工艺技术深度：生物膜法处理工艺与技术之生物滤池(2)

查看全部 · 发表于 2021-4-23 11:51:45

三、生物滤池的类型及运行系统

过去，城市污水常用普通生物滤池。滤率在1-2,m/d左右，在此条件下，随着滤率提高，有机物传质速率加快，生物膜量增多，滤料特别是表层易堵塞，造成负荷长期难以提高。但当滤率提高到3m/d以上时，下渗废水对生物膜的水力冲刷作用，使堵塞现象又有所改善。采用高滤率的生物滤池叫高负荷生物滤池。在高负荷率条件下，随着滤率提高，废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，可利用污水厂出水回流，或提高滤池高度，来改善出水水质。所以生物滤池分为普通生物滤池和高负荷生物滤池两种类型，二者的负荷范围及操作特性列于下表。此外，塔式生物滤池是一种超负荷生物滤池，其水力负荷可达 80-200m3/m2滤料·d, BOD负荷可达2-3m3/m2滤料·d，净化效率也较高。

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由于 BOD 负荷不同，三种滤池还有以下几点不同：

（1）BOD负荷高的滤池，生物膜增长快，对水力冲刷的要求也就迫切。增大水力冲刷的主要途径是加大表面负荷，其办法有二：一是增加滤料层高度，二是将处理后的废水回流到生物滤池的进水中去。所以，低负荷生物滤池的滤料层高度通常只有2-3m左右，而且多不采用回流措施；塔式滤池的高度达
20m之多，而且常采用回流措施。

（2）BOD 负荷高的滤池，要求通风条件好，在采用自然通风的条件下，就要求滤料的孔隙率大和阻力小。所以，低负荷滤池的滤料粒径较小（25-70mm），高负荷滤池的滤料粒径较大（40-100mm），对于塔式生物滤池，最好采用塑料滤料。

（3）BOD 负荷低的生物滤池的氧化分解程度就高，污泥量少而稳定，出水中有较高的溶解氧，有硝酸盐，BOD, 浓度可低于20mg/L；高负荷生物滤池的氧化分解程度低，污泥量多而不稳定，出水中溶解氧低，没有或很少有硝酸盐，BOD, 浓度高于 30mg/L，塔式生物滤池的情况可能更差些。生物过滤法系统基本上由初沉池、生物滤池、二次沉淀池组合而成，其组合型式有单级运行系统和多级运行系统。

单级运行系统如下图，图a为单级直流系统，多用于低负荷生物滤池，图b、c、d、均为单级回流系统，多用于高负荷生物滤池。
图 b的处理水回流至生物滤池前，用以加强表面负荷，又不加大初沉池的容积，但二次沉淀池要适当大些。
图c是生物滤池出水直接回流到生物滤池前，可加大表面负荷，又利用生物接种，促进生物膜更新，这个系统的两个沉淀池都比较小。
图 d是不设二次沉淀池，滤池出水回流到初沉池前，加强初沉池生物絮凝作用，促进沉淀效果。
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多级运行系统见下图。据实验和分析，第一级生物滤池处理效率可达70%，第二级处理效率可达20% ，第三、四级的处理效率很低，在 5% 左右。所以，一般取两级。图a、b均为二级直流系统。二级串联工作的生物滤池的优点是：滤层深度可适当减小，通风条件好，两次洒水充氧，出水水质较好些。缺点是增加了提升泵，加大了占地面积。一般第一级生物滤池采用粒径较大的滤料，后一级采用粒径较小的滤料。图 c、d是二级回流系统。

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下图是二级交流运行系统，每一生物滤池可交替作为一级和二级使用，循环往复，使负荷率比一般二级系统提高2-3倍。

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采用生物滤池处理废水时，应该做好滤池类型和运行系统的选择。一般说来，低负荷生物滤池的体积大、占地多、滤料的需要量大、易堵塞、常出现池蝇和臭味，目前已不常采用，仪在水量小的地区选用。目前大多数采用高负荷生物滤池。

确定流程时，应该决定是否用初次沉淀池，采用几级过滤，采用回流与否、选择回流方式及回流比等问题。

是否用初次沉淀池、视水质而定，悬浮物较多的废水，一般都使用初沉池。塔式生物滤池一般是单级的，可以是多级进水。回流式生物滤池可以是单级，也可以是两级。两级回流式生物滤池处理效率较高，运行上比较灵活，

但运行费及建设费都比较高。在国内，塔式生物滤池已被较好地用于工业有机废水的处理。

四、回流

回流多用千高负荷生物滤池的运行系统。

采用回流的优点是：
（1）增大水力负荷、促进生物膜的脱落、防止堵塞；
（2）废水被稀释，降低了基质浓度；
（3）可向生物滤池连续接种，促进生物膜的生长；
（4）提高进水的溶解氧；
（5）由于进水量增加，有可能采用水力旋转布水器；
（6）防止滤池滋生蚊蝇。
但它的缺点是：缩短废水在滤池中的停留时间；洒水量大，将降低生物膜吸附有机物的速度；回流水中难降解的物质会产生积累，以及冬天使池中水温降低等。

单级回流的回流比 r 按下平衡式计算：
So*Q+Se*rQ=S’*（Q+rQ）
式中Q 和 rQ分别为废水量和回流量，So和 Se 分别为入流和出流废水BOD5浓度，s’ 为混合水 BOD5浓度。

据城市污水运行经验，以Se=S’/3为宜，故得：
r=1/2 * So/Se - 1.5
若去除率为 90% ，则 So/Se=10所以，回流比为3.5。高负荷生物滤池的回流比，应和原水 BOD 浓度相对应（见表）。

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五、耗氧与供氧

计算生物滤池的耗氧量和供氧量时，要考虑以下几方面。
（1）生物膜量普通生物滤池的生物膜污泥量为4.5-7kg/m3，高负

荷生物滤池为 3.3-6.5kg/m3，。好氧层的厚度约2mm，2mm以上的内层的厌氧层。

（2）生物膜的耗氧量生物滤池耗氧量 m可按下式估算：

mo2=a’BODt +b’Pf
式中       BODt———每立方米滤料每天去除的 bod5 量，kg/m3/d；
a’———系数，表示每公斤 BOD完全降解所需要的氧量，一般城市污水及多数有机废水的a’值在 1.46 左右；
Pf———单位体积滤料上的活性生物膜量，kg/m3；
b’ ———单位重量活性生物膜的自身氧化需氧量系数，其值为 0.18kgPf·d。

（3）生物滤池的供氧量生物滤池通常采用自然通风方式供氧，特殊情况下也可以采用机械通风方式供氧。通风除了供氧外，还起着及时排除挥发性物质和气体代谢产物的作用。

自然通风是依靠池内外空气柱的重量差所造成的环流而进行的。池内外空气柱的重量差愈大（亦即温度差愈人）滤池的气流阻力愈小（亦即滤料粒径大，孔隙率大），通气量也就愈大。池内的气温和水温有密切关系，一般接近于水温。

很多废水的温度比较稳定，在一年内变化幅度不大。池外气温不单在一年内随季节的转换而有很大的变化，而且在一日内也有较大的变化。

所以，生物滤池的通风量随时都在变化着。当池内温度大干池外温度时，池内的气流是由下朝上；反之，气流方向由上朝下；当池内外气温比较接近时，通风量近于零。废水中的溶解氧是来自流动的空气，气流速度愈大，氧的溶解速度也愈大，供氧条件也愈好。当气流速度接近于零时，溶解氧仅靠静止空气中氧分子的扩散作用而取得，由于氧的浓度梯度逐渐减小，其溶解速度也愈来愈小，以致满足不了对氧的需求。

入流废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。当有机物浓度 COD 大于 400-500mg/L 时，生物滤池供氧不足，生物好氧层厚度较小，故一般认为进水 BOD 应小于400mg/L ，否则宜采用回流方法降低有机物浓度以保证供氧充足。

滤池内外的温度差（∆θ）与空气流动速度（v）的经验关系为：

v=0.075∆θ-0.15 m/min

还有一种需氧量与供氧量的粗略估算，认为氧化 1kg的 BOD5 ，耗氧 1kg。

由此可得需气量 $q(m3/m3 废水）：
q=(S0-Se)/209.9/γ/n

式中       So———生物滤池进水 BOD20 浓度，mg/L；
Se ———二次沉淀池出水 BOD20 浓度，mg/L；
γ———氧的容重，在标准大气压下为1.429g/L；
n———生物滤池的氧利用率，一般生活污水取 5-8%，即 n=0.05-0.08；
209.9———空气含氧率。

六、处理效率

处理效率 E 由进出水的BOD值So和 Se* 计算而得，进出水 BOD浓度之比值用下式表示：

Se/So= 10^(-K’*t)

式中       t———接触时间；
K’——— BOD去除率常数。

在滤池中的平均接触时间（ t）与滤层深度（H）、滤料形状及水力表面负荷（ qF ）有关，t 可表示为：
t=CH/qf^n

因而上式可表示为

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式中的 c及 k 均为常数。豪兰（Howland）提出的温度θ(°C)对生物滤池降解常数 K 的影响可用下式表示：

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对生活污水，碎石滤料，20°C时，K(20)=1.875/d，n=0.6，对工业废水宜通过试验而定。

七、生物滤池的设计

生物滤池的设计内容包括：（1）确定滤池的滤料体积；（2）确定滤池的尺寸；（3）核算表而负荷；（4）布水系统及排水系统的汁算；（5）通风能力的核算。

（一）确定滤池的滤料体积

生物滤池滤料体积可按负荷计算，也可按降解动力学公式计算，国内常采用前者：

V=β * So/N * Q

式中
V———滤料体积，m 3；
So———废水BOD5值，mg/L；
Q———欲处理废水量，m3/d；
N———生物滤池的 BOD负荷，g/m3滤料·d；
β———大于 / 的安全系数。

上式中Q 是已知的。So在无回流时为已知，在有回流时，应按公式推算S’值。 N应通过试验确定或选择经验数据。

对于工业废水，如含有对微生物有毒的物质时，还必须用毒物负荷核算滤料体积，计算方法同上。最后的滤料体积采用两种方法中较大的一值。

（二）确定滤池的尺寸

由 V=HF 的关系式，确定滤料层的高度 ,H()m和表面积 F(m2)。对于低负荷生物滤池和高负荷生物滤池，可先根据常用的滤料层高度 , 来计算表面积F。但是，较适宜的H和F值必须在核算表面负荷后才能确定。

（三）核算表面负荷

滤池的实际表面负荷为q’F=Q/F，此 q’F值应与试验数据或经验数据的表面负荷qf相等。但如 q’F>qF时，应通过减小池深H和增大表面积F的办法来减小 q’F 值。但若q’F<qF时，表明实际的表面负荷满足不了冲刷生物膜的要求，应适当增加滤料厚度，或采用回流出水的办法来加大表面负荷。

（四）布水系统的计算

最常采用的布水设备是旋转布水器，它的设计计算内容包括：确定工作水头、横管管径、喷水孔的大小和个数及开孔位置。旋转布水器所需工作水头，就是布水横管始端所需水压。

工作水头H(m)按下式近似计算：

H=h1+h2-h3

H1—废水由横管始端到最外一个喷水小孔间的沿程水头损失，)；
H2———废水通过布水小孔的局部水头损失，m；
h3———布永横管中的流速恢复水头，m，亦即废水通过横管时，由于沿程出流，流速愈来愈小，由此而造成的压力恢复值。

在试验的基础上，得工作水头的计算公式如下：

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式中 q———每条布水横管的废水流量，L/s；
D’———旋转布水器的洒水直径，mm，可近似等于滤池直径；
K———流量模数，L/s，值见下表；
m———每一条布水横管上的小孔数；
d———喷水小孔的直径，mm，一般采用d=10-15mm；
D———布水横管的直径，mm。
由于孔口可能堵塞，实际采用的工作水头应比上式计算值增加 50-100%。

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工作水泵的扬程等于下列几部分之和：吸水井最低水位到布水横管的高差；吸水管和输水管的水头损失；布水横管的水头损失。

当池子直径很大时，由以上公式推算的出水孔间距在靠近中心处有可能很大，造成布水不均匀，此时，应适当地减小出水孔直径，并相应地缩小孔距。

布水器的转速n(r/min)按下式计算：

N= 34.78*10^6 / (m*d*d*D’) *q0

式中 q0———布水器设计流量，L/s。