曝氣生物濾池在污水中的應用
隨著當今石油工業生產的迅速發展，原油加工能力的提高，大量的水資源被耗用，使得原有的供水設施遠不能滿足要求。煉油行業面臨日益嚴重的水資源短缺危機，節水和污水回用成為企業可持續發展的必由之路。污水深度處理就是以二級處理后的污水為源水，再經深度處理后回用。污水深度處理工藝很多，對應不同的污水性質，可以采用不同的工藝方法。以某石化污水處理場曝氣生物濾池工藝為研究對象，對該工藝的運行特點進行分析，共同探討曝氣生物濾池在煉油污水深度處理中的應用。
1 污水深度處理工藝流程
某石化污水處理場二級處理出水先經過后氣浮進一步去除石油類和COD，經過調節池提升至曝氣生物濾池(簡稱BAF) 去除部分氨氮和COD，再通過活性碳塔過濾，進入流砂過濾裝置去除懸浮物，從而完成污水深度處理流程。工藝流程圖如下:
圖1 污水深度處理工藝流程
2 曝氣生物濾池設計
2. 1 設計參數
設計處理水量200 m3 /h，設計進出水水質見表1，曝氣生物濾池設計參數見表2。
表1 曝氣生物濾池進出水水質mg /L
表2 曝氣生物濾池主要設計參數
2. 2 BAF 裝置的構成
BAF 由生物濾池、曝氣供風系統、反沖洗供風系統、反沖洗系統、反沖洗廢水池(泥水分離池) 、反沖洗清水池、自控系統組成。
(1) 曝氣生物濾池
某石化污水深度處理曝氣生物濾池工藝采用的是內循環式固定生物氧化床工藝(簡稱IRBAF工藝) 。即在曝氣區充氧的同時，將污水沿曝氣器管道提升，再經過反應器生物床，在填料區形成循環水流，從而達到去除污染物的目的。
BAF 反應池共設置5 間，單間池體規格:8 000 mm × 5 000 mm × 5 000 mm，每間處理水量為40 m3 /h。濾池自上而下依次分為生物濾料、承托層填料、曝氣提升回流器、主曝氣系統(含曝氣頭) 、進水布水器、反沖洗布水系統、反沖洗布氣系統、配水器。
承托層采用的是瓷球，粒徑40 ～ 55mm。
濾料采用沸石填料，比表面積5. 5 ～ 7. 8 ×104 cm2 /g，填裝高度2. 5 m。
(2) 曝氣供風系統
污水處理場生化系統由2 臺離心鼓風機統一供風。
(3) 反沖洗供風系統
反沖洗供風系統主要采用非凈化風系統，要求風壓不低于0. 45 MPa。由于非凈化風系統波動較大，而且考慮到BAF 反沖洗的強度和用風量，在BAF 系統前設置非凈化風緩沖罐，滿足單池反洗的風量。
(4) 反沖洗系統
某石化污水深度處理BAF 工藝反沖洗系統由調節池、反洗水泵以及和BAF 池連接的管道、閥門和自動控制系統組成。采用氣-水聯合反沖洗技術，即采用較大強度的反沖氣流沖擊生物濾床，使池內水體以較大的速度向上膨脹，從而提高濾料層擾動強度和系統應力中的附加切應力。生物膜及雜質在強烈的剪切、碰撞作用下快速脫落，從而提高系統的反沖洗效果，避免濾料的粘結堵塞，保持反應器的活性，達到穩定處理的目的。
整個反沖洗系統采用PLC 控制。反應池共5間，每間池安裝氣動閥3 臺，電磁閥1 臺，依次為出水氣動閥、反沖洗進水氣動閥、反沖洗出水氣動閥、反沖洗風電磁閥。分別控制出水、反沖洗進水、反沖洗進風的打開與關閉，從而進行BAF 池反沖洗的自動控制。
(5) 反沖洗廢水池
主要用來存儲BAF 反沖洗時產生的廢水。
3 運行調試
由于在運輸和投加的過程中，造成濾池內比較臟，所以在調試前，先要利用氣沖和水洗將陶粒中的臟東西淘洗干凈，然后再進入正式掛膜階段。
3. 1 啟動掛膜
合適的啟動方式對BAF 裝置效能發揮作用明顯，也是保證BAF 裝置快速啟動的決定性因素。某石化BAF 裝置啟動采用的是接種掛膜法。即通過提升泵將生化系統活性污泥投加到濾池中作為種泥，然后以小流量進水，通氣悶曝，使微生物逐漸接種在濾料上，附著生長，控制污水中溶解氧濃度大于或等于2 mg /L。停留時間達到8 h，排出上清液，增大進水流量(即增加水力負荷) ，逐漸減少停留時間，繼續悶曝一段時間。每次增加的負荷量約為30% 左右，直至達到處理能力。在掛膜期間，每天對進出水的COD 和氨氮進行監測，當出水的COD≤60 mg /L 和出水氨氮≤5 mg /L 時，即可認為掛膜完成，此時生物相對比較穩定。掛膜時間需要20 ～ 30 d 左右。這種掛膜的方法能夠迅速啟動BAF 裝置，完成掛膜。
3. 2 生物相分析
曝氣生物濾池的生物膜是由濾料表面和濾料空隙之間截留的懸浮物、吸附膠體和繁殖的微生物組成。生物膜的微型動物大部分是單細胞的原生動物，如肉足蟲、鞍毛蟲、纖毛蟲和吸管蟲，也有比較復雜的后生動物，如輪蟲等。
通過對曝氣生物濾池從運行初期到運行一段時間后的觀察，生物膜上的生物均是由低等向高等演變。在曝氣生物濾池的掛膜過程中，先出現菌膠團和絲狀菌，出水外觀渾濁。系統剛剛運行時，只見到大量的細菌，其它微生物很少或不出現。系統正常運行和生物膜降解良好時，相應地出現許多較高等的微生物，出水外觀清澈，鏡檢可以觀察到生物膜，還有淺色菌膠團、絲狀菌和固著型纖毛蟲。生物相中占優勢的原生動物以固著型的纖毛蟲為主，如鐘蟲、等枝蟲等。系統運行穩定后，生物膜上的生物相也相對穩定。如果進水的營養狀況有較大的改變，即系統非正常運行時，則原生動物中的游動型纖毛蟲突然增加，固著型纖毛蟲減少，伴隨著絲狀菌稀少和菌膠團松散，此時出水水質變差[1]。
3. 3 調試
在調試期間，應盡可能保證進水水質和水量的穩定。水質嚴重惡化時，應降低濾速，以保證污染物負荷的穩定。要達到穩定的去除效果，調試和運行時，為確保濾池中的生物膜，防止污泥堵塞濾料，應調節各池布氣量，保持曝氣強度的穩定和曝氣時間的連續[2]。
BAF 運行一段時間后，生物膜漸漸增厚，生長過量的微生物也聚集在濾池表面和濾料空隙中，濾料間截留大量懸浮物，造成填料的空隙度減小，水頭損失增大。總的水頭損失可能達到或者接近設計流量通過BAF 裝置所必需的水頭損失，或者是出現濾料顆粒穿透，在任一情況出現之前，BAF 裝置應停止運行進行反沖洗。某石化BAF 裝置采用自動氣-水聯合反沖洗，反洗采用脈沖反洗技術，即在氣水聯洗階段，利用反洗進風閥的瞬間開啟和閉合進行反洗。
反沖洗周期視進水COD 負荷和懸浮物濃度確定，進水COD 越低、懸浮物越低，則反沖洗周期越長，反之越短。由于煉油污水處理的特點，進水的水質水量波動比較大，工業運行中BAF 池的容污周期不同，反沖洗周期也不同，故組態時只考慮了對反沖洗動作和時間的控制，沒有對反洗周期控制。反沖洗周期可以根據運行情況定期調整設定。BAF 池采用單池依此反沖洗的方式，而現場采用的非凈化風罐容量較小，一次實際只能滿足單池反洗，反洗完后風罐要一定時間恢復反洗所需壓力(0. 45 MPa) ，因此反洗程序實際只考慮為單池各閥門和反洗泵的開關控制，動作持續時間和各閥泵聯鎖時間。調試期間進出水COD 及處理效果變化情況見圖3。
4 BAF 的反沖洗
BAF 濾池反沖洗是保證濾池效能的關鍵步驟。反沖洗的目的是在較短的時間內，使濾料得到清洗，恢復其除污能力，即清除濾料顆粒間所截留的懸浮物及濾料表面脫離的老化生物膜，但必須保留適量的生物膜，這對于曝氣生物濾池反應器是至關重要的。曝氣生物濾池反沖洗效果對出水水質、運行周期的影響很大。反沖洗不充分，濾池運行周期將會大大縮短; 若反沖洗過量，微生物數量不足，生化處理效能下降，出水水質變差，盡管濾料的固體容量得以提高，但出水仍達不到要求[3]。
BAF 反沖洗的過程可分為三個階段: 反沖開始濾層膨脹階段、濾層懸浮平衡階段和后期的懸浮濾層沉降階段。由于第一階段的特征是濾層變速膨脹，顆粒擁擠上升，碰撞摩擦劇烈，再加上反沖氣/水的剪切、摩擦作用使濾料凈化效率最高; 而第二和第三階段顆粒碰撞摩擦的機會極少使碰撞摩擦作用減弱，而且反沖氣/水對濾料的剪切和摩擦強度也會由于濾層處于平衡狀態而有所降低，因此沖洗效果主要取決于第一階段[4]。
4. 1 反沖洗氣強度的確定
根據有關資料，氣反沖效率的影響明顯大于水沖強度變化的影響。因此，這里只考查了氣沖強度變化對反沖洗的影響。首先固定水沖強度，對比反沖洗氣強度在20 ～ 40 m3 /min 的氣沖效率，通過分析反沖洗液中的總固體含量來選擇控制范圍。
當氣沖強度小于20 m3 /min 時，濾床無攪動、膨脹現象，只是濾層中下段發生蠕動，生物膜及雜質的剝落僅通過水流的剪力和分散氣泡引起的小范圍濾料的碰撞摩擦作用，由水流的漂洗脫離濾床，因而老的生物膜未完全脫落，反沖洗液中的固體含量不高; 當氣沖強度增加到20 ～ 30Nm3 /min 時，在濾層底部即可形成大氣泡，并以不連續的方式跳躍上升，引起整個濾層劇烈的碰撞摩擦，同時濾層出現流化置位現象，濾料在氣流的攜帶下有小部分流失，提高了去除效果; 由于污水場的風壓達不到0. 45 MPa，因此無法考查當氣沖強度增大到40 Nm3 /min 以上時的狀況，但根據氣沖強度在20 ～ 30 Nm3 /min 的狀況可以推斷出，當氣沖強度增大到40 Nm3 /min 以上時，濾層會更加劇烈的流化脈動，濾料將會在氣流的攜帶下流失。
圖4 不同反沖洗時間下反沖洗液總固體含量對比
4. 2 反沖洗周期的確定
在反沖洗強度一定的條件下，反沖洗周期與進水有機負荷、進水懸浮物有關。當曝氣生物濾池進水水質達到穩定后，摸索最佳的BAF 反沖洗周期。固定水反沖強度和氣沖強度，反沖洗時間為5 min，在反沖洗后分別間隔運行4 h，考查BAF 對COD 的去除效果。
圖5 不同運行時間BAF 對COD 去除率的對比
從上圖看，COD 的去除率在反沖洗后初期有明顯的上升趨勢，主要是因為反沖洗后微生物處于內源呼吸狀態，其活性逐漸恢復; 當濾池運行到中期(24 h) 時，COD 有較高的去除率; 但運行到后期(48 h) 時，因截留的懸浮物和脫落的生物膜堵塞濾床而不利于溶解氧的傳輸，導致異養菌活性下降，去除效率下降。
為了達到較高的去除率，確定反沖洗周期為24 h。
4. 3 反沖洗時間的確定
這里所討論的反沖洗時間為氣水聯洗階段的時間。在BAF 反沖洗的過程中，水反沖洗強度、氣反沖洗強度和氣水同時反沖洗時間對反沖洗效果有較大的影響，而氣水同時反沖洗是氣水聯合反沖洗過程中最關鍵的一步。為摸索最適合的反沖洗時間，固定水反沖強度和氣沖強度，分別考查反沖洗時間為5 min、10 min 條件下BAF 對COD 的去除效果。
圖6 不同反沖洗時間BAF 對COD 去除率對比
從上圖可以看出，在同等采樣時間下，反沖5 min 比10 min 對COD 的去除效率更高; 同等去除效率的前提下，BAF 從反沖洗完成到出水正常時間，即BAF 的濾層恢復時間，反沖5 min 比10min 要短。這說明反沖5 min 時濾料表層的有機活性生物膜層仍有適當存余，反沖后濾層只需短暫的穩定即可達到較高的COD 去除效率，而反沖10 min 則使生物膜幾乎全部沖脫，濾層的恢復僅依賴于生物膜的重新形成，因而速度較慢[3]。曝氣生物濾池反沖后的恢復速度決定于濾料上活性生物膜層的存在與否，因此確定反沖時間為5 min。
5 工程運行結果
工程運行幾個月后，曝氣生物濾池水力負荷達到3. 0 kg /m3·d，反沖洗周期24 h 后，反沖洗氣沖強度控制在20 ～ 30 Nm3 /min ，氣水聯合沖洗5 min，對COD 有較高的去除效果，平均去除率高達51%。
6 結語
曝氣生物濾池內填料的物理吸附和過濾截留作用及生物膜的生物氧化作用能夠高效去除污水中的有機物。曝氣生物濾池工藝已廣泛應用于污水回用或者污水深度處理。在今后的運行實踐中還需繼續摸索曝氣生物濾池與其它工藝優化組合，進一步發揮其高效的去污能力。
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