聊聊：百乐克[BIOLAK]污水处理工艺
BIOLAK系统是一种多级的常常还是多渠道的废水处理系统。它是德国VNO冯．诺顿西工程技术有限公司公司从七十年代起借助6项研究项目吸取了氧化塘工艺的低成本和活性污泥工艺的高效率，由氧化塘工艺逐渐系统发展起来的，它采用低负荷活性泥工艺，通过创造各类特种微生物的良好生长环境使其高效地降解有机物（COD、BOD），并通过波浪式氧化工艺对氮和磷进行高效去除。具有占地紧凑，工艺稳定，投资低廉，维护简单，运行费用低等特点。工业用BIOLAK废水处理系统大方合理的设计及多极处理的方式，使BIOLAK系统能解决最疑难的废水处理问题。虽然城乡废水较易处理，但有可能出现水力学问题，尤其是在雨水高峰期。城乡用BIOLAK废水处理系统采用其漂浮在水面的分流装置及其水力学缓冲，有效地解决了此问题。通过整体缓冲系统避免或减轻了雨水滞留问题，因此由于雨水及工业排水造成的水力学冲击能得到有效地缓冲。
BIOLAK废水处理工艺
1 工艺简介
BIOLAK工艺的雏形产生于20世纪70年代。1977年，德国纽伦堡的St．Wolfang市政污水处理厂首次尝试在土池中使用BIOLAK-Friox(悬浮式曝气器)，并取得了成功。1984年，德国夏萨克森州的Algormissen污水处理厂又发展了结合硝化和反硝化过程的新型BIOLAK系统(BIOLAK-R工艺)。到了1991年该技术被进一步完善，即在构筑物中考虑了除磷区，称之为BIOLAK-L工艺。至此，BIOLAK工艺发展成为结构紧凑、处理效果良好并可以实现除磷脱氮的综合活性污泥处理工艺。
BIOLAK工艺基于多级A/O理论和非稳态理论，在同一构筑物中设置了多个A/O段，使污水能够经过多次的缺氧与好氧过程，强化了污泥的活性并兼有脱氮效果。通常情况下，BIOLAK系统由可选设除磷区的曝气池、沉淀池、包含二次曝气区的稳定池等三部分组成（三部分可以合建，曝气池和稳定池可采用土池防渗结构）。
2 工艺原理
BIOLAK采用地下曝气结构(地盆式)，这种结构可以获得坚固和完全密封的反应池。为防止污水的渗漏，池体采用世界上先进的防渗膜(HDPE)。采用高效率的底部微孔曝气头，移动式曝气链，进一步提高氧气的传送效率。BIOLAK处理系统的原理图见1。
BIOLAK处理系统主要分5级。第1级采用转速可调的组合筛选装置，把粗物及沙粒从废水中分离出来，浓缩处理。第2级通过移动性通气处理使污泥处于活动状态，且含氧量稳定。并在一个容量大小可变的反应区内进行生物性净化处理以清除磷。第3级废水的再次处理，并进行沉淀处理，即所谓的保险级。第4级树根区及砂砾构成的过滤层。第5级再进一步的处理以达到最高的净化度。
为了加强生物去磷作用，在第2级前加入了生物去磷区。这样即使要求的净化度低于1mg磷/L，也只需要在1a中短时间内加入凝聚物。一般情况下，如果要求的净化度低于1mg磷/L，需要采用凝聚剂。在第2级中通气链的轮换作用及BIOLAK池特有的水力学特性相结合，能产生至少20次氮的硝化及脱氮反应。通过这种反复过程，达到了最好的除氮效果。
2.1 曝气系统
BIOLAK曝气系统的结构如下图2所示，曝气头悬挂在浮链上，停留在水深4－5 m处，气泡在其表面逸出时，直径约为50μm。如此微小的气泡意味着氧气接触面积的增大和氧气传送效率的提高。
BIOLAK工艺采用的浮动曝气、移动性通气链是BIOLAK通气系统的核心部分，它能有效地作用于水池的各个部位，并且供氧费用低。浮动式曝气链使所产生的气泡在水中的停留时间(11s)是传统固定曝气方式在水中停留时间的3倍。其曝气链的运动过程见下图3所示。
2.2 悬浮溢流系统
在废水的处理过程中，存在水力波动的问题特别是出现在降雨高峰区，BIOLAK废水处理工艺通过水力缓冲和悬浮及溢流系统有效的解决了这一问题。悬浮溢流采用可浮动的溢流浮子，能使水力缓冲体积达到总体积的10%，悬浮溢流系统见下图4所示。
2.3 工艺参数
根据德国ATV标准并结合国内已建Biolak污水处理厂运行情况确定的工艺参数值如表1所示。
BIOLAK工艺流程
1 BIOLAK工艺流程
污水在首先经过预处理和一级处理去除大的漂浮物后，出水先进入混合池，由推进器将进水和污泥进行混合，然后自流入BIOLAK生化池，利用曝气充氧进行好氧处理，处理后的污水，经沉淀池沉淀后达标排放。BIOLAK反应池产生的剩余污泥用污泥泵送入污泥浓缩池，污泥浓缩池产生的上清液自流入BIOLAK反应池的混合区。BIOLAK反应池需要的氧气由风机供给，预处理设施产生的机械杂物外运填埋处置，产生的剩余污泥外运用作农肥。
BIOLAK工艺流程图如下所示：
2 工艺流程说明
(1)污水的预处理
来自城市排水截流干管的污水首先进入经过粗格栅去除大的漂浮物，然后自流入集水池。污水经立式污水泵提升至细格栅，细格栅的作用是拦截污水中较大的飘浮物和颗粒粗杂质等，细格栅可把杂物及砂粒从废水中分离出来，同时可除掉一部分有机负荷。
(2)混合池
经过预处理后，污水与回流污泥一起进入曝气池前端的混合池，在搅拌的作用下充分混合后，再进入曝气区。在混合区里，借助于搅拌作用，进水与回流污泥进行充分混合。除了起混合作用外，污水在混合区的缺氧环境下，可能发生部分水解酸化反应，提高废水的可生化性，减轻后续曝气区的负担，从而减轻动力消耗和曝气区的体积。混合区与好氧处理区的延时曝气相配合，对污水的脱氮脱磷可起到一定的作用。
(3)曝气池
在曝气池中，微生物群体聚居在呈悬浮状的活性污泥上，与进入曝气池的污水广泛接触。鼓风机通过在曝气池底浮动的空气扩散装置，以微小气泡的形式向池中提供空气。在曝气装置的搅动作用下，污水与活性污泥更好地混合，微生物将污水中的有机物降解。
(4)沉淀池
经过生物处理后，污水进入沉淀池，使混合液澄清、浓缩、固液分离。沉淀池中的上清液经溢流堰流出，达标后排放。沉淀下来的污泥大部分由污泥泵输送回到曝气池，极少量的剩余污泥排入污泥池浓缩、贮存、待运。
(5)污泥处理
BIOLAK工艺的污泥产率很低。由于微生物在曝气池中长期处于内源呼吸期，只产生少量容易脱水的、无臭且较为稳定的污泥，不需要再进行厌氧消化处理。由于污泥量很少，从经济上考虑可不采用污泥机械脱水系统。污水处理厂周围就是农田，莱山区水资源又相对缺乏，含水量很高的污泥可直接作为农业肥料，不需再浇水稀释。
剩余污泥泵将少量的剩余污泥排入污泥池。污泥在池中沉淀、浓缩后，上清液排回至曝气池。浓缩的污泥贮存一定时间后，用罐车运出作为肥料。
BIOLAK工艺特点
BIOLAK工艺是一种具有除磷脱氮功能的多级活性污泥污水处理系统。它是由最初采用天然土池作反应池而发展起来的污水处理系统。自1972年以来，经多年研究形成了采用土池结构、利用浮在水面的移动式曝气链、底部挂有微孔曝气头的一种具有一定特色的活性污泥处理系统。
由于采用土池而大大减少了建设投资，采用曝气链曝气系统进一步强化了氧的转移效率，并减少运行费用，大大提高了处理效果。工艺设计简捷，不需复杂的管理，在适宜的条件下具有较大的经济和社会效益。它具有以下8个特点，现在分别叙述如下。
1 低负荷活性污泥工艺
与废水中的污染水平比较，BIOLAK系统里利用了大量的微生物即活性污泥来净化污水。BIOLAK工艺污泥回流量大，污泥浓度较高，生物量大，相对曝气时间较长，所以污泥负荷较低。由于微生物把污染物作为养料来吸收， 废水中的污染物被相对极大量的微生物吸收（分解）殆尽，所以出水非常干净。
一般的污水处理厂(污泥负荷高的工艺)，微生物仅分解最有营养的部分，相对来讲净化效率较低。污水的生物处理采用延时曝气工艺有以下优点同氧化沟工艺。具有可不设初沉池；耐进水负荷冲击能力强；剩余污泥量小，不需消化处理和污泥矿化程度高，无嗅味以及由于泥龄长，有利于硝化菌的繁殖，可起到一定的脱氮作用。龙田污水厂BOD5污泥负荷率为0.057 kgBOD/(kgMLSS·d)，污泥浓度为4000 mg/L，污泥龄为29 d，所以剩余污泥量很少。
2 曝气池采用土池结构
根据国家环保局1992年《工业废水处理设施的调查与研究》，我国工业废水处理设施资金的54%用于土建工程设施，而只有36%用于设备，造成这种投资分配格局的主要原因是工艺池大都采用价格昂贵的钢筋混凝土池。而龙田污水厂土建工程造价500万元，仅占总投资的20%。
大的钢筋混凝土池不仅价格昂贵，而且施工难度大。但对于许多种曝气工艺来讲，都不考虑采用土池，因为土池会造成地下水的侵蚀，同时也由于在土池基础上安装曝气头是十分困难的。为了减少投资，BIOLAK技术在研究土池结构的曝气池上做了大量工作，首先是使用HDPE防渗膜隔绝污水和地下水，其次是悬挂在浮管上的微孔曝气头避免了在池底池壁穿孔安装。
这种敷设HDPE防渗膜的土池不仅易于开挖、投资低廉，而且完全能满足污水处理池功能上的要求，并能因地制宜，极好地适应现场的地形，在某些特殊的地质条件下，如地震多发地区、土质疏松地区，其优点得到更充分的体现。敷设HDPE防渗膜的土池使用寿命远远超过钢筋混凝土池。
3 高效的曝气系统
BIOLAK曝气装置为微孔曝气形式，改变了传统曝气系统的固定模式，曝气器由浮管牵引，悬挂在池中，曝气器与布气管间用软管连接。通气时，曝气器由于受力不均在水中产生运动。当曝气器偏离浮管垂直轴时，气泡浮至水面并在浮管一侧爆裂，从而对浮管产生反向推动力使浮管运动，浮管又反过来带动曝气器运动，在曝气的情况下运动连续不断。
它们象波浪一样地变化，在反应池中形成耗氧区和厌氧区，随着耗氧的硝化反应和厌氧的反硝化反应的阶段变化，污水中的氮可以被去除得非常彻底。由于氧气可以直接从反硝化反应中得到一部分，因此，需要的空气很少；同时在一般情况下，即使氧的浓度很低时系统也能运行，同传统的方法相比，这样工艺的氧化效果好得多。
更重要的是它利用分段曝气，可以节省能耗，同时混合好，当负荷变化时，其优点特别明显。通过这样的波浪式曝气，可以减少池中生物性磷。很多百乐克污水处理厂的磷的去除率都可达到80－90％。与传统曝气装置相比，BIOLAK曝气系统有以下优点：
(1)传统曝气器顶部至水面的区域，始终处于过饱和状态，而其它水域则处于不饱和状态，氧的利用率低。BIOLAK曝气装置在水中的运动使池中不存在氧的过饱和区域，氧的利用率提高。
(2)BIOLAK曝气器产生的微气泡在水中的运行距离长，停留时间长，使氧的利用率明显提高，相应的能耗得以降低。固定式曝气器产生的气泡在水中的停留时间为5-6秒，而BIOLAK曝气装置产生的气泡可在水中停留11秒以上。
(3)BIOLAK曝气器的空隙率为80%，表面不容易堵塞。
(4)传动的固定式曝气器固定在池底，可能造成池底局部侵蚀，曝气池通常采用混凝土结构，而BIOLAK曝气器安装在浮动的悬链上，每条链在池中一定的区域内运动，不会对池子的某一部分造成局部侵蚀，曝气池可采用土池，大大减小了基建投资。
(5)固定式曝气器的检修或更换需停止曝气并排空水池，不但费时费力，还要重新培养活性污泥。而BIOLAK系统可在不停气放水的情况下，直接将曝气链提出水面维修，既方便又经济。
同时，因为气泡向上运动的过程中，不断受到水流流动，浮链摆动等扰动，因此气泡并不是垂直向上的运动，而是斜向运动，这样延长了在水中的停留时间，同时也提高氧气传递效率。运行表明：BIOLAK悬挂链的氧气传递率，远远高于一般的曝气工艺以及固定在底部的微孔曝气工艺。
BIOLAK曝气头悬挂在浮动链上，浮动链被松弛地固定在曝气池两侧，每条浮链可在池中的一定区域蛇形运动(见上图2)。在曝气链的运动过程中，自身的自然摆动就可以达到很好的混合效果，节省了混合所需的能耗。
采用BIOLAK系统的曝气池中混合作用所需的能耗仅为1.5 W/m3，而一般的传统曝气法中混合作用的能耗为10－15 W/m3。由于BIOLAK曝气头(BIOLAK-Friox)特殊的结构，即使在很复杂的环境里曝气头也不至于阻塞，这意味着曝气装置可运行几年不维修，所需维护费用很少。曝气系统与配套的高效鼓风机保证了很高的氧气传递效率，供氧能力为2.5 kgO2/(kWh)，而传统的污水处理厂该值为1 kgO2。鼓风机就设在池边，减少了鼓风机房和空气输送管道的费用。
4 简单而有效的污泥处理
BIOLAK工艺的另一特点是大量地回流活性污泥，剩余污泥的数量很少，所含有机物已被很好地分解、矿化，其剩余污泥比传统工艺少许多。在恒定的负荷条件下，BIOLAK工艺的污泥在曝气池中的停留时间是传统工艺的几倍。
由于污泥池中的污泥是完全稳定的，它不会再腐烂，即使长期存放也不会产生气味，这就是污泥没有臭味的原因。这也是它同传统工艺相比污泥更容易处理的原因。而且污泥池完全可以做成土池结构，节省了土建费用。
5 简单易行的维修
BIOLAK系统没有水下固定部件，维修时不用排干池中的水，而用小船到维修地点将曝气链下的曝气头提起即可。实践表明，曝气头运行几年也不用任何维修，这主要是因为曝气管是由很细的纤维(直径约0.003mm)做成，并用聚合物充填，以达到防水和防脏物的目的。
同时，曝气头有大约80% 的自由空隙和20% 的表面，和传统曝气头刚好相反。因此，微生物可生长的面积很小，并很容易被去除。当曝气头必须维修时，也不影响整个污水处理场的运行。
该工艺的移动部件和易老化部件都很少。在选择设备和材料时，都采用了可靠耐用的材料。该工艺无需太多的自动化。它既不需要任何易损的探测器，也不需要任何复杂的控制系统，而操作这些控制系统还需要专门的技术和昂贵的配件。
6 二次曝气和安全池
为了保证负荷变化时出水质量，BIOLAK工艺利用一个相对独立的池来进行二次曝气，以保证出水清洁，保证水中有足够的溶解氧。
7 二沉池
曝气池中产生的污泥在二沉池中被分离，并重新回到曝气池参与污水净化。有的BIOLAK工艺的二沉池和曝气池合并到一起，进一步节省了土建费用和占地面积。二沉池沉淀污泥由漂浮式刮泥机、吸泥机排入污泥槽回流。
8土地的利用
尽管BIOLAK系统需要的曝气池体积比所谓密集型的大，但所需的总面积并不大，有时甚至更小，这主要有以下原因：
（1）不需初沉池；
（2）二沉池可以和曝气池合建在一起；
（3）池的设计和布置的自由度大，对地形的适应性强。
BIOLAK在城市污水处理中的应用
BIOLAK系统可广泛适用于城市污水和工业废水的处理。到目前为止全世界已有600多座BIOLAK污水处理厂在稳定运行，由初期几百人口使用的小型系统发展到今天90万人口使用的大型系统，日处理水量从数千吨到数十万吨不等。其中一半是城市污水处理系统在城市污水处理方面。
BIOLAK技术已在我国市政污水处理上成功应用。BIOLAK系统已广泛应用于造纸、纺织、石化、化工、制药、食品等行业。如在造纸\柠檬酸混合废水、漂白蔗渣浆污水、制浆造纸废水和蔗渣浆废水中都有应用。它正以其独特的工艺特点越来越受到造纸废水处理界的关注。该技术先后在武汉晨鸣纸业有限公司、山东晨鸣纸业有限公司、山东潍坊纸业、山东齐河纸业等的中段废水处理工程中已得到成功应用。
1 BIOLAK在国内城市污水处理中的应用
在我国，第一个应用BIOLAK工艺的是山东招远城镇污水处理厂，龙田污水处理厂是第二例。以山东招远城镇污水处理厂为例探讨一下BIOLAK在国内城市污水处理中的应用。
1.1 工艺流程
山东招远城镇污水处理厂，1998年开始建设，1999年10月正式运行，处理规模为2×104m3/d，原水包括市政污水和部分工业废水。工艺流程图见下图6。
整个系统仅设一组构筑物：污水在厂内先经粗格栅去除大的漂浮物后自流入集水井，再用泵提升至转鼓式格栅，然后依次流经除磷段(由推进器将进水和污泥混合)、曝气段和澄清段，最后进入二次曝气段和稳定段进行曝气充氧稳定。曝气池和稳定池采用土池防渗结构，停留时间约为20 h。污泥处理采用污泥贮池加带式脱水机的方式。
1.2 方案比较
从技术方面分析，与常规活性污泥法比较，BIOLAK工艺、氧化沟工艺和AB工艺各有特点，都具有耐冲击负荷能力强、处理稳定性高和处理效果好的优点。但在技术、经济等方面存在一定的差别，其主要方面比较如下。
（1）与氧化沟工艺的比较
氧化沟工艺和BIOLAK工艺都采用延时曝气法，同样具备延时曝气法的优点。而延时曝气法的主要缺点：曝气时间长使动力消耗大以及曝气池容积大，占地面积大，氧化沟工艺却很难避免。
1. 氧化沟工艺需采用20台转刷，每台功率45 kW，曝气转刷总功率为900 kW，加上螺旋桨水下搅拌器，仅氧化沟设备的装机容量就达949.6kW。相比之下，由于BIOLAK曝气装置的动力效率和氧的利用率较高(在5米水深时为28.8%)，采用4台风机，每台130 kW，共520 kW，能耗明显降低。
2. 氧化沟为环形沟渠状，需全部采用钢筋混凝土结构，虽然一体式氧化沟系统不需建二次沉淀池，但氧化沟的土建投资就达650万元。BIOLAK工艺的曝气池采用土池，内砌毛石，加上混凝土结构的沉淀池，土建投资共为250万元。
（2）与AB工艺的比较
1. AB工艺中A段正常运行的必要条件是进水中必须有足够的己经适应该污水的微生物，A段去除率的高低与进水微生物量直接相关。如果城市污水中工业废水比重较大，污水中微生物浓度很低，A段曝气池得不到外源微生物的连续补充，生物絮凝吸附作用很弱，就会导致A段去除率与初沉池相近，这类污水不宜采用AB工艺。我国很多中小城市的排水现状，由于大量的工业废水未经处理直接排入，以及没有完善的管网系统，使城市污水的成分比较复杂，这就影响了AB工艺的处理效果。
2. 由于AB法工艺比传统的活性污泥法多了一个处理阶段，需要增加吸附池、中间沉淀池和污泥回流系统等，使土建、设备的投资以及能耗费用大为增加。AB工艺的处理构筑物土建费用645万元，处理设备的装机容量为702 kW。而BIOLAK工艺的处理构筑物土建投资为284 万元，处理设备装机容量616 kW。
（3）三种方案的比较
从上面的分析可以看出，与氧化沟工艺和AB工艺相比，BIOLAK污水处理工艺在工程总投资、日常运行能耗和设备维护检修方面都具有明显的优势。根据几方面的综合分析考虑：
(1)保证污水处理工程能够稳定、可靠地运行；
(2)保证处理后废水达标排放；
(3)有利于今后污水的深度处理和回用；
(4)尽可能地使构筑物和主要设备结构简单、维修方便；
(5)最大限度地节省土地、基建投资和日常运行费用。
我们推荐采用BIOLAK污水处理工艺，曝气装置采用德国VNO公司的专利产品。其处理效果如下表2所示。
2 在国外的应用
美国Franklin污水处理厂，1989年10月投入运行，处理量为1.5×104ｍ3/d，构筑物分为平行的两组，每组包括曝气池、沉淀池、稳定池等三部分，曝气池和稳定池采用土池防渗结构。曝气池的停留时间为48h，设17×2条曝气链，污泥经贮池干化后外运。自投入使用以来运转正常，处理效果良好(见表3)。
存在的问题与改进措施
百乐卡工艺是一种具有除磷脱氮功能的多级活性污泥污水处理系统。它是由最初采用天然土池作反应池而发展起来的污水处理系统。经多年研究形成了采用土池结构、利用浮在水面的移动式曝气链、底部挂有微孔曝气头的一种具有一定特色的活性污泥处理系统。
由于采用土池而大大减少了建设投资，采用曝气链曝气系统进一步强化了氧的砖转移效率，并减少运行费用，大大提高了处理效果。工艺设计简捷，不需复杂的管理，在适宜的条件下具有较大的经济和社会效益。但是在实际应用中还是存在不少的问题。
1工艺设计中应注意的问题
1.1 污泥负荷与停留时间
BIOLAK工艺在国外(尤其是在美国)的应用中污泥负荷极低，曝气池的停留时间一般都在20h以上，有的甚至达到6d以上(称为流通池)。污泥负荷过低，必然导致占地面积增大，过高则处理效果不佳。在国内污泥负荷的取值可以参照延时曝气法确定，这样就可使停留时间控制在20h以内。
1.2 结构设计
BIOLAK系统造价较低的主要原因在于悬浮式曝气器(BIOLAK-Friox)的使用，移动的曝气方式使得曝气池中不会发生明显的气体侵蚀现象，这样整个曝气池便可以采用土池防渗结构建造，从而大大节省了土建投资。防渗层根据地质条件的不同采用了不同规格的HDPE膜片(在垃圾填埋场被广泛使用)，但是这样的结构有两点不足：一是与混凝土或管道接口处的处理比较麻烦，且不均匀沉降和由温度变化引起的伸缩都有可能造成膜片撕裂；二是在地下水位比较高的情况下，当放空检修时地下水会把防渗层不均匀顶起，将影响构筑物的继续正常使用。根据近几年的经验，对于中、小型污水处理厂而言，采用土池加HDPE的结构是可靠的，大型污水处理厂采用混凝土结构则更为安全合理。
1.3 沉淀池池型
BIOLAK系统虽然停留时间相对较长，但是占地面积相对于其他工艺并不多，这主要是因为它对构筑物平面形状的要求不严格，而且采用了数池合建的方式(沉淀池两侧池壁与曝气池、稳定池共用)。应该说这样的布置十分简洁，建造也十分方便，对于小型市政污水处理厂尤其适用。由于沉淀池为长边进水、长边出水，容易造成有效水流距离不足，致使出水中悬浮物含量升高。因此，在设计中也可采用其他形式的沉淀池，具体情况视进水水质情况和对出水指标的要求而定。
1.4 稳定池
欧盟国家污水处理厂的出水指标包含对溶解氧浓度的要求，因此需设置稳定池。而在中国，加设稳定池的作用主要在于弥补沉淀效果的不足。稳定池一般分为曝气段和沉淀段，其主要作用在于调节水中的溶解氧含量和进一步沉淀。一般来说，要求出水水质达到GB8978—96一级标准的污水处理厂应设稳定池，而出水水质需达到二级标准的污水处理厂可不设稳定池。
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