曝氣生物濾池處理礦區生活污水
摘 要：概述了曝氣生物濾池技術的結構形式、凈化原理、特點、設計參數、填料選擇等，并分析了煤礦礦區生活污水的特點和現有處理設施存在的問題等。根據煤礦企業現有條件、污水水質，采用機物容積負荷大、水力停留時間短、投資省、凈化效果好、出水水質穩定、操作簡便的曝氣生物濾池技術處理礦區生活污水，具有廣闊的應用前景。
1前言
曝氣生物濾池是生物接觸氧化和過濾技術相結合的一種污水處理工藝，其特點是不設二沉池通過反沖洗實現再生，處理負荷高，出水水質好占地面積省。世界上首座曝氣生物濾池于1981年在法國靠近巴黎的一個污水處理廠建成投產，由于其良好的性能，應用范圍不斷擴大，隨后在歐洲各國得到廣泛應用。法國OTV公司、得利滿公司德國菲力普穆勒公司等均把它作為優勢技術在全世界推廣。美國和加拿大等美洲國家是在20世紀80年代末引進此技術，日本和韓國也先后引進了此項技術。目前世界上已有上千座大小各異的污水處理廠應用了這種工藝。在我國對曝氣生物濾池技術的研究和應用工作開展較晚，目前正處于推廣階段。本文想通過介紹曝氣生物濾池技術，引起各界尤其是從事煤炭行業水處理人員的重視，在條件許可的情況下，優先考慮采用曝氣生物濾池技術處理礦區生活污水。
2結構形式及凈化原理
2.1結構形式
曝氣生物濾池根據正常運行時污水流向，分為上向流式和下向流式兩種，早期多采用下向流式，現在多采用上向流方式(即采用氣水同向流)，使布水、布氣更加均勻，在水氣上升過程中把下部截留的懸浮物帶入濾池中上部，增加了濾池的納污能力，延長了工作周期。上向流生物濾池下部設有進水和反沖洗進氣管，中上部是填料層，在填料層的下部布置生化用曝氣管，并將填料層分為上下兩個區，即好氧區和缺氧區。填料頂部裝有擋板，防止懸浮填料的流失，擋板上均勻安裝有出水濾頭。擋板上部空間為清水區，亦可作反沖洗水的儲水區，過濾后的清水自流入出水槽排放或入清水池回用。上流式曝氣生物濾池見圖1。
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2.2凈化原理
曝氣生物濾池凈化功效主要有過濾、吸附和生物代謝。濾池工作時，濾池中的填料作為微生物附著的載體，在其表面形成的生物膜具有較好的吸附作用，當污水流經載體表面時，有機物就會從污水中轉移到附著在生物膜表面的水中去，被生物膜所吸附；濾池底部曝氣，空氣中的氧就通過曝氣系統進入水層，再通過傳質進入生物膜，生物膜上的高濃度微生物在氧的參與作用下對有機物進行分解和機體的新陳代謝，產生了CO2等無機物，隨污水排到空氣中，使污水得到凈化；同時，當污水流經填料時，濾料呈壓實狀態，利用濾料粒徑較小的特點及生物膜的生物絮凝作用，截留污水中的大量懸浮物。當濾池運行一定時間后，隨著截留的SS和老化的生物膜的增多，過濾水頭損失不斷增大，出水水量減少，則需對濾池進行反沖洗，使填料得以再生，從而進入下一個周期，實現污水的連續處理。
3工藝特點、設計參數及填料選擇
3.1工藝特點
(1)處理負荷高、占地小、投資省。曝氣生物濾池的容積負荷較大，一般可達到2~6kgBOD5/(m3#d)，是普通活性污泥法處理的2~8倍，其容積和占地面積較常規二級生物處理工藝小，同時在濾池后不需設二次沉沉池，節省了土地，減少土建投資費用。
(2)水氣分布均勻，耐沖擊負荷高。曝氣生物濾池內的填料對水流具有一定的阻力，保障了水流均勻分布，水氣平行向上流動，促進了氣水的均勻混合，避免了氣泡的聚合，有利于降低能耗，提高氧轉移效率，加上濾池內分布著較高濃度的微生物，提高了反應速率和微生物的降解能力。而高濃度的活性微生物以生物膜的形式牢固地吸附在濾池的填料表面，能夠承受較高負荷的沖擊。
(3)對外界環境影響較小，對低濃度污水適應性強。濾池運行過程中，生物降解過程均在填料內部進行，因此氣候對其影響較小。曝氣生物濾池也不會產生由于有機營養物過低而導致微生物無法培養的情況。
(4)具有硝化與反硝化功能。在填料區曝氣系統的下部，由于空氣氣泡在壓力作用下向填料上部運動，造成填料下部呈缺氧狀態，于是反硝化細菌利用濾池進水中的有機物作為營養將濾池進水中的NO3-N轉化為N2，進入大氣，實現反硝化脫氮的功能。在其上部，由于曝氣系統的充分供氣，空氣中的氧氣與上升的水體充分接觸，形成了好氧區，除了微生物好氧降解外，同時在硝化細菌作用下還進行硝化反應，將水中的NH3-N轉化為NO3-N，為反應硝化提供N源。
3.2設計參數
(1)設計負荷
曝氣生物濾池一般采用兩種負荷:容積負荷Nv[kg/(m3#d)]和水力負荷q[m3/(m2#h)，也稱濾速，較為典型的負荷值見表1。
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(2)氣水比
氣水比的大小與進水水質、曝氣生物濾池功能和形式、濾料粒徑大小和濾層厚度等因素有關。曝氣生物濾池氣水比一般采用(1~3)B1，但也有高達10B1者。一般來說，用于硝化功能的曝氣生物濾池應采用較高的氣水比，而僅用于碳化的曝氣生物濾池的氣水比可適當降低。氣水比大，一方面容易使截留在濾料中的懸浮物在短時間內穿透濾料層，影響出水水質；另一方面由于生物濾池氧的利用率高，氣水比偏大，將增加能耗。
(3)反沖洗
目前，普遍采用的反沖洗方式是氣水聯合反沖洗，即先用氣沖，再用氣、水聯合沖洗，最后再用水漂洗。不同形式、不同濾料的曝氣生物濾池，其反沖洗強度、歷時、周期各不相同，用水量和用氣量也存在較大差異。氣水聯合反沖洗，沖洗時間為10~15min，沖洗水流速10~30m/h，沖洗氣流速50~70m/h。配氣、配水系統常采用濾板和長柄濾頭。
3.3填料選擇
填料是曝氣生物濾池的核心部分，直接關系到曝氣生物濾池的性能，同時也影響到曝氣生物濾池的結構形式和投資成本。根據其采用原料的不同，可分為無機類、有機高分子類。常見的無機填料有陶粒、焦炭、石英砂、活性炭、膨脹硅鋁酸鹽等，有機高分子填料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等，多為專利產品，常用的濾料有石英砂、陶粒及塑料制品(合成纖維、聚苯乙烯小球、波紋板等)。我國對曝氣生物濾池填料的研究以陶粒為最多。曝氣生物濾池普遍采用的濾料粒徑為3~6mm，濾層厚度為3~4m。在選擇填料時注意:機械強度大、化學性質穩定、耐沖洗；比表面積大、孔隙率大，生物吸附能力強、掛膜快、水流流態好、反沖洗容易。
4礦區生活污水特點及現有設施存在的問題
4.1礦區生活污水特點
我國煤礦企業生產能力一般為30~800萬t/a，生活污水排放量約600~10000m3/d，主要來自生活區排水、浴室、工業廣場及食堂排水等，其主要特點是排水較集中，污水水質、水量變化較大，不同于一般城市污水，污水中的CODcr和BOD5較城市生活污水低得多。究其原因主要有:煤礦生活污水中職工浴室洗澡用水占有一定的比重。以河南某礦區浴室排水為例，其BOD5濃度為90~110mg/L，每天排放量約2000m3，占生活污水總排放量的33%；礦區一些家屬樓建有化糞池，在一定程度上削減了BOD5濃度；礦區用水計量收費措施有待完善，浪費還較嚴重。
4.2現有設施存在的問題
目前，礦區生活污水二級處理常運行的設施有生物接觸氧化法、鼓風曝氣活性污泥法、氧化溝法等。通常在二級生化處理后的出水中，氨氮含量較高，此水排入自凈能力較小的河流中，會引起水體富營養化、水質惡化、DO下降、魚類死亡等；很多已投入運行的生活污水處理設施，風機的供氧量遠大于生化處理生物降解有機物的需氧量，氧利用率較低，造成能耗浪費嚴重。
5應用前景
據統計，目前煤礦生活污水排放量約2.3億m3/a，其處理率還不高。大多數煤礦都位于北方，秋冬季氣溫較低。與其它生物處理方法相比，曝氣生物濾池處理礦區生活污水具有很多的優點，它適應于礦區低濃度生活污水處理，有機物負荷較高，耐沖擊負荷能力強，具有脫氮功能，受氣候條件影響小，氣味少，減少占地面積，節省工程投資。因此，采用曝氣生物濾池技術處理礦區生活污水具有廣闊的應用前景。
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