曝氣生物濾池工藝全解析
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2021-12-15 11:14:30
曝氣生物濾池是二十世紀八十年代后期開發的一種污水處理新工藝，1990年法國OTV公司建造了世界第一座曝氣生物濾池，稱之為“淹沒式固定生物膜曝氣濾池”。由于它克服了活性污泥法占地面積大、易散發臭氣及運行不穩定等缺點而備受關注。
目前全世界建成運行的曝氣生物濾池已達幾百座。它屬于生物膜法的范疇，又兼具有活性污泥法某些特點。濾池內放置直徑只有幾個毫米的多孔濾料作為生物群落的附著繁殖介質，通過設在濾層下面的配氣系統（也有置于濾層中間者）向生物群落供氣（氣源為鼓風機）。對污水的凈化除主要依靠濾料上的生物膜外，濾層內還截留了大量類似活性污泥的懸浮生物，對污染物質也具有吸附、降解作用。水流方向多采用上向流式，即池底進水池頂出水，有的也用下向流式。上向流式采用穿孔管池底配水，鋼筋混凝土濾板及濾頭則安裝于池的頂部，以阻擋濾料流失并收集出水。下向流式采用大阻力配水系統。輕質多孔濾料粒徑小、比表面積大，容積負荷可以很高，濾池面積可大大縮小。由于水流方向與濾料壓密方向一致，可同時完成生物接觸氧化與固液分離，通�？墒∪ズ罄m的二沉池。隨著過濾進程，生物膜不斷增厚、老化、脫落，濾層截留的懸浮物也逐漸增多，過濾阻力同步增加，需定期進行反沖洗以恢復其凈化能力。
沖洗方式為三段式氣水反沖洗，即先氣洗，氣水聯合沖洗然后單獨水洗。反洗空氣由鼓風機通過池底的配氣系統提供。反洗水流方向則自上而下（上向流濾池）或自下而上（下向流濾池）。上向流濾池的沖洗水貯存于濾板之上，利用同組濾池的出水進行重力沖洗，不需要沖洗水泵。
近年來我國建設了若干座上向流曝氣生物濾池（UBAF），形式有所變化，其構造類似給水V型濾池。配水配氣系統設于濾池底部，采用鋼筋混凝土濾板和長柄濾頭。為防止濾料流失，在出水堰前加設柵形穩流板，出水堰頂面做成60°斜坡。沖洗方式仍為三段式氣水反沖洗，需設反洗水泵。當對出水有脫氮要求時，一般需采用兩級曝氣生物濾池，通過控制供氧在濾層內分別造就缺氧或好氧環境，令生物膜上繁殖的優勢菌種分別為好氧異養菌或硝化菌、反硝化菌，從而達到除碳及脫氮目的。除磷則以化學絮凝法為主（濾前投加鐵鹽或鋁鹽），濾池內聚磷菌在厭氧與好氧交替情況下對污水中磷的過剩攝取能力進行生物除磷為輔。
此外，我國還有在給水預處理上應用曝氣生物濾池的范例。它成功地降低了微污染原水的COD、NH3-N、NO2和AOC，提高出廠水的水質和生物穩定性。曝氣生物濾池具有流程筒單，水力負荷及容積負荷大，占地小，投資省，運行成本較低，出水水質好等優點，既適用于大中小型的城市生活污水及某些工業廢水處理（如啤酒、印染、食品加工廢水），也可用于給水預處理。但是，它的池體結構較復雜，設備較多，自動化程度較高，要求較高的建造質量及運行管理水平。本文結合工程實踐討論污水處理上向流曝氣生物濾池（UBAF）設計施工應注意的若干問題。
1.主要參數
進水水質（mg/l）∶COD100-1000BOD550-350SS50-350TKN15-60NH3-N10-40
出水水質（mg/l）∶COD<40BOD5<20SS<20NH3-N<10TKN<15
容積負荷NS∶2-6kgBOD5/(m3.d)4-12kgCOD/(m3.d)
NS取值與進水、出水水質密切相關。有機物容積負荷越高，出水中有機物剩余濃度也越大。例如，城市污水要求出水BOD510-20mg/l，NS可取3.5-5.0，當要求出水BOD55-10mg/l時，NS則應降為2.5-3.2。當NS>3時，NH3-N的去除受抑制，NS>4時，NH3-N的去除受明顯抑制。有硝化脫氮要求時，還應考慮硝化負荷，一般為0.3-0.8kgNH3-N/(m3.d)。故應根據原水性質及處理要求選取合適的NS值。
水力負荷∶3-6m3/m2.h
去除率∶COD>90%BOD5>90%NH3-N>90%SS>90%
濾料∶濾料選擇除粒度、密度、空隙率、機械強度、化學穩定性、不含毒、害物質等方面的要求外，最重要的是比表面積。比表面積越大，單位濾料中生長的微生物量越多，生化處理效率越高。材質可用輕質陶粒、無煙煤、石英砂、塑料等，以園形輕質陶粒濾料較佳。粒徑3-6mm，濾層厚度2.5-4.5m。
沖洗強度∶水4-10l/m2.s，氣12-20l/m2.s，濾層膨脹率約10%。
沖洗方式∶長柄濾頭配水配氣。先氣洗3-5min，然后氣水聯合洗3-5min，最后單水洗3-5min。通過沖洗把濾層內截留的污泥及老化的生物膜排出，但沖洗強度不可過大，以保留足夠的活性生物膜，為下一周期生化處理能力的恢復創造條件。沖洗耗水量為濾水量的7-10%。
曝氣∶為微生物提供生長繁殖所需的溶解氧，并有攪動濾層，促進老化膜脫落更新的功能。需氧量約0.42－0.8kgO2/kgBOD5，可用安裝于濾板面上的穿孔管或空氣擴散器（曝氣頭）配氣。為防止水倒流，反沖洗空氣干管及曝氣干管的管底應局部抬高至濾池最高水位之上500mm。
工作周期∶24-48h
單格過濾面積∶50-100m2
2.池型
為了保證反沖洗效果，單池面積不宜太大（≤100m2），平面上通常采用矩形，單側配水配氣，縱橫向長度比1∶1.2－1∶1.5，縱向（短邊）長≤8m并應在橫向（長邊）前端沿全長設配水配氣室均勻地配水配氣。進水孔位于濾池底板面上。進氣孔頂應與濾板底持平或稍低，孔徑（50-80mm）不宜過大。某工程設計池橫向兩端各一米多長無進水進氣孔，濾梁頂面又無平衡孔；進氣孔位于濾板底下300mm處，孔徑d100mm，導致反沖洗時濾池兩側由于濾梁阻隔沒有反洗空氣通過，中部則發生嚴重的射流，布氣顯然無均勻可言。
3.濾板、濾梁
曝氣生物濾池濾板、濾梁的設計施工要求與給水V型濾池相同，濾梁設計除了保證縱向強度外還應具備必要的橫向剛度，以抵御濾板安裝時可能發生的水平力的作用。濾板、濾梁的強度應比池體砼提高一級，其制作、安裝的精度要求很高，一般土建單位難以達到，應交由專業廠家用專用鋼模生產。濾板宜采用臥式模具，每次生產一塊，脫模時間為24h（夏季高溫時應不少于16h即兩天三脫模）。為縮短制作、安裝周期，有人曾采用ABS板材制作底模整體現澆濾板，但因底模凹凸不平，配氣配水不夠均勻，且造價與預制相比增加50-100％。某單位采用立式模具，據稱每次可生產五塊。但模具內氣體排除困難，所產濾板氣泡很多，強度很低；鋼筋位置難固定，露筋多；濾板邊緣密實度更低，毛刺、缺損、掉角甚多，導致全部翻工重做。某工程把濾梁交由濾池土建單位現場澆制，雖然施工時費煞了苦心，但拆模后檢查仍有不少預埋螺栓偏位過大（濾板安裝位置不足，一格池甚至多達20塊濾板放不下），梁身彎曲不直（突出部位濾頭桿插入受阻，凹陷部位濾板支承面不夠，應力過于集中），梁頂面最大水平誤差竟達19mm，直接影響濾板的安裝和使用壽命。
4.濾頭與開孔率
曝氣生物濾池通常采用小阻力配水系統（長柄濾頭）。濾池進水雖然已經預處理，其中的懸浮物質仍然較多，且較粗大，特別是生活污水粘稠物質多，水中混有許多塑料薄膜碎片，對濾頭危害很大。為了避免堵塞，濾頭縫隙應比給水濾頭寬（2.0-2.5mm），每個濾頭縫隙總面積約250-350mm2。開孔比可比給水濾池大，約0.011-0.015。配氣孔直徑2.0-2.5mm，位置應在濾桿絲扣之下或與濾板底面平，它與濾桿下端的配水條形孔的距離應保持150-200mm以上。開孔比過大除了影響反沖洗均勻性外，還導致配水配氣穩定性下降（對反洗系統內其它因素的微小變化敏感）。某工程采用開孔比0.027，濾頭配氣孔（d=4mm）位置偏低（距濾板底238mm，距配水條形孔僅50mm），試運轉時發現不僅沖洗不均勻，產生了強烈的脈沖；而且當空氣壓力變化氣墊層下界面發生波動時，大量空氣從下界面降低的區域內之濾頭（通過配水條形孔）噴射而出，即產生所謂“氣墊層擊穿”現象。
5.承托層
給水V型濾池濾頭縫隙窄（0.25-0.3mm）,開孔比�。s0.008-0.01）配水較均勻，濾料一般采用均粒（0.9-1.2mm）石英砂，礫石承托層可簡化為一層（粒徑2-4mm，厚100-150mm）。曝氣生物濾池濾頭縫隙寬，開孔比大，沖洗強度較大，濾料為3-6mm的陶粒濾料，礫石承托層建議分為2-4mm，4-8mm，8-16mm三層布置，每層厚50-100mm。
6.濾頭防堵
上向流曝氣生物濾池從濾板下進水，水中含較多懸浮物（特別是塑料薄膜碎片），長期運行濾頭堵塞難以避免，一旦出現很難清洗。某污水廠曾因此而導致反沖洗時把濾板掀翻這樣的嚴重后果。設計上除在池壁濾板底高度下設檢修人孔外，還應考慮必要時利用濾池水位迅速地從上而下逆向沖洗濾頭把堵塞物排走的相應措施。
7.壓縮空氣系統
曝氣生物濾池與給水V型濾池一樣通常采用氣動蝶閥控制。后者的動力是壓縮空氣。壓縮空氣應經過仔細的過濾、干燥然后通過管道輸送到各氣動閥門的電磁閥上。壓縮空氣系統的管道由于接頭多，施工時應注意其氣密性。否則會由于漏氣導致空壓機頻繁起動，既浪費能源又影響空壓機的壽命。為減少空壓機起動頻率，系統內另配一個較大的貯氣罐是必要的。管道材質最好采用不銹鋼管（或無縫鋼管），焊接接頭。通往各格濾池或設備（反洗水泵、鼓風機）的支管前端應有控制閥門（法蘭連接），便于分段檢修。鍍鋅鋼管（絲扣連接）接頭氣密性較差；長期運行內壁生銹，銹斑一旦脫落便會堵塞電磁閥。某工程采用鋁塑復合管，雖可防止銹蝕，但因其剛度不足，運行時在空氣壓力作用下接頭處容易脫開。
8.土建質量
曝氣生物濾池對土建施工質量的要求與給水V型濾池相同。一般土建施工單位對此往往不了解或不重視。設計院及監理公司必須反復強調，加強過程監控，逐條逐項落實。尤其是某些關鍵部位，如池壁平直度，相鄰池壁垂直度，進氣進水孔孔中心標高、間距、方向，進出水溢流堰堰頂水平度及標高，預留孔、預埋件的位置及其固定程度，模板支撐的可靠性等等，更應層層把關，反復檢查驗收。池內壁下部四周的凸緣（支承濾板及不銹鋼壓板用）應與池壁同時澆筑，否則凸緣與池壁砼分離，反沖洗時接合面容易漏氣。預埋鋼板螺栓、防水套管的安裝定位也是一個薄弱環節，必須在模板安裝時把它們固死，防止澆灌砼過程中移位，否則會給后續的設備、管道安裝帶來很大的困難。某工程澆灌池壁后發現預埋不銹鋼螺栓（固定濾板用）少了十多支，便采用同口徑不銹鋼膨脹螺栓補足。這顯然是錯誤的。因為螺栓孔內混凝土在水的侵蝕下一旦溶化，磨擦力便喪失殆盡。此情況下，建議采用化學錨著不銹鋼螺栓補救，但費用較高。某工程進氣孔采用預埋d=100mmPVC短管形式，短管與該處池壁同厚（580mm）。由于設計文件對該孔安裝精度沒提要求，施工單位也疏忽大意安裝不牢，結果各孔高低不一（實測最大誤差達95mm），方向各異（指短管走向，明顯地向上下左右偏移的約占一半），參差不齊，對配氣均勻性影響很大。
9.空氣管道吹掃
曝氣生物濾池的空氣管道有壓縮空氣管、反沖氣管及曝氣管，它們在通水沖洗、壓力試驗并排干水分后均需使用空氣進行吹掃（曝氣管吹掃應在曝氣頭安裝前進行）。操作的依據是«工業金屬管道工程施工及驗收規范（GB50235-97）»，吹掃風速宜不低于20m/s。應先吹掃壓縮空氣管道，后吹掃反沖氣管及曝氣管。吹掃氣源最好分別利用已安裝好的空壓機、反洗鼓風機和曝氣風機。吹掃順序應按（離氣源）先近后遠，逐段吹掃（其余段應關閉相應支管的控制閥門）。驗收合格的標準是：待出風口目測無水漬、粉塵后，在該處放置一塊涂上白漆的木制靶板，5min內靶板上不發現鐵銹、塵土、水分及其它雜物，即為合格。
10.調試
曝氣生物濾池的配水配氣及曝氣系統安裝過程應進行以下項目的驗收測試∶
1）濾板安裝平整度測試
濾板制作的外表質量（指單塊表面平整度、外形幾何尺寸誤差等）是保證安裝質量的前提條件之一，其目的是使濾板安裝后上、下表面盡可能水平、光滑，所有濾頭桿上的氣孔、配水條形孔保持在同一高度上，以提高氣水反沖洗均勻性和穩定性。安裝平整度測試在濾板安裝后進行。用水平儀抽檢（以毫米刻度的鋼直尺為標尺）濾板的上表面，要求單塊濾板安裝平整度誤差≤1mm，單格濾池內安裝平整度誤差≤5mm。
2）濾板嵌縫氣密性測試
濾板嵌縫養護完成后，檢查嵌縫應平整、無氣孔、無裂紋；不銹鋼壓板安裝應平穩牢固。向全部濾頭座擰上堵頭（除其中一個接出氣壓表外），往池內注入約20cm深水，開動反洗風機或空壓機供氣，通過排氣閥調整濾板下壓力。試驗壓力0.04－0.05Mpa，恒壓10min。所有嵌縫均無氣泡冒出為合格。否則應詳細記錄漏點位置，排水修復后重新試驗直至合格為止。本項測試務必控制好試驗壓力，壓力過高會導致掀翻、打爛濾板濾梁。
3）濾頭配氣均勻性測試
卸下堵頭擰上濾頭。濾頭安裝應由有經驗的師傅使用扭矩鈑手進行，防止用力不均。檢查濾頭無損壞，位置正確，安裝牢固。放水入池，水位以淹沒濾頭頂部為準（此時已有足夠水量通過濾頭滲至濾板下面）。開動反洗風機向該池供氣。俟風機運轉正常后，觀察檢查濾頭有無損壞、松脫（個別濾頭出氣特別大），反沖洗配氣是否均勻。
4）曝氣頭配氣均勻性測試
曝氣頭及其配氣管道安裝完成后，檢查支架及曝氣頭安裝位置是否正確，有無松動。往池內注水，水位高于曝氣頭頂約20cm。啟動曝氣風機，俟其運轉正常后，觀察檢查曝氣頭有無損壞、松動（個別曝氣頭出氣特別大），配氣是否均勻。
結語
曝氣生物濾池（BAF）是一種新型的給水、污水生物處理工藝，具有處理效率高、出水水質好、適用范圍廣等優點，值得進一步研究推廣。但是其構造相對復雜，建造質量要求較高，必須在設計、施工中認真對待，妥善解決。