悬浮填料在微污染原水生物预处理中的应用

悬浮填料在微污染原水生物预处理中的应用

周建平 郑国兴
（上海市政工程设计研究院 上海 200092）

　　摘 要：本文介绍了悬浮填料工艺的特点以及在原水生物预处理中的试验情况，并就工程实例对其在应用中的要点进行了分析。
　　关键词：悬浮填料 　生物预处理　 微污染原水

Application of suspended media in biological pretreatment of polluted raw water
Zhou Jianping Zheng Guoxing
（Shanghai Municipal Engineering Design Institute , shanghai, 200092）

Abstract: This paper introduces the characteristic of suspended media and some experimental results when it is used in polluted raw water biological pretreatment. While given an example of an project design, Some importance of its application is also discussed.
Key word：suspended media；biological pretreatment；polluted raw water

1 引言

　　受人为活动和工业污染的影响，许多城市水源水质日益下降，有机物含量增加，使水厂原有的混凝－沉淀－过滤－消毒常规净水工艺无法满足出水水质的需要。生物预处理工艺被认为是微污染原水的有效处理技术之一，它通过生物膜的新陈代谢作用，有效去除原水中可生物降解的有机物，如CODMn、氨氮等，同时可以改善原水的混凝沉淀特性，使后续的常规处理获得更好的去除效果[1]。
　　在生物预处理技术中，填料作为生物膜的载体，是影响处理效果的关键因素之一。自上世纪八十年代以来，国内陆续开发出了许多种类的填料，包括弹性填料（YDT和PWT）、生物陶粒、轻质填料（biosmedi）等，都获得了一定的成果[2-5]。但各种填料在实际应用中，也出现了一定的局限性，如弹性填料比表面积小，停留时间长，生物膜容易堆积；陶粒滤池和轻质填料存在冲洗问题等。因此，寻找一种处理效率高、运行管理方便的填料，一直是生物预处理工艺发展的主要方向之一。悬浮填料就是近年来出现的用于生物处理的一种新型填料[6]。

2 悬浮填料特性和工艺特点

　　悬浮填料通常采用聚乙烯、聚丙稀等塑料或树脂制成，比重略小于水（0.95～0.98g/cm3），填料一般采用圆柱形或球形的规则形状（见图1），内部为空心网架结构，直径在10～100mm之间。该填料最早由德国、挪威等地的一些公司在生物流化床工艺研究的基础上开发研制而成，并在污水处理中得到了不错的应用[7]。
悬浮填料由于本身的密度特点，在自由状态下，填料悬浮在水中或漂浮于水面上；而在一定的曝气强度下，填料即使在表面生长了生物膜后，其比重仍与水相近，在受到空气的搅动后，会在水中产生流化翻动现象，图2是曝气状态下的悬浮填料生物反应器的流化示意图。

图1 常见悬浮填料形状
Fig. 1 Typical structure of suspended media 图2 悬浮填料流化示意图
Fig. 2 schematic of suspended media reactor

　　悬浮填料工艺的主要特点如下：
　　（1）比表面积大。悬浮填料通过采用内部空心的结构方式，设置多道凹槽和网架，大大增加了填料的比表面积。通常悬浮填料的比表面积在400m²/m³以上，最大可达到800～1000m²/m³。比表面积的增加，使填料表面附着的生物膜数量和浓度也大为增加。
　　（2）反应形态好。悬浮填料在反应器内处于流化状态，其反应形式类似于完全混合反应器，填料与气、水混合比较充分，提高了填料上的生物膜与水中营养物质的传质作用；与其他固定床填料相比，悬浮填料层基本没有水头损失，有利于布水、布气的均匀性。另外，在流化状态下，老化的生物膜可通过水力冲刷自动脱落，促进了生物膜的更新。
　　（3）氧利用率高。通过填料层分割作用以及填料不断与水流和气流的接触，可以大大提高氧的利用率。对不同填料投加率时穿孔曝气系统的充氧性能进行了比较，发现在50％填料的投配率条件下，曝气系统的氧传递系数可由不加填料时的4.4％增加为9.7％^[8]。
　　由于悬浮填料上的生物总量较大，生物膜对水中的有机物和氧利用充分，因此悬浮填料的生物反应效率大为提高，根据德国、挪威等地在污水中的应用经验，悬浮填料生物接触氧化池内的硝化速率和对含氮物质的去除率要高于相同停留时间下的活性污泥系统^[7]。
　　另外，悬浮填料可以直接投加在水池中，不需任何支架及安装工程，投加和更新也十分方便。在实际运行中，悬浮填料在流化过程中不易出现结团和堵塞现象，不需要反冲洗设施，管理和维护工作也比较简单。

3. 悬浮填料用于微污染原水的生物预处理

　　鉴于悬浮填料在欧洲一些国家污水处理领域中的成功应用经验，最近几年，国内一些单位也对该工艺进行了研究和开发，并逐步将该工艺应用于微污染原水的生物预处理。
　　徐斌等采用悬浮填料生物流化床对黄浦江污染原水进行了中试试验，研究结果表明，在悬浮填料的投加比50％、停留时间60min、气水比0.4～0.75、进水氨氮0.6～3mg/l条件下，氨氮的去除率可以达到77.6％%，其去除负荷与温度呈线形相关关系；对COD_Mn的去除率为6.5％，对Fe和Mn的去除率为12.5％和58.2％；由于填料的完全流化，进出水浊度变化不大，填料和反应器内不会产生积泥现象，不需进行反冲洗^[9]。
　　P市某地表水厂采用当地河网水源，受上游污水的影响，原水中氨氮平均为4～6mg/l，最高为7～9mg/l，为降低出水氨氮，采用直径10～25mm的圆柱型悬浮填料进行生物预处理小试试验，对氨氮的去除率夏季在90％以上，冬季水温低于6℃时，去除率仍在50～60％左右。由于氨氮负荷较高，停留时间和气水比也会对氨氮去除造成影响因素，在停留时间30min时，氨氮去除仅75％左右，停留时间45min以上时，去除率可保持在85％以上；在进水氨氮>6mg/l时，气水比需增加到1：1以上，才能保证出水氨氮小于2mg/l。试验还发现，COD_Mn和浊度的去除与流化状态有关，完全流化时，浊度和COD_Mn去除率均很小，反应器内积泥很少。
　　上述试验表明，悬浮填料可以作为微污染原水的生物预处理工艺，对氨氮的去除特性及影响因素与其他生物预处理工艺基本相同，但对COD_Mn和浊度的去除率较小。与其他工艺相比，悬浮填料反应器最大的优势在于不易积泥，不需要反冲洗，管理运行方便。因此，在进行原水生物预处理的填料选择时，该工艺也是一种有效的选择。

4. 工程设计实例和要点

　　根据P市的试验结果，笔者在该水厂的技术改造工程中，在常规处理前，采用了悬浮填料接触氧化工艺。生物接触氧化池设计规模5,0000m³/d，停留时间为1hr，其布置见图3。

图3 悬浮填料生物接触池布置图
Fig. 3 Layout of suspended media bio-contactor

　　生物池共分为2组，可单独运行，每组分3格串联的反应区，反应区平面尺寸11m×7m，反应区内填料投加率为50％，为保证反应区内填料数量的均衡及防止填料的流失，在反应区末端设置格栅，通过隔墙导流，格栅布置在反应区上部，以方便格栅清理。
　　生物池有效水深4.5m，其中底部0.5m为曝气管，气水比采用0.7～1.3：1。每格反应区内悬浮填料投加率为50％，选用圆柱形填料，直径20mm，长20～25mm，比重0.96，比表面积500～600m³/m²。
　　考虑原水中的情况与污水有一定的区别，结合试验中的一些现象，在设计过程中对以下几点进行了优化：
　　（1）填料粒径和曝气强度的关系
　　原水生物预处理与污水中的最大区别是有机物负荷较低，因此接触池的停留时间和气水比均可大大降低，但悬浮填料要取得较好的去除效果，必须保证填料在反应池中处于流化状态，因此需要保证一定的曝气强度。曝气强度（气量/面积）与生物反应池的停留时间和气水比有关，而这两者可以根据其去除有机物和氨氮的负荷及去除目标，通过理论计算或试验确定。但不同粒径和比重的填料，其流化所需曝气强度也有差异^[8]。
　　在试验中，发现15mm、20mm在小于0.7的气水比条件下，均可完全流化，而25mm粒径填料流化所需气水比约在0.9左右，由于设计最小气水比为0.7，因此选择20mm直径的填料。
　　 （2）曝气系统的选择
　　 悬浮填料需要在反应时保持较好的流化状态，需要曝气系统的气泡大，对水流搅动力强，因此，一般的膜片氏微孔曝气器不适用，穿孔曝气管的搅拌效果相对较好，但氧利用率稍低。在设计中，选用了一种粗孔曝气器，该曝气器气泡在2～4mm左右，但单个供气量大，可达4.5~5.6m³/h，其原理利用大流量的搅拌作用，达到气水混合的效果，因此虽然气泡大，但氧利用率并不低，可达到15～20％左右。
　　 （3）原水中杂质的处理
　　 与污水处理中，生物处理过程前一般已经过沉砂池去除了较大的颗粒物，而在原水生物预处理中，原水直接进入接触池，含有许多杂质，其中对悬浮填料影响最大的是植物的根须，它们与悬浮填料缠绕在一起，很容易使填料结团并下沉，为此，最好在原水进入生物池前，设置格栅清污机将其去除。另外，水中一些带黏性的胶体及生物膜分泌出的代谢产物也会附着在填料上，导致填料比重增大，此时可定期加大气量，加剧其流化程度，以达到冲洗目的。

5 结论

　　（1）悬浮填料比表面积大，填料在曝气情况下处于流化状态，填料上生物膜与与水中营养物质的传质作用强，氧利用率高。是一种高效的生物反应器。
　　（2）试验表明，悬浮填料可以作为微污染原水的生物预处理工艺，可以作为原水生物预处理的工艺选择之一。
　　（3）悬浮填料在原水生物预处理中的应用要考虑原水的特点，在填料的粒径、曝气系统的选择上可进行优化，确保填料在运行过程中的流化状态。

参考文献：

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