導流曝氣生物濾池在污水處理中的應用
導流曝氣生物濾池是根據導流曝氣生物過濾原理，采用一定工藝及流程制作而成的一種污水處理過濾池，該濾池技術已獲國家專利（專利號：ZL200420033672.4）。濾池結構為U型雙錐導流式，內錐為生物接觸氧化區，外錐為生物過濾區。濾池的技術關鍵是將生物氧化、生物過濾和沉降回流結合在一起，通過反沖洗再生實現濾池周期性運行。在污水的二級或三級處理的實際應用中，充分地顯示出其處理效果好、負荷高、占地面積少、基建投資低、運行費用少等優點，其出水水質達到或優于國家標準，實現中水回用。
1 導流曝氣生物過濾技術的背景
曝氣生物過濾技術于80年代初出現在歐洲，其突出的特點是在一級強化處理的基礎上，將生物氧化和過濾結合在一起，濾池后不設沉淀池，通過反沖洗再生實現系統的周期性運行。由于曝氣生物過濾技術具有良好的性能，其應用范圍不斷擴大，在經歷了80年代中、后期的較大發展后，90年代初這種工藝已基本成熟。在污水的二級或三級處理中，曝氣生物過濾技術體現出處理負荷高、出水水質好、占地面積省等特點。90年代以后，曝氣生物過濾技術發展很快，派生出多種工藝型式。貴州長城環保科技有限公司經過多年的研制和實踐，開發研制出了獲國家專利的新工藝、新技術產品“導流曝氣生物濾池”（專利號：ZL200420033672.4）。
我國在污水處理中采用的工藝技術繁多，也取得了一定成效，然而不少污水處理項目建成后并不能正常運轉，較長期地處于停機或半停機狀態。其主要原因一是工藝技術或設備運轉不過關，不能保證污水處理后各項指標全面達到排放標準；二是建成后的項目運行費用高，使用單位無力承受昂貴的運行費用。這樣的結果不但不能獲得應有的經濟效益、社會效益和環保效益，相反造成國家在污水處理項目上資金投入的嚴重損失。面對這種情況，2003年國家發改委、國家環保局在珠海組織了污水處理新工藝、新技術的遴選工作。并撥專款在中國環境科學研究院設立課題，在國家發改委項目評審中心監督下，從國內和國外污水處理工藝、技術和設備中，經反復對比，多次審查、現場認定，最后認定出污水處理過程具有創新性、技術水平具有前瞻性、工程應用具有可靠性、地域應用具有代表性、實際操作具有穩定性、工程建設與運行具有經濟性的新工藝、新技術七項，這七項技術被國家發改委列為今后污水處理國債項目和國家項目的必選技術，目前正在編寫大綱和有關資料。貴州長城環保科技有限公司開發研制的“導流曝氣生物濾池”被列入了遴選出的七個項目之一。這已充分地說明，國家和環保專家對導流曝氣生物濾池在污水處理中的應用是十分重視和肯定。
2 導流曝氣生物濾池的原理
貴州長城環保科技有限公司研制的導流曝氣生物濾池充分借鑒了污水處理接觸氧化法、給水快濾法和阿基米德定律的設計思路，集曝氣、快速過濾、懸浮物截留、定期反沖洗、清污分流、消毒殺菌等特點于一體。其工藝原理為在濾池中裝填粒徑較小的粒狀濾料，濾料表面上生長著好氧生物膜。當污水流經濾層時，濾料上高濃度生物膜的生物氧化能力對污水中的污染物進行快速降解，此為生物降解過程；同時，當污水流經濾層時，由于濾層的截留及生物膜的生物絮凝綜合作用，使污水中的懸浮物得以有效截留，保證濾池出水的SS達標，此為截留作用；導流曝氣生物濾池通過生物氧化降解過程及截留作用實現對污染物的去除。由于污水在生物接觸氧化區由上而下，在生物過濾區由下而上穿過濾料層，借助于生長在濾料表面的微生物菌群吸附來降解污水中的含碳有機物和硝化氨氮，與此同時，濾料層還有效地截留隨污水進入的SS和脫落的生物膜，最終出水經消毒殺菌后，達標排放或中水回用。
導流曝氣生物濾池的形式為U型雙錐導流曝氣池，內錐為生物接觸氧化區，外錐為生物過濾區。濾池底部設有濾池反沖洗空氣管和水管，污水自上而下進入內錐及生物接觸氧化區內，空氣在導流曝氣過濾池中自下而上，在裝有填料的接觸氧化區內對流接觸氧化，接觸氧化后的水在內錐的導流作用下進入外錐及生物過濾區。
在導流曝氣生物濾池中的對流接觸氧化區下部，自養型細菌如硝化菌占優勢，氨氮在此被硝化。在生物膜內部以及部分填料之間的縫隙蓄積的大量活性污泥存在著兼性微生物。因此，在導流曝氣生物過濾池中可發生碳污染物的去除，同時有硝化和反硝化的功能。
導流曝氣生物濾池在運行一定時間之后，由于生物膜的增長和更新，生物濾料的孔隙將逐步被填充，整個濾層的阻力（水頭損失）逐步增加，當濾層的水頭損失增加到設定值后，就需對濾池進行氣、水反沖洗，以清除濾層中積存的SS并更新濾料表面的生物膜。因此，導流曝氣生物濾池處于周期性的工作狀態，用于城市、醫院等污水處理，其工作周期一般在12～18h之間。
導流曝氣生物濾池的關鍵是其是一種高負荷、淹沒式、固定化生物膜三相導流反應器。它兼有活性污泥法、生物膜法和泥水分流法三者的優點，集生物氧化、生物吸附、過濾、清污分流于一體，處理后的污水各項指標可達到回用標準。
3 工藝流程及說明
3.1 工藝流程（如圖1）
3.2 工藝流程說明
預處理池主要由化糞池、格柵調節池、預消毒系統三部分組成。其功能是降低污水中的SS和一定程度的BOD5、CODcr等指標，出來的污水自上而下進入導流曝氣生物過濾系統。
導流曝氣生物濾池的內錐為生物接觸氧化區，外錐為生物過濾區，底部為導流沉降回流區。在接觸氧化區和生物過濾區內，設有濾料，導流沉降回流區內裝有導流板，濾料下部設有濾池反沖洗空氣管和水管。其污水流向為：污水自上而下進入內錐及生物接觸氧化區內，通過濾料空隙間曲折下行至導流沉降回流區，在導流墻的作用下，進入生物過濾區，并同樣通過濾料空隙曲折上升。空氣的流向為：在接觸氧化區內，空氣是自下而上，在濾料空隙間曲折上升；在生物過濾區內空氣同樣是自下而上，在濾料空隙間曲折上升。水與空氣在接觸氧化區內對流接觸，在濾料空隙間曲折上升，與污水及濾料上附著的生物膜充分接觸，在好氧條件下發生氣、液、固三相反應。同樣，水與空氣在生物過濾區內，在濾料空隙間曲折上升，與污水及濾料上附著的生物膜充分接觸，在好氧條件下，發生氣、液、固三相反應。由于生物膜附著在濾料上，不受泥齡限制，因而種類豐富，對于污染物的降解十分有利。污染物被吸附、攔截在濾料表面，作為降解菌的營養基質，加速降解菌形成生物膜，生物膜又進一步“俘獲”基質，將其同化、代謝、降解。在碳氧化／硝化合并處理時，靠近濾池進水口的濾層段內有機污染濃度高，異養菌群占絕對優勢，大部分的含碳污染物（CODcr）BOD5和SS在此得以降解和去除，濃度逐漸降低。在導流曝氣生物濾池下部的自養型細菌中硝化菌占優勢，氨氮被硝化。在生物膜內部以及部分填料間的空隙，蓄積的大量活性污泥中存在著兼性微生物。因此，在導流曝氣濾池中可發生碳污染物的去除，同時有硝化和反硝化的功能。粒狀濾料及生物膜除了吸附攔截等作用外，兼有過濾的作用，隨著處理過程的進行，在濾料空隙間蓄積了大量的活性污泥。這些懸浮狀活性污泥在濾料縫隙間形成了污泥濾層，在氧化降解污水中有機物的同時，還起到了很好的吸附過濾作用，從而能使有機物及懸浮物均得到比較徹底的清除。
在運行過程中，隨著生物膜的新陳代謝，脫落的生物膜及濾料上截留的雜質不斷增加，濾料中水頭損失增大，水位上升，到一定時期，需對濾料進行反沖洗。導流曝氣生物濾池以其貯存在清水池中清澈的出水作為反沖用水，不另設反沖水池，反沖洗廢水通過排水管回流到預處理設施。經導流曝氣生物濾池處理后的水，流入消毒區，本工藝采用二氧化氯消毒，使凈化后的水質優于《國家污水排放綜合標準》二級排放標準或達到中水回用標準。污水處理過程中，要產生一定的污泥，污泥經消毒、干化處理后可用作肥料。
4 本工藝主要特點
4.1 較小的池容和占地面積
導流曝氣生物濾池的BOD5容積負荷大，幾乎是常規二級生物處理的5～10倍，所以它的池容積和占地面積較常規二級生物處理工藝要小得多。同時，由于初濾池后可不設二次沉淀池，大大節省了占地面積和土建費用。污水處理廠采用導流曝氣生物濾池的總占地面積只有氧化溝工藝的1/3。
濾池內高比表面積和粗糙多孔的粒狀生物填料，使其可能積聚多達10～15g／L的微生物量，高濃度的微生物量將使得導流曝氣生物濾池的容積負荷大為提高，減少池容及占地面積，此對擬建的污水處理設施具有重要意義。
由于導流曝氣生物濾池對污水中懸浮物的生物截留作用，使出水中的SS很少，完全達到國家所要求的排放標準，故濾池后面不需設置二沉池。
4.2 抗沖擊負荷能力強，處理效果穩定
處理系統的出水水質好，是由于整個過濾分流中存在著較高濃度的微生物，生化反應速率高，并可通過控制供氣量使濾池中存在好氧和缺氧環境，使得該裝置組合可實現硝化、反硝化。同時，由于高濃度的微生物以生物膜的形式固定在粒狀濾料的表面，無污泥膨脹之慮，不會因濾池受水力負荷的沖擊而造成微生物流失，因此，導流曝氣生物濾池對水力負荷及有機負荷都具有較強的抗沖擊能力。
4.3 簡化處理流程
由于導流曝氣生物濾池的生物和物理綜合截留作用，處理后水中的SS很少，故不需設置二沉池和污泥回流泵房，使處理流程得以簡化，進一步節省占地面積。
4.4 工程費用及運轉費用相對較低
由于導流曝氣生物濾池工藝流程短、池容小和占地省，使工程費用大大低于常規二級生物處理工藝。同時，采用濾池專用曝氣系統并利用粒狀濾料對氣泡的切割及阻擋作用，使得氣泡在濾層中進一步被細碎，強化氣、液傳質效應，增加濾層內的微生物與空氣的接觸面積和時間，導致濾池總體充氧效率大為提高，氧的利用率達30%以上，從而降低能耗。
4.5 自動化程度高，運行管理簡單
由于相關工業技術的發展，一些先進的自動化設備如液位傳感器、在線溶氧測定儀、定時器、變頻器、PLC中央程控系統及微電腦等產品的出現，使得導流曝氣生物濾池運行管理自動化得以順利實現，其運行管理變得簡單易行。
一般來說，導流曝氣生物濾池可以對進水水質、水量以及污水中溶解氧濃度進行在線檢測，并通過PLC控制系統方便地調整曝氣時間的長短，控制風機的供氧量，易于優化運行，特別是對大規模污水處理廠更顯突出。
4.6 脫氮除磷效果好
通過設置不同功能的濾池組合或在同一濾池中設置不同的功能分區，即通過兩組裝置或在同一座濾池內，分別人為地造成好氧、缺氧的環境，可使濾池在降解污水中有機物（BOD5）的同時，還能去除污水中的氮和部分磷。
根據生活和醫院污水處理工程實際情況表明，在導流曝氣生物濾池運行過程中，濾料中存在著厭氧或缺氧的微環境，使得導流曝氣生物濾池內部生存著大量厭氧或兼性微生物。在導流曝氣生物濾池進行除碳、硝化的過程中，由于濾料上存在著厭氧或兼性微生物，脫氮的同時反硝化反應也在進行，其反硝化效率可達50%以上。
4.7 對氣溫及運行方式的適應性強
由于大量的微生物生長在粒狀填料粗糙多孔的內部和表面，微生物不會流失，即使長時間不運轉也能保持其菌種的活性。如長時間停止不用后再恢復運行，可在進水、供氣后的幾天內恢復正常運行；由于導流曝氣生物濾池所特有的高微生物量，使得該濾池對氣溫變化的適應性也較強。
4.8 構筑物模塊化，有利于擴建
導流曝氣生物濾池單元為模塊化結構，能較好地適應城鎮污水處理廠分期建設的要求。
4.9 材料設備國產化
導流曝氣生物濾池所需的主要設備和材料，國內均可配套生產，基本不需進口。只有少量自控檢測儀表和執行機構需進口。
5 典型工程實例（5000m3／d城鎮生活污水處理工程）
5.1 主要技術參數
5000m3／d城鎮生活污水處理工程對污染物的去除效果見表1。
5.2工程建設費用投資概算
5.2.1 主要構筑物及工藝參數
該工程主要構筑物及工藝參數見表2。
5.2.2 土建部分造價
該工程土建部分的造價見表3。
5.2.3 設備直接費用
該工程設備購置直接費用見表4。
5.2.4 工程總造價
該工程總造價見表5。
5.2.5 運行成本概算
5.2.5.1 電力消耗及電耗費用
該工程污水設施運行時電力消耗情況見表6。
耗電費用計算按照0.45元／度電計，折合噸水電費為：W1＝J／Q＝907.1×0.45／5000＝0.0816元／m3
5.2.5.2 人工工資
由于該設備是自動控制，需要維修操作人員3名，月平均工資以1000元計，折合每噸水處理所需人員工資消耗為：
W2＝3×1000／30／5000＝0.02元／m3
5.2.5.3 運行成本計算
日常運行成本為：W＝W1＋W2＝0.0816＋0.02＝0.1016元／m3
6 應用范圍和實例
6.1應用范圍
6.1.1 在生活污水、城鎮污水的處理及回用方面
主要用于沿江、河、湖泊等水體周圍對氮、磷有特殊要求的生活污水處理以控制水體富營養化，包括：（1）城市、村鎮、住宅小區及開發區生活污水。（2）車站、航空港、碼頭等污水。（3）工廠、礦山、部隊、旅游區、風景點的污水。（4）醫院、賓館、飯店、療養院、學校、商場及辦公樓生活污水。
6.1.2 在有機工業廢水的處理及回用方面
主要用于亞麻廢水、酒類廢水、制糖廢水、奶牛養殖廢水、淀粉廢水、屠宰廢水等高濃度和低濃度的有機廢水。
6.1.3 有特殊要求的污水處理：
（1）有脫氮除磷要求的廢水處理。
（2）要求深度處理的廢水處理，不需增加三級處理設施，出水即可達到回用水標準。
6.2應用實例
6.2.1 項目效果技術參數
其它工程項目效果技術參數見表7。
6.2.2 項目投資及運行費用（表8）
其它工程項目投資及運行費用詳細情況見表8。
7 結論
綜上所述，導流曝氣生物過濾技術在國內外20多年的應用和發展中日趨成熟，實踐證明在污水的二級或三級處理中采用是較為適宜的。問題是在該技術的應用中如何提高容積負荷（kgBOD5／m3·d），降低水力停留時間（h），縮小反應器體積，減少占地面積，節省項目投資，降低運行費用，而又要保證出水達到標準要求。使該技術在污水處理中的應用更為合理并具有強勁的生命力。貴州長城環保科技有限公司新研制成功的“導流曝氣生物濾池”是一種高負荷、淹沒式、固定化生物膜三相導流反應器清污分流技術，其主要技術關鍵是提供一種導流曝氣生物過濾池，將生物氧化、生物過濾和沉降回流結合在一起，通過反沖洗雨生實現濾池的周期性運行，在污水的二級或三級處理中，充分地顯示出其處理負荷高、占地面積少、基建投資低、運行費用低等優越性，且出水水質達到或優于國家標準，實現中水回用。充分體現出其污水處理工程具有創新性、技術水平具有前瞻性、工程應用具有可靠性、地域應用具有代表性、實際操作具有穩定性、工程建設與運行具有經濟性，這對污水處理部門而言，無疑是一種尚佳的選擇。
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