隨著當(dāng)今石油工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，原油加工能力的提高，大量的水資源被耗用，使得原有的供水設(shè)施遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。煉油行業(yè)面臨日益嚴(yán)重的水資源短缺危機(jī)，節(jié)水和污水回用成為企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。污水深度處理就是以二級(jí)處理后的污水為源水，再經(jīng)深度處理后回用。污水深度處理工藝很多，對(duì)應(yīng)不同的污水性質(zhì)，可以采用不同的工藝方法。以某石化污水處理場(chǎng)曝氣生物濾池工藝為研究對(duì)象，對(duì)該工藝的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行分析，共同探討曝氣生物濾池在煉油污水深度處理中的應(yīng)用。

1 污水深度處理工藝流程

某石化污水處理場(chǎng)二級(jí)處理出水先經(jīng)過(guò)后氣浮進(jìn)一步去除石油類(lèi)和COD，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)池提升至曝氣生物濾池(簡(jiǎn)稱(chēng)BAF) 去除部分氨氮和COD，再通過(guò)活性碳塔過(guò)濾，進(jìn)入流砂過(guò)濾裝置去除懸浮物，從而完成污水深度處理流程。工藝流程圖如下:

圖1 污水深度處理工藝流程

2 曝氣生物濾池設(shè)計(jì)

2. 1 設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)處理水量200 m3 /h，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表1，曝氣生物濾池設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 曝氣生物濾池進(jìn)出水水質(zhì)mg /L

表2 曝氣生物濾池主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2. 2 BAF 裝置的構(gòu)成

BAF 由生物濾池、曝氣供風(fēng)系統(tǒng)、反沖洗供風(fēng)系統(tǒng)、反沖洗系統(tǒng)、反沖洗廢水池(泥水分離池) 、反沖洗清水池、自控系統(tǒng)組成。

(1) 曝氣生物濾池

某石化污水深度處理曝氣生物濾池工藝采用的是內(nèi)循環(huán)式固定生物氧化床工藝(簡(jiǎn)稱(chēng)IRBAF工藝) 。即在曝氣區(qū)充氧的同時(shí)，將污水沿曝氣器管道提升，再經(jīng)過(guò)反應(yīng)器生物床，在填料區(qū)形成循環(huán)水流，從而達(dá)到去除污染物的目的。

BAF 反應(yīng)池共設(shè)置5 間，單間池體規(guī)格:8 000 mm × 5 000 mm × 5 000 mm，每間處理水量為40 m3 /h。濾池自上而下依次分為生物濾料、承托層填料、曝氣提升回流器、主曝氣系統(tǒng)(含曝氣頭) 、進(jìn)水布水器、反沖洗布水系統(tǒng)、反沖洗布?xì)庀到y(tǒng)、配水器。

承托層采用的是瓷球，粒徑40 ～ 55mm。

濾料采用沸石填料，比表面積5. 5 ～ 7. 8 ×104 cm2 /g，填裝高度2. 5 m。

(2) 曝氣供風(fēng)系統(tǒng)

污水處理場(chǎng)生化系統(tǒng)由2 臺(tái)離心鼓風(fēng)機(jī)統(tǒng)一供風(fēng)。

(3) 反沖洗供風(fēng)系統(tǒng)

反沖洗供風(fēng)系統(tǒng)主要采用非凈化風(fēng)系統(tǒng)，要求風(fēng)壓不低于0. 45 MPa。由于非凈化風(fēng)系統(tǒng)波動(dòng)較大，而且考慮到BAF 反沖洗的強(qiáng)度和用風(fēng)量，在BAF 系統(tǒng)前設(shè)置非凈化風(fēng)緩沖罐，滿(mǎn)足單池反洗的風(fēng)量。

(4) 反沖洗系統(tǒng)

某石化污水深度處理BAF 工藝反沖洗系統(tǒng)由調(diào)節(jié)池、反洗水泵以及和BAF 池連接的管道、閥門(mén)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。采用氣-水聯(lián)合反沖洗技術(shù)，即采用較大強(qiáng)度的反沖氣流沖擊生物濾床，使池內(nèi)水體以較大的速度向上膨脹，從而提高濾料層擾動(dòng)強(qiáng)度和系統(tǒng)應(yīng)力中的附加切應(yīng)力。生物膜及雜質(zhì)在強(qiáng)烈的剪切、碰撞作用下快速脫落，從而提高系統(tǒng)的反沖洗效果，避免濾料的粘結(jié)堵塞，保持反應(yīng)器的活性，達(dá)到穩(wěn)定處理的目的。

整個(gè)反沖洗系統(tǒng)采用PLC 控制。反應(yīng)池共5間，每間池安裝氣動(dòng)閥3 臺(tái)，電磁閥1 臺(tái)，依次為出水氣動(dòng)閥、反沖洗進(jìn)水氣動(dòng)閥、反沖洗出水氣動(dòng)閥、反沖洗風(fēng)電磁閥。分別控制出水、反沖洗進(jìn)水、反沖洗進(jìn)風(fēng)的打開(kāi)與關(guān)閉，從而進(jìn)行BAF 池反沖洗的自動(dòng)控制。

(5) 反沖洗廢水池

主要用來(lái)存儲(chǔ)BAF 反沖洗時(shí)產(chǎn)生的廢水。

3 運(yùn)行調(diào)試

由于在運(yùn)輸和投加的過(guò)程中，造成濾池內(nèi)比較臟，所以在調(diào)試前，先要利用氣沖和水洗將陶粒中的臟東西淘洗干凈，然后再進(jìn)入正式掛膜階段。

3. 1 啟動(dòng)掛膜

合適的啟動(dòng)方式對(duì)BAF 裝置效能發(fā)揮作用明顯，也是保證BAF 裝置快速啟動(dòng)的決定性因素。某石化BAF 裝置啟動(dòng)采用的是接種掛膜法。即通過(guò)提升泵將生化系統(tǒng)活性污泥投加到濾池中作為種泥，然后以小流量進(jìn)水，通氣悶曝，使微生物逐漸接種在濾料上，附著生長(zhǎng)，控制污水中溶解氧濃度大于或等于2 mg /L。停留時(shí)間達(dá)到8 h，排出上清液，增大進(jìn)水流量(即增加水力負(fù)荷) ，逐漸減少停留時(shí)間，繼續(xù)悶曝一段時(shí)間。每次增加的負(fù)荷量約為30% 左右，直至達(dá)到處理能力。在掛膜期間，每天對(duì)進(jìn)出水的COD 和氨氮進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)出水的COD≤60 mg /L 和出水氨氮≤5 mg /L 時(shí)，即可認(rèn)為掛膜完成，此時(shí)生物相對(duì)比較穩(wěn)定。掛膜時(shí)間需要20 ～ 30 d 左右。這種掛膜的方法能夠迅速啟動(dòng)BAF 裝置，完成掛膜。

3. 2 生物相分析

曝氣生物濾池的生物膜是由濾料表面和濾料空隙之間截留的懸浮物、吸附膠體和繁殖的微生物組成。生物膜的微型動(dòng)物大部分是單細(xì)胞的原生動(dòng)物，如肉足蟲(chóng)、鞍毛蟲(chóng)、纖毛蟲(chóng)和吸管蟲(chóng)，也有比較復(fù)雜的后生動(dòng)物，如輪蟲(chóng)等。

通過(guò)對(duì)曝氣生物濾池從運(yùn)行初期到運(yùn)行一段時(shí)間后的觀(guān)察，生物膜上的生物均是由低等向高等演變。在曝氣生物濾池的掛膜過(guò)程中，先出現(xiàn)菌膠團(tuán)和絲狀菌，出水外觀(guān)渾濁。系統(tǒng)剛剛運(yùn)行時(shí)，只見(jiàn)到大量的細(xì)菌，其它微生物很少或不出現(xiàn)。系統(tǒng)正常運(yùn)行和生物膜降解良好時(shí)，相應(yīng)地出現(xiàn)許多較高等的微生物，出水外觀(guān)清澈，鏡檢可以觀(guān)察到生物膜，還有淺色菌膠團(tuán)、絲狀菌和固著型纖毛蟲(chóng)。生物相中占優(yōu)勢(shì)的原生動(dòng)物以固著型的纖毛蟲(chóng)為主，如鐘蟲(chóng)、等枝蟲(chóng)等。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，生物膜上的生物相也相對(duì)穩(wěn)定。如果進(jìn)水的營(yíng)養(yǎng)狀況有較大的改變，即系統(tǒng)非正常運(yùn)行時(shí)，則原生動(dòng)物中的游動(dòng)型纖毛蟲(chóng)突然增加，固著型纖毛蟲(chóng)減少，伴隨著絲狀菌稀少和菌膠團(tuán)松散，此時(shí)出水水質(zhì)變差[1]。

3. 3 調(diào)試

在調(diào)試期間，應(yīng)盡可能保證進(jìn)水水質(zhì)和水量的穩(wěn)定。水質(zhì)嚴(yán)重惡化時(shí)，應(yīng)降低濾速，以保證污染物負(fù)荷的穩(wěn)定。要達(dá)到穩(wěn)定的去除效果，調(diào)試和運(yùn)行時(shí)，為確保濾池中的生物膜，防止污泥堵塞濾料，應(yīng)調(diào)節(jié)各池布?xì)饬�，保持曝氣�?qiáng)度的穩(wěn)定和曝氣時(shí)間的連續(xù)[2]。

BAF 運(yùn)行一段時(shí)間后，生物膜漸漸增厚，生長(zhǎng)過(guò)量的微生物也聚集在濾池表面和濾料空隙中，濾料間截留大量懸浮物，造成填料的空隙度減小，水頭損失增大�？偟乃^損失可能達(dá)到或者接近設(shè)計(jì)流量通過(guò)BAF 裝置所必需的水頭損失，或者是出現(xiàn)濾料顆粒穿透，在任一情況出現(xiàn)之前，BAF 裝置應(yīng)停止運(yùn)行進(jìn)行反沖洗。某石化BAF 裝置采用自動(dòng)氣-水聯(lián)合反沖洗，反洗采用脈沖反洗技術(shù)，即在氣水聯(lián)洗階段，利用反洗進(jìn)風(fēng)閥的瞬間開(kāi)啟和閉合進(jìn)行反洗。

反沖洗周期視進(jìn)水COD 負(fù)荷和懸浮物濃度確定，進(jìn)水COD 越低、懸浮物越低，則反沖洗周期越長(zhǎng)，反之越短。由于煉油污水處理的特點(diǎn)，進(jìn)水的水質(zhì)水量波動(dòng)比較大，工業(yè)運(yùn)行中BAF 池的容污周期不同，反沖洗周期也不同，故組態(tài)時(shí)只考慮了對(duì)反沖洗動(dòng)作和時(shí)間的控制，沒(méi)有對(duì)反洗周期控制。反沖洗周期可以根據(jù)運(yùn)行情況定期調(diào)整設(shè)定。BAF 池采用單池依此反沖洗的方式，而現(xiàn)場(chǎng)采用的非凈化風(fēng)罐容量較小，一次實(shí)際只能滿(mǎn)足單池反洗，反洗完后風(fēng)罐要一定時(shí)間恢復(fù)反洗所需壓力(0. 45 MPa) ，因此反洗程序?qū)嶋H只考慮為單池各閥門(mén)和反洗泵的開(kāi)關(guān)控制，動(dòng)作持續(xù)時(shí)間和各閥泵聯(lián)鎖時(shí)間。調(diào)試期間進(jìn)出水COD 及處理效果變化情況見(jiàn)圖3。

4 BAF 的反沖洗

BAF 濾池反沖洗是保證濾池效能的關(guān)鍵步驟。反沖洗的目的是在較短的時(shí)間內(nèi)，使濾料得到清洗，恢復(fù)其除污能力，即清除濾料顆粒間所截留的懸浮物及濾料表面脫離的老化生物膜，但必須保留適量的生物膜，這對(duì)于曝氣生物濾池反應(yīng)器是至關(guān)重要的。曝氣生物濾池反沖洗效果對(duì)出水水質(zhì)、運(yùn)行周期的影響很大。反沖洗不充分，濾池運(yùn)行周期將會(huì)大大縮短; 若反沖洗過(guò)量，微生物數(shù)量不足，生化處理效能下降，出水水質(zhì)變差，盡管濾料的固體容量得以提高，但出水仍達(dá)不到要求[3]。

BAF 反沖洗的過(guò)程可分為三個(gè)階段: 反沖開(kāi)始濾層膨脹階段、濾層懸浮平衡階段和后期的懸浮濾層沉降階段。由于第一階段的特征是濾層變速膨脹，顆粒擁擠上升，碰撞摩擦劇烈，再加上反沖氣/水的剪切、摩擦作用使濾料凈化效率最高; 而第二和第三階段顆粒碰撞摩擦的機(jī)會(huì)極少使碰撞摩擦作用減弱，而且反沖氣/水對(duì)濾料的剪切和摩擦強(qiáng)度也會(huì)由于濾層處于平衡狀態(tài)而有所降低，因此沖洗效果主要取決于第一階段[4]。

4. 1 反沖洗氣強(qiáng)度的確定

根據(jù)有關(guān)資料，氣反沖效率的影響明顯大于水沖強(qiáng)度變化的影響。因此，這里只考查了氣沖強(qiáng)度變化對(duì)反沖洗的影響。首先固定水沖強(qiáng)度，對(duì)比反沖洗氣強(qiáng)度在20 ～ 40 m3 /min 的氣沖效率，通過(guò)分析反沖洗液中的總固體含量來(lái)選擇控制范圍。

當(dāng)氣沖強(qiáng)度小于20 m3 /min 時(shí)，濾床無(wú)攪動(dòng)、膨脹現(xiàn)象，只是濾層中下段發(fā)生蠕動(dòng)，生物膜及雜質(zhì)的剝落僅通過(guò)水流的剪力和分散氣泡引起的小范圍濾料的碰撞摩擦作用，由水流的漂洗脫離濾床，因而老的生物膜未完全脫落，反沖洗液中的固體含量不高; 當(dāng)氣沖強(qiáng)度增加到20 ～ 30Nm3 /min 時(shí)，在濾層底部即可形成大氣泡，并以不連續(xù)的方式跳躍上升，引起整個(gè)濾層劇烈的碰撞摩擦，同時(shí)濾層出現(xiàn)流化置位現(xiàn)象，濾料在氣流的攜帶下有小部分流失，提高了去除效果; 由于污水場(chǎng)的風(fēng)壓達(dá)不到0. 45 MPa，因此無(wú)法考查當(dāng)氣沖強(qiáng)度增大到40 Nm3 /min 以上時(shí)的狀況，但根據(jù)氣沖強(qiáng)度在20 ～ 30 Nm3 /min 的狀況可以推斷出，當(dāng)氣沖強(qiáng)度增大到40 Nm3 /min 以上時(shí)，濾層會(huì)更加劇烈的流化脈動(dòng)，濾料將會(huì)在氣流的攜帶下流失。

圖4 不同反沖洗時(shí)間下反沖洗液總固體含量對(duì)比

4. 2 反沖洗周期的確定

在反沖洗強(qiáng)度一定的條件下，反沖洗周期與進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷、進(jìn)水懸浮物有關(guān)。當(dāng)曝氣生物濾池進(jìn)水水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定后，摸索最佳的BAF 反沖洗周期。固定水反沖強(qiáng)度和氣沖強(qiáng)度，反沖洗時(shí)間為5 min，在反沖洗后分別間隔運(yùn)行4 h，考查BAF 對(duì)COD 的去除效果。

圖5 不同運(yùn)行時(shí)間BAF 對(duì)COD 去除率的對(duì)比

從上圖看，COD 的去除率在反沖洗后初期有明顯的上升趨勢(shì)，主要是因?yàn)榉礇_洗后微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)，其活性逐漸恢復(fù); 當(dāng)濾池運(yùn)行到中期(24 h) 時(shí)，COD 有較高的去除率; 但運(yùn)行到后期(48 h) 時(shí)，因截留的懸浮物和脫落的生物膜堵塞濾床而不利于溶解氧的傳輸，導(dǎo)致異養(yǎng)菌活性下降，去除效率下降。

為了達(dá)到較高的去除率，確定反沖洗周期為24 h。

4. 3 反沖洗時(shí)間的確定

這里所討論的反沖洗時(shí)間為氣水聯(lián)洗階段的時(shí)間。在BAF 反沖洗的過(guò)程中，水反沖洗強(qiáng)度、氣反沖洗強(qiáng)度和氣水同時(shí)反沖洗時(shí)間對(duì)反沖洗效果有較大的影響，而氣水同時(shí)反沖洗是氣水聯(lián)合反沖洗過(guò)程中最關(guān)鍵的一步。為摸索最適合的反沖洗時(shí)間，固定水反沖強(qiáng)度和氣沖強(qiáng)度，分別考查反沖洗時(shí)間為5 min、10 min 條件下BAF 對(duì)COD 的去除效果。

圖6 不同反沖洗時(shí)間BAF 對(duì)COD 去除率對(duì)比

從上圖可以看出，在同等采樣時(shí)間下，反沖5 min 比10 min 對(duì)COD 的去除效率更高; 同等去除效率的前提下，BAF 從反沖洗完成到出水正常時(shí)間，即BAF 的濾層恢復(fù)時(shí)間，反沖5 min 比10min 要短。這說(shuō)明反沖5 min 時(shí)濾料表層的有機(jī)活性生物膜層仍有適當(dāng)存余，反沖后濾層只需短暫的穩(wěn)定即可達(dá)到較高的COD 去除效率，而反沖10 min 則使生物膜幾乎全部沖脫，濾層的恢復(fù)僅依賴(lài)于生物膜的重新形成，因而速度較慢[3]。曝氣生物濾池反沖后的恢復(fù)速度決定于濾料上活性生物膜層的存在與否，因此確定反沖時(shí)間為5 min。

5 工程運(yùn)行結(jié)果

工程運(yùn)行幾個(gè)月后，曝氣生物濾池水力負(fù)荷達(dá)到3. 0 kg /m3·d，反沖洗周期24 h 后，反沖洗氣沖強(qiáng)度控制在20 ～ 30 Nm3 /min ，氣水聯(lián)合沖洗5 min，對(duì)COD 有較高的去除效果，平均去除率高達(dá)51%。

6 結(jié)語(yǔ)

曝氣生物濾池內(nèi)填料的物理吸附和過(guò)濾截留作用及生物膜的生物氧化作用能夠高效去除污水中的有機(jī)物。曝氣生物濾池工藝已廣泛應(yīng)用于污水回用或者污水深度處理。在今后的運(yùn)行實(shí)踐中還需繼續(xù)摸索曝氣生物濾池與其它工藝優(yōu)化組合，進(jìn)一步發(fā)揮其高效的去污能力。

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