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普通生物滤池

一、普通生物滤池的构造

图1-1、图1-2为两种典型的普通生物滤池,它们都是由滤床(滤料层)、布水系统、排水系统和通风(供氧)系统组成。

  1. 滤床
    滤床由滤料组成。滤料是微生物生长栖息的场所,理想的滤料应具备下述特性:①能为微生物附着提供大量的表面积,②使污水以液腆状态流过生物膜;③有足够的孔隙率,保证通风(即保证氧的供给)和使脱落的生物膜能随水流出滤池;④不被微生物分解,也不抑制微生物的生长,有较好的化学稳定性;⑤有一定的机械强度,且价格低廉。
    早期滤床的滤料主要以拳状碎石为主,此外,碎钢渣、焦炭等也可作为滤料,其粒径在3-8mm左右,孔隙率在45%-50%左右,比表面积(可附着面积)在65-100m2/m3之间。从理论上来讲,这类滤料粒径校径愈小,滤床的微生物可附着面积愈大,川生物膜的面积将愈大,滤床的工作能力也愈大,但粒径愈小,滤料间的孔隙就愈小,滤床愈易被生物膜堵塞,滤池的通风也愈差,可见滤料的粒径不宜太小。
    20世纪60年代中期,随着滤料工业发展起来以后,塑料滤料开始被广泛采用,常用的有环状环状塑料和波纹状塑料滤料。环状塑料滤料比表面积在98-340m2/m3之间,孔隙率为93%-95%;波纹状塑料滤料比表面积在81-195m2/m3之间,孔隙率为93%-95%。国内目前还采用玻璃钢蜂窝状块状滤料,空心间距在20mm左右。孔隙率在95%左右,比表面积在200m2/m3左右。
    滤池高度与滤料的密度有密切关系。石质拳状滤料组成的滤床高度一般在1~2.5m之间。一方面由于孔隙率低,滤床过高会影响通风:另一方面由于滤料太重将影响排水系统和滤池基础的结构。而塑料密度很小,每立方米质量仅为100kg左右,孔隙率则高达93%-95%,使滤床高度不但可以提高,而且可以采用双层或多层构造。国外一般采用双层滤床,高7m左右;国内常采用多层的塔式结构,高度常在10m以上。
    滤池四周一般设池壁,池壁起围护滤料、减少污水飞溅的作用。常用砖、石或混凝土块砌筑。
  2. 布水系统
    设置布水系统的目的是为了使污水能均匀地分布在整个滤床表面上。生物滤池的布水设备分为两类,即回转式布水器和固定式喷嘴布水系统。

    回转式布水器如图1-3所示,其中央是一根空心的立柱,底端与设在池底下面的进水管衔接。布水横管位于滤池上方,在其一侧开有喷水孔口,孔口直径10-15mm,间距不等。愈距池心间距愈大,使滤池单位平面面积接受的污水量基本上相等。布水器的横管可为两根(小池)或四根(大池),对称布置。污水通过中央立柱流入布水横管,由喷水孔口分配到滤池表面。污水喷出孔口时,作用于横管的反作用力推动布水器绕立柱旋转,转动方向与孔口喷嘴方向相反,所宙水头在0.6-1.5m左右,如果水头不足,可用电动机转动布水器。

    如图1-4所示,固定式布水系统由虹吸装置。馈水池、布水管道和喷嘴组成。这种形式布水设备较少使用。污水经过初沉池后流入馈水池,当该水池水位上升到某一高度时,池中积蓄的污水通过设在池内的虹吸装置。倾泄到布水管系,喷嘴开始喷水,且因水头较大,喷水直径较大。由于出流水量大于入流水量,池中水位逐渐下降,因此喷嘴的水头逐渐降低,喷水半径也随之逐渐收缩。当池中水位降落列一定程度时,空气进入虹吸装置,虹吸被破坏,喷嘴即停止喷水。由于馈水池的调节作用,固定喷水系统的喷水是间隙的。这类布水系统需要较大的水头,约在2m左右。
    当采用回转式布水系统时,滤池的平面用园形成正八角形;采用困定式喷嘴布水系统时,池面形状不受限制。
  3. 排水系统
    排水系统一般设于池底,其作用一方面是收集滤床流出的污水与生物膜,另一方面保证通风供氧和支撑滤料。池底排水系统由池底、排水假底和集水沟组成。排水假底是用特制砌块和栅板铺成,滤料堆在假底上面。早期都采用混凝土栅板作为排水假底,自从塑料填料出现以后,滤料质量减轻,国外多用金属栅板作为排水假底。假底的空隙(过水面积)所占面积不宜小于滤池平面的5%-8%,与池底的距离不宜小于0.4-0.6m。
    池底除支撑滤料外,还要排泄滤后水,池底中心轴线上设有集水沟,两侧底面向集水沟倾斜,池底和集水沟的坡度约1%-2%。集水沟要有充分的高度,并在任何时候不会满流。确保空气能在水面上畅通无阻。使滤池中孔隙充满空气。
  4. 通风系统
    通风系统主要作用是供给滤池微生物需要的氧分。通风系统主要通过排水假底下部池璧上的通风孔进入空气,并靠滤池的自然拔风作用使空气均匀通过排水假底而进入滤料层。通风系统效果的好坏受滤池高度、滤池上下部的温差而影响较大。

二、普通生物滤池法的工艺流程

低负荷生物滤池又称普通生物滤池,在处理城市污水方面,普通生物滤池有长期运行的经验。生物滤池的处理流程一般有如图1-5、图1-6、图1-7所示等几种,但主要都由初沉池、生物滤池和二沉池组成。初沉池的作用主要是去除原污水中的大块悬浮物,一方面可去除部分有机物,另一方面是防止滤池的堵塞。二沉池主要是使生物滤池流出水中的生物膜进行泥水分离。普通生物滤池工艺的优点是处理效果好,BOD的去除率可达90%以上,出水BOD可下降到25mg/L以下,硝酸盐含量在10mg/L左右,出水水质稳定。缺点是占地面积大,易于堵塞,灰蝇很多,影响环境卫生。后来,人们通过采用新型滤料,革新流程,提出多种形式的高负荷生物滤池,使负菏率比普通生物滤池提离数倍,池体积大大缩小。
一般来说,普通生物滤池运行管理都较简单。因此早期较多应用于小城镇和边远地区。一般认为,它对入流水质水量变化的承受能力很强,脱解的生物膜密实,较容易在二沉池中被分离。

三、普通生物滤池的机理

  1. 普通生物滤池的工作情况
    普通生物滤池正常工作时,原污水通过布水设备连续、均匀地喷洒到滤床表面上,污水以水滴的形式向下渗沥。或以波状薄膜的形式向下渗流(见图1-1)。最后,污水到达排水系统,流出滤池。污水流过滤床时,有一部分污水、污染物和细菌附着在滤料表面上。微生物便在滤料表面大量繁殖,不久,形成一层充满微生物的黏膜,称为生物膜。这个起始阶段通常叫"挂腆",是生物滤池的成熟期,只有在"挂成"过程完成后生物滤池才能进入正常运行。
  2. 影响普通生物滤池性能的主要因素
    普通生物滤池中有机物的降解过程复杂,同时发生着有机物在污水和生物膜中的传质过程,有机物的好氧和厌氧代谢,氧在污水和生物膜中的传质过程和生物膜的生长和脱落等过程。这些过程的发生和发展决定了生物滤池净化污水的性能。影响这些过程的主要因素如下。
    (1)滤池高度;人们早就发现,对于下向流生物滤池,滤床的上层和下层相比,生物膜量,微生物种类和去除有机物的速率均不相同。滤床上层,污水中有机物浓度较高,微生物繁殖速率高,种属较低级(以细菌为主),生物膜量较多,有机物去除速率较高。随着滤床深度增加,微生物从低级趋向高级,种类逐渐增多,生物膜且从多到少。滤床中的这一递变现象,类似污染河流在自净过程中的生物递变。因为微生物的生长和繁殖同环境因素息息相关,所以当滤床各层的进水水质互不相同时,各层生物膜中的微生物就不相同,处理污水(特别是含多种性质相异的有害物质的工业废水)的功能也随之不同。
    由于生化反应速率与有机物浓度有关,而滤床不同深度处的有机物浓度不同,自上而下递减,因此各层滤床有机物去除率不同,有机物的去除率沿池深方向呈指数形式下降。研究表明,生物滤池的处理效率,在一定条件下是随着滤床高度的增加而增加,在滤床高度超过某一数值(随具体条件而定)后,处理效率的提高就微不足道,且不经济。研究还表明,滤床不同深度处的微生物种群不同,反映了滤床高度对处理效率的形响间污水水质有关。对水质比较复杂的工业废水来讲,这一点是应值得注意。
    (2)负荷率;生物滤池的负荷率是一个集中反映生物滤池工作性能的参数,同滤床的高度一样,负荷率直接影响生物滤池的工作。
    水处理设施的负荷习惯上都以流量负荷为准,生物吐池的负荷以污水流量表示时,负荷率的单位是m3水/(m3·d或m3水/(m2·d),后者相当于m/d,又称为平均滤率。但是,由于生物滤池的作用是去除污水中的有机物或特定污染物,因此它的负荷率应以有机物或特定污染物为准较合理,对于一般污水则常以BOD5为准,负菏率的单位以kgBOD5(或特定物质)/(m3滤料·d)表示。这样,生物滤池的负荷率有三种表达方式:以流量为准的负荷率常称水力负荷率;水力负荷率采用滤率为单位时,又称为表面水力负荷率;以BOD5为准的负荷率常称有机负荷率。
    以往,城市污水处理厂采用普通生物滤池,滤率一般在1-2m/d左右,不超过4m/d。在此低负荷率的条件下。随着滤率提高,污水中有机物的传质速率加快,生物膜量增多,滤床(特别是它的表层)很容肠堵塞,因此生物滤池的负荷率增长期停留在较低的水平(当污水浓度和滤床高度为定值时,滤率与负荷率的比值是常数)。但是,当滤率提高到8m/d以上时,下渗污水对生物膜的水力冲剧作用,使生物滤池堵塞现象又获改善。在高负荷条件下,随着滤率的提高,污水在生物滤池中的停留时间缩短,出水水质将相应下降。为此,可以利用污水厂出水回流(回流滤池)或提高滤床高度(塔式生物滤池)来改善进水水质。从而提离滤率和保证出水水质。
    讨论负荷率时,应与处理效率相对应。例如,采用生物滤池处理城市污水,要求处理效率在80%-90%左右(城市污水的BOD5一般在200-300mg/L左右,用生物滤池处理后,出水BOD5一般在25mg/L左右)。这时,低负荷生物滤池的负荷率常在0.2kg/(m3·d),高负荷生物滤池的负荷率在1.1kg/(m3·d)左右,若提高负荷率,出水水质将相应有所下降。
    (3)回流;利用污水厂的出水或生物滤池出水稀释进水的做法称回流。回流水量与进水量之比叫回流比。回流对生物滤池性能有下述影响:①回流可提高生物滤池的滤率,它是使生物滤池由低负荷率演变为高负荷率的方法之一(增大滤床高度也可提高负荷率);②提高滤率有利于防止滴滤池中产生灰蝇和减少恶臭(淹没式生物滤池不存在此现象)。③当进水缺氧、腐化、缺少营养元素或含有有害物质时。回流可改善进水的腐化状况,提供营养元素和降低毒物浓度;④进水的质和量有波动时,回流有调节和稳定进水的作用。
    回流将降低入流污水的有机物浓度,减少流动水与附着水中有机物的浓度差,因而降低传质和有机物去除速率。另外,回流增大流动水的紊动程度,增快传质和有机物的去除速率,当后者的影响大于前者时,回流可以改善滤池的工作。
    一些研究表明,用生物滤池出水回流,增加滤床的生物量,可以改善滤池的工作。但是,悬浮微生物的增加,又可能影响向生物膜的转移,影响生物滤池的效率。可见,回流对生物滤池性能的影响是多方面的,不可一概而论,滤池的回流比应与污水浓度综合起来考虑。
    (4)供氧;普通生物滤池中,微生物所需的氧一般直接来自于大气,并称自然通风供给。影响生物滤池通风的主要因素是滤床自然拨风能力和风速。自然拨风的推动力是池内温度和气温之差,以及滤池的高度,温度差愈大,通风条件愈好。当水温较低,滤池内温度低于气温时(夏季),池内气流向下流动;当水温较高,池内温度高于气温时(冬季),气流向上流动。若池内外无温差时,则停止通风,正常运行的生物滤池,自然通风可以提供生物降解所需的氧,当入流污水有机物浓度较高时,供氧条件可能成为影响生物滤池工作的主要因素。对于普通生物滤池,当进水有机物浓度低时,氧的供给一般是充足的;而当COD>400-500mg/L时,生物滤池供氧严重不足,生物膜好氧层厚度变薄,厌氧层变厚。所以,为保证生物滤池正常工作,有人建议滤池进水COD应小于400mg/L,当进水浓度高于此值时,必须通过回流的方法,降低滤池进水有机物浓度,以保证生物滤池供氧充足,正常运行,但由此使得生物滤池的体积和占地面积大大增加。

四、其他形式的生物滤池

  1. 塔式生物滤池
    塔式生物滤池也称高负荷生物滤池,其在构造上与普通生物滤池基本相同。它与普通生物滤池的区别是将滤料在滤池中分层叠加,所以把每层滤床作为独立单元时,可看成是多段滤床的串联,塔式生物滤池是为解决与改善普通生物滤池在净化功能和远行中存在问题的基础上而开发的工艺,首先它比普通生物滤池大幅度提高了滤池的负荷率,BOD容积负荷率比普通生物滤池高6-8倍,水力负荷则高达10倍。当原污水中有机物浓度较大且处理后的出水水质要求较高时,塔式生物滤池、一般都需要将处理水进行回流,这样可以均化与稳定进水水质,阵低进入高负荷滤池的BOD值,同时加大了水力负荷,及时冲别过厚和老化的生物膜,一方面避免堵塞,另一方面使生物膜迅速更新并经常保持较高的活性。
  2. 活性生物滤池
    生物滤池与活性污泥曝气池串联运行在一起形成组合的生物膜-活性污泥工艺。污水与回流污泥一同进入滤池进行生物处理,此时的生物滤池成为活性生物滤池。
    活性生物滤池在进水时由于采用了较多的活性污泥回流,滤床中具有大量的活性微生物,滤池中就发生了较高的微生物的同化作用。也就是说,活性生物滤池就好像高效的微生物合成器。进水中大量的有机物首先在此被活性污泥吸附和软化,井进行微生物的大量合成。但由于污水和活性污泥在此滤池中的停留时间较短,微生物对吸附在活性污泥的有机物还投有完全氧化,故滤池出水尚需在后续的曝气池中进一步曝气处理以达到良好的出水水质,也正是由于活性生物滤池的这种作用,使得后续曝气池的负荷大为减轻且波动减小。
    活性生物滤池的构造基本上同塔式生物滤池,只是滤床高度较低而已,一般为5m左右,采用的滤料一般有水平安放的木板条,这任板条在滤床中交错排列。此外还可可用塑料蜂窝斜管填料,其孔径不小于25mm。

五、普通生物滤池的计算

  1. 计算公式
    如前面介绍,影响生物滤池性能的因素很多,各种因素之间关系复杂。虽然目前用以表示生物滤池的数学模型很多,但是,至今还没有一个全面反映各因素的模式。条件许可时应尽量利用试验成果进行生物滤池的设计,没有条件进行试验时,可借助于经验公式进行设计。
    污水流过滤池时,污染物浓度的下降率--每单位滤床高度(h)去除的污染物量(以浓度ps计)。同该污染物的浓度成正比,即:dps/dh=-Kps0
    积分,得:ln ps/ps0=-Kh
    ps/ps0=e^-Kh
    式中,dps/dh为污染物浓度(以COD、BOD或特定指标表示)的下降率;ps0为滤池进水污染物浓度,mg/L;ps为床深为h处水中的污染物浓度,mg/L;h为离滤床表面的深度,m;K为反映滤池处理效率的系数,它同污水性质、滤池的特性(包括滤料的材料、形状、表面积、孔隙率、堆砌方式和生物膜性质)以及滤率有关,布水方式(如均匀程度、进水周期等)也可能对其有影响。
    K可以用下式求得:K=K`pms0(qv/A)n
    式中,qv为滤池进水流量,m3/d;A为滤床的面积,m2;K`为系数,它与进水水质、滤率有关,;m为与进水水质有关的系数;n为与滤池特性、滤率有关的系数。
    将式上面两式代入得:ps/ps0=exp[-K`PMS0(QV/A)n h]
    可直接用于无回流普通生物滤池的计算,解得:h=ln(ps/ps0)/K`pms0(qv/A)n
  2. 系数的确定
    运用上式进行普通生物滤池设计计算时,应先确定K`、m和n三个常数,通常是通过生物滤池模型试验求得。一般情况下,试验以前已选定滤料和进水方式,试验用的滤料和进水方式应与欲设计的滤池相同,试验装置可以不回流。当进水COD≥400mg/L或污水中含有毒物质时,试验装置应考虑回流。
    试验时应通过浓度或流量变化(固定其中一个变量),齐做5-9次试验。K`、m和n可以很据试验所得数据,用图解法求得。

六、普通生物滤池系统的功能设计

普通生物滤池处理系统包括初沉池、滤池本身和后续的二沉池,另外有时还有回流系统。其功能设计一般包括:滤池类型和流程选择,滤池个数和滤床尺寸的确定;初沉池、二沉池的形式、个数和工艺尺寸的确定。布水设备计算。

  1. 滤池类型的选择
    低负荷生物滤池现在基本上已不常用,仅在污水量小、地区偏僻、石料不贵的场合尚有可能选用。
    目前,大多数工程采用高负荷生物滤池,其主要有两种类型:带回流的生物滤池和塔式生物滤池。滤池类型的选择,只有通过方案比较才能得出合理的结论。占地面积、基建费用和运行费用的比较常起关键性作用。
  2. 流程的选择
    在确定流程时,通常要解决的问题是:是否设初沉池;采用几级滤池;是否采用回流,回流方式和回流比的确定。
    当废水含悬浮物较多时,宜设置初沉池,以避免曝气生物滤池限塞。处理城市污水时,一般都设置初沉池。
    当进水有如下三种情况时,应考虑用二沉池出水进行回流:①入流有机物浓度较高,可能引起供氧不足时。②水量很小,无法维持水力负荷在最小经验值以下时;③污水中某种污染物在高浓度时可能抑制微生物生长的情况下,应考虑回流。
  3. 滤池个数和滤床尺寸的确定
    生物滤池的工艺设计内容是确定滤床总体积、面积和高度。设计时可按负荷率计算。或经过试验后用经验公式计算。
    (1)滤床总体积(V)
    V=ps0qv/N*10^-8
    式中,V为滤床总体积,L;ps0为污水进滤池前的BOD平均值,mg/L;qv为污水日平均流量。m3/d,采用回流式生物滤池时,此项应为qv(1+r),回流比r可根据经验确定;N
    为有机负荷率,kgBOD5/(m3·d)。
    (2)滤床的高度确定;滤床的高度一般是根据经验或试验结果确定的。例如低负荷滤池床高度一般在2m左右。两级回流生物滤池滤床高度一般在1-1.8m左右。塔式生物滤池滤床高度一般在8m以上。在滤床的总体积和高度确定之后,滤床的总面积就可以计算出。当总面积不大时,可采用单座或双座或多座滤池组合。

七、普通生物滤池的运行及其经验

普通生物滤池投入运行之前,首先需检查各项机械设备和管道,然后用清水替代污水进行试运行,以测试整个系统工作是否正常,发现问题应及时整改。
生物滤池正常运行前需进行微生物膜的培养阶段,即需进行“挂膜”。在这个初始运行阶段,洁净的无膜滤床逐渐生长了生物膜,处患效果和出水水质不断提高,当生物膜长得成熟后再进入正常运行状态。
当处理含有毒物质的工业废水时,生物滤池的运行要按设计确定的方案进行。一般来说,这种有毒物质正是生物滤他的处理对象,而能分解氧化这种有毒物质的微生物常存在于一般环境中,无需从外界引入,但是在一般环境中,它们在微生物群体中并不占优势,或对这种有毒物质一时还不太适应,因此在滤池正常运行前还需对这种微生物在该特定环境下进行驯化,以使微生物适应含有毒物质的废水环境。
采用生物滤池处理工业废水的挂膜-驯化有两种方式。
①从其他工厂废水站或城市污水处理厂取来活性污泥或生物膜,进行接种挂膜和驯化。可把取来的数量充足的污泥同工业废水、清水和养料按适当比例混合后淋洒在生物滤池中,出水进入二沉池,并以二沉池作为循环水池,循环运行。当滤床明显出现生物膜迹象后,以二沉池出水水质为参考,在循环中逐步调整工业废水和出水的比例,直到出水正常。这时调试阶段结束,滤池进入正常工作状态。
.②用生活污水、城市污水替代部分工业废水进行运行,运行过程中把二沉池中的污泥不断回流至滤池的进水中,当滤床明显出现生物膜迹象后,以二沉池出水水质为参考,逐步降低稀释用水流量和增加工业废水量,直到出水正常为止。
对于城市污水或生活污水,一般不需接种外界微生物,而让滤池以正常运行方式进行工作,让滤池在运行中自身生长微生物膜。采用该种方式挂膜-驯化,在滤池始运行时要控制好进水流量,一般以正常运行时流量1/3进行挂膜运行,在滤料上开始生长了一定数量的生物膜并在出水水质达到一定的水质要求时,再慢慢增加水量,直到达到正常运行水量为止。

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