淹没式下向流好氧生物滤池处理城市污水试验研究

曲际水 张荣辉 张力高

　　【摘要】 淹没式下向流好氧生物滤池处理城市污水的试验表明，该工艺集生物膜法和过滤技术于一体，是一种经济高效的污水处理工艺。试验得到的有关经验参数和解析式，可作为处理类似城市污水的设计参考。
　　【关键词】 淹没式 好氧 生物滤池 动力学解析 城市污水

　　淹没式下向流好氧生物滤池，由于是生物膜法，在填料的表面和孔隙中有可能增殖积累比活性污泥法更多的微生物量，从而可以降低污泥负荷，取得更好的生化效果；选择合适的滤料，在生化的同时利用过滤技术，达到取消二沉池的目的。因此，淹没式好氧生物滤池，有可能成为获得更优良出水水质的高效的污水处理方法。

1 试验方法

　　试验滤池为淹没式下向流好氧生物滤池。首先通过小试对焦炭、陶粒和活性炭三种滤料进行筛选，以焦炭和陶粒效果较佳。中试选用滤料为焦炭，粒径2～6mm，比表面积约750m²／m³，孔隙率约51％。
　　试验滤池为Φ380mm－H3.5m，填料高度2m，有效容积0.227m³。下部设有穿孔管曝气器和气水反冲洗装置。试验装置的水深、填料高度、滤料参数与工程实型相同。过滤采用等滤速变水头过滤。
　　试验水源为城市污水，初级处理之后引入滤池。进水COD152～360mg／L，BOD₅48.3～129mg／L，SS36～340mg／L。

2 试验结果

2.1 滤速（水力负荷）同处理效果的关系
　　四种不同滤速，亦即不同水力负荷条件下，在处理达到稳定状态时的进、出水C0D、BOD₅、SS及其去除率的平均值如表－1所示。
　　由表1可以看出，淹没式好氧生物滤池的C0D、BOD₅、SS去除率，随滤速的提高，即水力停留时间的缩短而降低。但在试验滤速（1～4m／hr）及相应的水力停留时间（2～0.5hr）范围，COD、BOD₅、SS三项出水水质均能满足污水排放一级标准的要求。淹没式好氧滤池滤速为2～3m／hr情况下，COD、BOD₅、SS的去除率分别可在87.3％、91.8％和95.4％以上。从出水B0D₅很低，SS去除率很高的结果看，该生物滤池除了生物降解作用之外，还具有明显的过滤作用。
　　以同样的初级处理出水作为进水的活性污泥法的对比试验结果表明，经曝气2hr，沉淀1.7hr之后，处理出水亦能满足污水排放标准要求，COD、BOD₅和SS去除率平均值分别为53.8％、80.2％和81.6％。

试验处理数据表 　　　　　　　表1 滤速（m/hr） 1 2 3 4 停留时间（hr） 2.00 1.00 0.67 0.50 COD 进水（mg/L） 237 3.04 285 294 出水（mg/L） 17.6 28.5 36.2 57.1 去除率（%） 92.6 90.6 87.3 80.6 BOD₅ 进水（mg/L） 69.5 80.8 98.9 90.3 出水（mg/L） 2.71 4.08 8.14 13.7 去除率（%） 96.1 95.0 91.8 84.7 SS 进水（mg/L） 61 169 200 149 出水（mg/L） 0.9 1.6 9.3 15.5 去除率（%） 98.9 99.1 95.4 89.6 滤程(hr) 116 66 48 28

　　如果淹没式好氧滤池滤速采用较为稳妥的2～3m／hr计算，相应的处理时间为1～0.67hr，与对比的活性污泥法的3.7hr相比，效率提高近3.5～5.5倍，而且出水明显优于活性污泥法。
2.2 滤速与滤程（过滤周期）的关系
　　淹没式好氧生物滤池采用等滤速变水头过滤。当滤前、滤后水头差达到1m时，完成一个过滤过程。滤速与滤程的关系亦列于表1中。滤程随滤速的增大而减小，如图－2所示。综观滤速与处理效果和滤程的关系，滤速采用3m／hr或2m／hr，处理效果很好（COD、B0D₅和SS去除率分别可达87％、91％和95％），且滤程也较长（48hr，即2昼夜），是较为稳妥的。
2.3 气水比与处理效果的关系
　　试验中，曝气量分别按气水比8：1和6：1控制，处理效果随气水比增大略有提高，但变化不大，且对工作周期未见影响。因此淹没式好氧生物滤池的气水比可按6∶1控制。
2.4 反冲洗参数
　　当滤层的阻力达到1m时，为了保证滤池的正常运行，需要进行反冲洗，将老化的生物膜及滤层中截留的悬浮物排出池外。
　　通过试验而确定的反冲洗的程序与参数是：首先气冲，反冲洗强度约30l／m²·S，历时2分钟：其次是气水联合反冲洗，反冲强度为气6l／m²·S、水10l／m²·S，历时8分钟：最后水冲，反冲强度10l／m²·S，历时3分钟。滤料膨胀率约10％。反冲洗的耗水率在5％以下。经如上冲洗，可获得良好的反冲洗效果。

3 求解动力学解析式^［1］

　　有机物在生物滤池内的降解机理与活性污泥法基本相同，B0D降解服从一级反应动力学：
　　dc／dt＝－KXC （1）
　　式中 dc／dt——BOD降解速率（mg／L·hr）；
　　K——Eckenfelder平均反应速率（L／mg·hr）；
　　X——反应器中微生物浓度，可以VSS表示（mg／L）；
　　C——反应器中BOD浓度（mg／L）。
　　生物滤池中的微生物与滤料的表面积有关，通常可以滤料的比表面积Ar（m²／m³）表示^［2］，即
　　X＝f（Ar）把上式代入式 （1）中，得
　　dc／dt＝－K·f（Ar）·C＝－K₁C （2）
　　式中，K₁——包括了VSS在内的反应速率常数。
　　把式 （2）积分，得

　　
　　式中　C_i——进水BOD₅浓度（mg／L）；
　　　　　Ce——出水BOD₅浓度（mg／L）；
　　　　　t——水力停留时间，可以下式表示：
　　t＝DH／L² （4）
　　式中　H——滤池内滤料高度（m）
　　　　　L——水力负荷（m³／m²·hr）；
　　　　　D和n——常数（与滤料及其比表面积有关）。
　　将式（4）代人式（3），得好氧生物滤池有机物残留率的解析表达式：
　　Ce／Ci＝exp（－K₂H／L²） （5）
　　式中，K₂＝K₁D。
　　由于试验模型滤料高度采用实型，即H＝2m，代入式（5），并将其变化为线性回归解析式，得
　　lg（－lnCe／Ci）＝lg（2K₂）－nlgL （6）
　　用表中试验数据计算出的BOD₅残留率与水力负荷按式（6）进行回归，如图1所示。求解得
　　lg（2K₂）＝0.580，2K₂＝3.798，K₂＝1.899，n＝0.458。
　　将求得的2K₂和n值代人式（5），得淹没式下向流好氧生物滤池处理城市污水时的BOD₅残留率的解析式：

　　将式（8）图示如图2。图2为在试验范围内，水力负荷同BOD₅去除率和滤程的解析及经验关系曲线，根据进水浓度和出水要求，确定BOD₅去除率，并参考滤程的要求，可利用图－2选择适宜的水力负荷范围，进行好氧生物滤池容积的设计。

4 结论

　　淹没式下向流好氧生物滤池的试验研究表明：
　　① 该工艺将生物膜技术同过滤技术相结合，可以获得极为优良的处理出水水质。在出水水质指标满足国家污水排放标准的要求下，其处理效率比活性污泥法提高3.5～5.5倍。是一种经济高效的污水处理工艺。
　　② 淹没式下向流好氧生物滤池处理城市污水的工艺参数：
　　滤料采用集炭或陶粒，粒径2～6mm，孔隙率约51％，滤层高度2m， 水力负荷2～3m³／m²·hr，相应的水力停留时间为1～0.67hr，COD、BOD₅和SS的去除率可分别达到87.3％、91.8％和95.4％以上；滤程一般为66～48hr；反冲采用气冲－气水联合反冲—水冲方式，反冲耗水率≯5％，可获得良好效果。
　　③ 表示水力负荷同BOD₅去除率关系的解析式式（8），以及相应的图2曲线，可作为好氧生物滤池反应器容积设计的参考。

参考文献
［1］许保玖，《当代给水与废水处理原理》，高等教育出版社，1990.5
［2］W.W.Eckenfelder.1970.“Water Pollution control experimental Procedures for Process Design，”The Pemberton Press Jenkins Publishing Company，Austen and New York