生物膜法在市政水處理中的應用
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摘要： 對采用生物膜法進行市政給水污水以及污水廠二級出水的處理進行綜述。表明采用生物膜法水處理技術在市政給排水處理及污水回用領域有著廣泛的運用前景。尤其是在對處理微污染水體中運用前景看好。
關鍵詞： 生物膜 市政污水處理 市政給水處理 微污染
生物膜法水處理技術在市政水處理中的運用領域主要有：市政給水中的微污染水體水處理，其主要目的是去除水體中的氨氮、亞硝酸鹽氮以及CODMn等指標；市政污水處理中采用生物膜法去除水體中COD、BOD、氨氮等污染物，降低出水中N、P等導致水體富營養化元素；以及對污水廠二級出水的深度處理，以達到回用水水質標準，提高水的重復利用率，節約有限的水資源。
生物膜法技術在市政給水處理中的運用
目前我國不少城市飲用水水源為微污染水源，原水受到生活性有機污染，水中總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮、生化需氧量、高錳酸鉀指數等均有不同程度的超標。對各常規給水處理工藝流程的常規項目測定分析表明，濁度的去除主要是靠常規處理工藝，而對氨氮、亞硝酸鹽氮和生化需氧量的去除必須靠生物作用才能獲得滿意效果。為滿足日益提高的出水水質標準，在常規處理工藝上增加生物預處理工藝是無疑是提高水質的最佳選擇。
八十年代以來，由于生物預處理工藝因其在處理有機污染物、氨氮、色、嗅、味等方面的特點及其經濟上的優勢，越來越受到重視并得到較快的發展。這一領域的研究和應用，總體上都處于以去除氨氮、BOD5、CODCr等有機物綜合指標為代表的污染質的階段。
用于市政給水處理中生物預處理工藝主要有：生物過濾反應器、生物濾塔、生物接觸氧化反應器、生物轉盤反應器、生物流化床以及土地處理系統等[1]。其中以生物過濾反應器中的生物陶粒濾池與生物接觸氧化反應器最為常用。前者有一定的機械過濾能力適合處理較低濃度或低溫原水，后者則因為填料空隙率大，不易堵塞，適合處理較高濃度的微污染原水。
國內采用生物接觸氧化池對灤河以及黃河水處理后表明該法對多項主要水質指標均有良好去除效果，高錳酸鉀指數去除率為10-25％，氨氮去除率為40-70％，藻類去除率為15－30％[2]。
在臭氧—生物活性炭吸附工藝這一生物膜法處理工藝中，顆粒活性炭是微生物生長的載體。活性炭表面及微孔形成的微生物膜通過生物降解作用，可進一步降解在活性炭表面及微孔富集的有機物，從而降低了活性炭的吸附飽和度，延長了其使用壽命。70年代中期，德國對臭氧—生物活性炭吸附工藝的研究發現，與單純的活性炭吸附比較，活性炭的再生周期延長4～6倍[3]。其后，歐洲的許多現代化水廠逐步推廣使用了臭氧－生物活性炭吸附對微污染水源的深度凈化工藝。
在“八五”、“九五”國家科技攻關計劃中，“飲用水微污染凈化技術”作為專題進行研究，并將取得的重要成果中的生物預處理技術成果成功運用于工程實踐。其中位于深圳水庫庫尾，設計處理規模400萬m3／d的廣東省東深源水生物硝化工程是國內目前規模最大的采用生物接觸氧化法的預處理工程[4]。源水經沉砂區、粗、細隔柵后，進入采用YDT彈性立體填料的生物處理池，水力停留時間55min.填料接觸時間40min.，氣水比1：1。自1998年12月試運行以來，通過工藝啟動過程的自然接種，培養馴化，使填料掛膜，形成系統的生物硝化能力，并使氨氮去除率和硝酸鹽氮生成率趨于穩定。試運行得出的初步結論是：生物接觸氧化工藝適合于處理東深微污染源水，對氨氮的處理效果顯著。氨氮去除率在75％以上。同時，增加了深圳水庫水體的溶解氧，提高了水庫的自凈能力，改善了東深源水供水水質。[5]
市政污水處理中生物膜法技術運用
生物膜法水處理技術用在市政污水處理主要有滴濾池（TF）、生物接觸轉盤(RBC)、淹沒式附著生長生物反應器(SAGB)等主要形式[6]。
滴濾池是生物膜法水處理技術在污水處理領域最早運用的形式。早在1889年就進行了砂礫處理廢水的試驗。19世紀90年代到20世紀初在英國進行了研究。并于20世紀前半葉到20世紀50年代在美國大規模應用。之后人們趨向采用經濟型操作性更好的活性污泥法。但是隨著新介質、工藝構造以及對生物膜過程的理解增加，導致了滴濾池再次大規模應用[7]。目前滴濾池常與其他的污水處理工藝一起運用于城市污水處理，如滴濾池與活性污泥組合工藝（TF/AS工藝），滴濾池與活性生物濾池組合工藝（TF/ABF工藝）[8]。瑞典LÄCKEBY水務集團為馬爾摩市政廢水處理廠承建了4個大型滴濾池，采用滴濾池作為硝化反應器和新的脫氮段，包括Kaldnes固定膜技術。并于1999年春季將該處理廠投入運行，至今運行效果良好。
生物接觸轉盤是生物膜法污水生物處理技術的一種，是污水灌溉和土地處理的人工強化。這種處理法使細菌和菌類的微生物、原生動物一類的微型動物在生物轉盤境料載體上生長繁育，形成膜狀生物性污泥——生物膜。污水經沉淀池初級處理后與生物膜接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的有機污染物作為營養，使污水得到凈化。當前生物接觸轉盤工藝開發于20世紀50年代，20世紀60年代第一套生物接觸轉盤系統在德國運行，目前全世界有大約3000套裝置在運行[9]。盡管生物接觸轉盤工藝出水水質與活性污泥法接近，運行能耗低，平均只有傳統活性泥法的一半費用低，但是由于其工程造價高而限制了其使用。
日處理水量為40000立方米的淮陰市北京新村污水處理廠是目前在國內運行較大的采用該工藝的市政污水處理廠[10]。該污水處理廠采用氣動生物轉盤法，工藝流程如下：
該工藝中氣動生物轉盤采用直徑3m高效轉盤32臺，每臺轉盤填料折表面積1500m2。每四臺轉盤設在鋼筋混凝土接觸反應槽中，槽直徑3.5米，供氣由鼓風機房送出，鼓風機房裝有三臺LG300×400-1羅茨鼓風機，每臺風機配用電機功率15KW，設計二用一備，實際只開一臺風機。全部生物盤設在室內，起保溫作用。轉盤旋轉速度每分鐘2轉，接觸氧化槽內溶解氧濃度大于2mg/L，容積面積比8L/m2。設計水力負荷86L/m2.d，BOD面積負荷9g/m2.d。此外日處理水量為4000立方米的南京鎖金村污水處理廠也采用生物接觸轉盤工藝。
淹沒式附著生長生物反應器是一種新一代的生物膜水處理技術，由于該技術趨向將生物載體淹沒在流體中，因而叫做淹沒式附著生長生物反應器。該工藝主要類型有下流式填充生物反應器（DFPB）、上流式填充生物反應器（UFPB）、流化床生物反應器（FBBR）、懸浮與附著生長組合系統（CSAG）。其中好氧類型的下流式填充生物反應器（DFPB）和上流式填充生物反應器（UFPB）加起來又叫曝氣生物濾池（biological aeratedfilter），簡稱BAF，是近年來國際上興起的污水處理新技術，發展極為迅速[11] [12]。廣泛應用于城市污水、小區生活污水、生活雜排水和食品加工廢水、釀造等有機廢水處理，具有去除SS、CODcr、BOD5、硝化與反硝化、脫氮除磷、除去AOX(有害物質)的作用，其最大特點是集生物氧化和截留懸浮固體于一體，并節省了后續二次沉淀池。該工藝采用了高比表面積的生物填料，有機物容積負荷、水力負荷大、水力停留時間短、出水水質高，因而所需占地面積小、基建投資少、能耗及運行成本低[13]。由于這些優點該水處理工藝倍受關注。
采用不同的工藝組合以及控制不同的工藝參數，曝氣生物濾池可以用來進行好氧的碳氧化、碳氧化與硝化組合、分段硝化、反硝化和厭氧處理[14]。甚至可以在同一曝氣生物濾池中實現以上各功能[15]。
目前在歐美和日本等國家已有上千座大小各異的污水處理廠應用了這種工藝，在美國城市污水處理廠已經成功運用淹沒式填充床生物反應器進行三級脫氮處理[13]。
對于城市二級污水處理廠，國內目前采用的曝氣生物濾池多采用二段法處理，第一級曝氣生物濾池主要設計為除碳濾池，目的是去除污水中的有機污染物。第二級曝氣生物濾池主要合計去除污染物為氨氮，目的是將水中氨氮氧化成硝酸鹽和亞硝酸鹽，以確保達到排放標準。如有脫氮要求，往往將第一級曝氣生物濾池下部設計成厭氧區，確保回流硝化液在此脫氮。需除磷時，多在濾池前采用化學輔助除磷，以其達到嚴格的水質要求。
上向流曝氣生物濾池工藝在我國第一處應用為大連馬欄河污水處理廠，采用德國菲立普•穆勒公司的Biofor工藝，與東北市政設計院聯合設計，一期12萬噸/天，建成后，出水達到生活雜用水水質標準，3萬噸/天回用于綠化、小區中水，其余深海排放，現噸水運營成本為0.50元左右。 大連馬欄河污水處理廠一期工程占地4公頃,總投資1.6億。進水BOD5 200mg/L左右,出水達到5mg/L以下,進水氨氮30mg/L左右，出水達到5mg/L以下。
沈陽仙女河設計規模24萬噸,采用二級生物濾池，現在已經投產，目前為國內采用曝氣生物濾池技術規模最大的工程。
生物膜法技術在處理市政二級排水中的運用
隨著水資源的日益匱乏和短缺，大量的市政污水處理廠的排水被視為新的水源越來越受到人們的重視。城市污水的再生與回用可以有效地緩解水環境污染和水資源缺乏的矛盾。由于市政污水處理廠二級排水中尚含有大量的污染物，直接回用必定受到限制。因此城市污水二級處理后的深度處理，其目的是進一步去除污水中的懸浮物(SS)、有機物、濁度、以及氮和磷等。生物過濾技術充分利用濾料的截污吸附作用和濾料上附著生物膜的降解作用，可以獲得較好的污染物去除效果，并且具有流程短、運行管理方便、費用低的優點。
根據回用水目的的要求不同，采用生物膜法技術和其他技術的結合可以有效去除水中污染物。
根據國家有關規定，新擴改的電廠項目的冷卻循環補給水水源需要以處理后的二級市政排水作為水源。據此，回用于電廠做為電廠冷卻塔冷卻循環補給水水源時，需要去除二級排水中的COD、BOD、氨氮、總磷、硬度、堿度等指標。此時可采用曝氣生物濾池加石灰軟化法來達到有效去除水中污染物指標。處理水量為40000m3/d的河北衡水2X300MW機組的冷卻循環補給水，就是采用衡水污水處理廠二級排水做為水源，經過除碳曝氣生物濾池和除氮曝氣生物濾池處理后，再經由石灰軟化機械加速澄清池以及變空隙濾池處理后回用。二級排水經過除碳濾池和除氮濾池處理后，CODcr<40mg/L，BOD5<5mg/L，氨氮<2mg/L，污染物去除率分別為66.7％，80.3％，92％。由此可見采用曝氣生物濾池處理市政二級排水出水水質相關指標可以達到電廠冷卻循環補給水水質要求。
生物膜法水處理技術具有負荷高、占地面積小、運行維護管理方便、出水水質好等特點被廣泛運用于市政給水處理、市政污水達標處理以及污水深度處理回用等眾多領域。隨著人們對生物膜水處理機理的進一步認識和掌握，生物膜技術在水處理領域中必將發揮越來越重要的作用。
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