生物膜法在市政污水处理中的应用前景

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简介： 生物膜法60年代末期开始出现，在工业废水处理方面曾研究了高负荷生物滤池、塔式生物滤池等，后来则主要研究了接触氧化法，并在纺织、印染、化纤等行业废水中广泛应用。接触氧化工艺由于缺乏经久耐用和价格低廉的填料、大型池的均匀布水布气尚有困难等原因，在市政污水处理上特别是在大中型污水处理厂中没有得到应用。80年代中期在研究A/O、AA/O、AB法、SBR工艺、新型氧化沟等悬浮生长工艺技术的同时，也开展了高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)和生物曝气滤池(BAF)等附着生长技术方面的试验研究。研究结果表明生物膜法在市政污水处理方面前景良好。
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　生物膜法60年代末期开始出现，在工业废水处理方面曾研究了高负荷生物滤池、塔式生物滤池等，后来则主要研究了接触氧化法，并在纺织、印染、化纤等行业废水中广泛应用。接触氧化工艺由于缺乏经久耐用和价格低廉的填料、大型池的均匀布水布气尚有困难等原因，在市政污水处理上特别是在大中型污水处理厂中没有得到应用。80年代中期在研究A/O、AA/O、AB法、SBR工艺、新型氧化沟等悬浮生长工艺技术的同时，也开展了高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)和生物曝气滤池(BAF)等附着生长技术方面的试验研究。研究结果表明生物膜法在市政污水处理方面前景良好。

1 高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)工艺

　　高负荷生物滤池/固体接触(TF/SC)是美国在80年代初根据其城市污水处理厂70%为高负荷生物滤池，其出水达不到提高后的出水水质标准而开发出来的新工艺。我国于1990年由中国市政工程西北设计研究院和兰州铁道学院合作进行试验室、中间试验和工程生产试验，获得了完整的设计参数。国内设计公司据此成果进行了两座污水量为10×10⁴m³/d规模处理厂设计建设。TF/SC的典型工艺流程如图1。

　　生物滤池可以是卵石填料高负荷生物滤池，也可以是塑料填料的深式或塔式滤池。TF/SC工艺中生物滤池系按不完全处理设计，采用了较一般高负荷生物滤池还要高的负荷，美国采用的负荷为0.4～1.4 kgBOD₅/(m³·d)(填料体积)，最终出水BOD₅可达10 mg/L以下。我国的研究结果是卵石填料的负荷在3.5 kgBOD₅/(m³·d)时最终出水BOD_５可在30 mg/L以下。生物滤池设计的BOD_５去除率以50%左右较为经济，其主要功能是去除溶解性BOD_５和将大分子等难降解的物质降解为易降解物质。在我国采用卵石填料比较经济，因塑料填料的价格要高20倍以上。
　　固体接触池是TF/SC工艺高效的关键之一，它是将回流污泥与生物滤池出水混合曝气，进行生物絮凝和生物吸附，将废水中细小颗粒和凝聚性差的生物膜絮凝成易于沉淀的絮体，同时吸附和降解污水中的有机污染物，因而污水在固体接触池中的停留时间一般都较短(美国典型TF/SC处理厂最短的仅2.0min，一般为30min左右)，我国设计的停留时间较长，多在45min左右，因滤池负荷较美国高。固体接触池的污泥负荷比一般活性污泥法高1倍，若出水BOD_５要求低于30mg/L，污泥负荷为0.4～0.8kgBOD_５/(kgMLSS·d)。
　　絮凝沉淀池与一般二沉池最大的不同之处是设有进水絮凝区，借助于外力进行再絮凝。它是根据生物可以再絮凝原理设计的，从而较大幅度提高了表面负荷并使细小不易絮凝沉淀的生物膜得以去除，出水悬浮物可达10mg/L。
　　从以上TF/SC工艺的单元特性讨论中说明了TF/SC工艺具有以下优点：
　　①出水水质好。美国的数处工程实例和我国示范工程都说明出水悬浮物和BOD_５均可达到10mg/L以下。一般活性污泥法出水悬浮物和BOD_５达到20 mg/L已是高水准，尤其是悬浮物达到20 mg/L以下是很困难的。所以，有人称之为“二级处理工艺，三级出水标准”。
　　②TF/SC的工艺单元--生物滤池、固体接触池和絮凝沉淀池均是高效设施，负荷高、停留时间短，因而工程造价低，运行能耗少。研究结果说明TF/SC工艺污水处理厂工程总投资和运行费用均较传统活性污泥法低约20%(未包括污泥处理，TF/SC工艺污泥量少1/4)。美国Corvallis市政污水处理厂(Oregon州)改造为TF/SC工艺后，节约用电20%，鼓风机所需动力由186.4kW降至44.7kW，尤为重要的是污泥量减少了24%，大幅度减少了污泥处理费用。
　　③具有生物膜法的特点，耐冲击、运行稳定、操作比较简单。

2 生物曝气滤池

　　生物曝气滤池(BAF)70年代末起源于欧洲大陆，在90年代初已发展成法国、英国、奥地利和澳大利亚等国设备制造公司的技术和设备产品。使用BAF的污水处理厂规模也已扩大到8.0×10⁴m³/d。同时发展为可以脱氮除磷的工艺。
　　采用生物曝气滤池的市政污水处理厂流程有两类，见图2。

　　BAF的构造基本上与污水三级处理的滤池相同，只是滤料不同，BAF一般用单一均粒滤料，其构造见图3。
　　BAF有两种运行方式，一种是从池上进水，水流与空气逆向运行，称之为逆向流或向下流。另一种是池底进水，与空气流同向运行，即同向流或向上流。同向流负荷高，出水水质略差，必须设二沉池。而逆向流在流速较小时，可不设二沉池。

　　国内主要是研究逆向流BAF，国外厂商提供的工艺设备也主要是逆向流。中国市政工程西北设计研究院和兰州铁道学院合作研究提出的工艺设计参数见表1。

表1 BAF工艺设计参数处理程度容积负荷[kgBOD5(m³.d)]水力停留时间（h）设计出水水质
（mg/L）BOD₅去除90%0.7～2.81～2BOD₅≤20
SS≤20硝化（90%以上）0.5～2.02～3BOD5≤20
SS≤20
NH₃^-N≤5
TKN≤10

　　表1中的进水浓度为一般城市的市政污水浓度,BOD₅为150～200mg/L。所列设计参数为BAF流程1的参数，即采用此参数可不设二沉池。
　　表1清楚说明BAF是高效处理设施，其容积负荷高出一般活性污泥法1～2倍，出水可以完全满足“污水综合排放标准”二级标准。BAF的空气量仅为一般活性污泥法的1/2，其水气比为1∶2～1∶3，运行能耗较低。
　　BAF前可设置有填料的厌氧滤池而形成AA/O工艺膜法，也可在BAF流程2中二沉池前投加铁盐絮凝剂成为除磷脱氮工艺。

3 生物膜法与传统活性污泥法比较

　　现将生物膜法与活性污泥法的两类代表工艺比较列于表2。
　　表2说明膜法的负荷均远高于活性污泥法，因而工程总造价也要低很多，TF/SC工艺研究专题依托工程的经济分析说明TF/SC工艺的总造价比标准活性污泥法低20%。另外近年来我国所设计的两个10×10^４m³/d规模的市政污水处理厂均采用TF/SC工艺，其处理1.0 m³污水的工程造价一项为900元，另一项为1 015元(工程包括污泥消化与污泥处理)。由于这项工程利用了有利地形，其电耗分别为0.1 kW·h/m³水和0.05 kW·h/m³水(完全自流无须提升)。一般传统活性污泥法的工程总造价为1 200～1500元/m³水，运行电耗超过0.2 kW·h/m³水?。

表2 膜法与传统活性污泥法比较工艺构筑物负荷初沉池表面负荷[m³/(m².h)]生物处理构筑物容积负荷[kgBOD₅/(m³.d)]二沉池表面负荷[m³/(m².h)]总去除率（%）标准活性污泥法污泥法1.50.62451.090阶段曝气1.50.81.085～90TF/SC1.52.781.590BAF1.51.25无90

4 生物膜法在我国城市污水处理中的前景

　　生物膜法在我国城市污水处理中应用的前景是十分广阔的，将会与活性污泥法一样成为城市污水处理厂的主要工艺。
　　我国城市污水处理厂现仅160座，污水处理率也仅为10%，需要建设大量的城市污水处理厂，但我国城市建设资金远不能满足这方面的需求。解决资金的途径，一条是拓宽资金来源；另一条是采用新的技术降低工程造价节约资金。上述两生物膜法工艺显然是可以较大幅度降低工程造价的新技术，因而也正是城市污水处理所需要的技术。

5 物膜法需要研究改进的技术问题

　　生物膜法从开始研究至今不足20年，在我国研究的时间更短，还不到10年，建设的工程也很少，因而必然存在许多需要改进的地方，需主要研究的内容如下：
　　①不论是TF/SC工艺还是BAF技术，工艺的理论研究还很不够，如果在理论研究上有所发展，必然会极大地推 动生物膜法的发展。
　　②需要研究工艺设计的优化，如TF/SC工艺各单元处理程度的优化、BAF工艺投配负荷与反冲洗关系的优化 等。
　　③需要研究TF/SC和BAF适用的轻质高强、价廉、使用寿命长的滤池滤料，这是两种工艺的关键问题。
　　④BAF存在一个大型滤池的均匀布水布气问题，它既关系其工程造价，也关系此技术的适用规模。
　　⑤随着对环境质量要求的提高，污水脱氮除磷也一定会在我国得到加强。TF/SC和BAF工艺的脱氮除磷技术在 国外已有一些技术方案和成功的流程，但在我国还未很好地开展这方面的研究，需要规划安排和加强工作。

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