伍培　彭江華　陳一輝　李偉民

(1.重慶科技學(xué)院　重慶 401331；　2.重慶能源職業(yè)學(xué)院　重慶 402260；　3.重慶大學(xué)　重慶 400045)

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對跌水曝氣及跌水曝氣生物濾池研究和應(yīng)用的探討*

伍培1彭江華1陳一輝2李偉民3

(1.重慶科技學(xué)院重慶 401331；2.重慶能源職業(yè)學(xué)院重慶 402260；3.重慶大學(xué)重慶 400045)

摘要本文回顧和總結(jié)了跌水曝氣的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，并結(jié)合曝氣生物濾池的研究和應(yīng)用提出多級曝氣生物濾池的概念，對多級曝氣生物濾池的研究提出了主要的研究方向和內(nèi)容。

關(guān)鍵詞跌水曝氣生物濾池綜述

0引言

近來來，城鎮(zhèn)低能耗污水處理技術(shù)獲得重視，推廣了穩(wěn)定塘、人工濕地、地埋式、重力式下水道處理系統(tǒng)以及跌水曝氣生物濾池。穩(wěn)定塘結(jié)構(gòu)簡單，初投資少，運行能耗低，維護(hù)方便，維修費用低。但是穩(wěn)定塘的凈化效率隨著季節(jié)、氣溫、光照的變化而發(fā)生變化，且占地面積較大。人工濕地處理系統(tǒng)其工藝設(shè)備簡單，運行費用低，維護(hù)方便廉價，工程基建低，而且抗沖擊負(fù)荷能力強，但其占地面積大、臭味大，復(fù)氧效果差，處理效率不高且受季節(jié)影響。地埋式處理系統(tǒng)主要通過厭氧消化和厭氧過濾處理污水，無能耗，污泥量少，管理簡便，但處理效能不高，主要作為化糞池的升級替代。

重力式下水道污水處理系統(tǒng)利用下水道的巨大空間，安裝填料，污水在流經(jīng)附著大量微生物的填料而得到凈化，實際上是一種依靠地形高差多級跌水自然曝氣的污水處理形式，是一種有應(yīng)用前景的山地和丘陵地區(qū)城鎮(zhèn)的污水處理技術(shù)。由此能夠開發(fā)出多級曝氣生物濾池，在多級跌水曝氣生物濾池中，污水經(jīng)過濾料層空間上的高差跌落達(dá)到自然復(fù)氧的效果，從而污水、空氣、濾料上的生物膜三者充分接觸，污水能夠得到有效處理。國內(nèi)外都對此進(jìn)行了較多的研究和局部應(yīng)用。

1跌水曝氣技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1跌水曝氣原理

跌水是指水流從一定高度跌落，由于水流落差使水流在與下一級水體接觸前就具有一定的動力勢能，在跌落水流與下一級水體接觸后，水流能量傳遞給水體，由此受納水體接受能量后流態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，液面攪動卷入空氣，進(jìn)行充氧；同時，液面的不斷攪動使氣液接觸面不斷更新，利于氧不斷地向水體轉(zhuǎn)移，由此可以實現(xiàn)高效低耗的污水充氧。

1.2跌水曝氣在國外的研究現(xiàn)狀

1995年，日本的Hideo Nakasone和Masuo Ozaki將跌水曝氣系統(tǒng)運用于氧化溝上，通過機械方式(水泵)將溝內(nèi)的混合污水提升跌落，靠泵的轉(zhuǎn)速來控制充氧，明顯減少投資和運行費用，出水COD和TN的去除率均超過80%[1]。因為下水道存在著自然跌落，Nielsen通過試驗研究了自然狀態(tài)下不同溫度時下水道污水中糖類、乙酸、蛋白質(zhì)等的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這幾種物質(zhì)的含量與組成變化較大，且這幾類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程基本上遵循高活性的零級反應(yīng)模式[2]。在重力式下水道中，Guang Hao等[3]發(fā)現(xiàn)管道中的沉積物對下水道中氧的消耗有著重要影響；白子易[4]研究了重力式下水道中溶解氧傳輸及水質(zhì)變化情況，建立了下水道系統(tǒng)中生化動力模式的數(shù)學(xué)模型。

Kaijun等人[5]在1995年分別在不同的反應(yīng)器內(nèi)模擬了下水道內(nèi)的好氧、微氧條件，研究了下水道微生物對有機物的降解速率，試驗表明：在反應(yīng)開始1～2 d內(nèi)有機物的降解速率較高，降解速率遵循零級反應(yīng)模式，在隨后的18 d里有機物的降解速率逐漸降低并接近一級反應(yīng)。Ozer等人[6]則比較了排水管徑對處理效果的影響。在空氣充足時，小管徑管比大管徑管的去除效率高。

2010年Hanwen Liang等人[7]采用結(jié)合低曝氣技術(shù)的三級生物凈化系統(tǒng)對模擬污水進(jìn)行試驗研究，研究結(jié)果表明：低曝氣的生物凈化系統(tǒng)對SS、COD、TN的去除率分別可達(dá)到90%、80%、90%。TP的去除率在15%～40%。

2012年GAO Changfei[8]采用沸石作為填充材料進(jìn)行的跌水曝氣研究中，分別將跌水高度定位0.30、0.45、0.60 m。作用2 h后，對COD、TN、TP的去除率分別達(dá)47.25%、46.39%和40.75%。

1.3跌水曝氣在國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

西南大學(xué)的李杰等[9]以重慶渝北某人工山地濕地的厭氧水為研究對象研究了跌水曝氣的充氧效果，得出結(jié)論：跌水高度越高，復(fù)氧量越大；跌水流量越小越有利于復(fù)氧。

司馬衛(wèi)平[10]對自然溝槽復(fù)氧和自然跌水復(fù)氧兩種復(fù)氧方式的復(fù)氧效果進(jìn)行了試驗研究，其結(jié)果表明：在自然跌水復(fù)氧方式中，當(dāng)?shù)叨葹?.5 m時，其復(fù)氧量為2.2～3.3 mg/L。而溝槽的復(fù)氧效果與槽長呈正比關(guān)系，且4 m溝槽的復(fù)氧量僅達(dá)3.0 mg/L；跌水復(fù)氧的效果要優(yōu)于溝槽的復(fù)氧。

衣青，李靜等[11]利用跌水曝氣淺層生物接觸氧化工藝處理模擬生活污水，表明提高跌水充氧溫度、高度增加、流量增大都會提高充氧效果，尤以跌水高度影響為最。最佳跌水高度為0.6 m，反應(yīng)器的合理深度為0.4 m；當(dāng)進(jìn)水流量為40 L/h,進(jìn)水COD、NH3-N平均值分別為160、15.8 mg/L時，去除率分別為64.8%和32.7%。

姜湘山等人[12]采用跌水曝氣改進(jìn)填料排水系統(tǒng)來處理屠宰廢水，也取得了很好的效果。其出水水質(zhì)滿足了《肉類加工工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13457—1992)二級標(biāo)準(zhǔn)和《污染和綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》二類污染物《新、改、擴》二級標(biāo)準(zhǔn)的要求。試驗表明，采用跌水曝氣后，污水的溶解氧量大大地提高，而且工程造價比常規(guī)處理方法節(jié)省60%，運行費用降低70%。跌水曝氣在污水處理方面體現(xiàn)出強大優(yōu)勢。鑒于水質(zhì)近似，這一技術(shù)完全可移用于初中期垃圾滲濾液的處理。

陳輔利、鄒建勇、高智光均在天然溝渠污水處理技術(shù)方面進(jìn)行了深入的研究。陳輔利等人[13]通過在排水明渠內(nèi)設(shè)置載體來增加溝渠中的微生物數(shù)量，加快明渠生化反應(yīng)速率的方式進(jìn)行了試驗。在試驗室和某天然河渠內(nèi)2種不同的情況下，對工藝、效率、抗沖刷能力等進(jìn)行了試驗及理論研究，研究表明：在1.5 h內(nèi)COD去除率可達(dá)80%以上。鄒建勇等[14]以重慶忠縣石寶鎮(zhèn)的一條天然溝渠為研究對象，結(jié)果表明:天然溝渠對COD、TN、TP的去除率分別為47.6 %、20.6 %、18.9%。

黃方等[15]在管道前端設(shè)置高負(fù)荷生物接觸氧化池，進(jìn)行了管道式活性污泥法的模擬試驗，結(jié)果表明：只要管道內(nèi)的微生物質(zhì)量濃度及溶解氧維持在一定水平，城市污水就可在管道內(nèi)得到較好的凈化。王西俜等人[16]利用固定化細(xì)胞技術(shù)進(jìn)行了下水管網(wǎng)系統(tǒng)凈化污水的模擬試驗，對厭氧、好氧、厭氧—缺氧—好氧以及缺氧—好氧四種工藝凈化生活污水的效果進(jìn)行了對比研究。試驗結(jié)果表明：在管網(wǎng)系統(tǒng)中設(shè)置固定化細(xì)胞，并適當(dāng)?shù)厝斯て貧猓诒ＷC污水在管道內(nèi)一定的停留時間的條件下，可使COD的去除率大于60%，出水COD、SS均能達(dá)國家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)的二級標(biāo)準(zhǔn)。

由此可見，跌水曝氣是一種運用范圍廣，建造低，運行費用低，便于管理的曝氣技術(shù)，多山地、多丘陵的地形地貌特征有利于實現(xiàn)超低能耗的跌水曝氣，對污水處理設(shè)施進(jìn)行因地制宜的布置，減少土石方的開挖，減小基礎(chǔ)建設(shè)投資和運行費用。

2曝氣生物濾池應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

Fdz-Polanco等[17]研究了硝化菌和異養(yǎng)菌在硝化曝氣生物濾池中的空間分布與COD濃度的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水COD 低于200 mg/L 時不會影響硝化性能。當(dāng)進(jìn)水 COD 大于200 mg/L 時，硝化性能下降；生物膜在COD/氨氮大于4時出現(xiàn)不同的功能分區(qū)；異養(yǎng)細(xì)菌、硝化細(xì)菌及亞硝化細(xì)菌在反應(yīng)器中的空間分布與COD濃度有關(guān)，分區(qū)分布明顯。Wijeyekoon等[18]研究了硝化菌活性與濾速的關(guān)系，認(rèn)為硝化菌活性分布與濾速有關(guān)。Chen等[19]在研究生物過濾反應(yīng)器與活性污泥反應(yīng)器、流化床的反硝化特性時，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)在不同水力條件下微生物種群會發(fā)生一定的變化，但優(yōu)勢種群----桿菌屬則基本穩(wěn)定。

歐洲已廣泛將BAF應(yīng)用于污水處理，法國已建有數(shù)十座處理規(guī)模為750～7 570 m3/d的生產(chǎn)性BAF，其中OTV公司在法國的第一座用于處理城市污水的BAF污水處理廠位于Soissons市。該廠BAF工藝采用Biocarbon形式，其布置形式為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，中心為清水池，用于貯存出水和反沖洗用水。表1列出了其運行數(shù)據(jù)[20]。

表1　法國Soissons市BAF工藝污水處理廠BAF工藝運行數(shù)據(jù)

2.2曝氣生物濾池國內(nèi)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀

桑軍強等[21]研究表明，通過BAF工藝對微污染源水進(jìn)行生物預(yù)處理可以取得良好的除污染效果。水源水質(zhì)對BAF去除有機物有較大的影響，其對CODMn的去除率為5%～45%，對COD的去除率在20%～60%之間；BAF去除氨氮受水源水質(zhì)影響較小，其去除率普遍高于80%。

王立立等人[22]針對南方特有的低濃度生活污水，研究了其在低曝氣條件下，氣水比、碳氮比、水力負(fù)荷、進(jìn)水有機負(fù)荷、填料層高度等因素對BAF容積負(fù)荷的影響。結(jié)果表明，在氣水比為3∶1，碳氮比為3～4，水力負(fù)荷為1.1 m3/(m2·h)條件下，COD和氨氮的去除率分別為97.37%和82.28%,出水有機物和氨氮質(zhì)量濃度分別為3.4 mg/L和6.94 mg/L。碳氮比對反應(yīng)器COD容積負(fù)荷的影響較對氨氮容積負(fù)荷的影響更為明顯；水力負(fù)荷的變化則對氨氮的去除效率影響較小。

廈門市某污水處理廠采用法國得利滿公司的Sedipac3D組合式高效沉淀池/前置反硝化BIOFOR曝氣生物濾池 (DN+CN)工藝，出水水質(zhì)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級B標(biāo)準(zhǔn)。

中國大連馬欄河污水處理廠的一級處理采用了SE-DIPAC@3D(簡稱S3D)工藝，二級處理采用了由BIOFOR@C/N和BIOFOR@N組成的二級過濾系統(tǒng)。其處理出水水質(zhì)見表2[23]。

表2馬欄河污水處理廠出水水質(zhì)

mg/L(pH值除外)

由于學(xué)生之間存在差異性和多樣性，在學(xué)習(xí)過程中，每個學(xué)生具有其特有的意義構(gòu)建過程。所以，教師不僅要對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行管理，更重要的是必須對不同學(xué)生進(jìn)行不同的學(xué)習(xí)引導(dǎo)，啟發(fā)每位學(xué)生的創(chuàng)新思維。作為學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，教師在執(zhí)行角色時的行為特征表現(xiàn)在：在審閱每位學(xué)生介紹材料的基礎(chǔ)上，提出問題，組織學(xué)生進(jìn)行思考和討論，在討論中引導(dǎo)學(xué)生，啟發(fā)誘導(dǎo)他們自己去發(fā)現(xiàn)規(guī)律，同時對自身錯誤或片面的認(rèn)識進(jìn)行糾正或補充，從而加深學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的理解；盡量給每位學(xué)生同等參與討論的機會，經(jīng)常了解學(xué)生的意見，隨時修正自己在期望值上的偏差。最重要的是，相信每位學(xué)生都有學(xué)習(xí)的潛力，給每位學(xué)生創(chuàng)新的機會，引導(dǎo)學(xué)生不斷地向目標(biāo)邁進(jìn)。

2.3曝氣生物濾池的主要優(yōu)點

曝氣生物濾池從其在國內(nèi)外的運行情況來看，表現(xiàn)出以下優(yōu)點：

(1)采用小粒徑顆粒填料作為過濾介質(zhì)和生物載體，有機物容積負(fù)荷高，占地面積小，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡單，基建費用低，運行管理方便。

(2)同步發(fā)揮生物氧化作用、生物絮凝、吸附和物理截留作用，生物相復(fù)雜多樣，處理效率高。

(3)顆粒填料床具有較高的氧轉(zhuǎn)移效率，采用低曝氣量即可以達(dá)到供氧要求，運行能耗低。

(4)具有較高的處理效率，能耐受較高的有機物負(fù)荷，硝化和反硝化效率高，應(yīng)用范圍廣。

(5)能借鑒單元反應(yīng)器原理，采用模塊化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)緊湊化、設(shè)備化及自動化，為進(jìn)一步改擴建提供了有利條件。

(6)反應(yīng)器內(nèi)具有明顯的空間梯度特征，不同的污染物可以在統(tǒng)一反應(yīng)器被漸次去除。

3生物填料的研究現(xiàn)狀

由于營養(yǎng)物質(zhì)的持續(xù)供給導(dǎo)致生物量不斷積累最終會使塔濾填料堵塞，這是影響塔式生物濾池能否長期穩(wěn)定運行的一個關(guān)鍵因素。在生物濾池入口處由于污染物的濃度較高容易發(fā)生填料堵塞現(xiàn)象。目前解決堵塞的主要途徑有：通過控制營養(yǎng)的供給來限制微生物的生長速率，減少生物量的積累；用硝酸鹽代替氨氮作為氮源；用化學(xué)試劑沖洗；反沖洗；改變運行方式(如改變順流、逆流運行或間歇運行)；在反應(yīng)器中加入原生動物捕食控制微生物的生長，如果能控制生物膜中的生物系統(tǒng)，那么利用原生動物的捕食行為能起到預(yù)期的效果。通過研究認(rèn)為，通過在不同高度上安設(shè)不同的濾料層，或者通過改變塔濾構(gòu)造，改變水流的流動方向，都可解決這一問題。4研究多級跌水曝氣生物濾池的方向和主要內(nèi)容

將跌水曝氣技術(shù)運用于傳統(tǒng)的塔式生物濾池。對傳統(tǒng)的塔式生物濾池內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)展為多級曝氣生物濾池，輔以一定的去渣預(yù)處理工藝，能夠克服傳統(tǒng)塔式生物濾池供氧不足及濾料層堵塞的問題。這種技術(shù)可以把具有一定高差的排水主干管改造成為同時具有輸送和處理能力的管道式生物濾池，也能夠在垃圾滲濾液溝壑處建造多級自然曝氣生物濾池，利用地形高差跌水曝氣充氧，從而達(dá)到處理污水的目的。

從推進(jìn)跌水曝氣的工程應(yīng)用出發(fā)，研究多級曝氣生物濾池課題的主要研究內(nèi)容應(yīng)該包括但不僅包括以下研究內(nèi)容：

(1)多級曝氣生物濾池各主要污染物的容積負(fù)荷率以及多級曝氣生物濾池容積負(fù)荷在不同水溫條件下與出水水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系。

(2)多級曝氣生物濾池生物濾料的優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)和方法。

(3)能夠為工程設(shè)計提供依據(jù)的多級曝氣生物濾池的水質(zhì)指標(biāo)允許容積負(fù)荷與出水水質(zhì)及水溫的關(guān)系。

(4)適合不同水質(zhì)處理要求的多級曝氣生物濾池的水力負(fù)荷。

(5)多級曝氣生物濾池的應(yīng)用條件，設(shè)計、建造方法與技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對不同的布水方式和去渣預(yù)處理應(yīng)根據(jù)不同的水質(zhì)進(jìn)行廣泛的比較分析，得到明確結(jié)論。

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*基金項目：重慶市自然科學(xué)基金(cstc2011jjA20013)，重慶市建設(shè)科技項目(城科字200877)。

作者簡介伍培，男，1969年生，重慶科技學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為市政建設(shè)及安全工程。

(收稿日期：2015-02-10)

The Research and Application of Waterfall Oxygenate and Waterfall Aeration

WU Pei1PENG Jianghua1CHEN Yihui2LI Weimin3

(1.ChongqingCollegeofScienceandTechnologyChongqing401331)

AbstractThe status and future of waterfall oxygenate and waterfall aeration have been reviewed and summed. Multistage waterfall aeration concept is put forward and its main research direction and contents have been discussed.

Key Wordswaterfall oxygenate and aerationbiofilterreview