CN105347465B - 改良型集约曝气及静脉式生物滤池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了改良型集约曝气及静脉式生物滤池，它包括生物滤池体（1），生物滤池体内设置有配水区（6）、承托层（5）、生物填料区（3）和压顶水层区（4），生物滤池体内设置有集约曝气及循环导流装置（2），集约曝气及循环导流装置包括内导流筒（2‑1），内导流筒外设置有外导流筒（2‑3），外导流筒上端设置有通气管（13），外导流筒与内导流筒之间设置有吸水导管（2‑2），本发明解决了传统生物滤池污水流动方向与其重力方向相同所带来的问题；且可使经一次或多次循环处理后的低浓度污水与原污水进行充分混合后再进行生物氧化处理，不仅提高了处理效果，而且使得滤池体针对浓度更高、毒性更大的污水具有良好的适用能力。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，尤其是涉及一种能同时实现高效生物脱碳、脱氮且过滤效果优良的改良型集约曝气及静脉式生物滤池技术。
背景技术
曝气生物滤池(biological aerated filter,简称BAF)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，上世纪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，通过反冲洗脱出截留物和多余的生物质实现滤池的周期运行。该工艺不仅具有去除SS、COD、BOD、硝化、除磷、去除AOX（有害物质）的良好性能，而且具有容积负荷、水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，出水水质好，运行能耗低，运行费用少的特点。
鉴于BAF工艺的许多优越性能,上世纪90年代以后，国内外许多的科研机构和环保企业开始对其在市政及工业废水领域的应用前景进行评估和工程实践，均取得了一定效果，但是BAF工艺在工程化运行过程中出现了滤床滤料易板结，反冲洗耗水量大，反洗不彻底，池底承托板上的滤头、滤帽等配气配水设施容易赌塞等一系列实质问题并未得到彻底有效的解决，这在很大程度上影响了该工艺在水领域的广泛应用。
后来，又有人开发了借助曝气实现污水在池体内部循环式反应的曝气生物滤池。中国发明专利：CN100357194C（单级内循环曝气生物滤池）及中国专利申请公布：CN1349937（生物膜法的集约曝气），该两部分公开内容的实质均涉及到：采用空气通过导流（筒）装置对液位进行提升，以被提升的液位差作为促使进入装置的液体实现再次自上而下循环穿越生物滤料层的动力，从而实现所谓的内部多重循环处理。
与传统的曝气生物滤池相比较，上述这种改进方法的显著特点为：
①传统曝气生物滤池由于直接从池底进行曝气充氧，因而正常运行过程中整个生物滤床基本处于好氧状态，故其床层内主要以好氧菌为主体，对有机物去除效果较好，但是缺乏厌氧及缺氧环境，对污水中氮的反硝化去除作用极为有限；而采用集约曝气的运行方式后，由于水体主要流向为自上而下的形式，故在生物滤床的上层主要以好氧菌为主，而在填料层的中下部分由于氧气很难抵达故主要以厌氧或缺氧菌为主，从而整个生物滤料床层在降解有机物的同时又具备了硝化及反硝化脱氮的功能；
②传统的曝气生物滤池大多采用带滤头滤帽式样的承托板，在长期的运行过程中由于截留的悬浮物与大量繁殖微生物及其脱落生物膜的不断增多,其承托滤板上的滤头滤帽很容易堵塞，往往都会导致配水配气不均匀从而影响处理效果；由于该装置底部的配水及承托装置采用格栅板或条形开洞承托层，故其具有相对较大的过流面积而不会发生堵塞，加上内部循环的作用使得过流量是正常进水量的数倍甚至数十倍，通过大流量配水能保证承托层配水的相对均匀。
然而，实践证明，该改进方法也存在很多不能克服的重大缺陷，其主要表现为：
（1）由于待处理污水在曝气筒（或导流筒）内被曝气提升后进入池内自上而下经过曝气生物滤池的生物滤料层，从而实现内部循环的单次流程，如此反复运行，由于水流方向与重力方向一致（即下向流，见图1所示），很容易在长周期的运行后导致滤层逐步被压实并板结，严重时甚至会被堵塞，从而影响整个系统的传质，大幅降低处理效率。
（2）该装置采用分离式提升曝气充氧，生物滤床内部的氧含量来源主要靠经曝气提升后溶解在污水中的部分氧气，这部分溶解氧在随着污水自上而下经过滤层的过程中，一部分被附着于上层液及表层生物填料上的好氧微生物吸收利用，另外一大部分溶解氧在自上而下的过程中随着填料床层阻力的逐级增大，污水在向下流的过程中为克服其阻力很容易将溶解在污水中的氧气释放到分压更低的大气当中，故最终能被微生物利用的溶解氧比例较低，而随污水深入生物床层的溶解氧则基本没有。
这势必造成整个系统能承载的好氧菌数量有限，且主要存在于上层液及表层较浅的生物填料中，而接近表层以下的填料床层区域则以缺氧甚至厌氧状态为主，整个床层靠下的区域则微生物数量较少，基本只起到过滤的作用。所以在实际的工程运用中，该工艺具有一定的脱氮效果，但其脱碳效果较为有限，尤其当应用在深度处理领域时，其CODcr去除率更低。
综上可知，传统的曝气生物滤池以及后来经改进的内循环式曝气生物滤池在实际运用过程中均存在较为明显的缺陷，从而影响此类技术的推广及应用。其主要表现为：要么具有一定的脱碳（除CODcr）效果，但其脱氮效果却较差，出水的悬浮物（SS）偏高；要么具有一定的脱氮效果且出水的悬浮物（SS）含量能控制在较低水平，但去除有机物的功能又不太理想。
发明内容
本发明提供一种改良型集约曝气及静脉式生物滤池，它具备优良的脱碳（去除有机物）效果，又兼具良好的反硝化脱氮的功能。同时，它还具有不会堵塞、运行成本低、核心工艺设施制作简单、安装及操作极为方便、使用寿命长、出水悬浮物（SS）含量低等优点。
本发明要解决的技术问题所采取的技方案是：改良型集约曝气及静脉式生物滤池包括生物滤池体，所述生物滤池体内设置有配水区、承托层、生物填料区和压顶水层区，所述生物滤池体内设置有集约曝气及循环导流装置，所述集约曝气及循环导流装置包括内导流筒，内导流筒下端与曝气装置相连，其特征是：所述内导流筒外设置有外导流筒，所述外导流筒下端伸入到配水区内、外导流筒上端设置有通气管并伸出至压顶水层区外，所述外导流筒与内导流筒之间间隔设置有吸水导管，所述吸水导管上端伸入到压顶水层区内、下端与内导流筒下端相连通。
本发明是这样实现的：待处理污水从进水及配水装置7进入生物滤池体1底部的配水区6进行布水后通过承托层5进入生物填料区3进行生物氧化处理，经一次处理后的污水经生物填料区域进入其上方的压顶水层区4内，之后压顶水层区内第一次处理后的污水被集约曝气及循环导流装置2的吸水导管2-2吸入，并通过汽提作用产生的抽吸负压吸入到内导流筒2-1底部，第一次处理后污水在内导流筒内被曝气装置12充氧并提升后进入外导流筒2-3，之后沿着内、外导流筒之间的空隙再次进入池底的配水区内，与后续从进水及配水装置7进来的污水在配水区内混合后，再自下而上依次经过承托层、生物填料区进行生物氧化处理，二次处理后的污水又进入压顶水层区内，之后压顶水层区内的污水又被集约曝气及循环导流装置的吸水导管2-2吸入，并通过汽提作用产生的抽吸负压吸入到内导流筒底部，经曝气处理后再次进入配水区内与原污水混合，如此周而复始的反复循环及多次被附着于生物床层内的微生物进行生物氧化分解，最终被高效生物氧化及净化后的污水从处理出水管道10流出，从而完成在该装置内的全过程处理。
其中，由于本发明在运行过程不仅会截留绝大部分原水中自带的胶体及悬浮物，而且还会高效的分解污水中的有机物并增殖大量的微生物及其正常代谢所脱落的微生物膜，故每运行一段时间后需生物滤床进行反洗（具体反洗周期视进水水质及有机物去除负荷而定），以排出池体内的悬浮物及多余的活性污泥，从而维持池体内总体微生物的活性及动态平衡，达到持久高效运行。
本发明通过在生物滤池体的内导流筒外设置有外导流筒，以及在内、外导流筒之间设置吸水导管（污水），一是使污水经过生物填料区氧化的方向变为自下而上（既为上向流）与水重力方向相反，解决了传统生物滤池污水流动方向与其重力方向相同所带来的问题；二是可使经一次或多次循环处理后的低浓度污水与刚进入配水区的原污水进行充分混合及稀释后再进行生物氧化处理，不仅提高了处理效果，而且使得滤池体针对浓度更高、毒性更大的污水具有良好的适用能力。
本发明所述生物滤池体反洗采用气-水联合反洗，需反洗时，先采用反洗风经反冲洗进气及配气装置9对生物床层进行松动，再用反洗泵将反洗通过反冲洗进水及配水装置8将床层的多余物质冲出，净化后的污水从处理出水管道10流出，反洗后的混合液经反洗排水管道11排至系统内的接纳单元。
附图说明
图1是现有技术中曝气生物滤池的剖视结构示意图，
图2是本发明所述的曝气生物滤池的主剖视结构示意图，
图3是本发明所述的曝气生物滤池的俯视结构示意图。
在图中，1、生物滤池体 2、集约曝气及循环导流装置 2-1、内导流筒 2-2、吸水导管 2-3、外导流筒 3、生物填料区 4、压顶水层区 5、承托层 6、配水区 7、进水及配水装置8、反冲洗进水及配水装置 9、反冲洗进气及配气装置 10、处理出水管道 11、反洗排水管道12、曝气装置 13、通气管。
本发明改良型集约曝气及静脉式生物滤池技术与现有技术相比较具有以下有益效果：
（1）本发明采用了上向流多重内部循环反应方式的集约曝气生物滤池技术，避免了传统曝气生物滤池因在池底直接曝气给滤床中生物膜造成较大的扰动及冲刷，故其能为微生物的快速生长及大量繁殖提供一个相对较为温和的生存条件，故其不仅更有利于适应能力强的普通微生物生长，而且也有利于原本对生长环境要求较高、世代时间较长的微生物繁殖，使得整个生物床层内具备较为丰富的生物相，大幅提高了对废水中污染物的协同综合去除能力。
（2）本发明所述生物滤池体能不断地将经一次或多次循环处理后的低浓度污水与刚进入配水区的原污水进行充分混合及稀释，使得滤池体针对浓度更高、毒性更大的污水具有良好的适用能力及处理效果，其不仅可以应用于污水的深度处理领域，而且还可以很好的应用于高浓度、高毒性污水的预处理阶段，这是目前现有技术所无法做到的。本发明具有更为广泛的适用能力和应用空间。
（3）本发明所述的生物滤池体将经曝气提升后富含溶解氧的污水经由曝气循环及导流装置后，能巧妙的实现上向流的不间断循环处理，使得整个生物滤床层自下而上氧含量呈梯度逐步降低，形成了以好氧、兼氧及缺氧为主且各自功能区域分布明显的良好局面（主要以池体下方的配水区域至生物填料床层的2/3位置为好氧区域；以生物填料床层的2/3位置至上方压顶水层为兼氧及缺氧区域），使得其不仅能大幅提高水中溶解氧的利用率，更为重要的是其在大幅降解有机物实现脱碳的同时，还能对氨氮具有良好的反硝化脱氮效果，是一个真正意义上集高效脱碳及脱氮于一体的改良革新式曝气生物滤池。
（4）本发明所述生物滤池体在运行一段时间后，采用气水联合反洗的方式，对运行过程中因截留污水中的不溶性固体及微生物氧化分解有机物产生的多余污泥进行高效脱出以保持滤床中微生物的高活性及其数量的动态平衡，既节约能耗，又根治了生物滤床易板结的问题。
（5）本发明所述生物滤池体除了采用气水联合反洗的方式以排出滤床板结易堵塞的问题后，其承托板采用开孔或开洞的方式，因此也解决了像传统曝气生物滤池在承托板滤头滤帽易堵塞的老大难问题，此外，采用集约式曝气由于主要采用的为溶解氧的方式以静脉的方式对生物床层进行充氧，不存在直接曝气所带来的剧烈扰动，故相比现有的技术，本发明显然强化了滤床的过滤效果，其处理出水悬浮物（SS）含量能稳定控制在8mg/L以内，低于目前国内绝大部分的国家及地方直排标准中对悬浮物的要求（一般要求为SS≤10mg/l或含量能更高），故后续不需额外再接过滤设备或滤池等设施，不仅大幅节约投资，而且减少了占地面积。
具体实施方式，
在图2和图3中，改良型集约曝气及静脉式生物滤池包括生物滤池体1，所述生物滤池体内从下至上依次设置有配水区6、承托层5、生物填料区3和压顶水层区4，所述生物滤池体内间隔设置有若干只集约曝气及循环导流装置2，所述集约曝气及循环导流装置包括内导流筒2-1，内导流筒下端与曝气装置12相连，配水区与进水及配水装置 7相连，所述内导流筒外设置有外导流筒2-3，所述外导流筒下端伸入到配水区6内并与配水区相通、外导流筒上端设置有通气管13并伸出至压顶水层区4外，所述外导流筒与内导流筒之间间隔设置有若干只吸水导管2-2，所述吸水导管上端伸入到压顶水层区内，下端与内导流筒下端相连通，所述生物填料区3包括用于支撑填料区的垫层，所述承托层上均匀间隔设置有开孔或开洞，垫层位于承托层上，生物填料区位于垫层上。
本发明各种参数控制如下：
1、所述滤池池体（1）尺寸长度2m~10m，宽度1.5m~10m，高度2m~7m；
2、所述集约曝气及循环导流装置（2）外形为圆柱体或长方体，该装置均布于滤池的中间，单个池子中间可布置的数量为1~8个；其外导流筒（2-3）平面尺寸为0.80m×0.80m（Ø0.80m）~2.00m×2.00m（Ø2.00m），高度为1.50m~7.00m；其内导流筒（2-1）平面尺寸为Ø0.20m~ Ø1.50m，高度为1.00m~6.50m；其吸水导管（2-2）管径为DN20mm~DN200mm，数量为4~20根沿环形均布，其吸水导管进水端与填料区上方的压顶水层区连通，出水端与内导流筒的下方连通；
3、所述生物填料区（3）包含生物填料及垫层，其中生物填料区高度为1.0m~4.0m，垫层高度为0.20m~0.50m；
4、所述生物填料区进入上方的压顶水层区（4）高度为0.20m~0.80m；
5、所述承托层（5）厚度为0.10m~0.15m，板上均匀开孔或开洞；
6、所述池底的配水区（6）高度为0.30m~1.00m；
7、所述通气管（13）管径为DN50 ~ DN300mm；
实施例（1）：市政污水处理
在江西某市政污水处理厂内设置一改良型集约曝气及静脉式生物滤池的中试装置，装置材质采用碳钢防腐。
1）该装置的外形尺寸为：L×W×H=1600mm×1600mm×2650mm，内部中心区域含1座集约曝气及导流循环装置；
2)该集约曝气及导流循环装置的外导流筒尺寸为：Ø800mm×2650mm，其内导流筒尺寸为：Ø300mm×2250mm，连通内、外导流筒的吸水管道大小为DN80mm，共6根沿圆周均布，每一根的上吸水口超出外导流筒250mm，外导流筒上方的通气管大小为DN80mm；
3）装置底部配水区高度为400mm；
4）装置的承托层采用5#角钢倒扣的方式平铺，角钢之间的空隙为10mm，在角钢连成的承托层四周及中间设施支撑点；
5）承托层上方级配安装Ø30mm、Ø15mm的瓷球，共200mm高；瓷球上方装填1000mm高（总填料容积为2m³）、粒径规格为4~8mm的多孔生物填料；填料上方的压顶水层区高度为400mm；
处理结果：
本中试装置的进水水量为1.0m³/h，填料的有效停留时间为2.0hr，进水水质为经粗、细格栅及沉砂池预处理后的市政污水，其主要污染物平均指标为:CODcr=260mg/L,氨氮=33 mg/L,悬浮物（SS）=150 mg/L。经3天的快速挂膜及驯化后开始正常运行，经过将近4个月的连续运行，出水的平均CODcr值为36.81mg/l，氨氮平均值为3.36mg/l，悬浮物（SS）平均值为4.50mg/l，其针对CODcr、NH3-N及SS的平均去除率分别为85%、90%、97%，填料的容积负荷分别为2.64kgCODcr/m³·d及0.38kgNH3-N/m³·d。通过中试数据与污水厂的整套工艺的运行数据相比，仅仅凭借该改良型集约曝气及静脉式生物滤池中试装置处理，其出水水质基本与该污水处理厂的全套工艺处理后的最终出水水质（纤维转盘）一致，且其出水的悬浮物（SS）含量还低于污水处理场的最终外排出水，显示出了强大的技术综合优势。
实施例（2）：工业高浓度废水处理（焦化厂蒸氨废水）
在江西某焦化厂的污水处理场内设置一改良型集约曝气及静脉式生物滤池的中试装置，装置的外箱体材质为碳钢，其内表面采用玻璃钢防腐，集约曝气及导流循环装置主体采用不锈钢SUS304。
1）该装置的外形尺寸为：L×W×H=2000mm×3500mm×3750mm，内部中心区域含2座集约曝气及导流循环装置；
2)该集约曝气及导流循环装置的外导流筒尺寸为：Ø1100mm×3650mm，其内导流筒尺寸为：Ø400mm×3250mm，连通内、外导流筒的吸水管道大小为DN100mm，共8根沿圆周均布，每一根上的吸水口超出外导流筒350mm，外导流筒上方的通气管大小为DN150mm；
3）装置底部的配水区域高度为500mm；
4）装置的承托层采用5#角钢倒扣的方式平铺，角钢之间的空隙为10mm，在角钢连成的承托层四周及中间设施支撑点；
5）承托层上方级配安装Ø30mm、Ø15mm的瓷球，共250mm高；瓷球上方装填2500mm高（总填料容积为10m³）、粒径规格为4~8mm的多孔生物填料；填料上方的压顶水层高度为500mm；
处理结果：
本中试装置的进水水量为1.2m³/h，填料的有效停留时间为10.5hr，进水水质为焦化厂经蒸氨塔蒸氨处理后的高浓度废水，其主要污染物及其平均指标为:CODcr=4500mg/L,氨氮=220 mg/L,挥发酚=650 mg/L,H2S=90 mg/L,悬浮物（SS）=50 mg/L。经过7天的挂膜及驯化后开始稳定运行，经过将近100天的连续运行，出水的CODcr平均值为1197mg/l，氨氮平均值为81.22mg/l，挥发酚平均值为14.36mg/l，硫化氢的平均值为2.59mg/l，悬浮物（SS）平均值为9.50mg/l，其针对CODcr、NH3-N、酚类、硫化氢及SS的平均去除率分别为73%、63%、98%、97%、81%，填料的容积负荷分别为7.54kgCODcr/m³·d、0.38kgNH3-N/m³·d、1.45kg酚/m³·d及0.20kgH2S/m³·d。
该处理结果表明，改良型集约曝气及静脉式生物滤池技术不仅同时具有良好的生物脱碳及生物脱氮的效果，而且还能处理高浓度、高毒性的工业废水，突破了传统的普通生化不能处理挥发酚含量高于300mg/L的禁区。在实际运行过程中，挥发酚最高含量达到了约950mg/l 。
实施例（3）：石化废水深度处理
在山东某石化企业的污水处理场内设置一座改良型集约曝气及静脉式生物滤池的中试装置，与山东本地某工程公司的传统上向流式曝气生物滤池及北京某企业的下向流式内循环式曝气生物滤池进行同场竞技。其中：
1）所提供的改良型集约曝气及静脉式生物滤池中试装置与上述实施例（1）中所使用的为同一个装置，主体材质为碳钢防腐。外形尺寸为：L×W×H=1600mm×1600mm×2650mm，内部中心区域含1座集约曝气及导流循环装置，其中生物填料所装填的总数量为2m³；
2）山东某企业所提供的上向流式曝气生物滤池外形尺寸为：L×W×H=1500mm×1500mm×3700mm，其中生物填料所装填的总数量约为3.5m³；
3）北京某企业所提供的下向流式内循环曝气生物滤池外形尺寸为：Ø×H=1500mm×3600mm，其中心导流筒为Ø400mm，装置内生物填料所装填的总数量约为3.2m³；
处理结果：
鉴于各中试装置内装填的生物填料种类及数量均不一样，应业主要求，各装置根据所装生物填料的实际情况来校订需要的进水水量，以保证各装置的实际停留时间基本一致。
最后确定改良型集约曝气及静脉式生物滤池中试装置的进水量约为0.7m³/h；上向流式曝气生物滤池中试装置的进水量约为1.1~1.2m³/h；而下向流式内循环曝气生物滤池中试装置的进水量约为1.0~1.1m³/h。故各装置的停留时间均接近3.0h。
中试进水取水源为该石化总厂各装置综合排来的含油、含盐废水经调节、除油及二段生化处理后的二沉池来水，其主要污染物及其平均指标为:CODcr=91mg/L，氨氮=18mg/L ,悬浮物（SS）=40 mg/L。
经过7天的挂膜及驯化后开始稳定运行，经过将近两个半月的连续运行：
1）、改良型集约曝气及静脉式生物滤池中试装置出水的CODcr平均值为46.3mg/l，氨氮平均值为1.1mg/l，悬浮物（SS）平均值为3mg/l；
2）、上向流式曝气生物滤池中试装置出水的CODcr平均值为60.2mg/l，氨氮平均值为15.6mg/l，悬浮物（SS）平均值为12mg/l；
3）、下向流式内循环曝气生物滤池中试装置出水的CODcr平均值为81.7mg/l，氨氮平均值为1.2mg/l，悬浮物（SS）平均值为3mg/l；
该处理结果表明：针对石化废水的深度处理，其对CODcr、NH3-N、及SS的平均去除率分别为50%、93%、92%，其中CODcr的去除率相对于现有技术高出了17%~40%，NH3-N的去除率相对于现有技术高出了1%~80%，而悬浮物（SS）的去除率相对于现有技术高出了1%~22%。
相比现有技术，改良型集约曝气及静脉式生物滤池技术是一项集高效的生物脱碳性能、优良的生物脱氮功能及良好的过滤效果于一体的先进工艺及装置。
Claims (3)
1.改良型集约曝气及静脉式生物滤池，它包括生物滤池体（1），所述生物滤池体内设置有配水区（6）、承托层（5）、生物填料区（3）和压顶水层区（4），所述生物滤池体内设置有集约曝气及循环导流装置（2），所述集约曝气及循环导流装置包括内导流筒（2-1），内导流筒下端与曝气装置（12）相连，其特征是：所述内导流筒外设置有外导流筒（2-3），所述外导流筒下端伸入到配水区内、外导流筒上端设置有通气管（13）并伸出至压顶水层区外，所述外导流筒与内导流筒之间间隔设置有吸水导管（2-2），所述吸水导管上端伸入到压顶水层区内、下端与内导流筒下端相连通。
2.根据权利要求1所述的改良型集约曝气及静脉式生物滤池，其特征是：所述外导流筒（2-3）为圆柱体或长方体。
3.根据权利要求1所述的改良型集约曝气及静脉式生物滤池，其特征是：所述生物填料区（3）为瓷球和多孔生物填料。
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