曝气生物滤池设计要点

曝气生物滤池设计要点1、曝气生物滤池的发展及其分类曝气生物滤池(BAF)是20世纪80年代末在欧美发展起来的一种新型污水处理技术,凭借良好的工作性能在污水处理领域受到了广泛重视。从上世纪90年代起在中国也得到了广泛的应用。BAF污水处理工艺属于生物膜法的范畴，集生化反应和固液分离与一体，已被广泛的应用于城镇污水和可生化的工业废水等行业的二级处理和三级处理中。BAF的基本构造主要包含：生物滤料层（用于承载活性污泥）；用于布水布气的专用滤头；防堵塞专用单孔膜空气扩散器及曝气系统；反冲洗系统，维持滤池的正常运转。根据使用范围，BAF可以分别应用于深度处理和二级处理。而根据处理目的:又可划分为除碳池(C池)、硝化池(N池)和反硝化池(DN池)。2、负荷与滤速负荷与滤速是滤池设计当中的两个重要参数。2.1负荷BAF工艺通常采用容积负荷,计算需要滤料的体积后确定滤池的过滤面积。BAF可划分为C池、N池和DN池，相应设计负荷分为：BOD负荷、硝化负荷和反硝化负荷。根据室外排水设计规范(GB50014-2006),以上三种负荷的取值范围分别为:3~6kgBOD5/(m3•d)、0.3~0.8kgNH3-N/(m3•d)和0.8~4.0kgNO3--N/(m3•d),由于范围较宽不好把握，给设计取值带来困难。得利满收集了较多BAF的运行情况,其汇总的数据具有较大参考意义。工艺进水COD负荷同出水COD浓度成正比,当负荷达10kgCOD/(m3•d)时，出水CODCr超过100mg/L，如果要达到一级B标准，COD负荷宜取低值。维持出水CODCr在60mg/L左右时，进水负荷应控制在4~5kgCOD/(m3•d),出水CODCr在50mg/L以下时，进水负荷应当小于3kgCODCr/(m3•d)。BAF可以实现很高的硝化效率,硝化负荷达到1.4kgNH3-N/(m3•d)时，硝化效率仍可稳定在80%，但硝化能力同进水中的BOD5浓度成反比，当进水BOD5大于60mg/L时,硝化负荷仅为0.3kgNH3-N/(m3•d),当进水BOD5在20~50mg/L时,硝化负荷小于0.7，当进水BOD5在20mg/L以下时,硝化负荷才能达到1以上。反硝化负荷是在甲醇为外加碳源的条件下测定的。由于甲醇结构简单,容易被反硝化菌吸收利用。因此反硝化负荷可达4kgNO3--N/(m3•d)以上。可以总结为三点：①应根据出水要求选择适宜的进水COD负荷；②BOD较高时会抑制硝化反应；③甲醇作为外加碳源时可以实现很高的反硝化负荷。因此以负荷为参数进行BAF设计时，应特别注意设计条件，以选取合适的负荷数值。2.2滤速在给定水量时,也可通过确定过滤速度计算出滤池的过滤面积，但与负荷不同，滤速是滤池设计中特有的设计参数。室外排水设计规范没有对滤速提出要求,仅在条文说明中列举了其取值范围：碳氧化和硝化均在2~10m/h,范围宽泛,在设计中不好掌握。实际运行表面：在一定的容积负荷范围里,滤速的提高不但不会降低BAF的去除能力，而且还可提高硝化处理能力。原因有三：①高滤速增强了滤池内部的传质效率，使得空气、污水和生物之间有了更多的接触机会；②高滤速下生物膜的更新速度加快,促进了生物活性的增强；③在低滤速下，滤池底层往往在短时间内堵塞，使得反冲洗周期缩短，而频繁的反冲洗对繁殖速度较慢的硝化细菌极为不利。因此推荐N池滤速采用10m/h或者以上。相对而言,滤速增加对COD的去除不利，主要是由于停留时间过短，部分非溶解性有机物尚未降解就直接排出，因此C池滤速的取值应当略低,推荐的数值为6m/h。而反硝化池的滤速与碳源的选取有关,当采用甲醇为外加碳源时,滤速可达14m/h。2.3负荷和滤速的关系活性污泥法设计中一般以负荷或泥龄等作为设计参数,确定反应池所需容积；而进行滤池设计时,通常以滤速为设计参数，确定所需过滤面积。曝气生物滤池从工艺原理上看，属于活性污泥法和滤池的结合，因此负荷和滤速都是其重要的设计参数，在设计中应尽可能同时满足两参数的要求。3、前置、后置反硝化工艺应用范围前面介绍的设计参数均是在单一反应器中归纳的，随着污水处理标准的提高，须进行脱氮除磷，而脱氮需要依靠硝化和反硝化实现。此时，单一的BAF已不能达到要求，需要将单级反应器进行串联，组成多级系统。从反应机理上看,反硝化需要缺氧环境，去除BOD和进行硝化反应需要好氧环境，不宜在同一个反应器中进行；此外去除BOD依靠异养菌，而进行硝化反应需要自养菌，异养菌繁殖速度较快，在反应过程中会优先利用氧气，抑制自养菌的繁殖，因此理论上三级BAF工艺的处理效果最为理想。但是在实际工程中考虑到占地面积和工程投资等因素，通常采用两级BAF。对于出水只要求硝化的情况，可以采用C+N池串联运行的方式，对于要求反硝化的情况可采用前置反硝化(DN+C/N)或后置反硝化(C/N+DN)。C+N的设计可以参考单一反应器的设计参数，下面主要介绍前置、后置反硝化BAF的设计要点。由于两种工艺都需要将碳化和硝化结合在一个反应器中进行，在进入好氧池前，必须设法降低污水中的有机物质，以减少异养菌对自养菌的抑制作用。在前置反硝化工艺中,DN池在进行脱氮反应的同时也降低了污水中的有机物质,为后续的硝化反应创造了条件；而在后置反硝化工艺中，BOD的去除只能在预处理阶段，通过化学沉淀降低C/N池的有机负荷，但这些不稳定的有机物质进入到污泥当中，大大增加了污泥处理处置的难度，从这点来看，后置反硝化工艺更适合应用在以下两个场合：①工业废水比重较高，BOD含量明显偏低的情况；②污水处理厂的升级改造，如某些早期建设的污水处理厂未考虑硝化指标，出水中BOD含量较低，氨氮含量却较高。对于BOD充足且需要进行脱氮的城市污水,从运行成本的角度考虑，前置反硝化工艺更为优越。4、后置反硝化工艺设计要点4.1预处理工艺后置反硝化的预处理除了去除SS外，还应当去除部分BOD,为后续的硝化反应创造条件，因此不宜采用水解酸化池等增加可溶性BOD的工艺，可考虑采用高效沉淀池等工艺。4.2C/N池的设计作为两级BAF工艺，好氧池需要同时承担除碳和硝化的任务，因此在设计中需考虑残留BOD对硝化效果的影响。首先确定设计滤速，平均滤速应不小于6m/h，最高滤速不大于10m/h，由此计算出过滤面积；然后进行硝化负荷计算，通过调整滤料高度，使硝化负荷满足满足前述要求。最后通过对比，寻求合适的设计参数，由于后置反硝化更适合应用在低碳源的污水中，在设计中如果滤速和负荷难以协调，建议改用前置反硝化工艺。4.3DN池的设计污水在C/N池基本完成了有机物的去除和氨氮的硝化,为了实现反硝化,在进入DN池前需要投加甲醇作为碳源。由于反硝化负荷相对较高，DN池的面积应当小于C/N池，而在很多设计中，DN池与C/N池的数量、面积是相等的，可能是考虑了二次配水不均匀或池面积减小导致DN池滤速过高等原因。但从设计角度看，相同的过滤面积使得DN池的负荷降到很低，甚至低于硝化负荷，会造成浪费，这里可采取一些优化措施，比如在DN池配备鼓风机，通过间歇曝气等方式灵活运行；或减少DN池的数量，重新布置池型等。DN池设计中最重要的是控制甲醇投加量，过高可能导致COD超标，过低则不能有效去除TN。甲醇的投加量为3.3kg/kgNO3--N。5、前置反硝化工艺设计要点由于BAF进水通常为二级出水，因此后置反硝化工艺占据了主导地位。但当其应用到市政污水时，由于需要的甲醇投加量较大，运行费用十分昂贵。为解决这一问题，将DN池置于N池前，将部分出水回流，形成了前置反硝化工艺，其具有以下优点：①利用污水中的有机物质作为反硝化碳源，减少外加碳源；②BOD在DN池去除，保证了C/N池的硝化能力；③系统的曝气量相对减少；④污泥产量相对减少。尤其运行费用较低的优点使得其越来越受到重视。5.1预处理工艺为了确保反硝化效果,设计中应尽可能地利用污水中的有机物质，因此预处理工艺在去除悬浮物的同时应避免过多地去除BOD。目前常见的工艺类型包括改良的水解酸化池和S3D池。在实际工程中,BAF的工作性能能否稳定,往往取决于预处理设计是否合理。因此对于预处理工艺还应当进一步研究，使其更适合前置反硝化工艺的特点。5.2回流比的选择回流比是前置反硝化工艺中最重要的设计参数，一方面希望投资尽可能小，要求减少回流比；另一方面又希望反硝化效果尽可能好，这就要求增加回流比。在碳源充足的条件下,BAF几乎可进行完全的反硝化，因此TN处理能力主要取决于硝化效果。此时增大回流比，可供反硝化的硝酸盐也增多，出水的TN含量就会降低。增大回流比意味着流量的增大，这将减少硝化池的停留时间，结果会造成出水中氨氮含量升高，而且过高的回流比会使DN池的DO浓度上升，降低TN的处理效率。因此对于一个特定系统，应当存在一个最优回流比范围，在此范围里TN和氨氮均能达到标准；低于此范围，TN超标；高于此范围，氨氮超标。在实际工程中,回流比不是固定的，可根据需要实时调节，因此在设计中主要有两个任务:①确定所需要的最大回流比；②确定适宜的回流泵，使回流比便于调节，运行灵活。对于一般的城市污水，回流比不宜超过100%~150%，如果进水TN含量很高,回流比过大，建议可采用DN/C/N/DN的形式，既可以降低回流比,又可以减少外加碳源。5.3DN池的反硝化能力在前置反硝化工艺中，DN池以污水中的有机物作为反硝化碳源，因此进水中易生物降解有机物的含量直接影响反硝化效果。反硝化率与BOD/NO3--N成正比，当TN要求达到70%的去除率时BOD/NO3--N应在7~8之间；当要求达到60%去除率时BOD/NO3--N约为6。一般的城市污水中BOD/NO3--N约为5,此时的去除率仅50%。需要注意的是，污水中的硝酸盐仅有部分回流到前端,，整体工艺的TN去除率实际上还要低一些。此外，如果回流液中的DO过高，就会在进入DN池时快速消耗一部分BOD，削减反硝化能力，因此设计在保证过滤速度的同时，应将反硝化负荷控制在0.6kgNO3--N/(m3•d)以下。5.4N池的硝化能力在前置反硝化设计中应当考虑DN池对COD的去除效率，因为残留的COD会进入到后续的硝化反应池，直接影响反应效果。DN池对COD的最大去除率一般不会超过60%，因此会有40%~50%的COD进入硝化池。DN池对COD的去除主要有两种机理：一种是作为反硝化碳源，被生物利用；一种是被生物膜吸附，在反冲洗时排出系统。关于有机负荷与硝化负荷之间的关系：当反应器内COD负荷为1.5kgCOD/(m3•d)时，硝化负荷能达到0.6kgNH3-N/(m3•d)；此后COD负荷每上升一个单位，硝化负荷将下降0.1kgNH3-N/(m3•d)。6、设计体会1)在多格BAF并联时，如果条件允许尽可能采用高位配水；若必须采用底部压力配水，那么管道系统应细化设计，确保各池进水压力一致；2)进水应设置栅网拦截纤维类和大颗粒物质；3)应根据进出水的水质情况和要求合理选定BOD负荷或COD负荷；4)单格BAF的面积一般控制在60m2以下（规范要求小于100m2），尽量成方，长宽比尽量控制在1.5以下；5)曝气分量一般应通过计算确定，BAF系统氧利用率一般在12％左右；常规设计中也一般采用经验数据（气水比3），但应计算核定。6)反冲洗系统的配置尤为关键，冲洗强度可以根据规划设置（水洗：5～6L/m2·s，一般控制在8以下，数值越大，滤料顶部的清水区应随之加大；气洗：10～15L/m2·s），主要在于反洗风机和水泵扬尘的合理确定，反洗水损或风损一般按滤池进行计算。经验数值一般是水泵扬尘为滤池总高H的2倍，风机扬程一般为H+1m；7)由于BAF内部管道较多，且传统的做法均把管道布置在操作间内部，因此管道的合理布局对于建成后的运行操作十分关键。首先应适当加大操作间的宽度，以免太过拥挤；其次应注重操作间顶部的采光与通风；建议以后若有机会，在不需要防冻的地区，可以尝试取消操作间，让所有的系统管道和阀门露天布置，也便于操作和维修。8)曝气管和反冲洗风管高出液面的高度不能参照生化曝气池，应参考《曝