù)傳統(tǒng)生物脫氮理論，硝化過程的產物主要是NO3-N，穩(wěn)態(tài)運行時不會出現(xiàn)NO2-的積累，但試驗中對反應器內NO2-和NO3-含量的測定結果表明，單級曝氣生物濾池不僅在去除有機物的同時具有較好的脫氮能力，而且其機理不同于傳統(tǒng)硝化反硝化理論，此時氨氧化的產物主要是NO2-N，出水中NO2-N降低而NO3-N未見增加，說明大部分NO2-并沒有進一步被氧化為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 試驗期間對曝氣生物濾池內各種不同含氮化合物含量沿水流方向的空間變化進行了研究，采樣時間為反沖洗后6h、水溫為22、氣水比為31，試驗結果見圖5。 由圖5可知，NH3-N的減少與NO2-的增加表現(xiàn)出一定的相關性，但在數(shù)量上卻沒有表現(xiàn)出穩(wěn)定的同步變化，與此同時的NO3-含量幾乎沒有變化(數(shù)量低且變化趨勢平穩(wěn))。從進水到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。由圖5可以得出兩點結論：a.曝氣生物濾池對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被氧化的主要產物是NO2-N，但NO2-N并沒有進一步被氧化為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，但在反應器的最下段又急劇下降，說明該區(qū)域氨氧化過程比較活躍，而NO2-氧化和反硝化能力較低主要是受曝氣作用所帶來的溶解氧濃度和紊流強度變化的影響。 短程硝化反硝化機理 近來的研究表明2、3，在一定條件下生物反應器可以進行短程硝化反硝化脫氮，即控制硝

10、化過程至產生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，實現(xiàn)反硝化脫氮。試驗期間發(fā)現(xiàn)的反應器中NO2-積累現(xiàn)象和較高的脫氮效能說明在曝氣生物濾池中產生了短程硝化反硝化作用，而曝氣生物濾池獨特的結構特征和運行特點是其能夠進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濾和生物氧化的介質和載體，進水沿填料推流而下，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和溶解氧的濃度梯度分布，也為各種不同生態(tài)類型的微生物在生物膜內不同部位占據(jù)優(yōu)勢生態(tài)位提供了條件。 4結論 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、進水COD負荷為1.185.57 kg/(m3*d)、NH3-N負荷為0.260.62kg/(m3*d)、TN負荷為0.280.63kg/(m3*d)的條件下可以取得良好的去除有機物和脫氮效果，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)出較強的同步除碳和脫氮能力。 曝氣生物濾池運行過程中出現(xiàn)了明顯的NO2-積累現(xiàn)象，而出水連續(xù)檢測和在反應器內不同部位取樣分析均未發(fā)現(xiàn)NO3-N的相應增加，與此同時對TN去除率卻較高， 說明NH3-N被氧化為NO2-N后并沒有進一步

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行短程硝化反硝化脫氮的原理在于其獨特的結構特征和運行方式。陶粒填料為異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌和反硝化細菌分別占據(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爭能力較弱的NO2-N氧化細菌不能在反應器內形成優(yōu)勢群體而被自然淘汰，因而氨氧化產生的NO2-N可直接被反硝化去除。 有關曝氣生物濾池短程硝化反硝化的機理、作用因子及其影響規(guī)律的研究尚需進一步深入，同時試驗中反應器出水的NH3-N和NO2-N濃度還比較高，因此有關如何提高脫氮效能、反應器結構和運行條件的優(yōu)化研究將具有更重

13、要的工程意義和應用價值。曝氣生物濾池的研究發(fā)展動態(tài)一、曝氣生物濾池工藝發(fā)展和特點 曝氣生物濾池(biological aerated filter)與普通活性污泥法相比，具有有機負荷高、占地面積小(是普通活性污泥法的1/3 )、投資少(節(jié)約30%)、不會產生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質好等優(yōu)點，但它對進水SS要求較嚴(一般要求SS100 mg/L，最好SS60mg/L)，因此對進水需要進行預處理。同時，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年在法國投產，隨后在歐洲各國得到廣泛應用。美國和加拿大等美洲國家在20世紀80年代末引進此工藝，日本、韓國和中國臺灣也先后引進

14、了此項技術。目前世界上較大的環(huán)保公司如法國得利滿公司、德國菲力普穆勒公司、法國VEOLIA公司均把它作為拳頭產品在全世界推廣。在中國內地，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第一個采用曝氣生物濾池工藝的城市污水處理廠（由東北市政院設計），廣東新會東郊污水處理廠采用了水解曝氣生物濾池污水處理工藝（由中冶馬院設計）。另外，我國一部分工業(yè)廢水的處理也采用了此項技術。國內許多科研設計單位對曝氣生物濾池也進行了試驗研究。隨著曝氣生物濾池在世界范圍內不斷推廣和普及，很多學者在其結構形式、功能、啟動和濾料等方面進行了詳細的研究，取得了很多成果。二、國內外發(fā)展情況1. BIOSTYR

15、74;工藝BIOSTYR®是法國OTV公司的注冊水處理工藝技術，由于采用了新型輕質懸浮填料- 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器為例說明其工藝結構與基本原理。BIOSTYR®工藝是一種上向流生物濾池，是一種運行可靠、自動化程度高、出水水質好、抗沖擊能力強和節(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。污水通過濾料，其中含有的污染物被濾料表層上的生物膜降解轉化，同時，溶解狀態(tài)的有機物和特定物質也

16、被去除，所產生的污泥保留在過濾層中，而只讓凈化的水通過，這樣可在一個密閉反應器中達到完全的生物處理而不需在下游設置二沉池進行固液分離。法國威立雅水務系統(tǒng)(前身為OTV)在淹沒式生物濾池領域擁有十幾年的工程設計、建設和運行經驗，并且在世界各地建設了100多座類似工藝的污水處理廠，該工藝最先開發(fā)時是用于二級和三級處理，而目前該工藝已經可以和多種預處理工藝配合直接進行生化處理，并且能夠達到很好的排放水質標準。濾池底部設有進水和排泥管，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水區(qū)，

17、其高度根據(jù)反沖洗水頭而定，該區(qū)內設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現(xiàn)反硝化,在不需要反硝化的工藝中則沒有該回流系統(tǒng)。填料層底部與濾池底部的空間留作反沖洗再生時填料膨脹之用。濾池供氣系統(tǒng)分兩套管路，置于填料層內的工藝空氣管用于工藝曝氣，并將填料層分為上下兩個區(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、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：上向流濾池，底部渠道進配水，頂部出水濾料比重小于1穿孔管曝氣，節(jié)省設備投資和維護費濾頭在濾池的頂部，與處理后水接觸，易于維護重力反沖洗，無須

18、反沖洗水泵工藝空氣和反沖洗用氣共用鼓風機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®（生物過濾氧化反應池）是得利滿水務繼滴濾池、Biodrof®干式過濾系統(tǒng)之后的專為污水處理廠設計的第三代生物膜反應池。與其它類型的生物過濾工藝相比， Biofor® 主要具有下列特性：向上流生物過濾待處理的水自濾池底部流至頂部，這個上流過濾在濾池的整個高度上持續(xù)提供正壓條件，與下向流過濾相比，這為向上流過濾提供了許多優(yōu)勢。使用特制的過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，并加長了運行周期。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。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，該濾頭的防阻塞設計通過均勻的配水使過濾效果更加優(yōu)化。有效的沖洗沖洗操作為全自動、可編程3BIOSMEDI工藝上海市政院鄒偉國等開發(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處理或污水深度處理。BIOSMEDI生物濾池是上海市政工程設計研究院針對微污染

20、原水開發(fā)的一種新型生物濾池，該濾池以輕質顆粒濾料為過濾介質，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)實際需要選擇確定，這種濾料具有來源廣泛、濾料比表面積大、表面適宜微生物生長、價格便宜（300500元/米3）、化學穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點。 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，在反沖洗時下部形成空氣室。原水從進水閥進入氣室，通過中空管進入濾層，在濾料阻力的作用下使濾池進水均勻，空氣布氣管安裝在濾層下部，空氣通過穿孔布氣管進行布氣

21、，經過濾層去除水中的有機物、氨氮后，出水經倒濾頭進入上部清水區(qū)域排出。濾池反沖洗采用脈沖沖洗的方法，首先關閉進水閥及曝氣管，打開濾池下部的反沖洗氣管，在濾層下部形成一段氣墊層，當氣墊層達到一定高度后，此時瞬時把氣墊層中的空氣通過閥門或虹吸的方法迅速排空，此時濾層中從上到下沖洗的水流量瞬時突然加大，導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脫落，再打開排泥閥，利用生物濾池的出水進行水漂洗，可有效地達到清潔濾料的目的。具有以下優(yōu)點：、 較小的濾層阻力；采用氣水同向流，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，濾料粒徑較均勻，大大增加濾層的孔隙率，減

22、少濾池運行時的水頭損失。、 價格低、性能優(yōu)的濾料；濾料具有來源廣泛、濾料比表面積大、表面適宜微生物生長、價格便宜（一般價格低于500元/m3）、化學穩(wěn)定性好；濾料比表面積大，有利于氧氣的傳質，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。、 獨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，該濾池采用獨特的脈沖反沖洗方式，不需要專門的反沖洗水泵及鼓風機，是一種高效、低能耗的反沖洗形式。 三、應用范圍曝氣生物濾池的應用范圍較為廣泛，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，為了解決硝化問題，在可