一種新型異徑筒填料在生物膜水處理裝置中的應(yīng)用

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。一種新型異徑筒填料在生物膜水處理裝置中的應(yīng)用一種新型異徑筒填料在生物膜水處理裝置中的應(yīng)用一種新型異徑筒填料在生物膜水處理裝置中的應(yīng)用1 背 景 生物膜水處理工藝是近20年來發(fā)展的一種運(yùn)行穩(wěn)定、能抗沖擊負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、剩余污泥量少并具有一定硝化與反硝化功能的先進(jìn)方法。生物膜反應(yīng)器中的填料是決定生物膜反應(yīng)器污泥處理效率與質(zhì)量的主要因素之一。本文從填料在生物膜污水處理工藝中的作用及水動力學(xué)機(jī)理出發(fā)，分析了生物膜污水處理技術(shù)中的填料對水流流動特性、污水處理效率的影響，并選用了一種新型異徑筒填料作為生物膜處理器填

2、料，通過試驗(yàn)取得了良好的污水凈化效果。2 填料與實(shí)驗(yàn) 2.1異徑筒填料填料的材料和類型對生物膜形成的質(zhì)量與數(shù)量、池中水流及氣流(氣泡流)的運(yùn)動、生化反應(yīng)的效率以及對SS的捕獲能力都有重要影響。本文經(jīng)分析研究，選用了厚度為0.015mm的聚苯乙烯制成的異徑筒狀填料。聚苯乙烯制成的異徑筒填料經(jīng)前期試驗(yàn)表明它掛膜時間短、效果好。填料的比表面積大有利于增加生物膜的總量，空隙率高有利于截留和保留大量的懸浮生長的微生物，并能防止生物反應(yīng)器阻塞和生物載體結(jié)團(tuán)。經(jīng)過測算，本文所用異徑筒塑料填料比表面積為157m2表面積/m3(每立方米裝8300個填料)，空隙率達(dá)到97.8%。此種填料對布?xì)夂筒妓蟛桓撸袝?/p>

3、通的流道，不容易阻塞，而且可內(nèi)外掛膜。 試驗(yàn)中這些填料筒是隨機(jī)地放入生物處理器中的，所以不存在直上直下的通道，水流在異徑筒內(nèi)、外流動中都處在與垂直方向有一定角度的繞流流動中。在不斷地繞流中，水流速度時快時慢，水中懸浮顆粒SS很容易在流速較慢時被捕集，因?yàn)轭w粒的再起動流速要遠(yuǎn)大于沉降速度。本試驗(yàn)中水流平均流速u為0.010.02mm/s，6小時停留時間u為0.050.06 mm/s。對于粒徑在0.010.1mm的顆粒，Stokes沉速v=0.11.0mm/s。當(dāng)SS的沉降速度v大于水流上升速度u時，就會產(chǎn)生沉降，可見異徑筒填料有良好的捕集SS功能。水力條件對生物膜反應(yīng)器的運(yùn)行及凈化功能有很大的影

4、響。異徑筒填料在池中形成了良好的適合于生物膜反應(yīng)器運(yùn)行的環(huán)境條件。水力停留時間是指待處理污水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間，也就是污水與生物反應(yīng)器內(nèi)微生物作用的平均反應(yīng)時間。本文采用的是推流式反應(yīng)器，污染物濃度衰減方程有：Se=S0·e-kt。從表面上看，延長水力停留時間，則出流污染物濃度Se 將降低，但過分延長水力停留時間會影響反應(yīng)器的水力負(fù)荷或有機(jī)負(fù)荷，另外隨著停留時間t的增加，衰減速率會逐漸減小，所以t超過某一值后繼續(xù)增加水力停留時間是不經(jīng)濟(jì)和不可取的。試驗(yàn)證明異徑筒填料在這方面有較好的性能。水流在筒內(nèi)、外交替流動并經(jīng)多次繞流，不存在垂直方向的通道，經(jīng)測定在同一斷面上濃度離差系數(shù) C

5、v<0.05。所以容易獲得最佳水力停留時間。反應(yīng)器中水流剪切力會對生物膜產(chǎn)生沖刷并使其脫落，所以作用于生物膜上的水流剪切力直接決定生物膜厚度和生物膜量，對生物膜反應(yīng)器的運(yùn)行效果有重要影響。本文采用的異徑筒填料的水流基本上屬于管流層流。運(yùn)行工況下，Re100，此時水流對生物膜的剪切力完全決定于粘滯性，而與生物膜表面狀態(tài)無關(guān)，即水流剪切力只取決于水溫和流道內(nèi)的流速分布，對于圓管層流流速分布符合拋物面分布。本文按異徑筒填料最大可能的平均流速u=0.5cm/s考慮，水流剪切力 <0.01dyn/cm2，這比大多數(shù)填料要小一個數(shù)量級。所以從水力停留時間和水流剪切力等水動力條件看，異徑筒填料有

6、很好的生物膜反應(yīng)器運(yùn)行水力條件。2.2 實(shí)驗(yàn)研究本文采用異徑筒填料在一套微污染河水處理裝置上進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備為有機(jī)玻璃制成的圓筒形裝置，總?cè)莘e為235L，其中初沉-缺氧池為98L，曝氣池為79L，二沉池為33L，消毒池為25L。各指標(biāo)均用標(biāo)準(zhǔn)方法測定，在每一工藝條件下穩(wěn)定運(yùn)行3天，取其平均值作為分析數(shù)據(jù)。由于異徑筒填料尺度比一般填料大，且屬于各向異性填料，對氣流有導(dǎo)流和繞流影響，結(jié)果使得氣體在填料層中存在不同的溶解氧濃度，這樣會出現(xiàn)不同的微生物種群共存。3 結(jié)果與討論3.1 停留時間試驗(yàn)結(jié)果表明CODCr 去除率隨停留時間的增加而升高。當(dāng)停留時間為24h時，出水清澈，CODCr 去除

7、率接近60%，但生化作用利用率低。當(dāng)停留時間為16h時，出水水質(zhì)略差，CODCr 去除率為54.7%，仍低于15mg/L(地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GHZB 1-1999 I類標(biāo)準(zhǔn))。當(dāng)停留時間縮短為6h時，CODCr 去除率只有38.2%，出水水質(zhì)明顯下降。因此，綜合考慮各因素，最佳停留時間為16h。3.2 生物膜狀態(tài)及其脫落在運(yùn)行試驗(yàn)中，系統(tǒng)的污泥產(chǎn)率很低且穩(wěn)定在0.16左右。運(yùn)行中生物膜幾乎保持動態(tài)平衡。在初沉-缺氧池中生物膜外觀呈灰黑色，結(jié)構(gòu)密實(shí)。在曝氣池內(nèi)的生物膜成黃褐色，有較明顯的泥腥味，進(jìn)水處生物膜極厚，出水處生物膜較薄。填料層中還發(fā)現(xiàn)硝化和亞硝化細(xì)菌，以及不同種群的微生物，說明曝氣池也

8、運(yùn)行良好。4 結(jié)論(1) 采用聚苯乙烯制成的異徑筒填料，在生物處理器池中具有良好的掛膜性能。(2) 異徑筒填料能在生物處理器池中形成良好的水流條件，有利于固體懸浮顆粒SS的捕集，提高污水與生物膜的反應(yīng)效率以及減小水流剪切力維持生物膜的穩(wěn)定、保持動態(tài)平衡。(3) 異徑筒填料尺寸較大，且有導(dǎo)流作用，氣體在填料體中傳輸會形成不同的溶解氧濃度，有利于同一主體設(shè)備中共存不同微生物種群，提高凈化效果。(4) 整個系統(tǒng)處理效果良好，在停留時間為16h時，微污染河水的CODCr 、BOD5 、NH3-N 、SS去除率可接近55%，70%，75%，80%，整個系統(tǒng)出水水質(zhì)穩(wěn)定，污泥產(chǎn)率低。一種占地小耗電少的污水

9、污泥處理新工藝加拿大諾曼公司在污水處理方面推出了一項(xiàng)專利技術(shù)-雙威污水污泥處理系統(tǒng)，包括VERTREATTM污水處理工藝(簡稱VT工藝)和VERTADTM污泥處理工藝(簡稱VD工藝)。在加拿大和美國已建有3座采用該工藝的污水處理廠投入運(yùn)行。1VT處理工藝 1.1工藝概況 VT污水處理工藝?yán)脻撝糜诘叵碌呢Q向反應(yīng)器對污水進(jìn)行超深水好氧生物處理。該工藝與普通深井曝氣工藝相比，其主要特點(diǎn)是：設(shè)有3個不同功能的處理區(qū)，使反應(yīng)池體積更小、氧的利用率更高，從而有效地降低了工程投資和運(yùn)行費(fèi)用。井式生化反應(yīng)器從上而下分為氧化區(qū)、混合區(qū)及深度氧化區(qū)3個部分(見圖1)。該反應(yīng)器深一般為75110 m，直徑通常為0

10、.76 m。 圖1VT污水處理工藝示意 VERTREATTM是一種高效率的生物反應(yīng)器，可以廣泛地用于高濃度工業(yè)廢水和生活污水的處理，與其他深井曝氣工藝相比較，其不同之處在于，VERTREATTM工藝包括3個不同的處理區(qū)。氧化區(qū)：這個區(qū)在井筒的上部，包括一個同心通風(fēng)試管和供混合液體再循環(huán)帶；混合區(qū)：這個區(qū)域直接位于氧化區(qū)的下部，恰好位于整個井深度為3/4的位置，上部區(qū)域高速率的生物氧化反應(yīng)所需的空氣注入到混合區(qū)，提供空氣提升循環(huán)的運(yùn)行動力；深度氧化區(qū)：這部分位于井的底部。 VERTREATTM反應(yīng)器可以通過普通的井鉆和井鑿技術(shù)來安裝。反應(yīng)器深度通?？蛇_(dá)110 m，其占地面積僅相當(dāng)于傳統(tǒng)活性污泥法

11、一個反應(yīng)池的占地；其空氣消耗量為傳統(tǒng)活性污泥法的10%。井筒的直徑一般可達(dá)3 m，其具體大小由待處理的污水的水質(zhì)和水量來決定。 1.2工藝流程 參見圖1，工藝具體流程如下： 起始階段，空氣通過入流管進(jìn)入混合區(qū)以產(chǎn)生循環(huán)。升起的氣泡產(chǎn)生一個密度坡度，從而導(dǎo)致空氣在氧化區(qū)內(nèi)循環(huán)。 一旦這個循環(huán)建立并穩(wěn)定后，空氣注入點(diǎn)轉(zhuǎn)移到混合區(qū)的下部。未處理的污水通過入流管在混合區(qū)空氣注入點(diǎn)的同等高度進(jìn)入液體循環(huán)。 壓力和深度導(dǎo)致了高的氧氣傳導(dǎo)速率從而保證混合區(qū)內(nèi)的混合溶液中具有高的溶解氧量。氧化區(qū)內(nèi)高的反應(yīng)速率保證了有機(jī)物能在垂直循環(huán)圈的上部被生物氧化。 再循環(huán)液體沿著井筒的豎壁到達(dá)上部箱體中，在那里含有廢氣的

12、氣泡可以將廢氣釋放進(jìn)入大氣。去掉這些微生物呼吸作用產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物對于防止這些廢氣重新回到系統(tǒng)內(nèi)而影響空氣動力效率是非常必要的。 混合液體中比例較小的一部分從混合區(qū)進(jìn)入下部深度氧化區(qū)。這個區(qū)域內(nèi)溶解氧含量極高，停留時間較長，因而有極高的BOD去除率。同時飽含的溶氣也有利于后續(xù)氣浮澄清池中的固液分離。 深度氧化區(qū)內(nèi)的混合液體以極快的速度(2 m/s)進(jìn)入氣浮澄清池，這可保證砂粒和固體物質(zhì)不會沉積在井的底部。 混合液體行至上表面過程中的快速減壓可以產(chǎn)生經(jīng)過充分充氧的低密度的懸浮物。再經(jīng)過氣浮澄清池中的有效分離，可以產(chǎn)生結(jié)合密實(shí)的生物絮體和高質(zhì)量的待消毒和排放的液體。1.3工藝特點(diǎn)與其他污水生物處理工

13、藝相比，VT技術(shù)具有以下特點(diǎn)： (1)運(yùn)行費(fèi)用低。通常只有傳統(tǒng)活性污泥法的一半以下。 (2)占地少。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常緊湊，所需占地面積通常只有傳統(tǒng)工藝的10%20%。 (3)環(huán)境影響小。和傳統(tǒng)工藝相比，VT工藝的VOC(揮發(fā)性有機(jī)化合物)排放量是最低的。由于占地小，也便于根據(jù)特定需要將系統(tǒng)置于封閉的建筑之內(nèi)。 (4)維修、管理方便。并可以通過自動控制，實(shí)現(xiàn)無人值守。 (5)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。1.4主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) BOD去除率95%；出水BOD15 mg/L，SS15 mg/L；去除1 kg BOD耗電0.8 kW·h。對城市污水而言，每處理1 m3水耗電0.1 kW·h左右

14、；占地面積僅為傳統(tǒng)污水處理工藝的10%20%。2VD處理工藝2.1工藝概況 VD工藝是一種高溫好氧污泥消化技術(shù)，初沉污泥及剩余活性污泥經(jīng)VD工藝處理后，可轉(zhuǎn)化成美國環(huán)境保護(hù)局(USEPA)CFR?503條規(guī)定的A級生物固體。A級生物固體可直接用作土壤肥料，徹底解決污泥的最終處置問題。該工藝的核心是深埋于地下的井式高壓反應(yīng)器( 見圖2)。該反應(yīng)器深一般是110 m，井的直徑通常是0.53 m，所占面積僅為傳統(tǒng)污泥消化技術(shù)的一個零頭。 圖2VD污泥處理工藝示意 VERTADTM是一個高效的高溫好氧污泥消化過程。與其他高溫消化系統(tǒng)相比，其不同之處在于將3個獨(dú)立的功能區(qū)放在1個反應(yīng)器中進(jìn)行。井筒的最上

15、部是第一級反應(yīng)區(qū)，包括一個同心通風(fēng)試管和用于混合液體循環(huán)的再循環(huán)帶。混合區(qū)在第一級反應(yīng)區(qū)的下部，位于整個井筒的1/2深度處。在井筒上部區(qū)域所發(fā)生的高速率生物氧化所需的空氣注入?yún)^(qū)域，為空氣循環(huán)提升提供動力。第二級反應(yīng)區(qū)域在井筒的底部，井徑3 m，井深一般約100 m，是普通好氣氧化所用氣量的10%。具體由污水濃度及污泥量確定。2.2工藝流程 參見圖2，具體工藝過程如下： 起始階段，空氣通過入流管進(jìn)入混合區(qū)以產(chǎn)生循環(huán)。升起氣泡產(chǎn)生一個密度坡度，從而導(dǎo)致空氣在氧化區(qū)內(nèi)循環(huán)。 一旦這個循環(huán)建立并穩(wěn)定后，空氣注入點(diǎn)轉(zhuǎn)移到混合區(qū)的下部。未處理的污泥通過入流管在混合區(qū)空氣注入點(diǎn)的同等高度進(jìn)入液體循環(huán)。 壓力

16、和深度導(dǎo)致了高的氧氣傳導(dǎo)速率從而保證混合區(qū)內(nèi)的混合溶液中具有高的溶解氧量。氧化區(qū)內(nèi)高的反應(yīng)速率保證了有機(jī)物能在垂直循環(huán)圈的上部被生物氧化。 再循環(huán)液體沿著井筒的豎壁到達(dá)上部箱體中，在那里含有廢氣的氣泡可以將廢氣釋放入大氣中。去掉這些微生物呼吸作用產(chǎn)生的氣態(tài)產(chǎn)物，對于防止這些廢氣重新回到系統(tǒng)內(nèi)影響空氣動力效率是非常必要的。 混合液體中比例較小的一部分從混合區(qū)進(jìn)入下部第二級消化區(qū)。這個區(qū)域內(nèi)溶解氧含量極高，停留時間較長，所以，污泥中剩余的有機(jī)物在此被高度氧化。同時所含的溶氣也有利于后續(xù)產(chǎn)物池中的固液分離。此過程最關(guān)鍵和最重要的特點(diǎn)是在這個過程中隨著有機(jī)物的氧化，污泥溫度不斷升高，并利用周圍良好的保

17、溫環(huán)境使反應(yīng)器的溫度得到穩(wěn)定。 消化后的污泥以極快的速度到達(dá)地表的產(chǎn)物箱，這個速度可以保證砂粒和固體物質(zhì)不會沉積在井底。 混合液體行至上表面過程中快速的減壓可以導(dǎo)致固體物質(zhì)從液體中分離并懸浮于表面。分離出來的高濃度生物具有不同的用處。廢液循環(huán)至二級處理以便于達(dá)標(biāo)排放。2.3工藝特點(diǎn) VD污泥處理技術(shù)與傳統(tǒng)的厭氧及好氧污泥處理工藝相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)投資省。在大多數(shù)情況下，總投資比傳統(tǒng)工藝低。 (2)占地小。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常緊湊，占地面積小。 (3)處理效果好。在處理過程中，揮發(fā)性固體要減少40%50%。經(jīng)處理后的出廠污泥可達(dá)到US EPA污泥A級標(biāo)準(zhǔn)。污泥經(jīng)脫水后，可以直接用作土壤肥料，徹底解決污泥的最終處置問題。 (4)運(yùn)行費(fèi)用為傳統(tǒng)高溫好氧消化的一半以下。 (5)對經(jīng)消化后的污泥，只需投加少量的有機(jī)絮凝劑進(jìn)行污泥脫水，就可使污泥的含水率降至65%70%。 (6)環(huán)境影響小。采用VD污泥處理工藝，異味氣體和揮發(fā)性有機(jī)物的排放量很低。 (7)在氣候非常惡劣的地方，或者對環(huán)境有特殊需要的情況下，便于將該系統(tǒng)置于封閉的建筑之內(nèi)。 (8)維修、管理方便。并可以通過自動控制，實(shí)