水解-曝气生物滤池工艺处理市政污水的研究原理及特点

近十几年来，各种废水处理新技术不断涌现。随着越来越多的废水处理设施投入运转，废水生物处理已成为城市污水和有机工业废水处理的主要方法。目前我国已建成的污水处理厂大多采用传统活性污泥法及其变形工艺、氧化沟工艺、AB工艺、SBR工艺，虽然这几种工艺处理的水质能达到排放水的一般要求，但其投资和占地面积大，难于管理。例如活性污泥法，其研究、应用、改进已有很长的历史，目前在世界上仍占优势地位，但同时其也存在一些难以克服的缺点，如占地面积大、基建投资高、处理负荷低、运行启动慢、经常出现污泥膨胀、不能承受冲击负荷等。
由于污水处理主要是一项侧重于环境效益和社会效益的工程，在建设和实际运行过程中常常受到资金的限制，使得治理技术与资金问题相连成为解决我国水污染的“瓶颈”。因此，开展经济有效的污水处理新工艺、新设备的研究与开发，研究一种适合我国国情的污水处理新工艺，从而降低污水处理的投资和运行费用、节省用地、管理方便、出水水质好、能达到国家《综合污水排放标准》(GB 8978-1996)及城市一般回用水质标准，对我国国民经济和社会发展及环境保护具有十分重要的意义，而且也必将有其巨大的应用范围和市场。
由郑俊主持研究开发的，水解-曝气生物滤池市政污水处理新工艺”省部级科研成果。就是符合上述要求的一种污水生物处理新技术。
本章主要介绍该工艺处理市政污水的试验研究。
一、研究背景
我国城市污水处理技术从七五国家科技攻关开始逐步进行研究。"七五"和"八五"攻关项目在氧化塘、土地处理和复合生态系统等自然处理技术方面的研究较多。以这些成果为设计依据，建立了一些氧化塘、土地处理城市污水示范工程。在人工处理技术方面“八五”对高负荷活性污泥、高负荷生物膜、一体化氧化沟技术进行了深入研究，引进、开发了A/B、A/A/O、A/O、SBR等处理工艺，研究成果已被应用于大批污水处理厂。“九五”期间工艺技术研究重点为中小城镇简易、高效污水处理实用的成套技术，解决人工处理能耗高、自然处理占地大等问题.就工艺技术的广度而言，与洲际上的差距已经编小。20世纪60--70年代，氧化沟和SBR工艺发展迅速，近年来成为我国城市污水处理厂占主导性的工艺。而曝气生物滤池和一级强化工艺是国际上20世纪80年代末90年代初新开发的、具有发展潜力的高效城市污水处理工艺。城市污水处理新工艺：水解-好氧生物处理工艺是我国自主知识产权的工艺。我国在近年引进很多国外的新工艺，建设了相当多的工程，这些工作是我国在城市污水处理领域的宝贵财富，应该对此进行系统的总结。但我国的污水处理技术研究以单项研究为主，且偏重于工艺研究.缺乏系统性、完整性，也缺乏综合性的比较研究和技术经济评价体系。从另一方面讲，目前我国城市污水处理厂普遍采用的工艺与美国、德国等发达国家所采用的技术与工艺几乎处在同一水平上，被证明是行之有效的技术，但并不一定都适合我国国情。例如目前国内大多采用国外引进的氧化沟、延时曝气的SBR等工艺。延时曝气是一种低负荷工艺，对于我国这样一个资潇不足、人口众多的发展中国家，是否适合推广这种低负荷的活性污泥工艺是值得推敲的问题。低负荷曝气池的池容和设备是中、高负荷活性污泥工艺的几倍，所以相应地投资要高数倍。延时曝气对污泥是采用好氧稳定的方法，其能耗比中、高负荷活性污泥势高40%-50%左右。据资料报道，目前每千瓦发电能力脱硫塔要投资1000美元，则每万吨污水增加的脱硫投资需要70万元。如果按脱硫投资为电站投资的10%计，则增加的电厂投资为700万元，这接近污水处理单位投资的50%。所以研究开发一种高效城市污水处理工艺就成为必然。
国家科技部在“科技型中小企业技术创新基金若干项目指南(2002年)"明确指出:2002年度水处理技术及设备重点支持的创新项目是具有自主知识产权，创新点突出，工艺先进，技术成熟，易于推广的各类高效、低耗的水处理关键技术及集成。通过关键技术创新与集成，带动我国中小环保企业的发展和水质净化与污染控制领城整体技术水平的提高。因此开展经济、高效、低能耗污水生物处理技术与装置的理论和实用意义的研究是十分重要
的。本课题在分析了水解工艺和曝气生物滤池各自特点的基础上，着重研究水解-曝气生物滤池工艺对有机物、氮磷营养物的去除。据报道，采用水解-活性污泥法。与传统的活性污泥相比，其基建投资、能耗和运行费用可分别节省30%左右。而好氧段采用曝气生物滤池，虽然已有一些工程在应用，但是对其的设计还停留在经验的基础上，因此，开展水解-曝气生物滤池工艺对城市生活污水的处理研究具有重要的现实意义，能够为工程设计提供可靠的设计依据和设计参数。
二、水解-曝气生物滤池工艺基本原理及特点
1.水解工艺的基本原理
水解工艺属于升流式厌氧污泥床反应器技术范畴，伯力特等根据微生物的生理种群，提出了厌氧消化三阶段理论，该理论是当前较为公认的理论模式。三阶段厌氧消化的第一阶段，是在水解与发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质和脂肪水解发酵转化成单糖，氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氧等。第二阶段，是在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。第三阶段，是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷。从原理上讲，水解是厌氧消化过程的前两个阶段。
水解反应器将厌氧消化控制在反应时间较短的水解(酸化)段，将污水中悬浮有机污染物溶解、可溶有机物中部分复杂污染物转化成小分子有机物，使其易于穿越细胞膜而被细胞吸收。水解作用的最终产物主要是短链的挥发性酸，如乙酸、丙酸、戊酸和己酸等。
在水解反应器中，起作用的主要是兼氧微生物，它们在自然界中的数量较多。繁殖速度较快。因此水解反应器可在较短的停留时间(HRT=2.5h)和相对高的水力负荷下[>1.0m3/(m2·h)]获得较高的有机物和悬浮物去除率。
2.曝气生物滤池工艺的基本原理
曝气生物滤池(biological aerated filter,BAF)也叫淹没式曝气生物滤池(submerged biological aerated filter,SBAF)。国外从20世纪90年代初研究成功以来，经不断改进，派生出多种结构形式。该工艺在开发过程中充分借鉴了污水接触氧化法原理，并结合给水处理快滤池的设计思路，形成了集生物氧化、截留悬浮物于一体的特点。
一般说来，曝气生物滤池具有以下特征:①用粒状陶粒作为微生物载体。②区别于一般生物滤池及生物滤塔，在去除BOD、氨氮时需进行曝气。③高水力负荷、高容积负荷及高的生物膜活性。④具有生物氧化降解和截留SS的双重功能，使生物处理单元之后不需再设二次沉淀池。⑤需定期进行反冲洗，清洗滤池中截留的SS，同时更新生物膜。
3.水解-曝气生物滤池组合工艺的特点
水解和曝气生物滤池工艺均是具有发展潜力的高效城市污水处理工艺，两种工艺的特点在前文己做了详细的介绍。对于水解-曝气生物滤池组合工艺，是在充分分析了两者优缺点的基础上而提出的高效、低能耗污水处理新工艺，具有以下的特点。
(1)系统产泥量少，污泥易于处理。由于水解过程可大幅度地去除污水中的悬浮物和有机物，因此其后续曝气生物滤池工艺的污泥量可得到有效的减少。同时，水解工艺本身的产泥量远低于好氧工艺(仅为好氧工艺的1/10~1/6)，并已高度矿化，易于处理。
(2)系统无需设置二沉池。由于曝气生物滤池集生物过滤和生物降解于一体，污水中的SS及老化脱落的生物膜被截留在滤层中，因此出水无需设置二沉池。降低了基建投资。
(3)系统无需设置初沉池。在城市生活污水的处理中，以水解池取代常规初沉池，其COD、BOD5、SS去除率分别可达到40%、15%和60%左右。
(4)系统耐冲击负荷能力强。水解工艺可对进水负荷的变化起缓冲作用，从而为曝气生物滤池创造较为稳定的进水条件，同时曝气生物滤池本身对冲击负荷具有较强的适应能力。
(5)系统运行费用低。水解处理不需供气，运行费用低。且其对污水中有机物的去除亦可节省曝气生物滤池的需氧量，从而节省整体工艺的运行费用。
(6)系统占地面积小。水解可为曝气生物滤池工艺提供优良的进水水质(即提高污水的可生化性)，提高处理效能，缩短反应时间，从而缩小处理设施的容积。而曝气生物滤池工艺又具有负荷高。占地少的特点。因此，采用水解-曝气生物滤池工艺可大大减少占地面积。

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