专利名称：一种利用生物吸附生物膜过滤处理城市污水的新方法
技术领域：
本发明涉及城市建设给排水、城市污水处理技术，具体地说是指一种利用生物吸附生物膜过滤处理城市污水的新方法，即A-BF法。
目前广为采用的各项污水生物处理工艺技术中以A-B法较为先进。其工艺过程如
图1所示。在A-B法中，由于采用了高负荷的A级又取消了沉淀池，使总的水力停留时间缩短到7h，因而节约了基建投资，降低了运行费用，减少了建筑用地。与传统的活性污泥生物处理法相比，确有很大进步。但其工艺过程中的B级仍需以低负荷运行，其水力停留时间仍需5小时以上，限制了其优势的进一步发挥。
为了进一步提高处理效率，降低基建投资，节约运行费用，节省能耗，缩小处理场站的占地面积，必须对B级工艺实用有效的改造。
为此，本发明的目的即在于根据对过去的有关污水处理研究成果进行综合分析后，提供一种利用生物吸附生物膜过滤处理城市污水的新方法，即以生物膜曝气滤池(BF级)取代A-B法中B级，在此同时，取消了沉淀池，以达到提高容积负荷，减少基建投资，节省占地，降低能耗，节约运行费用的目的。通过可行性研究，确定了生物膜滤池的工艺结构和滤料，通过中间试验证实该项工艺技术是成功的。
本发明所提供的利用生物吸附生物膜过滤处理城市污水的新方法包括A级和BF级两部分；其中所述的A级与原A-B法中的A级的工艺条件一样，即城市污水经格栅将粗粒杂物截留后，污水不需经过初级沉淀池而直接进入A级曝气池，池内混合液污泥浓度维持在2g/L左右，调节曝气量以控制池内溶解氧浓度为0.5-1.0mg/l，污水在A级曝气池停留0.5h后进入A级沉淀池(中间沉淀池)，经1.7h沉淀后，部分污泥回留入A级曝气池，以维持A级曝气池的污泥浓度，部分污泥作为剩余污泥排出；而经沉淀后的出水从顶部进入BF级(生物膜曝气过滤池)，通过1.6-1.8m的曝气滤层进行生物降解有机污染物，下行经0.2-0.4m的滤层机械过滤进一步截留水中悬浮物后，在滤池底部集水、以高位出水的方式排出，污水在池内停留的时间1至0.5h，滤速为2-4m/h，曝气量按水∶气＝1∶6左右控制，滤速的选择可根据对出水的要求来确定，如出水出质要求高则选低滤速，若对出水水质要求不高则可选用高滤速。
由于本发明中的生物膜曝气滤池(BF级)采用了较大了粒径滤料及层间曝气方式，既克服了传统污水滤池的阻塞，延长反冲周期，又由于滤池下部还保留有0.2-0.4m的静止滤层，从而有效的截留水中的悬浮物，使得出水悬浮物保持在一较低(＜10ml/L)的水平上。由于池内装填了焦炭或陶粒作滤料，具有较大的比表面积，滤料表面能固着大的生物群落形成生物膜，加上滤料间漂浮的活性污泥，相对的提高了池内的污泥浓度，虽然BOD5COD容积负荷很高，而BOD5COD污泥负荷则仍维持在较低水平上，从而高了处理效率，并保证出水有较好的稳定性。通过近两年的日处理污水规模24-48m3/d的现场试验所取得的资料证明，当原污水CODer为315-716mg/l、BOD581.5-183mg/l，SS为50-1060mg/l，A级曝气池水力停留时间0.5h，A级沉淀池水力停留时间1.7h，BF级滤速2m/h(相当停留1小时)及以下时，处理后出水优于普通二级生化处理工艺和A-B法工艺，在上述总停留时间为3.2小时情况下，CODcr去除率90％以上，BOD5去除率95％以上，SS去除率98％以上，可获得出水CODcr＜35mg/L，BOD5＜7mg/L，SS＜10mg/L的效果，使主要指标达到中水水质标准的要求。
本发明所涉及的生物膜曝气滤池(BF级)结构可由图3看到，池内充填粒径为2-6mm的焦炭或陶粒作滤料，滤层总厚度为1800-2200mm，在距滤层底部200-400mm的水平面上设置曝气管，空气由曝气管布气孔进入池内，通过1600-1800mm的滤层后由上部逸出。
综上所述可知，生物膜曝气滤池(BF级)的特殊结构型式及运行方式是A-BF法生物处理工艺获得成功的关键，BF级与A-B法中的B级相比较，其水力停留时间仅为B级的1/6-1/4，工程造价可望节省40％；占地面积减少60％，运行费用可节省50％。A-BF处理工艺具有耐冲击负荷能力强，运行稳定，能耗低，容积负荷高，停留时间短，有机污染物去除效果好，节省占地和工程投资等优点。尤以节省占地，减少工程投资更具实际意义，对我国现阶段城镇污水处理起到有利的促进作用。
A-BF处理工艺是在A-B法基础上开发出的一种更为高效、先进的城市污水处理新型组合工艺，其成功地将生物膜技术与过滤技术相结合，以BF级取代A-B法工艺中的B级，串联于高效的生物吸附(A级)之后，组成了一种更为高效的污水处理工艺，具有处理效率高、出水水质好的突出特点，同时还具有容积负荷高、停留时间短、工程投资省、能耗低、占地少、运行稳定、适应水质变化、能力强、运行管理简单等优点。其中，尤以节省占地、减少工程投资更具有实际意义，是一种适合我国国情、具有推广、实用价值的污水处理新工艺，自较大的经济效益和实会效益。A-BF法可用于大、中、小型城市污水处理设计或水质与之相近的工矿企业的生产废水处理的设计，还时适用于污水处理厂的改建与扩建工程。在市政基础设施尚不健全的地区、新建开发区、旅游景点等，可采用根据A-BF工艺设计的小型成套污水处理装置来控制环境的污染。与普通活性污泥法相比，工程投资节省15-25％，运行费用节省15-25％，占地面积节省20-30％。
在污水处理的各项技术中、生物处理法与化学法和物理化学法相比较，具有处理效率高、处理效果好、运转费用较低、设计和运转经验较为丰富等优点，已在工程实践中广为应用；但是也存在基建投资与能耗较高、占地面积较大等不足，限制了进一步处理效率高，而且基建费用较低，占地面积较小、能耗较省的新型生物处理技术，已成为生物处理技术发展的关键。
为此，发明者自1988年至1992年进行了生物吸附一氧化法(A-B法)处理城市污水研究，取得了较为理想的效果，并已在工程中应用。该成果获建设部科技进步三等奖。
A-B法高效低能耗的关键在于A级，据A-B法研究所推荐的参数，A级曝气池的水力停留时间(HRT)仅为0.5-0.75h，污泥负荷为2-5kgBOD5/kgMLSS.d，而B级曝气池的水力停留时间为2-4h，污泥负荷≤0.3kgBOD5/khMLSS.d，即仍需按低负荷活性污泥法设计、运行，而且还需辅以停留时间2-4h的沉淀池以满足固液分离和活性污泥回流需要。能否在A-B法基础上开发一种更为高效低耗的新工艺，其关键在于对B级进行有效的改造。
生物膜法是一种较为成熟的污水生物处理工艺，发明者亦曾作\过较为深入的研究，并已应用于工程实践。但由于这种工艺要求进水中有机污染物深度较低，因此推广中受到一定限制。我们设想将生物膜工艺串联在A级后边，取代低负荷的B级，原污水经A级处理后，有机污染物浓度显著降低，可满足生物膜工艺只适宜进水中有机污染物浓度较低的要求，充分发挥生物膜工艺容积负荷高、停留时间短、处理效果好、运行管理较简单的优点，并借鉴法国OTV公司在《TSM》(90年N07/8)刊物上所介绍的“采用生物碳法及活性污泥法进行低温生物处理比较试验”资料，在生物膜工艺中辅以过滤技术，省去B级二次沉淀池。这样不仅缩短了处理工艺流程，可降低工程投资，减少建设用地，而且可高固液分离效果，改善出水水质。
为此，在以往试验与有关资料分析基础上，本发明提出了生物吸附-生物膜过滤法(简称A-BF法)工艺，于1992年将“生物吸附-生物膜过滤法处理城市污水试验研究”发明列入研究所科研计划，并在姚家井污水泵站进行了小型试验，确认了该工艺处理城市污水的可行性，并通过对焦炭、陶粒(膨胀页岩)、活性炭三种不同滤料处理效果的考察，进行了滤料的选择。在小型试验基础上，1992年开展了《生物吸附-生物膜过滤法(A-BF法)处理城市污水试验研究》的中间试验。由于姚家井泵站准备南迁，原污水浓度降低，缺少代表性，经与高碑店污水处理厂协商，将该试验迁入高碑店污水处理厂进行，自1994年至1995年，与该厂合作，完成了中间试验。
A-BF法是在A-B法和生物膜法基础上，并在BF段辅以过滤持术的一种新工艺，对该工艺进行检索，主题词为不设初沉池、生物吸附与生物膜法串联、辅以过滤、处理城市污水工艺。检索结果为未见过这种工艺。
为此，本发明首先拟探索A-BF工艺对处理城市污水的效果与可行性，在结合我国实际情况，进行BF级滤料的选择试验后，重点放在BF级，通过考察不同水力负荷(以名义滤速计)、容积负荷、气水比等对处理效果的影响，较为系统地探索A-BF工艺的特点，确定适合我国城市污水水质状况的工艺条件、设计及运行参数。最后再根据推荐的工艺条件，进行处理效果的稳定试验，对该工艺的可靠性、稳定性以及对城市污水水质变化的适应性进行考察。
通过本发明研究，得出一种处理城市污水的新型工艺组合，既保留、发挥了A-B法中A级所具有的负荷高、耐冲击负荷、节省能耗、减少占地、节约工程投资等优势，又由于以BF级取代B级，使后续处理工序仍具有负荷高、处理效果稳定、节省工程投资、减少占地等优点，与A-B法相比，其技术水平又前进了一步而且更为经济，尤其是处理后的出水水质可进一步改善，主要污染物指标达到或接近中水水质标准，这是传统的二级处理工艺无法达到的。
水环境污染日趋严重，已成为我国经济发展过程中迫切需要解决的问题。由于A-BF工艺具有处理效率高，能耗低，占地少，工程投资省，处理出水水质较好等优点这项技术的开发与应用，对于推动污水处理工程建设，减轻对水环境的污染，开发污水资源，缓解短缺的状况，元疑会起到积极的促进作用，具有显著的社会效益、经济效益与环境效益。
本发明的试验规模与主要技术经济指标结果为1、试验规模小试规模为0.305m3/d(12.7L/h)；中试规模为6.0m3/d(250L/h)2、技术经济指标通过本发明试验研究，将推出一种新型污水生化处理工艺流程，在有机污染物降解效果与普通活性污泥法相当的前提下，其主要技术指标(污水在系统内的总停留时间)、主要经济指标(工程费、运行费、占地面积)达到国内外领先水平。
即在污水总停留时间为3.2h(其中A级2.2h，BF级1.0h)的条件下，CODcr总去除率达到80％以下，BOD5总去除率达到90％以上。处理后出水水质主要指标达到或接近国家建设部《生活杂用水质标准》(GJ25·1-89)或北京市《中水水质标准》。
与普通活性污泥法相比较，处理构筑物的工程费可望节约20-30％；运行费节约15-25％；并可减少占地15-25％。
其中试验研究内容包括1、鉴于在A-B法的试验研究中，对A级的和持性及各项工艺参数均进行了较为深入的研究，因此本发明的研究重点放在BF级，A级只按照A-B法研究所推荐的工艺参数运行、即A级曝气池水力停留时间(HRT)为0.5h，混合液污泥浓度为2-3g/L，混合液沉降比为5-10％，池内溶解氧控制在0.1-0.7mg/L；A级沉淀池水力停留时间(HRT)为1.7h。
2、初步考察BF级在2m/h滤速条件下的处理效果，确认该工艺处理城市污水的可行性。
3、进行BF级滤料的选择试验，确定滤料种类。
4、考察BF级在不同滤速、不同气水比工况下的处理效果与工作周期，优选出稳定性试验的运行参数。
5、根据推荐的运行参数进行稳定性试验，考察BF级以及A-BF工艺处理效果的稳定性，以及对原水水质变化的适应能力。
6、确定BF级反冲洗条件，考察有机物降解与污泥增长的关系以及有机物降解与耗氧量、耗电量的关系。
五、试验流程、主要设备与试验方法1、试验流程小型试验与中间试验的上艺流程，见附图1与附图22、主要试验设备A级曝气池Φ400×4500(mm)，有效水深4m，有效容积0.5m3。
A级沉淀池Φ1200×3500(mm)，有效水深1.5m，沉淀区有效容积1.7m3。
小试BF柱，Φ90×3000(mm)有机玻璃柱，填料高度2m，内部分别装填焦炭、陶粒与活性炭滤料，焦炭、陶粒的粒径为2-6mm，活性炭为圆柱状新华8#炭。
中试BF池(生物膜滤池)Φ400×3500(mm)，填料高度2m，曝气管距柱底0.3m，滤料2-6mm的焦炭。
3、试验方法试验形式为室外现场试验小型试验地点为姚家井污水泵站，原水为泵站出水井的城市污水。
中间试验地点为高碑店污水处理厂，原水为该厂曝气沉砂池出水。
小型试验为初冬季节，气温较低，中型试验为全年不同季节连续观测。
水量、气量用转子流量计计量，溶解氧用数字式DO仪量测，定期用化学法标定探头。
所采集的原污水、BF进水、BF出水的水样均为12小时混合样。
常规监测项目为水温、气温、PH值、CODcr、BOD5、SS、DO、SVI等。
定期检测项目为MLSS、NH3-N、NO2-N、NO3-N、TN、TP以及活性污泥和生物膜的微生物镜检，其中，水质分析按《水和废水监测分析方法》。
研究成果与应用前景为中间试验正式运行一年，共取得试验数据34200个，其中工艺条件数据(如DO、进气量、污泥沉降比、温度等)为26640个；水质分析数据(如CODcr、BOD5.SS、NH3-N等)7560个。试验结果表明1、当A级按原A-B法研究所推荐的工艺参数运行，即A级曝气池采用完用混合式，水力停留时间为0.5h，气水比为1.6-2.0∶1；A级沉淀池水力停留时间为1.7h的工况下运行，A-BF工艺的处理效果取决于BF级的滤速，随着BF级滤速的提高，处理效果呈下降趋势。当BF级滤速为2m/h(相应HRT＝1h)及以下时，处理后出水水质明显优于普通二级生化处理工艺与A-B法工艺，CODcr＜35mg/L，BOD5＜7mg/L，主要指示达到了中水水质标准的要求。
2、将生物膜技术与过滤技术相结合组成的生物膜滤池(即BF级)，串联于高效的生物吸附池(A级)之后，取代A-B法中的B级，所形成的新的工艺组合不仅可行，而且处理效率高、处理效果与出水水质均优于A-B法。当污水总停留时间为3.2h时，A-BF工艺的CODcr去除率在90％以上；BOD5去除率95％以上；SS去除率98％以上。
3、A-BF工艺及BF级均对进水水质变化及有机物投配负荷变化有很好的适应性，未出现堵塞现象，中试的稳写试验结果表明当原污水CODcr为315-776mg/L1、BOD5为81.5-182.9mg/L1，SS为50-1060mg/L范围内变化，仍有较高的去除率，并保证有优良的出水水质。
当BF级的CODcr容积负荷由3.4kgCODcr/ma·d高至8.9kgCODcr/m3·d；BOD5容积负荷由0.8kgBOD5/m3·d提高至2.3kgBOD5/m3·d，其CODcr与BOD5的去除率均有保持良好水平。
4、确定了BF级生物膜滤池的设计与运行工艺参数(1)滤速为2m/h(即HRT＝1h)；(2)气/水＝6/1；(3)工作周期60h以上，反冲洗耗水率为4.84％；(4)BF级每去除1kgBOD5的产泥量为0.72kg；(5)BF级每去除1kgBOD5的耗量与耗电量分别为3.39kg、0.86kw·h。
5、仅以BF级与A-B法中的B级相比较，其水力停留时间仅为B级1/6-1/4；容积负荷为B级的2.8倍；工程造价可节省40.0％；占地面积减少66.7％；运行费可节省50.4％。
综上所述，A-BF工艺用于处理城市污水，具有处理效率高、处理效果好、处理后出水的主要水质指标已达到中水水质标准，而且可降低工程造价，节省占地，节省运行费，对原水水质变化适应性强，工艺运行稳定、管理较简单等优点，其成果可用于不同规模的城市污水处理工程设计，水质相似的工业废水工程设计，也适用于已有污水处理厂的挖潜改造，以提高处理能力、改善出水水质。
由于A-BF的工艺特点，处理厂可以采取A级、BF级分期建设，以便缓解既要减省污染、改善水环境质量而又资金短缺的矛盾，先建A级，待有条件时再上BF级，推动污水处理工程加快建设。该成果在应用推广中有很好的前景。
图1为A-B法工艺流程框图；图2为本发明的A-BF法工艺流程框图；图3为生物曝气滤池工艺结构简图。
权利要求
1.一种利用生物吸附生物膜过滤处理城市污水的新方法，其中包括A级和BF级两部分其中所述的A级为将城市污水经格栅将粗粒杂物截留后，污水不需经过初级沉淀池而直接进入A级曝气池，池内混合液污泥浓度维持在2g/L左右，调节曝气量以控制池内溶解氧浓度为0.5-1.0mg/l，污水在A级曝气池停留0.5h后进入A级沉淀池(中间沉淀池)，经1.7h沉淀后，部分污泥回留入A级曝气池，以维持A级曝气池的污泥浓度，部分污泥作为剩余污泥排出；而经沉淀后的出水从顶部进入BF级(生物膜曝气过滤池)，其特征在于所述的BF级通过1.6-1.8m的曝气滤层进行生物降解有机污染物，下行经0.2-0.4m的滤层机械过滤进一步截留水中悬浮物后，在滤池底部集水、以高位出水的方式排出，污水在池内停留的时间1至0.5h，滤速为2-4m/h，曝气量按水∶气＝1∶6左右控制。
2.权利要求1所述的一种利用生物吸附生物膜过滤处理城市污水的新方法，其特征在于所述的生物膜曝气滤池(BF级)的结构为池内充填粒径为2-6mm的焦炭或陶粒作滤料，滤层总厚度为1800-2200mm，在距滤层底部200-400mm的水平面上设置曝气管。
全文摘要
一种利用生物吸附生物膜过滤处理城市污水的新方法,其中包括A级和BF级两部分;其中所述的A级与A－B法相同,经沉淀后的出水从顶部进入BF级(生物膜曝气过滤池),其特征在于:所述的BF级通过1.6—1.8m的曝气滤层进行生物降解有机污染物,下行经0.2—0.4m的滤层机械过滤进一步截留水中悬浮物后,在滤池底部集水、以高位出水的方式排出,污水在池内停留的时间1至0.5h,滤速为2—4m/h,曝气量按水∶气=1∶6左右控制。
文档编号C02F3/10GK1188080SQ9710031
公开日1998年7月22日 申请日期1997年1月13日 优先权日1997年1月13日
发明者刘学功, 何彪名, 张力高, 段素娟, 张荣辉 申请人:北京市市政设计研究院研究所