曝气生物滤池及曝气滤头的排列方法

专利名称：曝气生物滤池及曝气滤头的排列方法
技术领域：
本发明涉及污水处理装置，特别涉及具有不同类型过滤头的曝气生物滤池以及曝气滤头的排列方法。
背景技术：
曝气生物滤池(BAF)在世界范围内被广泛应用于对市政污水或工业废水的处理。其结合了高处理效率及许多其他的优点，例如出水水质高及可靠性高等。如图1所示，曝气生物滤池主要包括滤料、支持滤料的池体、装设有用于供水和供气的过滤头并支持滤料的滤头层、以及位于滤头层下方的为引入污水、工艺曝气、反冲洗水和反冲洗空气所必需的所有的装置和构造。
在曝气生物滤池中去除污染物主要是基于两种机制，即通过过滤及生物降解。通过过滤时，污水中的悬浮固体物质从待处理的水中除去并进入滤料中的孔隙中；通过生物降解时，将从水中除去溶解的物质，并将先前已从水中过滤出的悬浮固体物质进行降解，其中溶解的物质种类可以是如糖或脂肪酸等的有机分子，或是如氨等的无机物。
生物降解是由自然产生于滤料外表面的一层只有几百微米厚的生物膜来实现的，生物膜是一层由不同细菌、原生动物及悬浮物所组成的均匀结构，且具有非常高的活性。
在曝气生物滤池里进行的生物降解是基于污水中含有的污染物的氧化而进行的。在降解过程中，污染物作为能量源并提供电子，由污染物所释放出的电子与氧气反应产生二氧化碳。
为了在曝气(亦称带氧)环境下进行生物降解，必须对生物膜提供氧气。这可通过将工艺曝气与待处理的污水同时引入过滤头而得以实现。污水及工艺曝气一同于滤头层下面引入。
除了提供工艺曝气以外，还需将空气引入曝气生物滤池用于反冲洗。反冲洗需要定时进行，例如每24小时进行一次，用以将留阻在滤料中的悬浮固体物质除去，并使生物膜回复到原始的厚度。如果没有定期反冲洗，则生物滤池最终会因滤料颗粒间的空隙的堵赛而积累过高的压力损失(pressure loss)。反冲洗空气可以与清洁的反冲洗水一同在滤头层的下方引入，但也可以在不添加水的情况下单独而引入。
工艺曝气及反冲洗空气的正确的提供，是影响曝气生物滤池总体性能的重要因素，因此，具有优化设计的曝气生物滤池的设计必须满足以下要求即，(1)使污水及工艺曝气的混合达到最优化；(2)在整个滤池表面(表面积等于或大于120m2)，均匀分布污水及工艺曝气；(3)当独立地注入污水或工艺曝气时，也能满足上述(1)和(2)的两个条件；(4)在整个滤池表面均匀分布反冲洗空气及反冲洗水。达到上述目标的基本的工艺设计包括水和气平行地上向流动(上向流过滤)，以及使用滤头层，以支持滤料及设置对任务进行优化用的过滤头。上向流过滤的好处甚多，如极佳的传质、通过空气防止堵塞(在方向流动的情况)等。而使用设置过滤头的滤头层，亦为一贯工程常用方法。
除了这些基本工艺参数以外，过滤头的具体的和优化的设计以及它们在滤头层上的排列也很重要。
图2为现有的用于曝气生物滤池中的过滤头的示意图。其中，过滤头1安装在滤头层2上。每个独立的过滤头1都是由带有排出口的喷头3和尾管4组成；尾管4在下端5开口，以便于使水进入。工艺曝气及反冲洗空气由一排空气进入孔6进入尾管4。空气在进入尾管前，在滤头层下方先累积形成一层气垫层7。因而在滤头层2的下方存在空气/水介面8。
通常，气垫层7的厚度(空气/水介面的位置)是水的流速、空气的流速、尾管的直径与长度以及尾管的空气孔的尺寸与排布这些参数的复杂的函数。一般而言，气垫层7的厚度取决于过滤头中的水力条件，并且当空气流速上升时，由于通过空气进入孔6的压力损失(pressureloss)，气垫层7的厚度将会增加，当水流速上升时，由于在尾管4内增加的水的压力损失导致了通过空气进入孔6的更高的空气流的压力损失(气垫层的压力减去孔高处的尾管内的压力)，因此，气垫层7的厚度将会减少。气垫层7的厚度反过来又将决定哪一个空气进入孔6是活跃有效的，能够接受空气。
图5显示了在现有的在曝气生物滤池中使用一种类型的过滤头时，在不同的空气/水比率下，空气/水介面与工艺曝气孔位置之间的关系。由图5可知，当空气/水比率增加时，空气/水介面被往下推移，气垫层的厚度增加。因此，在低的空气/水比率的情况下，该空气/水介面非常接近于工艺曝气入孔。而在这种低的空气/水比率下进行实际操作时，由于土建工程通常不可能被建造成完全地水平，很难避免出现局部区域的工艺曝气入孔出现位于空气/水介面以下的情形，从而导致整个工艺曝气产生不匀均的分布。
并且，由于无效的过滤头不是平均分布于整个生物滤池的表面，而是在水平方向上产生相对于滤头层的随机偏离，在很多情况下将形成片状“补丁”，这种补丁可以遍及曝气生物滤池表面的数平方米的区域，在这些区域上接受不到氧气供应，因此不参与生物降解过程。这通常会对滤池的处理效果产生严重的影响。
因此，就要求在设计过滤头尾管的部件时，充分考虑到曝气生物滤池操作中各阶段(正常过滤及反冲洗)的水力条件，尽量优化其设计，使得在不同曝气生物滤池的操作环境下，例如在空气和水的流速和/或空气/水比率不同的条件下等，水和空气均能通过过滤头而得到工艺曝气的均匀的分布。

发明内容
本发明者通过大量的工作和深入的研究后，提出了一种满足上述设计要求的曝气生物滤池，通过在其中使用两种不同类型的过滤头，能够实现在不同曝气生物滤池的操作环境下，空气和水通过过滤头而能够在滤料中得到均匀的分布。在本发明的曝气生物滤池中使用的两种不同类型的过滤头中，均在其尾管的较高的水平位置处具有供工艺曝气进入的工艺曝气入孔，以及在其尾管的较低位置处具有供反冲洗空气进入的反冲洗空气入口。在两种类型的过滤头中，工艺曝气入孔的水平位置和尺寸不同，反冲洗空气入孔、尾管的长度和直径以及喷头均相同。本发明者发现将这两种类型的过滤头按照一定的规律或以变化的比例安装在滤头层上时，就可在不同的水力条件下实现交错式供气(SPAS，StaggeredProcess Air Supply)，使工艺曝气在通过过滤头后实现在滤料中的均匀分布。在不同比率的空气/水流量的条件下，气垫层的厚度将有所不同，导致处于空气/水介面以上的工艺曝气入孔能够提供工艺曝气，而处于空气/水介面以下的工艺曝气入孔不能提供工艺曝气。由于本发明中的不同类型的过滤头上的工艺曝气入孔的位置上的差别，使得在不同的水力条件下，工艺曝气将由不同数量的过滤头均匀地提供，产生如上所述的交错式供气效果。
相对于在曝气生物滤池中的每一处均使用同一类型的过滤头的情况，由本发明的在同一曝气生物滤池内使用不同类型的过滤头能够实现在不同的水力条件下，进行交错式供气，从而可在整个过滤层表面上获得空气均匀分布的灵活性和可靠性。


图1为曝气生物滤池示意图。
图2为现有的用于曝气生物滤池中的过滤头的示意图。
图3为本发明的曝气生物滤池中使用的两种类型的过滤头的示意图。
图4为显示本发明的基流过滤头及高流过滤头的一种排列的示意图。
图5显示了现有的在曝气生物滤池中使用一种类型的过滤头时，在不同空气/水比率下，空气/水介面与工艺曝气孔位置之间的关系。
图6显示了本发明的在同一曝气生物滤池中使用两种类型的过滤头时，在不同空气/水比率下，空气/水介面与工艺曝气孔位置之间的关系。
图7显示了本发明中不同类型的过滤头的工艺曝气供应比例。
图8显示了本发明中不同类型的过滤头不同排列方法。
具体实施例方式
以下通过结合附图对本发明进行详细说明，但本发明并不限于以下内容。
图3显示了本发明的两种类型的过滤头，分别被称为基流过滤头9和高流过滤头10。在基流过滤头9和高流过滤头10上均具有工艺曝气入孔11。其中，在基流过滤头9上的工艺曝气入口11位于较高的水平位置(靠近喷头)，无论是处于哪个生物滤池的操作阶段，该进气孔均位于气垫层内，所以基流过滤头9始终保持活跃和有效。另外，高流过滤头10上的工艺曝气入口11位于相对较低的水平位置，当工艺曝气流量和/或空气流量/水流量的比率较小时，气垫层将达不到该进气孔的位置，所以在这些情况下，这些过滤头将是无效的，直至当工艺曝气流量和/或空气流量/水流量的比率增加时，气垫层的厚度增加，这些进气孔才能够变得活跃和有效。
为了能够有效地处理各种流量和污染负荷条件下的污水，曝气生物滤池必须能够适应大范围的空气流量和空气/水比率。
如图6所示，在本发明中，在相同的滤池中安装了两种不同类型的过滤头(基流过滤头及高流过滤头)，在进行交错式供气的条件下，在以非常低的空气/水流量比率进行气、水供给的初期，气垫层较薄，基流过滤头的位于较高水平位置的进气孔完全浸没在气垫层内，可持续稳定地提供曝气。并且，即使滤头层在水平方向上存在误差，也不会对生物滤池的基本空气的供应产生任何影响。
在中等水平的空气/水流量比率下，气垫层的厚度有所增加，但由于土建工程导致的局部区域中空气/水介面非常接近进工艺曝气入孔，因此在有限的区域内存在高流过滤头中的处于较低水平位置的工艺曝气入孔因未能浸没在气垫层中而变得无效。但是，由于这些过滤头在该中间操作阶段只提供占总空气流量的5～25％的空气，由它们产生的对空气的不均匀分布的影响仍然较小。
在图7中显示出了在不同的空气/水流量比率下，通过基流过滤头和高流过滤头提供的工艺曝气流量的百分比率。可以看出，在较低空气/水流量比率阶段，几乎完全由基流过滤头提供工艺曝气；在中等空气/水流量比率阶段，由高流过滤头提供的工艺曝气流量有所上升，当进入较高空气/水流量比率阶段后，所有的过滤头均能提供完全均匀的空气分布。因此，通过同时安装两种类型的过滤头(基流过滤头及高流过滤头)，无论在任何操作环境下，均能实现主要部分的工艺曝气的完全均匀的分布。从而保证了整个曝气生物滤池的过滤层在任何时刻、任何位置，均能得到均匀的基本氧气供应。并且在更高的氧气供应需求时，额外的氧气部份地经过变为有效的高流过滤头进行输送，从而可将气垫层的总厚度限制在设计的最大厚度以下。
在本发明中，虽然对基流过滤头和高流过滤头上的工艺曝气入孔间的距离的设置将根据具体的水力条件而有所差别，但优选的基流过滤头和高流过滤头上的工艺曝气入孔间的垂直距离差为10～40mm。并且，基流过滤头的工艺曝气入孔和反冲洗空气入孔间的距离优选为40～80mm。
此外，为了从整体上优化过曝气生物滤池的操作性能，除了上述过滤头具有不同位置的工艺曝气入孔及其尺寸之外，还必需对过滤头和与其安装相关的其他特征，如反冲洗进气孔的尺寸与位置、过滤头尾管的长度与内径、滤头层上过滤头的安装密度、基流过滤头与高流过滤头的比例和排列方式等特征进行优化选择。
对于安装于滤头层上的两种不同类型的过滤头的数量和排列方式没有特别的限制，其可根据在建设曝气生物滤池工厂时确定的相关操作条件，例如流速和空气/水比率等，而进行精细的调节设计，而以弹性的排列方式安装在滤头层中。其中，在每平方米的滤头层上的过滤头的总数优选为50～65个，基流过滤头的数目不少于总过滤头数的50％，高流过滤头数不多于总滤头数的50％。例如，如图4所示的情况中，在每4个过滤头中，有3个是作为基流过滤头，即，在这种曝气生物滤池的过滤头中，有75％为基流过滤头，25％为高流过滤头。又如在图8中表示了三种不同而可行的排列方式。在图8a中，基流过滤头与高流过滤头的比例为5∶1，并按照图示的排布方式进行有序地排布；图8b中，基流过滤头与高流过滤头的比例为3∶1，并按照图示的排布方式进行有序地排布；图8c中，基流过滤头与高流过滤头的比例为2∶1，并按照图示的排布方式进行有序地排布。
对于工艺曝气入孔的直径没有特别的限制，但是为了限制气垫层的最大高度(对应于在空气入孔的压力损失)，工艺曝气入孔必须具有足够大的直径，例如，为2mm，这样，当空气流量少时，导致通过该进气孔的压力损失非常低。因此，为了与最大负荷相对应，基流过滤头和高流过滤头上的工艺曝气入孔的直径优选为1.5～3.0mm。
此外，由于土建工程不可能达到很高的精确度，大型的滤头层不可能被建造成完全地水平，即使是对于建造得非常好的滤头层而言，通常也需要考虑最多为0.5mm至10mm的水平误差。因此，在实际操作的情况下，如果有效的进气孔的数量对于所有的流量都是相等的话，便会给在整个滤池表面进行均匀的空气分布带来问题。出于此原因，空气/水的介面与工艺曝气入孔的距离不能少于10mm，否则那些因土建工程的不精确而安装得过低的过滤头便会变得无效。
另外，反冲洗空气入孔的直径优选为3～5mm，尾管的长度(从基流过滤头的工艺曝气入孔到底端的长度)优选为100～300mm，尾管的内径优选为10～30mm。
除此之外，当在滤头层存在超过通常水平方向的偏离的情况下，还可以进一步通过调节装置对上述排列的过滤头的进气孔位置进行垂直方向的调整。例如，所述调节装置可以是夹在滤头层顶部和喷头下部边缘的水平调整环。
下面再通过实施例对本发明做进一步说明。
实施例1以一水量为10,000m3/d的生活污水处理厂为例，采用后硝化处理工艺，平均进水氨氮浓度为10mg/l，并随高峰流量或低流量时而改变。处理厂含两组上向流曝气生物滤池，每组尺寸为5米×3米，高度为7.2米，充填有高度为4米的膨胀黏土滤料，滤料顶部和池顶距离为2米。滤头层共安装了820只本发明的过滤头，其中270只(33％)为高流过滤头，550只(67％)为基流过滤头。
当平均进水时的气水比为1比1时，如只采用同一类型的过滤头时，空气分布并不会平均，但采用了67％的基流过滤头后会大大改善空气分布的均匀性。在气水比为1比1或＜1比1时，只有基流过滤头产生作用并使空气平均分布，而当高峰流量时，高流过滤头产生作用，并同时引进所需空气。
实施例2以另一水量为10,000m3/d，平均进水氨氮浓度为10mg/l的生活污水处理厂为例，采用前脱氮及后硝化两级上向流曝气生物滤池处理工艺，后级硝化生物滤池出水(含大量硝酸盐)将内回流至前级脱氮生物滤池，两级生物滤池中，前级并不会曝气而后级会曝气，两者都安装有过滤头。硝酸盐内回流将引至生物滤池的流速增加，但由于氨氮浓度不变，工布艺曝气要求不变，此时一般流速达10～14m/h，气水比为1比1.3(含内回流)，而此使用50％基流过滤头及50％高流过滤头，以保证空气能均匀分布。
实施例3以一水量为4000m3/d的生活污水处理厂为例，在尺寸为5米×3米，高度为6米的上向流曝气生物滤池中，充填有高度为4米的膨胀黏土滤料，滤料顶部和池顶距离为2米，滤头层安装了897只本发明的过滤头，其中299只(33.3％)为高流过滤头，598只(66.7％)为基流过滤头。
当BOD容积负荷为1.22kg/m3d、氨氮容积负荷为0.2kg/m3d、硝酸盐回流率为180％、气水比为1比3时，以预脱氮及硝化两级生物滤池时，BOD去除率达95％，氨氮去除率达96％，总氮去除率达72％。
权利要求
1.一种曝气生物滤池，其由进水分配装置、工艺曝气装置、反冲洗布气装置、水池、滤料层、滤头层、中部排水装置和出水口组成；所述滤头层用于支持滤料；所述过滤头安装于所述滤头层上，其由喷头和尾管组成，在尾管在下端具有开口供水进入，在管壁上具有工艺曝气入孔和反冲洗空气入孔；水和空气在滤头层的下方被引入，并通过所述过滤头平行地上向流动通过颗粒滤料，其特征在于，所述过滤头包括基流过滤头和高流过滤头，在该基流过滤头的管壁上的工艺曝气入孔相对于在该高流过滤头上的管壁上的工艺曝气入孔位于更高的水平位置。
2.根据权利要求1所述的曝气生物滤池，其特征在于，所述基流过滤头和高流过滤头上的工艺曝气入孔间的垂直距离差为10～40mm。
3.根据权利要求1或2所述的曝气生物滤池，其特征在于，所述基流过滤头的工艺曝气入孔和反冲洗空气入孔间的距离为40～80mm。
4.根据权利要求1或2所述的曝气生物滤池，其特征在于，所述安装在基流过滤头及高流过滤头的工艺曝气入孔的尺寸可以不同。
5.根据权利要求1所述的曝气生物滤池，其特征在于，在所述过滤头尾部还具有额外的进气口。
6.根据权利要求1所述的曝气生物滤池，其特征在于，所述过滤头还具有用于垂直调节过滤头的进气孔位置的调节装置，该调节装置是夹在滤头层顶部和喷头下部边缘的水平调整环。
7.根据权利要求1所述的曝气生物滤池，其特征在于，基流过滤头的数目不少于总过滤头数的50％，高流过滤头数不多于总滤头数的50％。
8.根据权利要求1所述的曝气生物滤池，其特征在于，基流过滤头上的工艺曝气入孔的直径为1.5～3.0mm，高流过滤头上的工艺曝气入孔的直径为1.5～3.0mm，反冲洗空气入孔的直径为3～5mm，尾管的长度为100～300mm，尾管的内径为10～30mm。
9.权利要求1的曝气生物滤池中曝气滤头的排列方法，其特征在于，根据流入曝气生物滤池的不同的工艺曝气和水的流量选择基流过滤头及高流过滤头安装在曝气生物滤池的滤头层的方式，以变化的比例或一定规律进行排列。
全文摘要
本发明涉及污水处理装置，特别涉及具有不同类型的过滤头的曝气生物滤池及曝气滤头的排列方法。本发明提供的曝气生物滤池中的过滤头包括基流过滤头和高流过滤头，在该基流过滤头的管壁上的工艺曝气入孔相对于在该高流过滤头上的管壁上的工艺曝气入孔位于更高的水平位置。
文档编号C02F3/12GK1689985SQ200410033940
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月19日 优先权日2004年4月19日
发明者康拉德, 胡百利 申请人:安乐工程有限公司, 德国Bhu环保技术公司