生物濾池工藝在污水資源化中的應(yīng)用

　　近年來，隨著人類社會的不斷發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市的用水量和排水量都在不斷增加，本文主要探討生物濾池工藝在污水資源化中的應(yīng)用。

　　《水資源與水工程學(xué)報》(雙月刊)創(chuàng)刊于1990年，由教育部主管、西北農(nóng)林科技大學(xué)主辦。本刊的辦刊宗旨是：以學(xué)術(shù)質(zhì)量為核心，不斷提高期刊的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。嚴(yán)格遵守國家有關(guān)編輯出版政策、法規(guī)，貫徹國家“科技興國”和“農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展”戰(zhàn)略，充分發(fā)揮科技期刊的政治導(dǎo)向和科技導(dǎo)向，不斷提高刊物的學(xué)術(shù)質(zhì)量和知名度。

　　1引言

　　隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增加，生活水平的不斷提高，世界范圍的淡水資源的需求和消耗不斷增多，相應(yīng)的城市污水和工業(yè)廢水的排放量也在不斷增多。造成水環(huán)境污染范圍不斷擴(kuò)大，水資源短缺情況日益嚴(yán)重。因此，選擇采用何種方式能有效的改善我國的水環(huán)境狀況，切實解決水資源不足的現(xiàn)狀是我們當(dāng)前首要解決的問題。而利用需氧微生物對污水或有有機(jī)性廢水進(jìn)行生物氧化處理的這種生物濾池工藝因其多重優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于對城市污水進(jìn)行處理回用的方案中。并有效的緩解了城市水資源供應(yīng)不足的現(xiàn)狀，對城市的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。

　　水資源污染現(xiàn)狀

　　我國城市生活污水排放量每年以5%的速度遞增，在1999年首次超過工業(yè)污水排放量，2001年城市生活污水排放量221億噸，占全國污水排放總量的53.2%。我國的廢水處理率一直很低，據(jù)統(tǒng)計：目前全國年排污量約為350億m3，但城市污水集中處理率僅為15%，工業(yè)廢水處理達(dá)標(biāo)率也在70%以下，大部分廢水未經(jīng)任何處理或處理不達(dá)標(biāo)就排放到江河湖泊等受納水體，致使水質(zhì)嚴(yán)重惡化，其中松花江、淮河、海河和遼河水系污染嚴(yán)重，86%城市河流受到了不同程度的污染[6]。照此狀況發(fā)展下去，城市的水環(huán)境將每況愈下，并進(jìn)一步的加劇了水資源的短缺和水環(huán)境的污染。即使在我國水資源比較豐富的南方地區(qū)，由于水體污染，水質(zhì)型缺水也處于相當(dāng)嚴(yán)峻地步。而且隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展及人口城市化的加速，城鎮(zhèn)污水量將愈來愈大，水環(huán)境污染也將會隨之日益加重。水環(huán)境的嚴(yán)重破壞也將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，影響著我國的社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市的可持續(xù)發(fā)展。

　　3污水回用技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展論文

　　3.1城市污水處理技術(shù)—生物濾池

　　生物濾池是以處理廢水中的有機(jī)污染物為主要目的的單元操作。生物濾池也稱滴濾池，是以土壤自凈原理為依據(jù)，在污水灌溉實踐的基礎(chǔ)上,經(jīng)較原始的間歇式濾池和接觸池發(fā)展起來的人工生物處理技術(shù)。污水長時間以滴狀噴灑在塊狀濾料層的表面，就會在濾料表面形成生物膜，棲息在生物膜上的微生物即攝取流經(jīng)污水中的有機(jī)物為營養(yǎng)物質(zhì)，從而使污水得到凈化，這種處理構(gòu)筑物稱為生物濾池[1]。

　　(一)分類

　　目前，研究應(yīng)用的生物濾池種類很多，有普通生物濾池、高負(fù)荷生物濾池、塔式生物濾池、曝氣生物濾池、活性生物濾池和厭氧、好氧生物濾池等。

　　(二)構(gòu)造

　　生物濾池一般由鋼筋混凝土或磚石砌筑而成，在構(gòu)造上主要分為濾床、排水設(shè)備和布水裝置三部分。(1)濾床：它由濾料和池體組成，其中濾料是生物膜的載體亦是生物濾池的重要組成部分，其主要特性有：大的表面積，有利于微生物的附著;能使廢水以液膜狀均勻分布于其表面; 有足夠大的孔隙率，使脫落的生物膜能隨水流到池底，同時保證良好的通風(fēng);適合于生物膜的形成與粘附，且應(yīng)該既不被微生物分解，又不抑制微生物的生長;有較好的機(jī)械強(qiáng)度，不易變形和破碎。(2)排水設(shè)備：它設(shè)置在池底，它通常分為兩層，即包括濾料下的滲水裝置和底板處的集水溝和排水溝。主要作用是收集濾床流出的污水與生物膜;滲水頂板用于支撐濾料，其排水孔的總面積應(yīng)不小于濾池表面積的20%;滲水頂板的下底與池底之間的凈空高度一般應(yīng)在0.6m以上，以利通風(fēng)，一般在出水區(qū)的四周池壁均勻布置進(jìn)風(fēng)孔。(3)布水裝置：它設(shè)在濾料層的上方，其作用是在規(guī)定的表面負(fù)荷下，將廢水均勻分布到整個濾池表面上。在目前生產(chǎn)實踐中，常用布水裝置有固定式和旋轉(zhuǎn)式兩種。前者多用于普通生物濾池。而高負(fù)荷生物濾池和塔式生物濾池則常用旋轉(zhuǎn)布水裝置。

　　(三)凈化機(jī)理

　　生物濾池是采取污水通過布水裝置連續(xù)均勻的噴灑到濾池表面上，在重力的作用下，以滴流形式下落，一部分被吸附于濾料表面，成為成薄膜狀的附著水層，另一部分則以薄膜形式滲流過濾料，成為流動水層，最后到達(dá)排水系統(tǒng)，流出濾池的操作過程對污水進(jìn)行凈化處理[2]。

　　(四)運(yùn)行系統(tǒng)論文

　　生物濾池運(yùn)行系統(tǒng)基本上是由初沉池、生物濾池、二沉池等三部分組合而成。(1)初沉池的作用是可預(yù)先去除廢水中的懸浮物，以防止濾層堵塞。(2)二沉池則用以分離脫落的生物膜，其所需的容積很小。(3)生物濾池中一般無二沉池污泥回流，特別是高負(fù)荷生物濾池和塔式生物濾池常采用出水回流。

　　生物過濾系統(tǒng)組合形式有單級運(yùn)行系統(tǒng)和多級運(yùn)行系統(tǒng)。生物濾池運(yùn)行流程圖見圖1[14]，生物濾池運(yùn)行流程圖。

　　資料來源：郭曉、韓宗育編《污水再生工藝流程》。

　　(五)影響生物濾池性能的主要因素

　　生物濾池中有機(jī)物降解過程非常復(fù)雜，同時發(fā)生著有機(jī)物在污水和生物膜中的傳質(zhì)過程，有機(jī)物的好氧和厭氧代謝，氧在污水和生物膜中的傳質(zhì)過程，生物膜脫落等物理、化學(xué)、物理化學(xué)和生物化學(xué)過程。這些過程的速率影響生物濾池的性能和處理效率。影響這些過程的主要因素有：

　　(1)濾池高度研究表明，生物濾池的處理效率在一定的條件下隨濾床高度的增加而增加，在濾床高度超過某一數(shù)值后處理效率提高很小，不經(jīng)濟(jì)。另外濾床不同深度的微生物種類、數(shù)量都不同。濾床的上層，污水中的有機(jī)物濃度較高，微生物繁殖速率高，種屬較低級，生物膜量多，有機(jī)物去除速率較高;隨著濾床深度的增加，微生物從低級趨向高級，種類逐漸增多，生物膜量從多到少。這反映出濾床高度對處理效率的影響同廢水的水質(zhì)有關(guān)。

　　(2)負(fù)荷率生物濾池的負(fù)荷率是一個集中反映生物濾池工作性能的參數(shù)。生物濾池的負(fù)荷率一般用兩種形式表現(xiàn)：以流量為準(zhǔn)的負(fù)荷率稱為水力負(fù)荷率，單位是m3廢水/(m2濾池·d);以BOD5為準(zhǔn)的負(fù)荷率稱為有機(jī)負(fù)荷率，單位是kgBOD5/(M3濾料·d)。有機(jī)負(fù)荷高，生物膜增長快，需要較高的水力負(fù)荷，一般是通過出水回流來解決。

　　(3)回流利用生物濾池出水稀釋進(jìn)水的做法稱為回流，回流水量與進(jìn)水量之比為回流比。回流多運(yùn)用于高負(fù)荷生物濾池的運(yùn)行系統(tǒng)，對生物濾池性能有明顯影響，是生物濾床由低負(fù)荷演變成高負(fù)荷的方法之一。它的優(yōu)點(diǎn)是：①可增大水力負(fù)荷，促進(jìn)生物膜的脫落，防止堵塞;②可稀釋污水，降低其有機(jī)負(fù)荷，并借以均化、穩(wěn)定進(jìn)水水質(zhì);③可向生物濾池連續(xù)接種，促進(jìn)生物膜生長;④增加進(jìn)水溶解氧，改善進(jìn)水的腐化狀態(tài);⑤防止濾池孳生蚊蠅。缺點(diǎn)是：①縮短了廢水在濾池中的停留時間;②灑水量大，降低了入流污水的有機(jī)濃度，從而降低傳質(zhì)和有機(jī)物的去除率;③回流水中難降解的物質(zhì)會產(chǎn)生積累;④冬天使池中水溫降低;⑤增加能耗，增大運(yùn)行費(fèi)用。可見回流對生物濾池的影響是多方面的。

　　(4)供氧向生物濾池提供充足的氧是保障生物膜正常工作的必要條件，也有利于排除代謝產(chǎn)物。在生物濾池中，微生物所需的氧一般來自大氣，是靠自然通風(fēng)供給。影響濾池自然通風(fēng)的主要因素：①池內(nèi)溫度與氣溫之差;②濾池高度;③濾料孔隙率及風(fēng)力等; ④濾池堵塞也會影響通風(fēng)。入流污水有機(jī)物濃度較高時，供氧條件可能成為影響生物濾池工作的主要因素。

　　4普通生物濾池設(shè)計計算

　　設(shè)計小區(qū)的條件：某地方設(shè)計人口N=50000人，排水標(biāo)準(zhǔn)為120L/(人.d)，污水BOD5按25g/d考慮，設(shè)計普通生物濾池。年平均氣溫為7℃，K總=1.5。年平均氣溫為7℃時，濾池容積負(fù)荷M=170gBOD5/(m3.d),La=25g/(人.d)。

　　1、水量的確定

　　Q=120L/(人.d)×50000人÷1000L÷3600s÷24小時=0.07m3/s

　　2、格柵的計算

　　上為格柵計算草圖，設(shè)柵前水深h=0.4m，過柵流速取v=0.9m/s，用中格柵，柵條間隙e=20mm，格柵安裝傾角α=60°

　　柵條的間隙數(shù)：

　　取柵條寬度S=0.01m，柵槽寬度：B=S(n-1)+en=0.01(9-1)+0.02×9=0.26m

　　進(jìn)水渠道漸寬部分的長度：若進(jìn)水渠寬，漸寬部分展開角度，此時進(jìn)水渠道內(nèi)的流速為，

　　柵槽與出水渠道連接處的漸窄部分長度：

　　因柵條為矩形截面,取k=3,并將已知數(shù)據(jù)代入式得

　　柵后槽總高度：取柵前渠道超高，柵前槽高

　　柵槽的總長度：

　　每日柵渣量：取，

　　采用人工清渣。

　　3、濾池尺寸的確定

　　(1)每人所需濾池面積V2=La/M=25/170=0.147(m3/人)

　　(2)濾池總體積V=NV2=50000×0.147=7350(m3)

　　(3)設(shè)濾池層高H=2.0m，則生物濾池的有效面積F=V/H=7350/2.0=3675(M2)

　　(4)污水平均日流量Q=50000×0.12=6000(m3.d)

　　(5)濾池的面積校核q=Q/F=6000/3675=1.63[m3/(m2.d)]

　　q在1～3m3/(m2.d)之間,可以滿足要求。

　　(6)濾池的平面尺寸。采用6個濾池，每個濾池的面積為

　　F1=F/m=3675/6≈613m2平面尺寸為L×B=20m×31m

　　(7)每個濾池的濾料體積為V1′=BLH=31×20×2=1240(m3)

　　(三)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評價

　　1.土建(固定成本)分析計算表見表4，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析計算評價表。

　　表4經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析計算評價表

　　單位：元

　　序號 名稱 單位 數(shù)量 單價 (直接費(fèi))合價

　　1 格柵渠 米 5 200 1000

　　2 土地費(fèi) 畝 10 4000 40000

　　3 濾池 座 6 350000 1800000

　　4 填料 噸 7440 25 186000

　　5 格柵 米 0.26 325 84.5

　　6 工作間 米2 100 560 56000

　　7 泵 臺 8 2500 20000

　　8 小計 2103085

　　9 零星工程(5%) 105154

　　總計 2208239

　　經(jīng)計算求得噸水投資：2208239/6000=368元/噸。而采用曝氣處理城市污水噸水投資為：2000元/噸左右。

　　2.運(yùn)行費(fèi)用

　　電費(fèi)：0.42度/噸×0.65元=0.273元/噸

　　人工管理費(fèi)：50元×10/6000=0.083元/噸

　　其它折舊費(fèi)：(2208239-40000)/(20×365×24×3600×0.07)=0.049元。

　　這樣運(yùn)行費(fèi)用為：0.273+0.083+0.049=0.405元/噸

　　而采用曝氣處理城市污水運(yùn)行費(fèi)用為：0.70元/噸。

　　通過上述估算，得出采用此工藝處理生活污水的成本較低，經(jīng)濟(jì)上具有較高的可行性。

　　5結(jié)論

　　(一)研究得出普通生物濾池BOD5的去除效率高達(dá)95%以上，廢水中的有機(jī)物被氧化分解得比較徹底，其處理水質(zhì)可達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)(COD〈60mg/L)，處理效果好，而且易于管理、節(jié)約能源。

　　(二)研究針對流量為6000m3.d(即人口為5萬人的生活用水排放量)的區(qū)域，計算得出其濾池的總體積為7350m3，可分為6個濾池，每個濾池的尺寸可定為L×B×H=20m×31m×2m。

　　(三)在采用普通生物濾池工藝進(jìn)行污水處理上，其噸水處理成本為368元/噸，運(yùn)行成本為0.409元/噸。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]童安齊,沈建.水污染治理新技術(shù).北京:科學(xué)出版社,2004.

　　[2]聶梅生.污水回用的技術(shù)路線.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002,1-6.