鄒偉國 孫群 王國華 沈裘昌 戚盛豪 李正明
(上海市政工程設計研究院，上海200092)

　　摘要：開發了一種適用于微污染原水預處理及污水深度處理的新工藝——BIOSMEDI濾池，它以輕質濾料為過濾介質，采用與填料相適應的獨特濾池構造，同時采用脈沖反沖洗、氣水同向流。該濾池具有濾料比表面積大，不易堵塞，濾層阻力小，濾速高，反沖洗耗水、耗氣小等優點。試驗表明，該生物濾池在10 ℃以上時氨氮的去除負荷≥0.5 kgNH₃-N/(m³·d)。
　　關鍵詞：微污染原水；生物濾池；BIOSMEDI工藝；硝化
　　中圖分類號：TU991.24 
　　文獻標識碼：A
　　文章編號 ：1000-4602(2001)01-0001-04

Research on Development of New BIOSMEDI Biological Filter

ZOU Wei-guo，SUN Qun，WANG Guo-hua，SHEN Qiu-chang， QI Sheng-hao,LI Zheng-ming

(Shanghai Munic.Eng.Design and Res.Institute,Shanghai 200092,China)

　　Abstract：A new biological process called BIOSMEDI for pretreatment of micro-polluted sou rce water and advanced treatment of wastewater was developed.In this process,lig ht media were used in the filter which was of special structure.Pulse air-water backwashing was adopted in cocurrent fashion.The features of the filter include d large specific surface area,free of clogging,low resistance,high filtration sp eed and low consumption of backwashing water and air.The experiments showed that ammonia nitrogen removal loading is higher than 0.5 kgNH3-N/(m3·d) when th e temperature is over 10 ℃.
　　Keywords:micro-polluted source water;biological filter; BIOSMEDI;nitrification

　　國內外對生物濾池均有較長時間的研究，如法國得利滿公司的BIOFOR濾池是由Degrement推出的專利，主要采用相對密度＞1的單層生物濾料(biolite)，正常運行時 布水采用濾頭，布氣采用專用布氣頭，氣水同向流，從下部進入，反沖洗時采用濾頭布氣布水，該濾池應用于原水的預處理時，必須解決濾層堵塞問題；BISOTYR是由法國OTV公司推出的新型專利，采用懸浮型輕質濾料，氣水同向流，濾料比表面積大，可防止原水中雜質堵塞 ，但需有效地解決濾池反沖洗問題。
　　在各種生物濾池中，填料是影響其正常運行的關鍵。應用固定型填料，容易導致濾層堵塞，反沖洗困難；軟性填料則容易導致填料之間相互粘結，造成比表面積減少；顆粒狀濾料 具有比表面積大、生物量較大的特點，但顆粒濾料相對密度＞1時，若采用氣水逆向流，則水流阻力較大，濾速難以提高，濾層阻力增大，且反沖洗時耗水量較大，若采用氣水同向流，則容易造成濾池堵塞。

　　1　BIOSMEDI濾池

　　經過較長時間的研究，開發出一種新型生物濾池(專利申請號00216746.8)。
　　1.1濾料的選擇
　　對不同材質的濾料進行篩選，最后采用人工合成輕質顆粒濾料(粒徑一般在3～5 mm)。它具有來源廣泛、濾料比表面積大、表面適宜微生物生長、價格便宜(300～500 元/m3)、化學穩定性好、密度較小等一系列優點。
　　1.2濾池的構造
　　生物濾池的填料及池型構造是整個濾池的核心，根據濾料密度小的特點，研究開發出與之相適應的池型，具體構造如圖1所示。

　　濾池采用混凝土池壁或鋼制，分四部分：上部采用鋼筋混凝土蓋板(可預制)封頂，用于抵消 濾料的浮力及運行時的阻力，在蓋板上安裝倒濾頭，濾頭可從頂部拆卸，便于清洗；濾池中部是濾料層，其厚度及濾料的大小可根據實際情況確定；濾層下部是穿孔排泥管及布氣管；在濾池旁(也可在濾池下部)增加一氣室，其底部通過連接通道與濾池主體相連，專門用于脈沖反沖洗。
　　1.3濾池的工作原理
　　生物濾池為周期運行，從開始過濾到反沖洗結束為一個周期。正常運行時，原水通過進水分配槽進入濾池下部，在濾料阻力的作用下使濾池進水均勻；穿孔布氣管安裝在濾層下部 ，空氣通過其進行布氣。原水經過濾層后，濾層表面附著的大量微生物和填料 中的微生物利用進水中的溶解氧去除一部分有機物及氨氮，同時懸浮物質經過濾層過濾后明顯減少，不會造成濾頭堵塞，出水由上部清水區排出。隨著過濾的進行，濾層中的生物膜增 厚，過濾水頭增大，此時需要對濾層進行反沖洗。由于濾料密度小，采用常規的水反沖、氣水反沖等方法均難以奏效，所以使用脈沖沖洗，反沖洗水取自濾池出水。反沖洗過程為：當 某 格濾池需要反沖洗時，首先關閉進水閥及曝氣管，打開濾池反沖洗氣管，排除氣室內的水以形成空氣墊層，當空氣墊層達到一定容積后，打開放氣閥，這時濾池中的水迅速補充至氣室中，此時濾層中從上到下的沖洗水流量瞬時加大，導致濾料層突然向下膨脹，可以對濾層進行有效的脈沖反沖洗，把附著在濾料上的懸浮物質洗脫。通過幾次脈沖后，打開穿孔排泥閥，利用其他正在運行的生物濾池出水對濾層進行漂洗，可有效地達到清潔濾料的目的。
　　1.4濾池的特點
　　a.采用氣水同向流與氣水異向流相比，在去除效果相同的條件下，濾速可有較大提高，同時水力負荷的增加，大大提高了濾池的傳質效果和處理效率，減少了工程費用 及占地面積，同時避免了氣水逆向流時造成的能量浪費。濾層阻力小，因而能較好地與后續反應沉淀池銜接，適應于新廠及老水廠的改造。
　　b.濾池的阻力相對較低，布水、布氣均勻。
　　c.由于濾池為上向流，對濾池的運行不會造成影響，因此對原水的懸浮物質要求相對較低。
　　d.濾料來源廣泛、價格便宜、化學穩定性好。濾料比表面積大，單位體積內附著的生物量增大，生物濾池的容積負荷增加，使生物濾池的去除效率大大提高，有利于氧氣的傳質，提高了充氧效率。
　　e.該濾池采用獨特的脈沖反沖洗形式，有利于增強反沖洗效果，同時耗水量、耗氣量小。反沖洗過程漂洗水可采用濾池出水，氣源則來自鼓風曝氣，不需要專門的反沖洗水泵及鼓風機，可采用破壞虹吸的控制方式對濾池進行自動連續脈沖反沖洗。
　　f.濾層比常規生物濾池的厚，而濾層越厚，水力負荷越大，去除效果越佳。

　　2　試驗內容及結果

　　2.1  試驗流程裝置
　　試驗裝置采用?300的有機玻璃濾柱，高度為3.5 m，濾料采用3～8的輕質濾料，濾層厚度為1.5 m(試驗裝置見圖2)。原水水質不穩定，因此試驗采用上海某污水廠二沉池出水(CODCr＜100 mg/L)進行模擬，從濾層下部進水，濾頭出水，采用鼓風機供氣，穿孔管曝氣。由于進水中的氨氮濃度較高(20～30 mg/L)，所以將濾柱處理后出水回流稀釋，以滿足試驗所需要的氨氮濃度。
　　試驗從1999年11月初開始，11月15日系統正式運行，至12月中旬基本達到正常狀態。試驗在冬季進行，目的是了解在水溫較低情況下生物濾池對氨氮的處理效果，試驗中氣水 比為(1～2)∶1，以確保出水中的溶解氧濃度≥4 mg/L。試驗原水堿度偏低，因此在12月30日后在回流水中補充一部分硝化所需要的堿度。試驗時一般1～2 d反沖洗一次，周期結束時濾層阻力約2.94～3.92 kPa，脈沖反沖洗次數為2～3次，然后用濾池出水進行漂洗，漂洗時間約2～3 min。試驗中主要測定氨氮的去除效果，以單位填料對氨氮的去除量來表示。

圖2試驗裝置圖

　　2.2試驗結果
　　試驗結果見表1。

　　3.1供氣方式
　　原水中溶解氧含量較低，采用穿孔管進行布氣。在濾料阻力作用下，空氣在濾層中分布較為均勻，試驗中可以觀察到空氣在濾層中緩慢、均勻地上升，能夠達到較好的充氧效果，試驗采用的氣水比較大，以確保生物硝化不受溶解氧的影響。
　　3.2氨氮濃度對去除負荷的影響
　　氨氮濃度不同時，硝化速率也不同。當氨氮濃度＜1 mg/L時，硝化速率與水中的氨氮濃度成正比；當氨氮濃度＞4 mg/L時，則受溶解氧擴散速率的限制，溶解氧成了控制反應速度的主要因素，此時氨氮濃度將不影響反應的速率，即硝化速率與氨氮濃度成零次關系。
　　試驗中，除出水氨氮濃度＜0.05 mg/L外，在12月17日—12月29日出水堿 度偏低的情況下，氨氮的去除負荷≥0.5 kgNH3-N/(m3·d)；當在水中補充堿度時，氨氮去除負荷≥0.6 kgNH3-N/(m3·d)(這段時間出水溫度略有上升)。由此可見，在進水氨氮濃度較高時，氨氮濃度對硝化速率的影響不明顯；在進水氨氮濃度＜4 mg/L時，出水氨氮基本檢不出，由此可知在進水氨氮濃度較低的情況下，生物濾池對氨氮仍有較好的去除效果。
　　3.3濾料接觸時間
　　濾料接觸時間與濾池進水氨氮濃度及處理目標有關，由2000年1月6日—1月14日試驗數據可知，在進水氨氮濃度≤4 mg/L、濾層空床接觸時間約10 min的情況下，濾池對氨氮有較好的去除效果。
　　3.4水溫
　　試驗在冬季進行，氣溫相對較低，而進水水溫較高。通過試驗可知，水溫≥10 ℃時，該生物濾池對氨氮仍有較好的去除效果，即在進水氨氮較高、溶解氧和堿度等都正常的情況下 ，對氨氮的去除負荷基本可達到0.5 kgNH3-N/(m3·d)。
　　3.5水力負荷
　　很多文獻報道，水力負荷的增加有利于提高濾池的硝化速率。還有人對氨氮濃度較高的原水在不同水力負荷下的硝化效果進行了比較，認為在溫度適宜、溶解氧等充足的情況下，濾速為20 m/h時的氨氮去除負荷是濾速為5 m/h的2倍，增大濾層的厚度對濾池的處理效率有明顯提高(Dergement提出生物濾池的濾層厚度可達到4 m)。由于試驗時間的限制，試驗中的水力負荷對氨氮去除效果的影響不明顯。
　　3.6濾池反沖洗
　　試驗過程中，由于進水中懸浮物質少，一般隔天反沖洗一次，濾層的阻力損失一般＜3.92 kPa。在脈沖反沖洗過程中，短時間內水的反沖洗流量可達40 L/(m2·s)以上，在瞬 時流量的沖洗下，濾料短時間向下自由膨脹，濾層間的雜質在水流剪切作用下被帶至濾層下部空間。脈沖沖洗幾次后，用生物濾池出水從上部進行漂洗，漂洗時間為2～3 min，濾池底部用排泥管排泥。這種沖洗方法效果較顯著，且不需要反沖洗水泵，只是在濾池排泥及漂洗過程中消耗一部分水量，反沖洗耗氣量更小。

　　4　結論

　　新型BIOSMEDI濾池以輕質濾料為過濾介質，它具有來源廣泛、比表面積大、表面適宜微生物生長、價格便宜、化學穩定性好等優點；采用與填料相適應的獨特濾池構造 ，能防止原水堵塞，濾層阻力小；運行時采用氣水同向流，有利于過濾速度的提高；采用脈沖反沖洗，具有耗水量、耗氣量小等優點。
　　經過較長時間的運行，表明該生物濾池在10 ℃以上，進水氨氮、溶解氧等都正常的情況下，氨氮的去除負荷達到0.5 kgNH3-N/(m3·d)以上，適用于微污染原水預處理及污水的深度處理。

　　參考文獻：
　　［1］張萬友，王德英，呂洪濱，等.好氧生物膜過濾裝置的研究［J］.中國給水 排水，2000，16(5)：8-11.
　　作者簡介：鄒偉國(1971-)，男，江西豐城人，上海市政工程設計研究院工程師，碩士，研究方向：水處理技術。
　　電話：(021)65026848×2308(O)   65497233(H)
　　傳真：(021)65026743
　　收稿日期：2000-09-04