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第3章 微污染水生物处理技术,1 曝气生物滤池(BAF)又名:淹没式曝气生物滤池,发展过程：普通滴滤池高负荷生物滤池塔式生物滤池曝气生物滤池,高负荷生物滤池,构造,高负荷生物滤池是生物滤池的第二代工艺。,池体：,平面上多为圆形。滤料层高一般为2m。,布水：,多使用旋转式布水器。,滤料：,滤料粒径较大，一般为40100mm，工作层滤料的粒径一般为 4070mm，承托层则为70100mm，孔隙率较高，可以防止堵 塞和提高通风能力；滤料常采用卵石、石英砂、花岗岩等，一般以表面光滑的卵石为 好；目前常采用塑料滤料：多用聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯等制 成；形状有波纹板式、斜管式和蜂窝式等，特点有：质量轻、强 度高、耐腐蚀、比表面积和孔隙率较大。主要缺点：造价较高，初期投资较大。,适用：处理浓度和流量变化比较大的水。进水水质要求：BOD5200mg/L，否则原水需稀释。,均化与稳定进水水质；加大水力负荷，及时地冲刷过厚和老化的生物膜，加速生物膜的 更新，抑制厌氧层发育，保持生物膜较高的活性；抑制滤蝇的过度滋生；减轻散发的臭气。,适用范围及特点,高负荷生物滤池通常采用处理水回流稀释。其效果主要表现在：,特点（与曝气生物滤池相比）,无反冲洗设施；自然通风供氧。,一、原理与特点 1、原理,（1）生物降解（2）过滤,曝气生物滤池是在生物接触工艺的基础上，以滤池中填装的粒状填料(如陶粒、焦炭、石英砂等)为载体，以颗粒状填料及其附着生长的生物膜为主要处理介质，充分发挥生物代谢作用，生物絮凝作用，物理过滤作用，膜及填料的物理吸附和截留作用，以及反应器内沿水流方向食物链的生物多级捕食作用，实现污染物在任一单元反应器内高效去除。,2、特点（P74）,（1）可去除低分子量有机物；（2）可处理低浓度有机物废水；（3）能去除氨氮、铁、锰等污染物。,2、类型,按水流方向,上向流：BIOSTYR、BIOFOR下向流：BIOCARBONE,（1）下向流BAF（BIOCARBONE）,具有氧化降解、生物絮凝吸附、截留悬浮物的功能，集生物作用与固 液分离作用于一身，不需后设二沉池。曝气装置设于整个滤料下面 滤料在过滤时呈压实状态。,气水同向流（上向流），并以较高的滤速过滤 采用气水联合反冲洗，主要依赖气体的擦洗作用，反冲洗时滤料基 本不膨胀。反冲污泥最终回流入初沉池。,（2）上向流BAF（法国）BIOFOR,特点：（a)同向流，反冲洗方向与水流方向相同；（b)滤池内不会出现负水头及沟流现象；（c)截留在底部的SS可在气泡上升过程中被带入 滤池中上部，加大纳污率，延长运行周期。,BIOSTYR 将脱氮功能引入曝气生物滤池（曝气头抬高，下面形成缺氧区，P134图4-4）特点：（a)重力流反冲洗无需反冲泵，节省动力；（b)滤头布置在顶部，与处理水接触不易堵，便于 更换；（c)反硝化、硝化脱氮。,1.采用气水平行上向流，使得气水进行极好均分；2.滤料层对气泡的切割作用使气泡在滤池中的停留时间延长，提高了氧的利用率；池内生物量大，可达8000-23000mg/l（折算成MLVSS）；3.由于滤池极好的截污能力，使得 BAF 后面不需再设二次沉淀池；4.三相接触，有机物容积负荷高，水力停留时间短、基建投资少、O2的转移效率高，曝气量低，供氧动力消耗低；5.可截留SS，脱落的生物膜，勿需沉淀池，占地少，基建投资省；6.勿需污泥回流，无污泥膨胀，污泥易处理；7.处理水质高，可满足回用要求；8.抗冲击负荷能力强，适应的温度范围广，且耐低温；9.易挂膜，启动快，反应时间短；10.曝气生物滤池无需二沉池，采用模块化结构，便于后期改建、扩建；11.该工艺可以单独建立，也可以与其它工艺组合应用。,上向流工艺特点,3、运行,（1）挂膜：自然挂膜与人工挂膜,（2）运行,效果：上向流（BIOFOR、BIOSTYR）优于下向流；溶解氧：23mg/L;反冲洗周期：37d.,反冲洗流程,三、BAF的计算,1、水力负荷（q）,微污染水：24m3/(m2h),2、有机负荷（NV）,3、氨氮负荷（硝化负荷ND,BIOSTYR的重要考核指标）定义：单位容积滤料每天所负荷的NH3-N量。,4、滤料层高度：2m,5、滤料：25mm(28mm)过小：密实，易堵；过大：比表面小，生物量低。,6、气水比（G/W）：(0.51.2):1,四、应用,THMFP：三卤甲烷前体物；UV254：用水稳定性指标，水中吸收紫外线的不饱和有机物、含氮化合物（腐殖质类大分子有机物及含C=C和C=O的芳香族化合物）。,工艺流程实例（污水处理）,过滤、生物吸附与生物氧化作用，滤料表面为好氧环境，内部为缺氧、厌氧的微环境，使得硝化、反硝化作用同时进行。,生物接触氧化法：介于活性污泥法与生物滤池之间的 生物膜法处理工艺；又称为淹没式生物滤 池、接触曝气法。,2 生物接触氧化(BCO),1971年开始于日本 应用领域十分广泛，深受重视 生物接触氧化法以高效的处理效果受到亲睐，原因：,1.生物活性高；2.传质条件好3.充氧效率高3kg O2/（kw.h），比无填料高30%；4.有丝状菌存在；5.有较高的生物膜浓度（10-20g/l），而活性污泥（2-3g/l）。,实质之二：采用与曝气池相同的曝气方法，向微生物提供其所需的氧，并起到搅拌与混合作用，相当于在曝气池内充填供微生物栖息的填料接触曝气法。,实质之一：在池内充填填料，已经充氧的污水浸没全部填料，并以一定流速流经填料，在填料上布满生物膜，污水与生物膜广泛接触，在生物膜上微生物新陈代谢功能作用下，有机污染物得到去除，污水得到净化淹没式生物滤池；,一、原理及特征,1、原理,BCO与BAF的区别（1）填料：接触氧化：软性填料、组合填料、立 体弹性填料，等；曝气生物滤池：粒状填料，如陶粒、沸石、焦炭等。,（2）反冲洗：接触氧化：不需反冲洗，连续运行；曝气生物滤池：需反冲洗，周期性运行。,BCO与高负荷生物滤池的区别（1）填料：接触氧化：填料质轻，在池中装一填料支 架，不易堵；高负荷生物滤池：粒状填料，如碎石、卵石、等，需承托层。,（2）结构：接触氧化：淹没式，填料完全浸没于水中；高负荷生物滤池：类似于渗滤，非淹没。,（3）供氧：接触氧化：有专门曝气系统、与活性污泥类似；高负荷生物滤池：不需曝气系统，通风供氧。,生物接触氧化技术的发展依赖于填料的发展,蜂窝式填料、波纹板状填料软性填料组合填料弹性立体填料悬浮填料,BCO处理微污染水的理论,微污染水：低基质浓度，Rittmann等按照稳定工况下生长速度等于消耗速度及Monod方程，推导得最小基质浓度：,Ks：Monod半速率常数b：内源呼吸系数Y：产率系数k：最大比基质利用率,即理论上稳态生物膜法水处理工艺中，出水基质不可能小于Smin。实际对于饮用水生物预处理，常可将进水有机物浓度降至Smin以下，原因：,二级利用：P81微生物的应激性：P81,2、工艺特征,（1）采用多种形式填料，微生物丰富，可生长氧化能力强 的丝状菌，可生长硝化菌；（2）可起到类似“过滤”的作用；（3）生物膜活性高，处理效率高，可承受较高负荷；（4）抗冲击负荷，间歇运行仍能保持良好的处理效果；无需污泥回流，无污泥膨胀；污泥生成量少，污泥易沉淀。,缺点：填料可能堵塞（如软性填料，板结）；布水、曝气 不易均匀，可能在局部出现死角。,二、构造及工艺,由池体、填料、布水系统和曝气系统等组成；填料高度一般为3.0m左右，填料层上部水层高约为0.5m，填料层下部布水区的高度一般为0.51.5m之间；池型：方形、圆形，顶部稳 定水层 填料：对接触氧化池中生物 量、氧的利用率、水流条件 和废水与生物膜的接触反应 情况等有较大影响。,1、构造,曝气：机械曝气、鼓风曝气,2、池型：分流式与直流式,（1）分流式国外多用 填料区水流较稳定，有利于生物膜的生长，但冲刷力不够，生物膜不易脱落；可采用鼓风曝气或表面曝气装置；较适用于深度处理。,中心曝气型：P83图3-7单侧曝气型：P83图3-8,直流式国内用 曝气装置多为鼓风曝气系统；可充分利用池容；填料间紊流激烈，生物膜更新快，活性高，不易堵塞；检修较困难。,3、主要影响因素,（1）原水水质 NH3-N：13mg/L，NH38090%；3.5mg/L，NH3 7585%。有机物体积负荷NV：0.10.3kgBOD/(m3d)。,（2）水温：夏季冬季（3）pH：中性（6.58.5）（4）DO：2.04.0mg/L,G/W=0.81.2（5）HRT：空床停留时间2030min（6）填料性能,4、工艺计算与组合工艺,（1）计算（接触时间法，P85）,（2）组合工艺：P85。低分子量可生物降解有机物含量较高时，BCO前置；含大分子量（相对分子量10000以上）有机物较多，色度、浊度高，悬浮颗粒或胶体多，后置。,3 生物活性炭法(BAC),Biological Activated Carbon，以活性炭为载体,表面长有微生物的处理工艺,生物活性炭材料,一、原理 将活性炭作为微生物聚集、繁殖生长的良好载体，在适当的温度及营养条件下，发挥活性炭的吸附和微生物生物降解作用。生物再生理论：由于活性炭上的生物膜对吸附的污染物持续的生物降解作用，使活性炭得到生物再生。,物理吸附和化学吸附的比较,对于生物活性炭技术,按照污染物被活性炭吸附性 和被微生物的降解性可将其分为四类:1.可被活性炭吸附也可被微生物的降解2.可被活性炭吸附但不可被微生物的降解3.不可被活性炭吸附但可被微生物的降解4.不被活性炭吸附也不可被微生物的降解,Porrotti 和 Rodman 1974年细胞外酶假说：微生物个体尺寸1万埃左右 微生物的 胞外酶 10 埃大小 微孔隙区的 等效直径大约20-40埃,胞外酶,污染物,酶基质复合体,产物,或,活性炭,争论：1）酶能否进入微孔 2）胞外酶除水解酶外是否有其 他的酶,溶质扩散理论：炭表面的微生物虽然在降解水中的 有机污染物的同时 也降解炭内吸附的有机污染物，但是这是由于炭内已吸附的污染物与炭表面的生物膜中的浓度差，获得了保持吸附平衡的解吸力，而向其表面扩散的的结果。,BAC的优点：增加水中溶解性有机物的去除效率，提高出水水质；延长了活性炭的再生周期，减少运行费用；水中NH3-N和NO2-N可被微生物氧化为NO3-N，减少后氯化的投氯量，降低THMs生成量；有效去除水中可生化有机物（BDOC）和无机物，提高出厂水的生物稳定性。,二、BAC的工艺结构及有关设计参数1、工艺结构及设计参数（1）粒径：0.9-1.2mm（2）空床停留时间：20-30min（3）床高：2-4m（4）容积负荷：0.25-0.75kgBOD/(m3d)（5）水力负荷：8-10m3/(m2h)（6）运行周期：3-4年（延长3-4倍）（7）预臭氧投加量：1.5-2.5mg/L,2、运行控制BAC的运行阶段：投入新炭快速吸附吸附容量逐渐减少慢速吸附活性炭表面生长出微生物吸附有机物降解生物吸附平衡（5-20d）；挂膜：投菌法挂膜较快；充氧：曝气充氧；O3（O3-BAC；OBAC）失效指标：COD（15-45%）；UV254（20-25%）预处理：不宜预氯化；指标：不宜用碘值及亚甲基蓝作为控制指标。,双层生物活性炭反应器1、容器，2、膨胀层，3、密实层，4、气提器，5、中心区，6、污水进水管，7、底部配水管，8、中部配水管，9、循环水管，10、净化水收集槽，11、反冲洗水收集槽，12、保护水层,几种生物活性炭净水工艺,双层生物活性炭反应器工艺示意图1、反应器，2、曝气柱，3、水泵，4、布水系统，5、集水装置，6、反冲洗出水集水槽，7、净化后出水集水槽，8、锥型收缩装置，9、密实过滤层，10、膨胀炭层,三、组合工艺流程1、常规处理-BAC-超滤常规处理：去除大部分SS，降低BAC负荷；BAC：去除可溶性有机物、NH3-N等；超滤：去除剩余不溶性杂质，提高出水安全性。,2、常规处理-OBAC工艺臭氧的作用：（1）初步氧化分解水中有机物；（2）为活性炭提供DO；（3）氧化活性炭表面吸附的部分有机物，腾出吸附位。BAC的作用：（1）破坏水中残余的O3；（2）吸附残余有机物及臭氧化的副产物；（3）微生物降解。,3、生物预处理+常规处理+BAC联合工艺生物预处理的作用：（1）生物处理中比较容易进行生物氧化作用的物质多数为亲水性；活性炭吸附多为疏水性，协同作用；（2）生物预处理可将大分子有机物小分子有机物。,4、微污染水臭氧+沸石+颗粒炭（GAC）组合工艺臭氧的作用：分解水中嗅、味、色度、有机物及铁锰；沸石的作用：交换吸附水中的NH3-N；GAC的作用：吸附降解臭氧化后的小分子有机物及其他有毒有害物质。,4 膜生物反应器(MBR),Membrane Bioreactor，以膜组件取代二沉池的泥水分离单元设备，常用一体式、分体式两种。,2、存在问题（1）建设和运行费用高；（2）膜污染问题；（3）经济可行性。,一、原理及特点,1、优点（1）固液分离效率高，出水水质好、浊度低；污泥膨胀对固液分离无影响；（2）微生物泥龄长；（3）F/M低，微生物处于内源呼吸期，剩余污泥量少；（4）全自动运行，占地少。,二、类型及工艺设计,按结构,膜分离生物反应器（MSBR）膜曝气生物反应器（MABR）萃取膜生物反应器（EMBR）,按膜组件的放置方式,分体式（分置式）一体式,按是否需氧,好氧MBR厌氧MBR,1、分体式MBR书P94图3-16（b),膜组件与生物反应器分开，便于研究，起初应用广泛，技术较成熟。,分体式MBR用于中水回用处理,典型缺点：能耗问题。MBR能耗较高，而分体式MBR能耗尤为突出。单位体积处理水的能耗是传统活性污泥法的10-20倍。能耗高的原因？,优点：运行稳定可靠，操作管理容易，易于膜的清洗、更换及增设。,2、一体式MBR书P94图3-16（a)；P95图3-17。,将膜组件置入反应器中。一般通过真空泵或其他类型泵抽吸，得到过滤液。,缺点：运行稳定稳定性、操作管理方面和清洗更换不及分置式。,优点：（1）体积小，整体性强；（2）工作压力小，无需污泥回流；（3）膜置于反应器内，在曝气作用下污泥固体难于积聚，不易堵塞。（不宜用作厌氧）,3、隔离式系统,采用选择膜将污水与生物反应器隔开，该膜只允许目标污染物透过，进入生物反应器被降解。,膜,生物反应器,出水,进水,水，Hg2+，葡萄糖,水，葡萄糖,水,4、MBR的工艺设计（一体式）,膜组件（超滤膜）：管式、平板式、卷式、中空纤维式,19芯管式,七芯管式,管式膜组件,中空纤维膜组件,中空纤维膜组件,中空纤维膜组件,卷式膜组件示意图,卷式和平板式膜组件原理,膜组件安装,膜组件安装,（1）水通量m3/(m2d)的计算,K：传质系数，m3/(m2d)Xg:膜表面污泥浓度，mg/LX:混合液污泥浓度，mg/L,（2）总面积：,Qp：处理水量，m3/d,（3）膜组件体积,N：个数，N=A/A1A1：单个膜组件的膜面积，m2V1:单个膜组件的体积，m3,（4）水力停留时间T（h）,K：底物最大比降解速度常数，h-1Ks:饱和常数L:反应器出水有机物浓度，mg/LL0：反应器进水有机物浓度，mg/L,（5）曝气池容积,（6）污泥负荷（核算）,普通活性污泥法：0.15-0.3kgBOD5/(kgMLSSd)，MBR应比普通活性污泥法低。,（7）膜孔径,一般为微滤膜（MF）和超滤膜（UF），大多采用0.1-0.4m膜孔径。孔径越小，操作压力越大。,2、机理膜的结构性质、活性污泥、运行条件（如压力、错流速率、紊流程度）等操作压力存在临界值。,三、膜污染的防治,1、膜污染成因及表现,成因,滤饼层凝胶层微生物污染,表现：膜通量降低，膜过滤阻力增大。,3、控制对策低压操作反冲洗换向操作化学清洗膜材料改性膜组件优化设计临界通量控制水动力学控制空气喷射和活塞流,Saw:,微滤膜：120kPa超滤膜：160kPa,