曝气生物滤池在水处理中的应用.docx

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曝气生物滤池在水处理中的应用

洛阳理工学院

毕业设计（论文）

题目：

曝气生物滤池在水处理中的应用

姓名：

郭亮

系（部）：

环境工程与化学系

专业：

环境工程

指导教师：

姚珺

二0一三年六月一日

毕业设计（论文）题目

曝气生物滤池在水处理中的应用

摘要

曝气生物滤池（BAF）是一种集生物氧化、过滤、吸附于一体的新型生物膜污水处理技术。

文章介绍了BAF的发展沿革，综述了BAF在填料、生物膜、有机物、SS、氨氮去除、脱氮除磷、有毒有害物质降解方面的最新进展，拓宽了BAF组合工艺的研究和应用范围，指出BAF作为一种深度处理工艺是非常适合于我国国情的水处理技术，尤其对我国今后中水回用、企业污水闭路循环以及“零排放”具有重要意义，应加大研发和开发力度，推广其应用。

BAF作为一种高效的生物膜污水处理工艺,曝气生物滤池日益受到水处理专家的关注。

本文详细介绍了曝气生物滤池的发展应用现状,结构形式、工艺特点以及工作原理,并提出了曝气生物滤池今后的利用现状，研究进展和曝气生物滤池在水处理中的应用前景。

关键词：

曝气生物滤池；填料；生物膜；脱氮除磷；污水处理

英文题目

ApplicationofBiologicalAeratedFilterTechnologyinWaterTreatmentProject

ABSTRACT

Biologicalaeratedfilter（rBAF）isgatheringinbiologicaloxidation，filtrationandadsorptionasanovelbiofilmwatertreatmenttechnology.OriginanddevelopmentofBAFwereintroduced，researchprogressinthemedia，biofilm，removaloforganicmatters，suspendedsolidandammonia，nitrogenandphosphorus，toxicandharmfulsubstanceswerereviewed，whichwouldwidentheapplicationofBAFcombinedprocess.ItwaspointedthatBAFasanadvancedtreatmentprocessissuitabletoconditionsinChina，especiallyforwaterreuse，businessclosedwatercycleandzerodischargeinfuture.Morestudiesanddevelopmentshouldbedonetoexpandtheapplication.Asahigh-efficientbiofilmwastewatertreatmentprocess,Biologicalaeratedfiltersaregettingmoreattentionofexpertsonwastewatertreatment.

KEYWORDS:

biologicalaeratedfilter；media；biofilm；nitrogenandphosphorusremoval；wastewatertreatment

目　录

前　言1

第1章BAF的特点与形式以及工作原理2

1.1BAF的工作原理2

1.2BAF所具有的的形式及利用现状2

1.3BA所具有的的特点3

第2章工艺原理和结构特点4

2.1工艺原理4

2.2工艺特点5

第3章填料及生物膜6

3.1填料6

3-2生物膜6

第4章BAF对污染物处理的研究7

4.1对悬浮物、氨氮以及有机物的去除8

4.2脱氮除磷8

4.3降解有毒有害物质9

第5章BAF在水处理中的研究10

5.1滤料研究进展10

5.2污水处理和微污染水源水预处理与研究进展11

5.3曝气生物滤池在水处理中的应用前景13

结论15

谢辞16

参考文献17

附　录19

附录题目19

外文资料翻译20

前　言

近年来随着城市建设和发展，大量不达标污废水的排放不仅使环境遭受严重污染，并且造成了水资源的短缺。

对此，寻找经济效率高的污水处理技术，对提高水环境的恢复功能和污水回用的发展有着重要的意义。

BAF是一种发展很快的新型生物处理技术，比较适合我国水处理事业所面临的技术水平低以及资金不足的状况。

因此深入了解其性能、机理及其在水处理中的应用情况，将有助于提高人们对该项技术的认识及应用水平。

曝BAF是一种发展较快的新型生物处理技术,它具有,运行灵活方便,易于管理,出水水质高,占地面积小,投资省，抗冲击负荷能力强等优点,不仅可以用于污水的二级和三级处理,而且还可用于微污染水源水预处理等.

自20世纪，80年代来，BAF就开始引起人们广泛关注，已成为一个热门的研究。

它作为一种新型高效的生物膜污水处理技术，废水中有机物的去除，去除营养物和工业废水处理和良好的应用等方面。

曝气生物滤池的基本原理在于为介质的颗粒填料，通过附着在填料和胞外聚合物吸附截留的生物膜，微生物氧化分解，形成沿食物链捕食层次角色实现从水中去除污染物的目的流动方向。

同时利用好氧反应器中，缺氧区的存在，实现脱氮除磷功能。

该技术具有良好的水质，水力停留时间短，占地面积小，投资和运行成本相对较低，抗冲击负荷能力强大和管理方便等优点，是一种环保，经济，高效节能，污水处理技术，并实现可再生资源的可持续利用，是我国污水处理面临水资源短缺很合适，资金不足，技术相对落后的现状，对提高其研究和开发工作。

我国水处理工业中的应用和推广，变的十分迅速。

第1章BAF的特点与形式以及工作原理

1.1BAF的工作原理

BAF快速滤池结合水和废水生物接触氧化特性的颗粒填料为媒介，通过过滤器的保留和生物膜填料的表面，在曝气条件下，过滤，吸附和絮凝废水氧化生物净化。

由于好氧，厌氧，缺氧微环境，硝化反硝化池体的存在，可以同时进行，所以你可以在一组去除有机物和脱氮。

与流动方向，由于营养物质的减少，呈现出不同的生物相，使生物滤池非常丰富的食物链比一般的工艺要漫长而且相比略复杂。

1.2BAF所具有的的形式及利用现状

BAF由于水流方向可定性分为下向流和上向流两种：

下向流是上部进水，反向上向流是由底部进水，气水则开始同向；。

根据处理效果和控制来说，上向流运用得比较多。

根据填料和进水方式的差异，目前实用率最高的和最有代表性是BIOSTYR、BIOCARBON、BIOFOR工艺形式。

根据对污水不同的处理目的，BAF又可以分为：

除碳工艺；除碳/硝化工艺（BAFC/N）；脱氮/除碳/除磷工艺（BAFC/DN/P）；反硝化/（除碳、硝化）工艺。

通过使用一个单一的池在不同处理的目的，两段或多段串联操作模式实现的处理效果。

由于曝气生物滤池除磷是低效率的，通常在混合沉淀池过滤之前加入适量的磷去除剂。

表1-1为不同类型曝气生物滤池构造特点：

工艺形式

进出水方式

填料

反冲洗方式

BIOPUR

上部进水，下部出水

规整波纹板

水装置，气水联合反冲，底部设反冲洗气

BIOSMEDI

下部进水，上部出水

合成轻质滤料

反冲洗时下部形成空气室，脉动反冲洗

BIOFOR

下部进水，上部出水

陶粒

水、气同时进入气水混合室，气水联合反冲

BIOSTYR

下部进水，上部出水

聚苯乙烯

反冲水采用下向流，水气联合反冲

BIOCARBONE

上部进水，下部出水

石英砂

底部设有反冲洗气、水装置，气水联合反冲

1.3BA所具有的的特点

（1）池容量较小以及占地面积的小尺寸。

曝气生物滤池的粗糙和多孔高表面积的颗粒填料作为生物膜载体，具有较高的浓度和较高的生物有机负荷。

（2）生产工艺比较简单、资金成本、运营费用低。

对悬浮物的去除率高，使出水中的活性污泥数量减少，可略去二沉池，从而降低资金消耗。

（3）生物浓度高、生物相丰富、菌群结构比较适宜。

（4）抗冲击能力强。

（5）管理规范起来比较简单，自动化程度高。

（6）对环境的影响较小，受温度影响小。

第2章工艺原理和结构特点

2.1工艺原理

曝气生物滤池是将接触氧化工艺和悬浮物过滤工艺结合在一起的污水处理工艺,其工艺原理为在滤池是装在较小的粒径颗粒过滤一定量的生物曝气滤池，内部过滤器表面生长，当污水到来时,由于滤料上附着的较高强度的生物膜量,利用它极强降解氧化能力快速降解废水中的污染物,同时,利用滤料粒径尺寸比较小的特点以及生物膜特有的絮凝作用,保留住污水中大部分悬浮物，并确保掉落的生物膜泄露，从而达到净化污水的目的。

伴随过滤过程的进行，由于滤层逐渐增厚的生物膜，悬浮物的积累，逐步增加一定的水压力过滤器的水头损失，设计流量将不能保证，应该反冲洗过滤器再生去除多余的生物膜床和悬浮固体，恢复过滤处理能力。

曝气生物滤池的附着生长生物固定膜反应器，在其有机填料可以发生在代谢过程中可产生生物转化生物污泥和水中悬浮物的进一步截留在过滤器内，发挥出了生物过滤的作用。

下图2-1为BAF结构示意图。

图2-1BAF结构示意图

2.2工艺特点

BAF具有以下工艺特点:

采用气水平行上向流，使得气水进行极好均分，防止了气泡在滤料层中凝结核气堵现象，氧的利用率高，能耗低；与下向流过滤相反，上向流过滤维持在整个滤池高度上提供正压条件，可以更好的避免形成沟流或短流，从而避免通过形成沟流来影响过滤工艺而形成的气阱；上向流形成了对工艺有好处的半柱推条件，即使采用高过滤速度和负荷，仍能保证BAF工艺的持久稳定性和有效性；采用气水平行上向流，使空间过滤能被更好的运用，空气能将固体物质带入滤床深处，在滤池中能得到高负荷、均匀的固体物质，从而延长了反冲洗周期，减少清洗时间和清洗时用的气水量；滤池优良的拦截能力，使得BAF不需要在设置二次沉淀池。

BAF采用目前较先进的颗粒填料，较之传统生物滤池，具有以下性能提升：

（1）高负荷的有机物，高浓度的生物，较短的水力停留时间，抗冲击能力突出，处理水的质量是好的。

曝气生物滤池可以在正常负荷的2至3倍运行负载下工作，其水质变化也不会大。

；

（2）滤池的封闭或半封闭结构，降低了污水处理厂的气味，无污泥膨胀问题，没有污泥回流，在处理设施能运行起来，有利于系统的恢复的开始；

（3）占地面积小，是传统工艺1/4到1/5，节省大量的土地及地面处理成本，同时消除两个曝气生物滤池沉淀池占地和投资，模块化设计的需要，使操作更方便管理。

第3章填料及生物膜

3.1填料

填料作为BAF核心组成部分，其比表面积，孔隙度，水的流动形态，规则与形状，稳固性，吸收和其他物理，化学和生物特性直接性的影响处理污水的效果和反应器的特性。

根据不同的填料密度，可分为填料下沉和悬浮填料这两种填料方式，悬浮填料截留悬浮物，COD和氨氮的去除效果优于下沉没填料[8-9]。

该填料对污水处理的影响较大的颗粒大小，粒度太大，你可以不打好的吸附截留，同时不利于硝化和反硝化作用。

粒径太小，适用于高水力负荷，容易形成短路，造成堵塞的床，增加的频率和强度的反冲洗。

这些填料的表面光滑，但生物膜的粘附性差，易挂膜，处理效果不是很好，且价格昂贵，在曝气生物滤池工艺有限公司的应用。

目前，曝气生物滤池填料的主要有机聚合物填料和无机填料。

表3-1是一个陶瓷[10]，沸石岩[11]，[12]，污泥灰颗粒（SFCP）[13]，聚苯乙烯五种填料的性能比较。

有机聚合物填充聚苯乙烯，聚丙烯，等。

无机填料的碳，火山灰，天然沸石。

活性炭和火山岩是更昂贵的填料，粉煤灰来源广泛，价格便宜，但吸附效果不理想，但容易造成充血。

沸石的粒径比较小，容易堵塞，反冲洗更大的阻力。

92%，99%，92%，更加优于砂填料。

表3-1各种填料性能比较

名称形状粒径真密度表观密度孔隙率比表面积

陶粒3-61.670.79404.11

火山岩粒状不规则1.270.82461.13

天然沸石3-52.260.97545.274.57

聚苯乙烯柱状0.92—421.26

SFCP3-62.111.3237.78.99

3.2生物膜

生物膜是附着生长在一些固体微生物表面的使用（即生物膜）用于有机废水的处理方法。

生物膜是一个高度密集的需氧菌，厌氧菌，兼性细菌，真菌，原生动物和藻类和其他生态系统的组成部分，其被称为附着在固体介质或载体过滤器。

从过滤膜向外可分为厌氧层，良好的气体，附着水层，水层运动。

生物膜的原理，生物膜附着水层吸附有机质良好的气体首先是一个好氧菌打破它，然后进入厌氧分解厌氧层，流水层会随着新生物膜的生物膜生长衰老的冲洗，等等，以达到净化污水的目的。

沿固体废物的微生物（可称为载体）表面生长的生物处理方法的统称。

由于沿固体表面的微生物种群的增长为粘膜像，故名。

与水和生物膜接触，从水中转移到膜上的污染物，从而获得处理。

第4章BAF对污染物处理的研究

4.1对悬浮物、氨氮以及有机物的去除

在废水处理过程中，悬浮物、氨氮以及有机物的反应条件和水污染水平的指标，也常常成为被测对象。

在国内和国外曝气生物滤池去除悬浮物、氨氮以及有机物进行了很多研究。

展开了三级曝气生物滤池处理城市污水的实验。

当水流量保持12~25m3／h的情况下，出水的各项指标都可以达到标准。

但是在短时间流量40m3/h时，，有机物只有少部分被除去。

流量的变大，悬浮物、氨氮以及有机物的负荷量会得到相应提升，导致特定类型的细菌不碳化，硝化，反硝化三个阶段获得其最佳的生长条件，从而降低了水的质量。

吉尔摩等人在冬季寒冷温度氨氮的负荷量为0.6（／m3·D）的条件下，两级曝气生物滤池硝化效率高于90%。

曝气生物滤池采用一四阶段的过程，在低氮比城市污水的研究表明，水力停留时间为3h，6h，氨氮的去除率稳定在95%～96%。

在中国，如天然沸石作为填料曝气生物滤池同时去除城市污水的COD，氨氮和浊度。

在0.95h水力停留时间条件下，COD，氨氮去除最高负荷达7.1kg（／m3·D）和0.9公斤（／m3·D），化学需氧量，氨氮和浊度的去除率为73.9%，88.4%，96.2%，相应的污水43.4,3.5mg/L和3.7ntu平均浓度，达到冷却水回标。

雷等粘土为载体，两级曝气生物滤池处理城市污水浓度高，最终出水COD，氨氮SS小于50,8.0,20mg/L。

这些研究表明，BAF去除有机物，悬浮物，氨氮效果显著，去除机制的日趋成熟，城市污水和城市污水处理中的应用前景。

4.2脱氮除磷

曝气生物滤池通过一系列的结构形式，如提高反应器中厌氧区和缺氧区水建立这样的有机污染物的去除措施，而且还可以实现对氮磷的去除效果研究。

国内外有些人利用曝气生物滤池的除磷脱氮的影响。

在脱氮方面，哈哈，硝化和反硝化曝气生物滤池的使用实验表明：

在23℃的温度°，水力停留时间3小时，200%，进水COD和TN浓度300%，回流比250,35mg/L，硝化效率在96%以上。

在4和6小时的水力停留时间，回流比为300%时，总氮去除率80%以上，最大去除氨氮的负面户田0.19kg/（M·D）。

表明，在气水相对较低，主要用于短程同步硝化反硝化。

一种有机碳源的存在不影响硝化，反硝化过程中，相比于1.15倍率高的反硝化反硝化亚硝酸盐的速率，缩短反硝化所需的时间。

这是由于填料自身独特的特点和空间梯度的特点，使其运行具有一定的硝化和反硝化能力，但通过亚硝酸盐的积累来实现硝化和反硝化反硝化受环境条件的约束和限制比传统方法的要求更阉割，对于温度，停留时间，pH值的影响则会更大，所以这样的硝化和反硝化作用机制有待更加的深入研究。

4.3降解有毒有害物质

伴随曝气生物滤池更广泛的研究，在废水深层次处理，除磷，硝化和反硝化作用和其他方面的进展、研究以外，曝气生物滤池在对部分有毒害，难以生物降解有机物也进行了一些研究。

在一般情况下，后两种处理有机物浓度高，BOD/COD很低，出水COD仍然会非常高，水中不能降解溶解性物质可以通过一些臭氧、fenton等有机物质的氧化技术，使废水直接氧化成二氧化碳和其他小无机物分子，而其他部分可以被分解为能通过微生物的再次氧化分解的中间产物。

第5章BAF在水处理中的研究

5.1滤料研究进展

目前，对于生物滤池中的填料，国内与国外主要有塑料蜂窝填料、立体波纹填料、软性纤维填料、半软性填料玻璃钢以及不规则状的填料等。

这些填料往往并不都适合用作BAF的滤料。

根据其应用的不用原料，可分为和有机高分子滤料以及无机滤料，而我们常见的无机滤料大致可概括为陶粒、、膨胀硅铝酸盐、石英砂、活性炭焦炭等。

而有机高分子滤料大致可以概括为聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。

有机高分子滤料与微生物间的相容特性相对比较差，所以挂膜时生物量少，易脱落，处理效果并不总是很理想，且价格昂贵。

对天然无机滤料的开发是国内外滤料研究的重点。

塑料填料的研究，艾伦和Mann等人[14]用聚丙烯悬浮物和40%碳酸钙和60%聚丙烯合成液体过滤器的上向流曝气生物滤池污水处理试验发现，SS的去除，COD、NH4＋-N，悬架比深层过滤介质的性能。

他们还发现了更多的耐冷的悬浮介质的影响。

国外一些专家认为，对曝气生物滤池的一次性投资媒体，经营成本和正常经营产生重大影响，使滤波器的塑料过滤介质是不适合的曝气生物滤池，生物滤池和一些潜在的应用进行了系统的实验分析。

研究人员认为，最适合的生物滤池是ARLITA，即球形膨胀黏土（膨胀球粘土），其次是老页岩。

实验结果表明：

与缓冲进水氨氮冲击负荷的能力和良好的吸附性能，天然沸石；COD浓度不影响天然沸石离子交换过程。

曝气生物滤池国内媒体的研究主要集中在陶瓷基。

近年来，许多研究人员利用天然沸石曝气生物滤池作为一系列研究填料，王Z[15]等微污染水源水预处理研究，通过不同的惰性介质处理的性能比较，页岩是一种理想的媒体。

其他的研究人员，如一些新的，陶瓷粘土，纳米改性陶瓷，陶瓷滤波器粘土陶瓷，曝气生物滤池陶粒等试验发现陶瓷过滤器与有机介质形状规则，与表面面积，化学稳定性好，强度，孔隙度，生物粘附性强，截污能力强等优点。

5.2污水处理和微污染水源水预处理与研究进展

微污染水的处理方法目前微污染水的处理方法大致可分为物理、化学、生物这三大方面。

一．物理技术

（1）吸附法。

利用多孔固体（称为吸附剂）吸附废水中某种或几种废水中污染物（称为吸附质），恢复或去除某些污染物，使废水净化的方法。

吸附单元操作通常包括三个步骤。

第一，污水和固体吸附剂，废水中的污染物被吸附剂吸附；吸附剂吸附的污染物和废物的分离步骤；最后，吸附剂的再生或更新。

按照接触，分离的方式，吸附操作可以分为静态和动态连续吸附法两种。

（2）曝气法

曝气可以直接删除了大部分挥发性物质在水的来源，包括挥发性有机物，氨和硫化氢等还原剂。

曝气预处理使用一个简单的，低投资，管理和操作简单，对后续的处理有一定的影响，但它对于已经很难挥发性有机物和氨氮的去除效率较低，因此一般是将曝气法与别的其他工艺结合在一起。

2．化学技术

（1）臭氧。

臭氧是一种很强的氧化剂，它分解放出的新生态氧的活泼性大约为氯的600倍，它可氧化水中二价锰、铁和绝大多数的有机物，能迅速杀死病毒以及细菌，并能够向水中充氧，使其溶解氧增加，为后续的处理提供了更好的条件。

然而，在特定的水质条件下，臭氧氧化产生的副产品，其中有机副产物甲醛为代表的无机副产物溴酸盐为代表的。

（2）氯。

氯是使用最广泛的的消毒剂，用在自来水或污水的处理方面。

水源或水的转移过程中，消毒剂氧化进入常规处理工艺结构之前，加入一定量的氯氧化可以控制由于在管道或结构，生长的微生物及藻类产生的水污染，但也有一些有机化合物可被氧化而将增加混凝剂的使用量。

然而，氯和水会产生大量的某些有机反应，卤代烷和氯代有机物，且不易被后续常规处理工艺去除。

这些物质对人体健康是非常有害的，从而导致对水处理后的安全系数降低。

三．生物技术

利用微生物的代谢作用可以有效除去废水中有机污染物，也叫做废水生物化学处理法,简称废水生化,可分为厌氧生物处理法和需氧生物处理法两种。

需氧生物处理法是利用需氧微生物在有氧条件下将废水中复杂多变的有机物分解的一种方法。

生活污水中的典型有机物是碳水化合物、合成洗涤剂、、甘氨酸、脂肪酸、脂肪、蛋白质及其分解产物，如尿素等。

这些有机物可按生物体系中所含元素量的多寡顺序表示为COHNS。

在废水需氧生物处理中全部反应可用以下两式表示：

微生物细胞+COHNS+O2─→较多的细胞+CO2+H2O+NH3。

生物体系中这些反应有赖于生物体系中的酶来加速。

酶按其催化反应分为：

氧化还原酶：

在细胞内催化有机物的氧化还原反应，促进电子转移，使其与氧化合或脱氢。

可分为氧化酶和还原酶。

氧化酶可活化分子氧，作为受氢体而形成水或过氧化氢。

还原酶包括各种脱氢酶，可活化基质上的氢,并由辅酶将氢传给被还原的物质,使基质氧化，受氢体还原。

水解酶：

对有机物的加水分解反应起催化作用。

水解反应是在细胞外产生的最基本的反应，能将复杂的高分子有机物分解为小分子，使之易于透过细胞壁。

如将蛋白质分解为氨基酸，将脂肪分解为脂肪酸和甘油，将复杂的多糖分解为单糖等。

此外还有脱氨基、脱羧基、磷酸化和脱磷酸等酶。

在有机物的去除，氧传递与悬浮物的特性方面，英国PAC污水处理厂曝气生物滤池污水中的COD为562mg/L的工业废水，生化需氧量=286mg／L，SS=139mg/L的条件下，COD，BOD和SS的去除率达到80%，91.3%和78%。

胡勇，王莉莉[16]做了一个下流的曝气生物滤池除碳、除的最佳填料试验研究发现，厚度氨氮硝化去除SS，BOD和NH3-N的最佳填料厚度为40，60和80厘米，厚度SS，BOD和NH3-N的去除率分别为79.1%，63.9%和96.4%。

孙莉河绿，甘一平，等[17]做了一个实验系统BIOSTYR有机和颗粒物表现出的去除性能好，总悬浮颗粒物的去除效率大于平均值的90%，COD排放可以维持在60mg/L以下，去除率平均为86%。

苏珊娜，等[18]在气液界面氧的扩散特性进行了研究，发现曝气生物滤池曝气氧传质系数和气体停留时间是运动时的正比例，固定气体停留时间不影响氧的传递速率。

在硝化特性与它的影响因素方面，研究人员发现，硝化细菌的生长缓慢，对环境条件非常敏感，研究的主要影响因素有：

盐度，氨氮容积负荷和水力负荷。

MorF.Rosa等研究了盐度对曝气生物滤池硝化发现，高浓度的游离氨的硝化细菌有抑制作用。

狄龙等[19]对曝气生物滤池污水处理两个试验结果表明，当氨氮容积负荷0.63kgN·M-3D-1·，可以达到90%以上，氨氮的去除率，平均出水氨氮浓度维持在0~4mg／L，出水SS、BOD4~分别为15毫克/升3~7毫克/L变化的氨氮去除率和容积负荷之间的线性关系，当容积负荷的增加，氨氮去除效率。

R.普约尔等[20]法国曝气生物滤池过