鄒偉國 孫群 王國華 沈裘昌 戚盛豪 李正明
(上海市政工程設(shè)計(jì)研究院，上海200092) 摘要：開發(fā)了一種適用于微污染原水預(yù)處理及污水深度處理的新工藝——BIOSMEDI濾池，它以輕質(zhì)濾料為過濾介質(zhì)，采用與填料相適應(yīng)的獨(dú)特濾池構(gòu)造，同時采用脈沖反沖洗、氣水同向流。該濾池具有濾料比表面積大，不易堵塞，濾層阻力小，濾速高，反沖洗耗水、耗氣小等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)表明，該生物濾池在10 ℃以上時氨氮的去除負(fù)荷≥0.5 kgNH3-N/(m3·d)。
關(guān)鍵詞：微污染原水；生物濾池；BIOSMEDI工藝；硝化
中圖分類號：TU991.24
文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
文章編號 ：1000-4602(2001)01-0001-04 Research on Development of New BIOSMEDI Biological Filter ZOU Wei-guo，SUN Qun，WANG Guo-hua，SHEN Qiu-chang， QI Sheng-hao,LI Zheng-ming (Shanghai Munic.Eng.Design and Res.Institute,Shanghai 200092,China) Abstract：A new biological process called BIOSMEDI for pretreatment of micro-polluted sou rce water and advanced treatment of wastewater was developed.In this process,lig ht media were used in the filter which was of special structure.Pulse air-water backwashing was adopted in cocurrent fashion.The features of the filter include d large specific surface area,free of clogging,low resistance,high filtration sp eed and low consumption of backwashing water and air.The experiments showed that ammonia nitrogen removal loading is higher than 0.5 kgNH3-N/(m3·d) when th e temperature is over 10 ℃.
Keywords:micro-polluted source water;biological filter; BIOSMEDI;nitrification 國內(nèi)外對生物濾池均有較長時間的研究，如法國得利滿公司的BIOFOR濾池是由Degrement推出的專利，主要采用相對密度＞1的單層生物濾料(biolite)，正常運(yùn)行時 布水采用濾頭，布?xì)獠捎脤Ｓ貌細(xì)忸^，氣水同向流，從下部進(jìn)入，反沖洗時采用濾頭布?xì)獠妓摓V池應(yīng)用于原水的預(yù)處理時，必須解決濾層堵塞問題；BISOTYR是由法國OTV公司推出的新型專利，采用懸浮型輕質(zhì)濾料，氣水同向流，濾料比表面積大，可防止原水中雜質(zhì)堵塞 ，但需有效地解決濾池反沖洗問題。
在各種生物濾池中，填料是影響其正常運(yùn)行的關(guān)鍵。應(yīng)用固定型填料，容易導(dǎo)致濾層堵塞，反沖洗困難；軟性填料則容易導(dǎo)致填料之間相互粘結(jié)，造成比表面積減少；顆粒狀濾料 具有比表面積大、生物量較大的特點(diǎn)，但顆粒濾料相對密度＞1時，若采用氣水逆向流，則水流阻力較大，濾速難以提高，濾層阻力增大，且反沖洗時耗水量較大，若采用氣水同向流，則容易造成濾池堵塞。 1 BIOSMEDI濾池 經(jīng)過較長時間的研究，開發(fā)出一種新型生物濾池(專利申請?zhí)?0216746.8)。
1.1濾料的選擇
對不同材質(zhì)的濾料進(jìn)行篩選，最后采用人工合成輕質(zhì)顆粒濾料(粒徑一般在3～5 mm)。它具有來源廣泛、濾料比表面積大、表面適宜微生物生長、價格便宜(300～500 元/m3)、化學(xué)穩(wěn)定性好、密度較小等一系列優(yōu)點(diǎn)。
1.2濾池的構(gòu)造
生物濾池的填料及池型構(gòu)造是整個濾池的核心，根據(jù)濾料密度小的特點(diǎn)，研究開發(fā)出與之相適應(yīng)的池型，具體構(gòu)造如圖1所示。 
濾池采用混凝土池壁或鋼制，分四部分：上部采用鋼筋混凝土蓋板(可預(yù)制)封頂，用于抵消 濾料的浮力及運(yùn)行時的阻力，在蓋板上安裝倒濾頭，濾頭可從頂部拆卸，便于清洗；濾池中部是濾料層，其厚度及濾料的大小可根據(jù)實(shí)際情況確定；濾層下部是穿孔排泥管及布?xì)夤埽辉跒V池旁(也可在濾池下部)增加一氣室，其底部通過連接通道與濾池主體相連，專門用于脈沖反沖洗。
1.3濾池的工作原理
生物濾池為周期運(yùn)行，從開始過濾到反沖洗結(jié)束為一個周期。正常運(yùn)行時，原水通過進(jìn)水分配槽進(jìn)入濾池下部，在濾料阻力的作用下使濾池進(jìn)水均勻；穿孔布?xì)夤馨惭b在濾層下部 ，空氣通過其進(jìn)行布?xì)?。原水?jīng)過濾層后，濾層表面附著的大量微生物和填料 中的微生物利用進(jìn)水中的溶解氧去除一部分有機(jī)物及氨氮，同時懸浮物質(zhì)經(jīng)過濾層過濾后明顯減少，不會造成濾頭堵塞，出水由上部清水區(qū)排出。隨著過濾的進(jìn)行，濾層中的生物膜增 厚，過濾水頭增大，此時需要對濾層進(jìn)行反沖洗。由于濾料密度小，采用常規(guī)的水反沖、氣水反沖等方法均難以奏效，所以使用脈沖沖洗，反沖洗水取自濾池出水。反沖洗過程為：當(dāng) 某 格濾池需要反沖洗時，首先關(guān)閉進(jìn)水閥及曝氣管，打開濾池反沖洗氣管，排除氣室內(nèi)的水以形成空氣墊層，當(dāng)空氣墊層達(dá)到一定容積后，打開放氣閥，這時濾池中的水迅速補(bǔ)充至氣室中，此時濾層中從上到下的沖洗水流量瞬時加大，導(dǎo)致濾料層突然向下膨脹，可以對濾層進(jìn)行有效的脈沖反沖洗，把附著在濾料上的懸浮物質(zhì)洗脫。通過幾次脈沖后，打開穿孔排泥閥，利用其他正在運(yùn)行的生物濾池出水對濾層進(jìn)行漂洗，可有效地達(dá)到清潔濾料的目的。
1.4濾池的特點(diǎn)
a.采用氣水同向流與氣水異向流相比，在去除效果相同的條件下，濾速可有較大提高，同時水力負(fù)荷的增加，大大提高了濾池的傳質(zhì)效果和處理效率，減少了工程費(fèi)用 及占地面積，同時避免了氣水逆向流時造成的能量浪費(fèi)。濾層阻力小，因而能較好地與后續(xù)反應(yīng)沉淀池銜接，適應(yīng)于新廠及老水廠的改造。
b.濾池的阻力相對較低，布水、布?xì)饩鶆颉?BR> c.由于濾池為上向流，對濾池的運(yùn)行不會造成影響，因此對原水的懸浮物質(zhì)要求相對較低。
d.濾料來源廣泛、價格便宜、化學(xué)穩(wěn)定性好。濾料比表面積大，單位體積內(nèi)附著的生物量增大，生物濾池的容積負(fù)荷增加，使生物濾池的去除效率大大提高，有利于氧氣的傳質(zhì)，提高了充氧效率。
e.該濾池采用獨(dú)特的脈沖反沖洗形式，有利于增強(qiáng)反沖洗效果，同時耗水量、耗氣量小。反沖洗過程漂洗水可采用濾池出水，氣源則來自鼓風(fēng)曝氣，不需要專門的反沖洗水泵及鼓風(fēng)機(jī)，可采用破壞虹吸的控制方式對濾池進(jìn)行自動連續(xù)脈沖反沖洗。
f.濾層比常規(guī)生物濾池的厚，而濾層越厚，水力負(fù)荷越大，去除效果越佳。 2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果 2.1 試驗(yàn)流程裝置
試驗(yàn)裝置采用?300的有機(jī)玻璃濾柱，高度為3.5 m，濾料采用3～8的輕質(zhì)濾料，濾層厚度為1.5 m(試驗(yàn)裝置見圖2)。原水水質(zhì)不穩(wěn)定，因此試驗(yàn)采用上海某污水廠二沉池出水(CODCr＜100 mg/L)進(jìn)行模擬，從濾層下部進(jìn)水，濾頭出水，采用鼓風(fēng)機(jī)供氣，穿孔管曝氣。由于進(jìn)水中的氨氮濃度較高(20～30 mg/L)，所以將濾柱處理后出水回流稀釋，以滿足試驗(yàn)所需要的氨氮濃度。
試驗(yàn)從1999年11月初開始，11月15日系統(tǒng)正式運(yùn)行，至12月中旬基本達(dá)到正常狀態(tài)。試驗(yàn)在冬季進(jìn)行，目的是了解在水溫較低情況下生物濾池對氨氮的處理效果，試驗(yàn)中氣水 比為(1～2)∶1，以確保出水中的溶解氧濃度≥4 mg/L。試驗(yàn)原水堿度偏低，因此在12月30日后在回流水中補(bǔ)充一部分硝化所需要的堿度。試驗(yàn)時一般1～2 d反沖洗一次，周期結(jié)束時濾層阻力約2.94～3.92 kPa，脈沖反沖洗次數(shù)為2～3次，然后用濾池出水進(jìn)行漂洗，漂洗時間約2～3 min。試驗(yàn)中主要測定氨氮的去除效果，以單位填料對氨氮的去除量來表示。 
圖2試驗(yàn)裝置圖 2.2試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)結(jié)果見表1。 表1 生物濾池對氨氮的去除效果進(jìn)水流量
(m3/h) | 濾速
(m/h) | 出水堿度
(mg/L) | 出水溫度
(℃) | 原水氨氮
(mg/L) | 實(shí)際進(jìn)水氨氮
(mg/L) | 出水氨氮
(mg/L) | 氨氮的去除負(fù)荷
［kgNH3-N/(m3·d)］ |
|---|
| 2.20 | 11.80 | 106 | 13.5 | 30.20 | 15.96 | 12.7 | 0. 58 | | 2.00 | 11.50 | 53 | 14 | 26.32 | 8.87 | 5.2 | 0.63 | | 1.10 | 10.60 | 48 | 12 | 27.44 | 5.55 | 3.02 | 0.40 | | 1.50 | 11.10 | 42 | 11.5 | 30.69 | 10.81 | 7.5 | 0.56 | | 2.00 | 12.00 | 53 | 9 | 33.71 | 14.71 | 10.75 | 0.69 | | 1.50 | 11.50 | 27 | 13 | 33.55 | 11.29 | 7.95 | 0.58 | | 2.00 | 12.00 | 69 | 11 | 33.49 | 14.88 | 11.31 | 0.63 | | 1.20 | 11.20 | 25 | 12 | 34.45 | 11.12 | 8.29 | 0.47 | | 0.70 | 10.70 | 116 | 16 | 30.35 | 2.08 | 0 | 0.33 | | 2.60 | 2.60 | 83 | 13 | 28.62 | 28.62 | 12.88 | 0.63 | | 1.60 | 1.60 | 11 | 14 | 27.50 | 27.50 | 2.63 | 0.59 | | 2.00 | 11.00 | 374 | 15 | 30.24 | 5.50 | 0 | 0.91 | | 2.00 | 10.50 | 48 | 16 | 29.57 | 10.20 | 5.82 | 0.68 | | 1.80 | 11.30 | 246 | 18.5 | 28.67 | 9.296 | 5.59 | 0.61 | | 1.75 | 9.25 | 133 | 15 | 33.54 | 14.71 | 10.19 | 0.61 | | 2.50 | 11.50 | 174 | 15 | 29.18 | 17.09 | 13.66 | 0.58 | | 2.60 | 11.60 | | 16.5 | 26.94 | 13.41 | 9.3 | 0.71 | | 0.70 | 10.70 | 243 | 12 | 26.94 | 1.71 | 0 | 0.27 | | 0.77 | 10.77 | 254 | 14 | 26.38 | 1.94 | 0 | 0.30 | | 0.85 | 10.85 | 512 | 14 | 26.66 | 2.11 | 0 | 0.34 | | 1.40 | 10.90 | 461 | 11.5 | 26.38 | 3.35 | 0 | 0.55 | | 0.90 | 10.40 | 137 | 12 | 28.28 | 2.53 | 0 | 0.40 | | 1.40 | 10.40 | 148 | 11 | 23.02 | 3.10 | 0 | 0.48 | | 1.00 | 10.60 | | 11 | 21.06 | 1.93 | 0 | 0.31 | | 1.50 | 10.50 | | 11 | 19.38 | 2.85 | 0 | 0.45 | | 1.50 | 10.50 | | 11 | 23.02 | 3.23 | 0 | 0.51 | | 1.90 | 11.90 | | 11.5 | 29.90 | 4.73 | 0 | 0.84 | | 1.70 | 11.70 | 13 | 11 | 29.90 | 6.41 | 2.50 | 0.69 | 注出水中氨氮在0.05 mg/L以下時，均以0表示。 | 3 討論 3.1供氣方式
原水中溶解氧含量較低，采用穿孔管進(jìn)行布?xì)?。在濾料阻力作用下，空氣在濾層中分布較為均勻，試驗(yàn)中可以觀察到空氣在濾層中緩慢、均勻地上升，能夠達(dá)到較好的充氧效果，試驗(yàn)采用的氣水比較大，以確保生物硝化不受溶解氧的影響。
3.2氨氮濃度對去除負(fù)荷的影響
氨氮濃度不同時，硝化速率也不同。當(dāng)氨氮濃度＜1 mg/L時，硝化速率與水中的氨氮濃度成正比；當(dāng)氨氮濃度＞4 mg/L時，則受溶解氧擴(kuò)散速率的限制，溶解氧成了控制反應(yīng)速度的主要因素，此時氨氮濃度將不影響反應(yīng)的速率，即硝化速率與氨氮濃度成零次關(guān)系。
試驗(yàn)中，除出水氨氮濃度＜0.05 mg/L外，在12月17日—12月29日出水堿 度偏低的情況下，氨氮的去除負(fù)荷≥0.5 kgNH3-N/(m3·d)；當(dāng)在水中補(bǔ)充堿度時，氨氮去除負(fù)荷≥0.6 kgNH3-N/(m3·d)(這段時間出水溫度略有上升)。由此可見，在進(jìn)水氨氮濃度較高時，氨氮濃度對硝化速率的影響不明顯；在進(jìn)水氨氮濃度＜4 mg/L時，出水氨氮基本檢不出，由此可知在進(jìn)水氨氮濃度較低的情況下，生物濾池對氨氮仍有較好的去除效果。
3.3濾料接觸時間
濾料接觸時間與濾池進(jìn)水氨氮濃度及處理目標(biāo)有關(guān)，由2000年1月6日—1月14日試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在進(jìn)水氨氮濃度≤4 mg/L、濾層空床接觸時間約10 min的情況下，濾池對氨氮有較好的去除效果。
3.4水溫
試驗(yàn)在冬季進(jìn)行，氣溫相對較低，而進(jìn)水水溫較高。通過試驗(yàn)可知，水溫≥10 ℃時，該生物濾池對氨氮仍有較好的去除效果，即在進(jìn)水氨氮較高、溶解氧和堿度等都正常的情況下 ，對氨氮的去除負(fù)荷基本可達(dá)到0.5 kgNH3-N/(m3·d)。
3.5水力負(fù)荷
很多文獻(xiàn)報(bào)道，水力負(fù)荷的增加有利于提高濾池的硝化速率。還有人對氨氮濃度較高的原水在不同水力負(fù)荷下的硝化效果進(jìn)行了比較，認(rèn)為在溫度適宜、溶解氧等充足的情況下，濾速為20 m/h時的氨氮去除負(fù)荷是濾速為5 m/h的2倍，增大濾層的厚度對濾池的處理效率有明顯提高(Dergement提出生物濾池的濾層厚度可達(dá)到4 m)。由于試驗(yàn)時間的限制，試驗(yàn)中的水力負(fù)荷對氨氮去除效果的影響不明顯。
3.6濾池反沖洗
試驗(yàn)過程中，由于進(jìn)水中懸浮物質(zhì)少，一般隔天反沖洗一次，濾層的阻力損失一般＜3.92 kPa。在脈沖反沖洗過程中，短時間內(nèi)水的反沖洗流量可達(dá)40 L/(m2·s)以上，在瞬 時流量的沖洗下，濾料短時間向下自由膨脹，濾層間的雜質(zhì)在水流剪切作用下被帶至濾層下部空間。脈沖沖洗幾次后，用生物濾池出水從上部進(jìn)行漂洗，漂洗時間為2～3 min，濾池底部用排泥管排泥。這種沖洗方法效果較顯著，且不需要反沖洗水泵，只是在濾池排泥及漂洗過程中消耗一部分水量，反沖洗耗氣量更小。 4 結(jié)論 新型BIOSMEDI濾池以輕質(zhì)濾料為過濾介質(zhì)，它具有來源廣泛、比表面積大、表面適宜微生物生長、價格便宜、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；采用與填料相適應(yīng)的獨(dú)特濾池構(gòu)造 ，能防止原水堵塞，濾層阻力??；運(yùn)行時采用氣水同向流，有利于過濾速度的提高；采用脈沖反沖洗，具有耗水量、耗氣量小等優(yōu)點(diǎn)。
經(jīng)過較長時間的運(yùn)行，表明該生物濾池在10 ℃以上，進(jìn)水氨氮、溶解氧等都正常的情況下，氨氮的去除負(fù)荷達(dá)到0.5 kgNH3-N/(m3·d)以上，適用于微污染原水預(yù)處理及污水的深度處理。 參考文獻(xiàn)：
［1］張萬友，王德英，呂洪濱，等.好氧生物膜過濾裝置的研究［J］.中國給水 排水，2000，16(5)：8-11.
作者簡介：鄒偉國(1971-)，男，江西豐城人，上海市政工程設(shè)計(jì)研究院工程師，碩士，研究方向：水處理技術(shù)。
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收稿日期：2000-09-04 | 
