预防和解决曝气生物滤池滤料板结问题的策略分析_于豹.pdf

广东化工2023年 第4期第50卷 总第486期预防和解决曝气生物滤池滤料板结问题的策略分析预防和解决曝气生物滤池滤料板结问题的策略分析于豹1,2，张志超3，张振2，牛涛2，张江生3，王冠平2，刘彤宙1(1哈尔滨工业大学(深圳)，广东 深圳518000；2光大水务(深圳)有限公司，广东 深圳518000；3光大水务科技发展(南京)有限公司，江苏 南京210000)摘要曝气生物滤池具有处理负荷高、占地小、出水水质良好等优点，在市政和工业污水处理领域得到广泛的应用，但是其还存在高有机负荷下异养菌大量繁殖，滤料严重板结，过水能力和硝化、反硝化作用下降等问题。本文针对此问题做了中试研究，研究陶粒和火山岩两种滤料在上向流硝化滤池和反硝化滤池的板结发生规律，提出通过增大倒U型管超高、增大反洗强度以及降低降水位液位高度等措施来解决滤料板结问题，最后系统提出预防板结和解决板结的可行办法，使滤料在运行过程中处于良好的过滤状态。关键词曝气生物滤池；滤料板结；反冲洗强度；降低液位高度中图分类号TQ文献标识码A文章编号1007-1865(2023)04-0146-04Strategy Analysis of Preventing and Solving the Problem ofFilter Material Hardening in Biological Aerated FilterYu Bao1,2,Zhang Zhichao3,Zhang Zhen2,Niu Tao2,Zhang Jiangsheng3,Wang Guanping2,Liu Tongzhou1(1.Harbin Institute of Technology(Shenzhen),Shenzhen 518000；2.Everbright Water(Shenzhen)Co.,Ltd.,Shenzhen 518000；3.Everbright Water Technology Development(Nanjing)Co.,Ltd.,Nanjing 210000,China)Abstract:The biological aerated filter has the advantages of high processing load,small footprint,good effluent quality,and has been widely used in the field ofmunicipal and industrial sewage treatment.But it also has problems such as heterotrophic bacteria multiplied,the filter material severely hardened,discharge capacityand nitrification,denitrification capacity decreased under high organic load.In this paper,a pilot-scale study was done to solve this problem,and the regular patternof hardening of ceramsite and volcanic rock in the up-flow nitrification filter and denitrification filter was studied.At last,the feasible methods to prevent and solvethe filter hardening were systematically put forward,so that the filter material could be in a good filtering state during the operation.Keywords:biological aerated filter；filter material hardening；backwash strength；reduce liquid level height曝气生物滤池(BAF，Biological Aerated Filter)作为一种生物膜法处理工艺，以填料和其附着生长的微生物为处理介质，对污水中的污染物实现生物降解和吸附、物理过滤和吸附的作用。在滤层的逐渐截留和吸附作用下，形成滤料板结层是曝气生物滤池的一种常见现象1，需要定期对曝气生物滤池进行反冲洗。在反冲洗过程中，若不能及时将板结层破碎，滤料层会在反冲洗水的推动下整体抬升，造成反冲洗憋压，不仅损坏仪器设备，还会造成反冲洗效果变差以及滤料大量流失；反洗效果差以及跑料，会进一步影响过滤效果，发生污染物穿透现象，使过滤出水水质变差2-3。因此为了维持曝气生物滤池能够长期稳定的运行，必须进行定期的反冲洗，达到清除孔隙杂质以及破坏板结层、恢复滤层截留能力的目的4。滤料是生物滤池主要关键因素之一，它的性能决定了滤池处理效果、运营维护和反冲洗周期等。目前曝气生物滤池的填料主要有高分子有机填料、无机填料，其中有聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等为代表的有机高分子填料，还有以石英砂、活性炭、陶粒、焦炭、膨胀硅铝酸盐等为代表的无机填料5。重质滤料如火山岩和陶粒相比于轻质滤料具有更大的内表面积，能提高氧气传质效率，还能起到固定床的作用6，得到大范围的推广应用。而由于两者的性能差异，应用场景不同，在滤池中的板结规律不尽相同，需要采取不同的防治板结方法。板结层的破碎方式有搅拌、气水反冲洗、变强度反冲洗以及化学清洗法等，其中气水反冲洗不仅能加速滤料间的相互摩擦脱附，提高滤料的再生效果，对控制滤层的板结作用也效果明显2。本研究将火山岩和陶粒两种滤料应用于上向流硝化滤池(CN池)和反硝化滤池(DN池)，考察两种滤料的板结发生规律，并采取了不同的破除板结的方法和预防板结的措施，以期为实际工程中生物滤池的正常运行提供借鉴和指导。1实验材料与方法实验材料与方法1.1工艺流程图图1工艺流程图工艺流程图Fig.1Process flow diagram本次实验采用图1所示工艺路线，BAF工艺段包括前置DN滤池+CN滤池。进水为某生活污水处理厂初沉池出水，两组滤池进水总流量为6 m3/h。经高密度沉淀池FeCl3/Fe(III)=5 mg/L和PAM=0.5 mg/L的混凝沉淀预处理，保证滤池进水SS低于100 mg/L。BAF工艺段进水水质情况如表1所示，出水水质需满足一级A排放标准。收稿日期2022-08-19作者简介于豹(1990-)，男，河北沧州人，博士，主要研究方向为水污染控制理论与技术。2023年 第4期广东化工第50卷 总第486期147表表1中试中试BAF工艺段进水水质工艺段进水水质Tab.1Influent water quality of pilot BAF process sectionmg/L指标SSCODBOD5NH3-NTNTP数值215961150.528.654.116.727.517.530.150.765.171.2实验装置图图2中试装置图中试装置图Fig.2Pilot plant diagram表表2中试试验参数中试试验参数Tab.2Pilot test parameters参数DN1DN2CN1CN2水量/(m3/h)3333直径/m0.80.80.80.8滤料类型陶粒火山岩陶粒火山岩滤料粒径D/mm35683568滤料高度L/m333.73.7L/D750429925529有效容积/m31.511.511.861.86反洗周期/h24244848实验装置及参数如图2和表2所示，硝化液回流量为150%。采用的反冲洗程序为“降水位-气洗-气水联合洗-水洗”，按照常规工程参数设计气洗强度为54 m/h、水洗强度16 m/h，DN池每24小时反洗一次，CN池每48小时反洗一次，维持两套BAF装置同步的运行和反冲洗操作。SS、COD、BOD5、NH3-N、TN及TP等均采用国标法GB 11914-89测量。2结果与讨论结果与讨论2.1 CN池滤料板结处理中试装置安装和调试完成后，按照PLC程序在常规工程参数条件下，进行过水和反冲洗操作，滤池逐渐出现板结现象。首先出现板结的是CN1(陶粒滤料)，7天后CN2(火山岩滤料)出现板结，图3(a)为出现板结的陶粒滤料。对CN池采取滤料卸载和反冲洗等手段，恢复了其正常运行。原因可能是硝化细菌在对数期过快生长，产生大量粘性物质，与污水中的无机物混合发生胶结，同时常规的反洗操作参数无法满足破坏板结层的要求，最终造成滤料板结。图3(b)表明CN池滤头并未堵塞，说明CN1比CN2滤池更容易板结，即陶粒滤料比火山岩滤料更容易发生板结。图图3陶粒滤料拆卸图：陶粒滤料拆卸图：(a)滤料和滤料和(b)滤头滤头Fig.3Disassembly diagram of ceramsite filter material(a)filtermaterial and(b)filter head2.2 DN池滤料板结处理2.2.1调整反冲洗气管倒U型管高度在CN池板结并解决后，DN1和DN2也相继出现板结现象(图4)。具体表现为两方面，一是在反冲洗的降水位阶段，排水管无明显水流流出；二是在气洗阶段，顶部大量反洗水溢出。以上现象表明滤料已形成板结层、造成堵塞，所以放空作业时，水位无法下降；而反冲洗进气也无法正常进入BAF池，出现憋压的现象。在气水洗阶段结束后，出现了反冲洗气管返水的现象。本中试装置按照常规工程参数，设置反冲洗风机管道倒U型管相对滤池液面的超高为1 m，仍然出现了返水现象，推测该超高不能满足防止虹吸的高度要求。首先为解决该问题，将倒U型管加高1.5 m，总超高达2.5 m(图5)，在此条件下，气水洗结束后不再出现返水现象。图图4DN2火山岩滤料板结状态火山岩滤料板结状态Fig.4The compacted state of DN2 volcanic rock filter material反冲洗废水滤板滤料反冲洗水反冲空气常规降水位调整后降水位加高1.5米图图5反冲洗风机管路倒反冲洗风机管路倒U型管加高示意图型管加高示意图Fig.5Schematic diagram of the elevation of the inverted U-shaped pipe of the backwash fan pipeline广东化工2023年 第4期第50卷 总第486期2.2.2优化反冲洗水洗强度在本实验中，CN池和DN池滤料均出现不同程度的堵塞板结，以DN2池为例进行说明。初期设计反冲洗水强度16 m/h，采用流量8 m3/h、扬程10 m的反冲洗水泵。在常规降水位-气洗-气水洗-水洗的PLC反洗程序下，DN池日益出现板结情况，为验证反冲洗水强度对疏通滤料的影响，逐步增大反洗水强度。首先改用两台同等型号的反冲洗水泵并联使用，使反冲洗水强度维持在2030 m/h，滤料仍出现板结情况；后更换一台流量17.5 m3/h、扬程20 m的反洗水泵，并且实际运行控制反冲洗水量为15 m3/h，即反冲洗强度为30 m/h。疏通滤料层后，在此反冲洗水洗强度的定期反洗下，后续运行过程中滤料未再出现板结情况。表表3不同反冲洗水强度对于解决板结问题的效果不同反冲洗水强度对于解决板结问题的效果Fig.3The effect of different backwash water intensities on solving the problem of hardening项目反冲洗水流量/(m3/h)反冲洗水强度/(m/h)是否出现板结情况备注原单台反冲洗水泵运行816是设计规范值：14.421.6 m/h原两台反冲洗水泵并联运行10152030是更换水泵后+低位反洗1530否2.2.3调整反冲洗放空液位更换反冲洗水泵后，首先按照PLC程序进行反冲洗，并以反冲洗气水洗时出水水样SS以及硝化液回流量的衰减作为DN池板结疏通的指标。在反冲洗前6个工作日，DN池气洗时，仍然出现滤池顶溢流的现象。反冲洗水SS维持在4859mg/L，同时硝化液回流在反冲洗结束后的3 m3/h，衰减到第二天的0 m3/h(图6)。在第6个工作日，按照PLC程序进行反冲洗后发现效果不佳，立即采用手动进行反冲洗。首先下降液位，使气洗前液位维持在滤料层高度0.3 m处(图5)，排空时间为45 min，远高于PLC设置的110 s。在该液位时，再按照PLC程序进行“气洗-气水洗-水洗”，发现反冲洗水在表观上发生了显著变化(如图7)。检测此液位反洗废水的SS为134 mg/L，相应的硝化液回流虽然衰减，但流量明显升高。在后续6天的重复反冲洗中，SS逐渐增高，在第9个工作日达到最大值，随后减小，推测此时DN2板结的滤料得到彻底的疏通。通过硝化液回流的衰减，发现翌日硝化液回流量逐渐增高，与反冲洗后硝化液回流量一致，说明板结的滤料得到了彻底的疏通。本实验首次说明了BAF反冲洗时，放空液位对反冲洗效果的影响。在液位较低、没有水压条件下，气在水表面的湍动性更强，滤料间的相互摩擦碰撞作用更强，更有利于滤料表面微生物的脱落。滤料的板结主要发生在滤料层最底端2,7，将液位降至在滤料板结处，再进行反冲洗，可使板结处发生一定程度的震动裂缝，有利于板结的疏通；进入气水联冲阶段，滤料层可处于“脉冲塌陷”状态8；之后进入水洗阶段，在水流的作用下，断裂的板结块发生翻滚、碰撞，直至破碎。同时，在相同的操作条件下，DN1(火山岩滤料)在第12个工作日做到板结疏通，说明其板结的更严重，同时也说明了陶粒滤料比火山岩滤料更容易堵塞，与CN池的结论一致。图图6反冲洗放空液位对反冲洗放空液位对(a)反冲洗水反冲洗水SS和和(b)硝化液回流的影响硝化液回流的影响Fig.6Influence of backwash venting liquid level on(a)backwash water SS and(b)nitrification solution reflux(左侧为常规降水位的反冲洗出水，右侧为调整后降水位的反冲洗出水)图图7反冲洗时不同放空液位的反冲洗水样反冲洗时不同放空液位的反冲洗水样Fig.7Backwash water samples atdifferent venting levels during backwashing2.3滤料板结规律及其水洗强度优化本研究采用粒径为35 mm的陶粒滤料和粒径为68 mm的火山岩滤料(图8)，二者均为均质滤料，试验结果表明粒径更小的陶粒滤料相比较于火山岩滤料更容易发生板结。张建锋等人的研究表明，相比较于级配滤料，均质滤料滤层的耐水力负荷波动冲击的能力较强，其产水效率也较高，过滤周期内产水量大，而其采用气水联合反冲洗方式所消耗的反冲洗水量小，粒径越小的均质滤料含污能力越强，但是其单位厚度滤层水头损失增长率越大7,9，这与本研究的陶粒滤料早先火山岩滤料出现板结的试验结果是一致的。结合中试实验结果，对于DN池，其生物膜为异养微生物，世代周期短，生物膜生长速度较快，采用68 mm粒径的滤料合适；而对于CN池，其生物膜主要为自养微生物，生物膜生长速度较慢，可采用35 mm粒径滤料。轻质滤料和重质滤料的水洗强度要求不同，为达到流化状态，重质滤料需要更大的水洗强度。有统计表明V型滤池的气冲强度一般在1516.7 L/(m2s)，水冲强度为46 L/(m2s)，普通砂滤池的气冲强度在1020 L/m2s，水冲强度为48 L/(m2s)，而两者的滤料粒径约为0.91.35 mm，滤料厚度为0.71.25 m，其L/D值均大于9008,10-11。与上述砂滤池不同的是，曝气生物滤池工程技术规程给出BAF的滤料填装高度为2.54.5 m，CN池滤料粒径为35 mm或46 mm，L/D值范围为62511252023年 第4期广东化工第50卷 总第486期149或500900；DN池滤料粒径为46 mm或69 mm，L/D值范围为500900或333600；其水冲强度统一推荐值为46 L/(m2s)。因为污水中污染物浓度较高，BAF的功能以生物降解为主，过滤性能低于砂滤池，故其L/D数值一般低于快滤池。本研究采用3 m和3.7 m的滤料高度，以DN2为例，使用68 mm火山岩重质滤料，其L/D值为429，而采用规范推荐的反冲水强度已不能使滤料层达到流化状态，不能达到疏通板结滤层的目的，经过中试试验逐步加大水冲强度进行验证，最后得到水冲强度取30 m/h，即8.3 L/(m2s)最为合适。而针对35 mm粒径的滤料，采用20 m/h，即5.6 L/(m2s)，即可满足疏通滤料层的要求。图图8陶粒滤料和火山岩滤料陶粒滤料和火山岩滤料Fig.8Ceramsite filter media and volcanic rock filter media3结论结论滤料产生板结的原因有以下几点：(1)未按照合理的周期进行反洗；(2)反冲洗操作时间不足或反冲洗强度不够；(3)有机负荷高，菌群繁殖速度快，微生物代谢产生的有机物与无机物混合引起滤料胶结；(4)滤料选择及级配不合理等问题12。解决滤料板结问题应以预防为主，防治结合。针对以上原因，结合此次中试实验，本研究提出以下日常预防措施：(1)加强滤池进水前的预处理，将滤池进水SS控制在80 mg/L以下，在预处理段加2 mm精细格栅，去除纤维物质，同时注重对格栅的清洗，防止下游生物滤池的滤头堵塞；(2)定期检查滤池的过水能力，在滤池滤板下方安装压力变送器或者在滤池进水渠安装超声波液位计，通过对板下压力的记录以及进水渠液位高低判断滤池的过水能力，设定合理的反洗周期。针对不同功能滤池采用不同的反洗周期，如设定DN池每24小时反洗一次，CN池每48小时反洗一次。定期对板下压力数值进行对比，发现问题及时查清原因；(3)选择合适的滤料及级配，采用均质滤料的滤层配置方式，在易板结的陶粒填料下方布置不同粒径的总厚度300 mm鹅卵石垫层。在遇到滤料板结时可采取以下解决办法：(1)加大反冲洗强度，采用可变频的反冲洗水泵和风机并联使用，确保可以通过调整设备频率达到最佳的反洗效果，并且要结合实际工况，可突破规范设置反洗水洗和气洗强度，如对68 mm的DN池滤料采用30 m/h的水洗强度，对35 mm的CN池滤料采用20 m/h的水洗强度；(2)在反冲洗的降水位阶段，将水位降至滤板上方0.30.5 m处，让气洗摩擦发挥最大的作用；(3)利用辅助手段了解滤料疏通情况，可测定反冲洗出水的SS值以及做生物镜检，了解滤池老化生物膜的排出情况和滤料上生物膜的剩余情况；(4)优化提高自控水平及设备精准度，做到精准检测，及时响应。参考文献参考文献1庞祺平，李海英 论普通快滤池板结原因及处理方法J 山东工业技术，2014，(18)：262古文革，孙琦滤料板结层的形成与破板结方式探讨J油气田地面工程，2019，38(06)：20-243杨淑娟石英砂+磁铁矿双层滤料滤罐滤料污染分析与治理J建设管理，2016，35(06)：74-764张建锋，张娟，王峰慧，等V型滤池气水反冲洗过程滤料流失影响因素分析J给水排水，2009，35(10)：25-275邹亮中置曝气生物滤池工艺在微污染原水处理中的应用研究D广州：华南理工大学，20146Vincent R，Romain M，et alClogging limitation of nitrifying biofilters:BiostyrDuo process studyJWater Practice&Technology，2019，14(1)：43-547周超，张建锋，何华，等砂滤池对水中颗粒物截留效果及反冲洗效果的分析J给水排水，2013，39(9)：33-388王磊波，杨四宝，高学治滤池气水反冲洗过程中气与水强度关系的确定J供水技术，2010，4(2)：15-189张建锋，张栋喆，周超，等 滤层配置特征对砂滤池过滤性能的影响J 西安建筑科技大学学报(自然科学版)，2014，46(5)：737-74110张建锋，王磊波滤池气水反冲洗强度控制指标的建立与分析J给水排水，2008，34(2)：15-1811刘晓艳，史敏水厂V型滤池技术改造J工业水处理，2013，33(1)：89-9212江树志，周娜，白莹，等曝气生物滤池滤料高度与板结对运行效果影响的研究J环境保护科学，2010，36(05)：21-24(本文文献格式：于豹，张志超，张振，等预防和解决曝气生物滤池滤料板结问题的策略分析J广东化工，2023，50(4)：146-149)(上接第98页)34高洪军，李强，朱末，等不同轮作和秸秆还田方式对黑土细菌群落结 构 的 影 响J/OL 吉 林 农 业 大 学 学 报：1-92022-07-05http:/ 及 番 茄 生 长 的 影 响J/OL 四 川 农 业 大 学 学 报：1-162022-07-05http:/