生物接触氧化法及其研究进展

赵贤慧

(中冶南方工程技术有限公司武汉430223)

摘要综述了生物接触氧化法的发展历程、工作原理、技术特点和影响生物接触氧化法处理效果的主要因素,以及生物接触氧化法在填料选型、生活污水、工业废水以及微污染水源水处理领域的研究应用,提出了发展方向。

关键词生物接触氧化法填料水处理

Bio-contact Oxidation and its Research Process

Z HAO Xianhui

(W uhan Iron and Steel Desi gn Research Institute W uhan430223)

Abstract This paper describes the development process,working pri nciple,features and mai n factors affecting bio-contact oxidation eff-i ciency,as well as the packing and its applications in s ewage,indus trial waste water and micro-polluted water.And its development orienta-tion is put forward.

Keywords bio-contact oxidation pac king water treatment

1生物接触氧化法的原理及形式

生物接触氧化法是生物膜法的一种。在生物接触氧化法中,微生物主要以生物膜的状态附着在固体填料上,有部分生物絮体呈破碎生物膜状悬浮于处理水中,生物接触氧化法中有机物的去除主要靠生物膜(附着微生物)的作用来完成。

生物接触氧化法的中心处理构筑物是接触氧化池。接触氧化池主要由池体、填料、布水装置和曝气系统4部分组成。根据水流状态的不同,接触氧化池可分为分流式(池内循环式)和直流式。所谓分流式,即废水充氧与生物膜接触是在不同的格内进行。废水充氧后在池内进行单向和双向循环,适用于BOD负荷较小的三级处理,国外废水处理工程中较常采用;直流式就是直接在填料底部进行鼓风充氧,国内废水处理工程中多采用直流式。

2生物接触氧化法的技术特点

(1)填料比表面积大,提供了巨大的生物栖息空间,使大量的生物得以附着生长,可形成稳定性较好的高密度生态体系,挂膜周期相对缩短,在处理相同水量的情况下,水力停留时间短,所需设备体积小,场地占用面积小。表1为几种好氧生物膜法比表面积的对照。从表1中可看出,生物接触氧化法的比表面积要高于生物滤池、生物转盘,低于生物流化床,但它不存在生物流化床运行时能耗高、操作较为复杂的缺点,并由于它的流速相对低,更容易使微生物在填料表面附着生长。

表1好氧生物膜法比表面积[1]

处理工艺比表面积/(m2#m-3)

生物滤池40~120

生物转盘120~180

接触氧化法130~1600

(2)污泥浓度高,系统耐冲击负荷能力强。一般情况下,生物接触氧化法的容积负荷为3~10kg/(m3#d),是普通活性污泥法的3~5倍,COD去除率为传统生物法的2~3倍[1]。

(3)污泥产量少。在操作过程中一般不会产生污泥膨胀,不需要污泥回流装置。

(4)氧利用率高,动力消耗低。生物接触氧化法对氧的利用率比活性污泥法高3~8倍,动力消耗比活性污泥法减少20%~30%[2]。

(5)操作简单,维护方便,可间歇运行,运行费用低,综合能耗低。

3生物接触氧化处理效果的影响因素

3.1填料

填料是微生物的载体,填料的选择决定了反应器内可供生物膜生长的比表面积的大小和生物膜量的大小,在一定的水力负荷和曝气强度下,又决定了反应器内传质条件和氧的利用率,从而对工艺运行效果影响很大。性能良好的填料应具有以下特点:¹填料上生物膜分布均匀,不产生明显积泥、不产生凝团现象;º空隙率较大,不会被生物膜堵塞,不易被水中油污粘住而影响处理效果;»要求抗压强度高,有较高的耐盐、耐腐蚀性;¼要有尽可能高的比表面积和良好的亲水性能,使尽可能多的生物膜附着在填料上;½要求充氧动力效果好,可降低运行费用,节省能源;¾水流阻力小、对化学和生物稳定性强,不溶出有害物质产生二次污染,在填料间能形成均一的流速,且便于运输和安装。

3.2水温

水温以两种形式对生物接触氧化工艺产生影响:一是影响生物酶的催化反应速率,二是影响污染物质向微生物细胞扩散的速率。生物接触氧化中水温的适宜范围在10~35 e,水温过低,生物膜的活性受到抑制,同时导致反应物质扩

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#工业安全与环保

Industrial Safety and Environmental Protection 2010年第36卷第9期Septe mber2010散速率的下降,处理效果受到影响。水温过高,将导致出水SS和BOD的增加;温度升高还会使溶解氧降低,氧的传质速率下降,造成溶解氧不足、污泥缺氧腐化而影响处理效果。因此,对温度高的工业废水如印染废水应进行降温处理。3.3pH值

生物接触氧化法作为一个微生物处理过程,p H值是其重要的环境因素,对大多数微生物来说,最适宜的pH值在7左右,对pH值过高或过低的废水,应考虑调整pH的预处理,控制生物接触氧化池进水的p H值在6.5~9.5。Villaverde.S[3]等研究了不同p H值对生物接触氧化中硝化过程的影响,研究表明,在p H值为5.0~9.0范围内,pH值每增加一个单位,硝化效率将增加13%,硝化生物膜量在p H 值为8.2时获得最大值。

3.4溶解氧

生物接触氧化池中曝气的作用,一是供给生物氧化所需的氧,二是提供反应器内良好的水流紊动程度,以利于污染物、微生物和氧的充分接触,保证传质效果,同时还可通过对水体的扰动达到强制脱膜,防止填料积泥,保持生物活性。生物接触氧化池中溶解氧一般应维持在2.5~ 3.5mg/L之间,气水比约为(15~20)B1。溶解氧不足使得生物膜附着力下降而脱落,导致水黏度增加,氧转移效率下降,进而造成缺氧,形成恶性循环使处理效果恶化;过高的气水比会造成对生物膜的强烈冲刷,导致生物膜大量脱落,影响处理效果。3.5水质条件

悬浮物是生物接触氧化法处理的重要影响因素。无机悬浮物和泥砂得不到很好的截留和沉淀,会直接影响充氧和微生物生长。一方面,悬浮物沉降或粘附于填料生物膜上,妨碍微生物与水中污染物、溶解氧的传质过程,降低生物膜的活性;另一方面,悬浮物在填料上的积累,使填料的比表面积减少,导致生物处理效果下降。通常,在污水进入接触氧化池之前,应对污水中无机悬浮物和泥砂进行预处理。

3.6水力停留时间(HRT)

水力停留时间是生物接触氧化法至关重要的参数,按合适的水力停留时间运行,不仅可以达到理想的处理效果,而且可以节省基建投资。对于城市生活污水,停留时间一般选0.8~1.2h;对于工业废水,差别较大,如印染废水、含酚废水等COD常在500mg/L左右,一般采用停留时间在3.0~4.0 h;对于微污染水源水,同济大学研究得出停留时间取1.2~ 2.0h最佳[4]。

4生物接触法的研究进展

4.1填料选材

早期的生物接触氧化法采用的是固定式填料,以蜂窝状填料为主,其材质有聚氯乙烯塑料、聚丙烯塑料、环氧玻璃钢和环氧纸蜂窝等。这类填料的特点是,在不发生堵塞的情况下,处理效果较稳定,比表面积为200m2/m3左右,使用寿命较长,一般为5~8年,但这类填料对布水、布气均匀性的要求很高,易发生脱膜困难,从而引起堵塞。同时,由于其造价较高,近年来已逐渐被淘汰。

目前,生物接触氧化法应用较广泛的是悬挂式填料,其中具代表性的有软性填料、半软性填料、组合式填料、弹性立体填料。软性填料理论比表面积大(1400~2400m2/m3),挂膜容易、不易堵塞、造价低、组装方便,出水稳定,处理效果好,COD和BOD去除率达80%以上。但废水浓度高或水中悬浮物较大时,填料丝会结团,从而大大减少了实际利用的比表面积,且易发生断丝、中心绳断裂等情况,影响使用寿命,其寿命一般为12年。半软性填料,具有较强的再行布水布气能力,挂膜脱膜效果较好,不堵塞,COD和B OD去除率在70%~80%,使用寿命可达5~10年,但其理论比表面积较小(87~93m2/m3),且造价偏高。组合式填料是在软性、半软性填料的基础上设计而成的,是在填料设计半软性部件支撑着外围的软性纤维束,因而,组合式填料吸取了软性填料比表面积大、易挂膜和半软性填料不结团、气泡切割性能好的优点,污水处理能力优于软性、半软性填料,在正常水力负荷条件下,COD去除率达70%~85%,BOD去除率达80%~90%。弹性立体填料,其丝条呈辐射立体状态,具有一定的柔性和刚性,回弹性好,其使用寿命长,布水布气性能良好,氧传递系数高,挂膜脱膜容易,比表面积大,不堵塞,可满足大型工程的需要。

卢保中等[5]从充氧特性、挂膜性能方面对上述4种填料进行了比较研究,结果表明,由于填料本身的性能,尤其是材质和结构方面的差异,不同类型的填料对充氧性能的影响有明显的差异。与无填料的空白试验比较,半软性填料和弹性立体填料的总传递系数分别提高82%和85%,组合填料提高22%,而软性填料下降4%。从充氧效果考虑,具有一定硬性的细条状结构的填料比较理想,它能提高充氧效率,从而降低能耗,在填料的工业化应用和开发过程中不应忽视。接种阶段能有效附着接种污泥的软性填料和组合填料挂膜速度快,挂膜量取决于填料的单位体积内有效表面积的大小,组合填料挂膜量大,弹性立体填料和软性纤维填料次之。生物膜法的处理效果依赖于填料上的生物膜量和生物活性。进水负荷为1.43kg/(m3#d)和3.02kg/(m3#d)时,组合填料的COD去除率达90%以上,软性填料和弹性立体填料在低负荷时,COD去除率分别为70.9%和68.2%,高负荷时分别为48.8%和43.8%。

分散式填料包括堆积式、悬浮式填料,特点是无需固定和悬挂,只需将其放置在处理装置之中,使用方便,更换简单。悬浮填料多采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯等特制塑料或树脂制成,形状为立体块状或粒状,一般形状规则,孔隙率大,比表面积几百至几千不等,密度接近于水,长了生物膜以后,在正常的曝气强度下,极易达到全池流化翻动。不结团,不堵塞,老化的生物膜靠水力冲刷,曝气搅动自动脱落。陈洪斌等用悬浮填料生物接触氧化法深度处理炼油废水,填料挂膜迅速,生物膜更新快,对COD、BOD的去除率分别达到15%~50%、80%,油、硫化物、酚等被彻底去除,而且悬浮填料保持适度的流动状态可取得很好的处理效果并能防止积泥。堆积式填料中具代表性的是陶粒填料,和YD T弹性立体填料一起被广泛地用于微污染水源水的预处理中。

4.2生活污水处理

1975年北京市环保研究所开始对生物接触氧化工艺进行了研究,第一座生产性试验装置用于处理城市污水,在处

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#理效果、动力消耗、经济效益和维护管理方面都明显优于活性污泥法。刘贯一[6]做了超滤膜作载体的生物接触氧化工艺研究,结果表明,经初沉处理后的生活污水,当接触时间为3h左右时,COD、B OD、SS、NH3-N的去除率分别可达83%,92%,94%和60%左右。杜茂安[7]等做了生物接触氧化过滤处理生活污水的试验研究,吴慧英等用加压生物接触氧化法处理生活污水,研究表明,与常压法相比,污染物去除率提高了10%~18%,停留时间仅为常规生物处理法的1/3 ~1/4[8]。济宁的煤矿污水处理站用生物接触氧化法处理生活污水,在进水COD260~400mg/L、BOD150~350mg/L、SS 200~400mg/L的条件下,其出水COD[50mg/L、BOD[30 mg/L、SS[30mg/L,达到国家一级排放标准(GB78) 1988)[9]。吴俊奇等探讨了生物接触氧化法的连续进水、间歇曝气运行方式与传统的连续进水、连续曝气运行方式在不同负荷下COD、NH3-N、TN、TP等的去除情况,结果表明,在停留时间5.8h,连续曝气4h,停止曝气1.8h的情况下,间歇曝气运行方式混合样出水水质达到了传统运行方式的处理效果,为节能工艺的开发提供了指导[10]。

4.3工业废水处理

生物接触氧化法的有机物去除效率高,处理水量大,广泛应用于各行业的工业废水处理。深圳市食品总公司用水解酸化加好氧生物处理法处理屠宰废水,其中的好氧生物处理采用AB法,A段采用吸附再生活性污泥法,B段采用的就是生物接触氧化法,在进水COD为1500~4000mg/L的情况下,其COD去除率达95%以上[11]。在处理COD[500mg/ L的炼油废水时,硝化细菌能和其他细菌共存于生物膜中,并保持一定的优势,用生物接触氧化工艺能同时有效地去除NH4+-N和COD,NH4+-N负荷达600g/(m3#d)时,其去除率可达70%以上[12]。在处理高浓度制浆造纸废水时,用兼氧、好氧生物接触氧化法,色度去除率75%,SS去除率79%, COD去除率97%[13]。Charmot等用生物接触氧化法处理高浓度含氨废水,试验表明,在碳氮比(有机碳B氨氮)为1.7时氨氮去除率最高,可达72%[14]。隋峰等做了生物接触氧化法处理变性淀粉废水的试验研究,研究表明,生物接触氧化法能够有效处理变性淀粉废水,在处理废水的同时还可获得蛋白饲料,既有环境效益又有经济效益,是一种行之有效的方法[15]。

4.4微污染水源水处理

生物接触氧化法也用于微污染水源水的预处理工艺,以去除过多的SS、有机物和营养性物质,减轻后续水处理工艺的负担,提高供水水质。广州市自来水公司采用生物接触氧化法预处理受污染的珠江水源水,中试结果表明,在填料负荷为1m3/(m2#h)、气水比为2B1的条件下,氨氮的去除率达92%,亚盐氮的去除率达80%,B OD、藻类的去除率分别达85%,69%,并可在后续处理工艺中降低矾耗40%,氯耗39.2%[16]。刘文君等进行了国内第一家生产规模饮用水生物接触氧化预处理装置试验,结果表明,在气水比1B1,滤速3.6~6.0m/h时,生物预处理对水源水中有机物和氨氮的去除率分别为13.6%~20.5%,70.0%~90.0%[17]。

生物接触氧化法对富营养化水源水中的藻类也有较好的去除效果,平均可达70%以上。

5存在的问题及展望

虽然生物接触氧化法在我国用于污水处理已有30多年的历史,但多用于处理有机废水和小区生活污水,在城市污水处理厂中的应用并不多见,其原因是[18-19]:¹进水通常要求进行预处理,增加了工艺的复杂性;º填料造价高,增加了污水厂投资;»生物接触池内布水、布气不易均匀,影响污水处理效果。面对我国城市污水的处理率低、水环境污染严重、水资源日益缺乏的现状,应加大对生物膜处理机理及反应动力学的研究力度,加快生物接触氧化法在城市污水处理中的应用研究。

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(收稿日期:2010-04-23)

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