对跌水曝气及跌水曝气生物滤池研究和应用的探讨*

伍培　彭江华　陈一辉　李伟民

(1.重庆科技学院　重庆 401331；　2.重庆能源职业学院　重庆 402260；　3.重庆大学　重庆 400045)



对跌水曝气及跌水曝气生物滤池研究和应用的探讨*

伍培1彭江华1陈一辉2李伟民3

(1.重庆科技学院重庆 401331；2.重庆能源职业学院重庆 402260；3.重庆大学重庆 400045)

摘要本文回顾和总结了跌水曝气的研究和应用现状，并结合曝气生物滤池的研究和应用提出多级曝气生物滤池的概念，对多级曝气生物滤池的研究提出了主要的研究方向和内容。

关键词跌水曝气生物滤池综述

0引言

近来来，城镇低能耗污水处理技术获得重视，推广了稳定塘、人工湿地、地埋式、重力式下水道处理系统以及跌水曝气生物滤池。稳定塘结构简单，初投资少，运行能耗低，维护方便，维修费用低。但是稳定塘的净化效率随着季节、气温、光照的变化而发生变化，且占地面积较大。人工湿地处理系统其工艺设备简单，运行费用低，维护方便廉价，工程基建低，而且抗冲击负荷能力强，但其占地面积大、臭味大，复氧效果差，处理效率不高且受季节影响。地埋式处理系统主要通过厌氧消化和厌氧过滤处理污水，无能耗，污泥量少，管理简便，但处理效能不高，主要作为化粪池的升级替代。

重力式下水道污水处理系统利用下水道的巨大空间，安装填料，污水在流经附着大量微生物的填料而得到净化，实际上是一种依靠地形高差多级跌水自然曝气的污水处理形式，是一种有应用前景的山地和丘陵地区城镇的污水处理技术。由此能够开发出多级曝气生物滤池，在多级跌水曝气生物滤池中，污水经过滤料层空间上的高差跌落达到自然复氧的效果，从而污水、空气、滤料上的生物膜三者充分接触，污水能够得到有效处理。国内外都对此进行了较多的研究和局部应用。

1跌水曝气技术研究现状

1.1跌水曝气原理

跌水是指水流从一定高度跌落，由于水流落差使水流在与下一级水体接触前就具有一定的动力势能，在跌落水流与下一级水体接触后，水流能量传递给水体，由此受纳水体接受能量后流态由层流转变为紊流，液面搅动卷入空气，进行充氧；同时，液面的不断搅动使气液接触面不断更新，利于氧不断地向水体转移，由此可以实现高效低耗的污水充氧。

1.2跌水曝气在国外的研究现状

1995年，日本的Hideo Nakasone和Masuo Ozaki将跌水曝气系统运用于氧化沟上，通过机械方式(水泵)将沟内的混合污水提升跌落，靠泵的转速来控制充氧，明显减少投资和运行费用，出水COD和TN的去除率均超过80%[1]。因为下水道存在着自然跌落，Nielsen通过试验研究了自然状态下不同温度时下水道污水中糖类、乙酸、蛋白质等的变化，结果发现这几种物质的含量与组成变化较大，且这几类物质的转化过程基本上遵循高活性的零级反应模式[2]。在重力式下水道中，Guang Hao等[3]发现管道中的沉积物对下水道中氧的消耗有着重要影响；白子易[4]研究了重力式下水道中溶解氧传输及水质变化情况，建立了下水道系统中生化动力模式的数学模型。

Kaijun等人[5]在1995年分别在不同的反应器内模拟了下水道内的好氧、微氧条件，研究了下水道微生物对有机物的降解速率，试验表明：在反应开始1～2 d内有机物的降解速率较高，降解速率遵循零级反应模式，在随后的18 d里有机物的降解速率逐渐降低并接近一级反应。Ozer等人[6]则比较了排水管径对处理效果的影响。在空气充足时，小管径管比大管径管的去除效率高。

2010年Hanwen Liang等人[7]采用结合低曝气技术的三级生物净化系统对模拟污水进行试验研究，研究结果表明：低曝气的生物净化系统对SS、COD、TN的去除率分别可达到90%、80%、90%。TP的去除率在15%～40%。

2012年GAO Changfei[8]采用沸石作为填充材料进行的跌水曝气研究中，分别将跌水高度定位0.30、0.45、0.60 m。作用2 h后，对COD、TN、TP的去除率分别达47.25%、46.39%和40.75%。

1.3跌水曝气在国内的研究现状

西南大学的李杰等[9]以重庆渝北某人工山地湿地的厌氧水为研究对象研究了跌水曝气的充氧效果，得出结论：跌水高度越高，复氧量越大；跌水流量越小越有利于复氧。

司马卫平[10]对自然沟槽复氧和自然跌水复氧两种复氧方式的复氧效果进行了试验研究，其结果表明：在自然跌水复氧方式中，当跌水高度为1.5 m时，其复氧量为2.2～3.3 mg/L。而沟槽的复氧效果与槽长呈正比关系，且4 m沟槽的复氧量仅达3.0 mg/L；跌水复氧的效果要优于沟槽的复氧。

衣青，李静等[11]利用跌水曝气浅层生物接触氧化工艺处理模拟生活污水，表明提高跌水充氧温度、高度增加、流量增大都会提高充氧效果，尤以跌水高度影响为最。最佳跌水高度为0.6 m，反应器的合理深度为0.4 m；当进水流量为40 L/h,进水COD、NH3-N平均值分别为160、15.8 mg/L时，去除率分别为64.8%和32.7%。

姜湘山等人[12]采用跌水曝气改进填料排水系统来处理屠宰废水，也取得了很好的效果。其出水水质满足了《肉类加工工业污染物排放标准》(GB 13457—1992)二级标准和《污染和综合排放标准》二类污染物《新、改、扩》二级标准的要求。试验表明，采用跌水曝气后，污水的溶解氧量大大地提高，而且工程造价比常规处理方法节省60%，运行费用降低70%。跌水曝气在污水处理方面体现出强大优势。鉴于水质近似，这一技术完全可移用于初中期垃圾渗滤液的处理。

陈辅利、邹建勇、高智光均在天然沟渠污水处理技术方面进行了深入的研究。陈辅利等人[13]通过在排水明渠内设置载体来增加沟渠中的微生物数量，加快明渠生化反应速率的方式进行了试验。在试验室和某天然河渠内2种不同的情况下，对工艺、效率、抗冲刷能力等进行了试验及理论研究，研究表明：在1.5 h内COD去除率可达80%以上。邹建勇等[14]以重庆忠县石宝镇的一条天然沟渠为研究对象，结果表明:天然沟渠对COD、TN、TP的去除率分别为47.6 %、20.6 %、18.9%。

黄方等[15]在管道前端设置高负荷生物接触氧化池，进行了管道式活性污泥法的模拟试验，结果表明：只要管道内的微生物质量浓度及溶解氧维持在一定水平，城市污水就可在管道内得到较好的净化。王西俜等人[16]利用固定化细胞技术进行了下水管网系统净化污水的模拟试验，对厌氧、好氧、厌氧—缺氧—好氧以及缺氧—好氧四种工艺净化生活污水的效果进行了对比研究。试验结果表明：在管网系统中设置固定化细胞，并适当地人工曝气，在保证污水在管道内一定的停留时间的条件下，可使COD的去除率大于60%，出水COD、SS均能达国家污水综合排放标准的二级标准。

由此可见，跌水曝气是一种运用范围广，建造低，运行费用低，便于管理的曝气技术，多山地、多丘陵的地形地貌特征有利于实现超低能耗的跌水曝气，对污水处理设施进行因地制宜的布置，减少土石方的开挖，减小基础建设投资和运行费用。

2曝气生物滤池应用及研究现状

Fdz-Polanco等[17]研究了硝化菌和异养菌在硝化曝气生物滤池中的空间分布与COD浓度的相关关系，发现进水COD 低于200 mg/L 时不会影响硝化性能。当进水 COD 大于200 mg/L 时，硝化性能下降；生物膜在COD/氨氮大于4时出现不同的功能分区；异养细菌、硝化细菌及亚硝化细菌在反应器中的空间分布与COD浓度有关，分区分布明显。Wijeyekoon等[18]研究了硝化菌活性与滤速的关系，认为硝化菌活性分布与滤速有关。Chen等[19]在研究生物过滤反应器与活性污泥反应器、流化床的反硝化特性时，发现反应器内在不同水力条件下微生物种群会发生一定的变化，但优势种群----杆菌属则基本稳定。

欧洲已广泛将BAF应用于污水处理，法国已建有数十座处理规模为750～7 570 m3/d的生产性BAF，其中OTV公司在法国的第一座用于处理城市污水的BAF污水处理厂位于Soissons市。该厂BAF工艺采用Biocarbon形式，其布置形式为环状结构，中心为清水池，用于贮存出水和反冲洗用水。表1列出了其运行数据[20]。

表1　法国Soissons市BAF工艺污水处理厂BAF工艺运行数据

2.2曝气生物滤池国内应用及研究现状

桑军强等[21]研究表明，通过BAF工艺对微污染源水进行生物预处理可以取得良好的除污染效果。水源水质对BAF去除有机物有较大的影响，其对CODMn的去除率为5%～45%，对COD的去除率在20%～60%之间；BAF去除氨氮受水源水质影响较小，其去除率普遍高于80%。

王立立等人[22]针对南方特有的低浓度生活污水，研究了其在低曝气条件下，气水比、碳氮比、水力负荷、进水有机负荷、填料层高度等因素对BAF容积负荷的影响。结果表明，在气水比为3∶1，碳氮比为3～4，水力负荷为1.1 m3/(m2·h)条件下，COD和氨氮的去除率分别为97.37%和82.28%,出水有机物和氨氮质量浓度分别为3.4 mg/L和6.94 mg/L。碳氮比对反应器COD容积负荷的影响较对氨氮容积负荷的影响更为明显；水力负荷的变化则对氨氮的去除效率影响较小。

厦门市某污水处理厂采用法国得利满公司的Sedipac3D组合式高效沉淀池/前置反硝化BIOFOR曝气生物滤池 (DN+CN)工艺，出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级B标准。

中国大连马栏河污水处理厂的一级处理采用了SE-DIPAC@3D(简称S3D)工艺，二级处理采用了由BIOFOR@C/N和BIOFOR@N组成的二级过滤系统。其处理出水水质见表2[23]。

表2马栏河污水处理厂出水水质

mg/L(pH值除外)

由于学生之间存在差异性和多样性，在学习过程中，每个学生具有其特有的意义构建过程。所以，教师不仅要对学生的学习进行管理，更重要的是必须对不同学生进行不同的学习引导，启发每位学生的创新思维。作为学生学习的引导者，教师在执行角色时的行为特征表现在：在审阅每位学生介绍材料的基础上，提出问题，组织学生进行思考和讨论，在讨论中引导学生，启发诱导他们自己去发现规律，同时对自身错误或片面的认识进行纠正或补充，从而加深学生对教学内容的理解；尽量给每位学生同等参与讨论的机会，经常了解学生的意见，随时修正自己在期望值上的偏差。最重要的是，相信每位学生都有学习的潜力，给每位学生创新的机会，引导学生不断地向目标迈进。

2.3曝气生物滤池的主要优点

曝气生物滤池从其在国内外的运行情况来看，表现出以下优点：

(1)采用小粒径颗粒填料作为过滤介质和生物载体，有机物容积负荷高，占地面积小，反应器结构简单，基建费用低，运行管理方便。

(2)同步发挥生物氧化作用、生物絮凝、吸附和物理截留作用，生物相复杂多样，处理效率高。

(3)颗粒填料床具有较高的氧转移效率，采用低曝气量即可以达到供氧要求，运行能耗低。

(4)具有较高的处理效率，能耐受较高的有机物负荷，硝化和反硝化效率高，应用范围广。

(5)能借鉴单元反应器原理，采用模块化结构，实现紧凑化、设备化及自动化，为进一步改扩建提供了有利条件。

(6)反应器内具有明显的空间梯度特征，不同的污染物可以在统一反应器被渐次去除。

3生物填料的研究现状

由于营养物质的持续供给导致生物量不断积累最终会使塔滤填料堵塞，这是影响塔式生物滤池能否长期稳定运行的一个关键因素。在生物滤池入口处由于污染物的浓度较高容易发生填料堵塞现象。目前解决堵塞的主要途径有：通过控制营养的供给来限制微生物的生长速率，减少生物量的积累；用硝酸盐代替氨氮作为氮源；用化学试剂冲洗；反冲洗；改变运行方式(如改变顺流、逆流运行或间歇运行)；在反应器中加入原生动物捕食控制微生物的生长，如果能控制生物膜中的生物系统，那么利用原生动物的捕食行为能起到预期的效果。通过研究认为，通过在不同高度上安设不同的滤料层，或者通过改变塔滤构造，改变水流的流动方向，都可解决这一问题。4研究多级跌水曝气生物滤池的方向和主要内容

将跌水曝气技术运用于传统的塔式生物滤池。对传统的塔式生物滤池内部结构发展为多级曝气生物滤池，辅以一定的去渣预处理工艺，能够克服传统塔式生物滤池供氧不足及滤料层堵塞的问题。这种技术可以把具有一定高差的排水主干管改造成为同时具有输送和处理能力的管道式生物滤池，也能够在垃圾渗滤液沟壑处建造多级自然曝气生物滤池，利用地形高差跌水曝气充氧，从而达到处理污水的目的。

从推进跌水曝气的工程应用出发，研究多级曝气生物滤池课题的主要研究内容应该包括但不仅包括以下研究内容：

(1)多级曝气生物滤池各主要污染物的容积负荷率以及多级曝气生物滤池容积负荷在不同水温条件下与出水水质指标的关系。

(2)多级曝气生物滤池生物滤料的优选标准和方法。

(3)能够为工程设计提供依据的多级曝气生物滤池的水质指标允许容积负荷与出水水质及水温的关系。

(4)适合不同水质处理要求的多级曝气生物滤池的水力负荷。

(5)多级曝气生物滤池的应用条件，设计、建造方法与技术经济指标，对不同的布水方式和去渣预处理应根据不同的水质进行广泛的比较分析，得到明确结论。

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*基金项目：重庆市自然科学基金(cstc2011jjA20013)，重庆市建设科技项目(城科字200877)。

作者简介伍培，男，1969年生，重庆科技学院教授，硕士生导师，研究方向为市政建设及安全工程。

(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