曝气生物滤池工艺全解析
Back
2021-12-15 11:14:30
曝气生物滤池是二十世纪八十年代后期开发的一种污水处理新工艺，1990年法国OTV公司建造了世界第一座曝气生物滤池，称之为“淹没式固定生物膜曝气滤池”。由于它克服了活性污泥法占地面积大、易散发臭气及运行不稳定等缺点而备受关注。
目前全世界建成运行的曝气生物滤池已达几百座。它属于生物膜法的范畴，又兼具有活性污泥法某些特点。滤池内放置直径只有几个毫米的多孔滤料作为生物群落的附着繁殖介质，通过设在滤层下面的配气系统（也有置于滤层中间者）向生物群落供气（气源为鼓风机）。对污水的净化除主要依靠滤料上的生物膜外，滤层内还截留了大量类似活性污泥的悬浮生物，对污染物质也具有吸附、降解作用。水流方向多采用上向流式，即池底进水池顶出水，有的也用下向流式。上向流式采用穿孔管池底配水，钢筋混凝土滤板及滤头则安装于池的顶部，以阻挡滤料流失并收集出水。下向流式采用大阻力配水系统。轻质多孔滤料粒径小、比表面积大，容积负荷可以很高，滤池面积可大大缩小。由于水流方向与滤料压密方向一致，可同时完成生物接触氧化与固液分离，通常可省去后续的二沉池。随着过滤进程，生物膜不断增厚、老化、脱落，滤层截留的悬浮物也逐渐增多，过滤阻力同步增加，需定期进行反冲洗以恢复其净化能力。
冲洗方式为三段式气水反冲洗，即先气洗，气水联合冲洗然后单独水洗。反洗空气由鼓风机通过池底的配气系统提供。反洗水流方向则自上而下（上向流滤池）或自下而上（下向流滤池）。上向流滤池的冲洗水贮存于滤板之上，利用同组滤池的出水进行重力冲洗，不需要冲洗水泵。
近年来我国建设了若干座上向流曝气生物滤池（UBAF），形式有所变化，其构造类似给水V型滤池。配水配气系统设于滤池底部，采用钢筋混凝土滤板和长柄滤头。为防止滤料流失，在出水堰前加设栅形稳流板，出水堰顶面做成60°斜坡。冲洗方式仍为三段式气水反冲洗，需设反洗水泵。当对出水有脱氮要求时，一般需采用两级曝气生物滤池，通过控制供氧在滤层内分别造就缺氧或好氧环境，令生物膜上繁殖的优势菌种分别为好氧异养菌或硝化菌、反硝化菌，从而达到除碳及脱氮目的。除磷则以化学絮凝法为主（滤前投加铁盐或铝盐），滤池内聚磷菌在厌氧与好氧交替情况下对污水中磷的过剩摄取能力进行生物除磷为辅。
此外，我国还有在给水预处理上应用曝气生物滤池的范例。它成功地降低了微污染原水的COD、NH3-N、NO2和AOC，提高出厂水的水质和生物稳定性。曝气生物滤池具有流程筒单，水力负荷及容积负荷大，占地小，投资省，运行成本较低，出水水质好等优点，既适用于大中小型的城市生活污水及某些工业废水处理（如啤酒、印染、食品加工废水），也可用于给水预处理。但是，它的池体结构较复杂，设备较多，自动化程度较高，要求较高的建造质量及运行管理水平。本文结合工程实践讨论污水处理上向流曝气生物滤池（UBAF）设计施工应注意的若干问题。
1.主要参数
进水水质（mg/l）∶COD100-1000BOD550-350SS50-350TKN15-60NH3-N10-40
出水水质（mg/l）∶COD<40BOD5<20SS<20NH3-N<10TKN<15
容积负荷NS∶2-6kgBOD5/(m3.d)4-12kgCOD/(m3.d)
NS取值与进水、出水水质密切相关。有机物容积负荷越高，出水中有机物剩余浓度也越大。例如，城市污水要求出水BOD510-20mg/l，NS可取3.5-5.0，当要求出水BOD55-10mg/l时，NS则应降为2.5-3.2。当NS>3时，NH3-N的去除受抑制，NS>4时，NH3-N的去除受明显抑制。有硝化脱氮要求时，还应考虑硝化负荷，一般为0.3-0.8kgNH3-N/(m3.d)。故应根据原水性质及处理要求选取合适的NS值。
水力负荷∶3-6m3/m2.h
去除率∶COD>90%BOD5>90%NH3-N>90%SS>90%
滤料∶滤料选择除粒度、密度、空隙率、机械强度、化学稳定性、不含毒、害物质等方面的要求外，最重要的是比表面积。比表面积越大，单位滤料中生长的微生物量越多，生化处理效率越高。材质可用轻质陶粒、无烟煤、石英砂、塑料等，以园形轻质陶粒滤料较佳。粒径3-6mm，滤层厚度2.5-4.5m。
冲洗强度∶水4-10l/m2.s，气12-20l/m2.s，滤层膨胀率约10%。
冲洗方式∶长柄滤头配水配气。先气洗3-5min，然后气水联合洗3-5min，最后单水洗3-5min。通过冲洗把滤层内截留的污泥及老化的生物膜排出，但冲洗强度不可过大，以保留足够的活性生物膜，为下一周期生化处理能力的恢复创造条件。冲洗耗水量为滤水量的7-10%。
曝气∶为微生物提供生长繁殖所需的溶解氧，并有搅动滤层，促进老化膜脱落更新的功能。需氧量约0.42－0.8kgO2/kgBOD5，可用安装于滤板面上的穿孔管或空气扩散器（曝气头）配气。为防止水倒流，反冲洗空气干管及曝气干管的管底应局部抬高至滤池最高水位之上500mm。
工作周期∶24-48h
单格过滤面积∶50-100m2
2.池型
为了保证反冲洗效果，单池面积不宜太大（≤100m2），平面上通常采用矩形，单侧配水配气，纵横向长度比1∶1.2－1∶1.5，纵向（短边）长≤8m并应在横向（长边）前端沿全长设配水配气室均匀地配水配气。进水孔位于滤池底板面上。进气孔顶应与滤板底持平或稍低，孔径（50-80mm）不宜过大。某工程设计池横向两端各一米多长无进水进气孔，滤梁顶面又无平衡孔；进气孔位于滤板底下300mm处，孔径d100mm，导致反冲洗时滤池两侧由于滤梁阻隔没有反洗空气通过，中部则发生严重的射流，布气显然无均匀可言。
3.滤板、滤梁
曝气生物滤池滤板、滤梁的设计施工要求与给水V型滤池相同，滤梁设计除了保证纵向强度外还应具备必要的横向刚度，以抵御滤板安装时可能发生的水平力的作用。滤板、滤梁的强度应比池体砼提高一级，其制作、安装的精度要求很高，一般土建单位难以达到，应交由专业厂家用专用钢模生产。滤板宜采用卧式模具，每次生产一块，脱模时间为24h（夏季高温时应不少于16h即两天三脱模）。为缩短制作、安装周期，有人曾采用ABS板材制作底模整体现浇滤板，但因底模凹凸不平，配气配水不够均匀，且造价与预制相比增加50-100％。某单位采用立式模具，据称每次可生产五块。但模具内气体排除困难，所产滤板气泡很多，强度很低；钢筋位置难固定，露筋多；滤板边缘密实度更低，毛刺、缺损、掉角甚多，导致全部翻工重做。某工程把滤梁交由滤池土建单位现场浇制，虽然施工时费煞了苦心，但拆模后检查仍有不少预埋螺栓偏位过大（滤板安装位置不足，一格池甚至多达20块滤板放不下），梁身弯曲不直（突出部位滤头杆插入受阻，凹陷部位滤板支承面不够，应力过于集中），梁顶面最大水平误差竟达19mm，直接影响滤板的安装和使用寿命。
4.滤头与开孔率
曝气生物滤池通常采用小阻力配水系统（长柄滤头）。滤池进水虽然已经预处理，其中的悬浮物质仍然较多，且较粗大，特别是生活污水粘稠物质多，水中混有许多塑料薄膜碎片，对滤头危害很大。为了避免堵塞，滤头缝隙应比给水滤头宽（2.0-2.5mm），每个滤头缝隙总面积约250-350mm2。开孔比可比给水滤池大，约0.011-0.015。配气孔直径2.0-2.5mm，位置应在滤杆丝扣之下或与滤板底面平，它与滤杆下端的配水条形孔的距离应保持150-200mm以上。开孔比过大除了影响反冲洗均匀性外，还导致配水配气稳定性下降（对反洗系统内其它因素的微小变化敏感）。某工程采用开孔比0.027，滤头配气孔（d=4mm）位置偏低（距滤板底238mm，距配水条形孔仅50mm），试运转时发现不仅冲洗不均匀，产生了强烈的脉冲；而且当空气压力变化气垫层下界面发生波动时，大量空气从下界面降低的区域内之滤头（通过配水条形孔）喷射而出，即产生所谓“气垫层击穿”现象。
5.承托层
给水V型滤池滤头缝隙窄（0.25-0.3mm）,开孔比小（约0.008-0.01）配水较均匀，滤料一般采用均粒（0.9-1.2mm）石英砂，砾石承托层可简化为一层（粒径2-4mm，厚100-150mm）。曝气生物滤池滤头缝隙宽，开孔比大，冲洗强度较大，滤料为3-6mm的陶粒滤料，砾石承托层建议分为2-4mm，4-8mm，8-16mm三层布置，每层厚50-100mm。
6.滤头防堵
上向流曝气生物滤池从滤板下进水，水中含较多悬浮物（特别是塑料薄膜碎片），长期运行滤头堵塞难以避免，一旦出现很难清洗。某污水厂曾因此而导致反冲洗时把滤板掀翻这样的严重后果。设计上除在池壁滤板底高度下设检修人孔外，还应考虑必要时利用滤池水位迅速地从上而下逆向冲洗滤头把堵塞物排走的相应措施。
7.压缩空气系统
曝气生物滤池与给水V型滤池一样通常采用气动蝶阀控制。后者的动力是压缩空气。压缩空气应经过仔细的过滤、干燥然后通过管道输送到各气动阀门的电磁阀上。压缩空气系统的管道由于接头多，施工时应注意其气密性。否则会由于漏气导致空压机频繁起动，既浪费能源又影响空压机的寿命。为减少空压机起动频率，系统内另配一个较大的贮气罐是必要的。管道材质最好采用不锈钢管（或无缝钢管），焊接接头。通往各格滤池或设备（反洗水泵、鼓风机）的支管前端应有控制阀门（法兰连接），便于分段检修。镀锌钢管（丝扣连接）接头气密性较差；长期运行内壁生锈，锈斑一旦脱落便会堵塞电磁阀。某工程采用铝塑复合管，虽可防止锈蚀，但因其刚度不足，运行时在空气压力作用下接头处容易脱开。
8.土建质量
曝气生物滤池对土建施工质量的要求与给水V型滤池相同。一般土建施工单位对此往往不了解或不重视。设计院及监理公司必须反复强调，加强过程监控，逐条逐项落实。尤其是某些关键部位，如池壁平直度，相邻池壁垂直度，进气进水孔孔中心标高、间距、方向，进出水溢流堰堰顶水平度及标高，预留孔、预埋件的位置及其固定程度，模板支撑的可靠性等等，更应层层把关，反复检查验收。池内壁下部四周的凸缘（支承滤板及不锈钢压板用）应与池壁同时浇筑，否则凸缘与池壁砼分离，反冲洗时接合面容易漏气。预埋钢板螺栓、防水套管的安装定位也是一个薄弱环节，必须在模板安装时把它们固死，防止浇灌砼过程中移位，否则会给后续的设备、管道安装带来很大的困难。某工程浇灌池壁后发现预埋不锈钢螺栓（固定滤板用）少了十多支，便采用同口径不锈钢膨胀螺栓补足。这显然是错误的。因为螺栓孔内混凝土在水的侵蚀下一旦溶化，磨擦力便丧失殆尽。此情况下，建议采用化学锚着不锈钢螺栓补救，但费用较高。某工程进气孔采用预埋d=100mmPVC短管形式，短管与该处池壁同厚（580mm）。由于设计文件对该孔安装精度没提要求，施工单位也疏忽大意安装不牢，结果各孔高低不一（实测最大误差达95mm），方向各异（指短管走向，明显地向上下左右偏移的约占一半），参差不齐，对配气均匀性影响很大。
9.空气管道吹扫
曝气生物滤池的空气管道有压缩空气管、反冲气管及曝气管，它们在通水冲洗、压力试验并排干水分后均需使用空气进行吹扫（曝气管吹扫应在曝气头安装前进行）。操作的依据是«工业金属管道工程施工及验收规范（GB50235-97）»，吹扫风速宜不低于20m/s。应先吹扫压缩空气管道，后吹扫反冲气管及曝气管。吹扫气源最好分别利用已安装好的空压机、反洗鼓风机和曝气风机。吹扫顺序应按（离气源）先近后远，逐段吹扫（其余段应关闭相应支管的控制阀门）。验收合格的标准是：待出风口目测无水渍、粉尘后，在该处放置一块涂上白漆的木制靶板，5min内靶板上不发现铁锈、尘土、水分及其它杂物，即为合格。
10.调试
曝气生物滤池的配水配气及曝气系统安装过程应进行以下项目的验收测试∶
1）滤板安装平整度测试
滤板制作的外表质量（指单块表面平整度、外形几何尺寸误差等）是保证安装质量的前提条件之一，其目的是使滤板安装后上、下表面尽可能水平、光滑，所有滤头杆上的气孔、配水条形孔保持在同一高度上，以提高气水反冲洗均匀性和稳定性。安装平整度测试在滤板安装后进行。用水平仪抽检（以毫米刻度的钢直尺为标尺）滤板的上表面，要求单块滤板安装平整度误差≤1mm，单格滤池内安装平整度误差≤5mm。
2）滤板嵌缝气密性测试
滤板嵌缝养护完成后，检查嵌缝应平整、无气孔、无裂纹；不锈钢压板安装应平稳牢固。向全部滤头座拧上堵头（除其中一个接出气压表外），往池内注入约20cm深水，开动反洗风机或空压机供气，通过排气阀调整滤板下压力。试验压力0.04－0.05Mpa，恒压10min。所有嵌缝均无气泡冒出为合格。否则应详细记录漏点位置，排水修复后重新试验直至合格为止。本项测试务必控制好试验压力，压力过高会导致掀翻、打烂滤板滤梁。
3）滤头配气均匀性测试
卸下堵头拧上滤头。滤头安装应由有经验的师傅使用扭矩钣手进行，防止用力不均。检查滤头无损坏，位置正确，安装牢固。放水入池，水位以淹没滤头顶部为准（此时已有足够水量通过滤头渗至滤板下面）。开动反洗风机向该池供气。俟风机运转正常后，观察检查滤头有无损坏、松脱（个别滤头出气特别大），反冲洗配气是否均匀。
4）曝气头配气均匀性测试
曝气头及其配气管道安装完成后，检查支架及曝气头安装位置是否正确，有无松动。往池内注水，水位高于曝气头顶约20cm。启动曝气风机，俟其运转正常后，观察检查曝气头有无损坏、松动（个别曝气头出气特别大），配气是否均匀。
结语
曝气生物滤池（BAF）是一种新型的给水、污水生物处理工艺，具有处理效率高、出水水质好、适用范围广等优点，值得进一步研究推广。但是其构造相对复杂，建造质量要求较高，必须在设计、施工中认真对待，妥善解决。