曝氣生物濾池氣沖工藝的若干優(yōu)化設(shè)計建議

王曉娟，趙雪蓮

（北京桑德環(huán)境工程有限公司，北京 101102）

0 引言

我國第一座［1］曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter，BAF）正式投產(chǎn)運行是在2001年7月，位于大連馬欄河污水處理廠，設(shè)計規(guī)模12×104m3/d，其單獨作為二級生物處理工藝，主要用于去除城市生活污水中的CODCr，BOD5，SS，NH+4-N，出水可達回用水水質(zhì)標準要求［2］。BAF是集濾料層的截留過濾和生物膜的氧化降解于一體的多功能污水處理技術(shù)，經(jīng)過20年的應(yīng)用發(fā)展，形式多樣，且可以與其他水處理工藝聯(lián)合，用于不同性質(zhì)污水以及給水的水質(zhì)處理。通常污水處理構(gòu)筑物功能的實現(xiàn)，其設(shè)計合理性具有先決作用。多數(shù)學(xué)者在曝氣生物濾池參數(shù)設(shè)定［3-4］、濾料選擇［5］、自動控制［6］以及運行工況優(yōu)化［7-8］等方面進行了大量研究。本文結(jié)合某石化廢水擴建工程項目的設(shè)計與運行情況，提出了曝氣生物濾池氣沖工藝的若干優(yōu)化設(shè)計建議。

1 工藝流程及主要設(shè)計參數(shù)

1.1 工藝流程

本文依托某石化廢水擴建工程項目，主要處理經(jīng)過企業(yè)預(yù)處理的石化工業(yè)廢水，工藝流程與一期相同，見圖1。有壓污水進入隔油調(diào)節(jié)罐去除大部分浮油和重油，并進行水量水質(zhì)調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)后的出水進入氣浮池進一步去除污水中的乳化油類，降低油類對后續(xù)設(shè)備及生化系統(tǒng)的不良影響。氣浮池出水與二沉池回流污泥一起進入水解酸化池，將較難降解的大分子有機污染物分解為易降解的小分子污染物質(zhì)，提高污水可生化性。水解酸化池出水進入A/O生物池，進行反硝化、碳化、硝化，去除系統(tǒng)中有機物、氨氮、總氮和磷。生物池出水自流進入二沉池進行泥水分離，然后進入高效澄清池，通過絮凝沉淀去除廢水中的懸浮物，出水經(jīng)提升后進入臭氧高級氧化工藝，進一步提高污水可生化性后進入曝氣生物濾池，進一步去除被臭氧工藝分解后的可生物降解的有機物、少量氨氮和懸浮固體物質(zhì)，最后經(jīng)紫外消毒后，出水外排出水水質(zhì)可達到GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準中的一級A標準。

圖1 污水處理廠工藝流程

1.2 主要設(shè)計參數(shù)

本項目應(yīng)用的是上向流形式的曝氣生物濾池，設(shè)計水量1.25×104m3/d，總變化系數(shù)為1.1，設(shè)計進水水質(zhì)CODCr=60 mg/L，BOD5=12 mg/L，NH+4-N=7 mg/L，根據(jù)CECS 265—2009曝氣生物濾池工程技術(shù)規(guī)程［9］，作為深度處理工藝，設(shè)計濾池表面水力負荷取5 m3/（m2·h），BOD5負荷取0.5 kg/（m3濾料·d），氨氮負荷取0.23 kg/（m3濾料·d），空床水力停留時間取45 min。曝氣生物濾池反洗時，按氣沖-氣水同時沖-水沖的程序周期性進行。

2 工藝設(shè)計優(yōu)化

2.1 反沖洗空氣干管的設(shè)計

反沖洗空氣干管簡稱反洗氣干管（下同），反洗氣干管接自鼓風機。鼓風機一般布置在廠區(qū)內(nèi)的鼓風機房室內(nèi)地面，出風管標高相對較低。如圖2所示，在曝氣生物濾池管廊內(nèi)，反洗氣干管從近濾池底部（L3）的高度進入濾池。濾池一般為半地上設(shè)計的構(gòu)筑物，由于濾料高度及濾料淹沒水深（清水區(qū)）的要求，導(dǎo)致池內(nèi)常液位（L2）一般較高，L2和L3之間存在h2=5 800 mm的高差。當氣沖結(jié)束時，通過自動控制系統(tǒng)，先停止鼓風機運行，再關(guān)閉反洗氣干管上的電動閥門。在關(guān)閉鼓風機的一瞬間，由于風管內(nèi)強大的負壓抽吸作用，會導(dǎo)致濾池內(nèi)的水倒流進入風機而損壞設(shè)備，因此，反洗氣干管的最高點（L1）應(yīng)高出濾池常液位（L2）一定的高度（h1），依據(jù)多項工程項目實際設(shè)計運行經(jīng)驗，建議h1設(shè)計在1.8 m～2.2 m范圍內(nèi)較為適宜，以削減空氣反流所形成的強大負壓抽吸作用力，避免風機設(shè)備損壞。

2.2 排氣管的設(shè)計

本項目一期工程曝氣生物濾池為常規(guī)設(shè)計，運營人員反饋隨運行時間的推移曝氣生物濾池的氣沖程序運行不穩(wěn)定。設(shè)計人員分析此情況原因后，在二期擴建工程曝氣生物濾池中加設(shè)排氣管，其作用是在氣沖結(jié)束后排出濾板底部氣墊層處的剩余空氣，以保證下次氣沖效果。如圖2，圖3所示，為保證排氣管功能的正常實現(xiàn)，排氣管從反洗氣干管立管底部接出，接口位于反洗手動閥門之后（順反洗氣流方向），進入濾池之前的反洗氣干管管路上。管徑的大小以盡快排掉氣墊層內(nèi)的空氣為宜，設(shè)計為管徑DN50 mm，排氣管上設(shè)置電動閥門，實現(xiàn)自動啟停。

圖2 反洗氣干管和排氣管剖面圖

圖3 A向視圖

2.3 過氣孔的設(shè)計

濾池的設(shè)計尺寸為5 000 mm×6 000 mm，濾板尺寸為960 mm×960 mm，池內(nèi)設(shè)計有支柱和濾梁，單池內(nèi)的30塊濾板即是通過5道濾梁的支撐，平鋪在濾池的整個平面上。

曝氣生物濾池每次氣沖前，會先向濾池底部通氣，空氣向上行走，在濾頭進氣孔上部至濾板下部空間內(nèi)形成30 mm～50 mm的氣墊層，氣墊層的作用是使布氣均勻，為實現(xiàn)更好的氣沖效果提供基礎(chǔ)條件。正常運行的曝氣生物濾池氣沖時，濾梁底部充滿未能排空的污水，污水會阻擋空氣的流動，當反洗空氣通入后，為避免氣體被污水和濾梁阻擋造成局部氣沖，影響氣沖效果，本項目設(shè)計時在濾梁上部開一些小凹槽，以使氣體通過并使其在濾梁之間均勻的布滿整個濾板底部空間。如圖4所示，過氣孔是在濾梁的上表面設(shè)計的，但高度低于濾梁頂標高的凹槽，依據(jù)多項工程經(jīng)驗，深度一般為30 mm，過氣孔長度（X）根據(jù)濾梁長度均勻分布。

圖4 過氣孔剖面圖

2.4 增設(shè)反洗氣管支管

反洗氣管支管是反洗氣干管上伸出的均勻布置的空氣支管，支管個數(shù)N=n+1，n為濾梁的個數(shù)。風管的管徑根據(jù)反洗風量和管內(nèi)風速計算，干管風速10 m/s～15 m/s，支管風速4 m/s～5 m/s，支管出風口的頂標高低于濾板底部高度，小于50 mm，如圖5所示。增加反洗氣管支管設(shè)計的目的有兩個：1）氣沖時（即向池內(nèi)輸送反洗空氣時），可以將空氣均勻快速的輸送到濾板底部形成氣墊層，并使后續(xù)通入的空氣高效的通過長柄慮頭的氣孔，實現(xiàn)氣沖功能，提高氣沖效果，避免空氣滯留污水內(nèi)，從而提高空氣利用率；2）排氣時（即氣沖結(jié)束時），濾板下氣墊層處的空氣可以更快速、更順利的從反洗氣管支管到反洗氣干管，再經(jīng)排氣管排出池內(nèi)，以提高池內(nèi)空氣的排出率，為曝氣生物濾池后續(xù)正常過濾及反洗等運行提供保障條件。

圖5 反洗氣管支管剖面圖

3 污染物去除效果分析

本項目為擴建工程，為了考察曝氣生物濾池氣沖工藝的優(yōu)化設(shè)計對出水水質(zhì)的影響對一期工程（未優(yōu)化設(shè)計）和二期工程（優(yōu)化設(shè)計）的曝氣生物濾池出水污染物CODCr的質(zhì)量濃度的實際運營數(shù)據(jù)進行整理對比分析。如圖6所示，雖然出水CODCr質(zhì)量濃度均可達到GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準中的一級A標準50 mg/L以下，但經(jīng)過以上設(shè)計優(yōu)化后，二期工程的曝氣生物濾池出水CODCr質(zhì)量濃度明顯低于一期，去除率均值提高20%左右，并且出水污染物濃度更穩(wěn)定。

圖6 BAF出水CODCr質(zhì)量濃度對比

4 結(jié)語

圖紙詳細設(shè)計的準確性對工程項目的建設(shè)和運營具有指導(dǎo)和決定作用，反洗氣干管、排氣管、過氣孔以及反洗氣管支管的設(shè)計，均是曝氣生物濾池氣沖詳細設(shè)計的重點內(nèi)容，反洗氣管設(shè)計時注意防污水倒流，排氣管的設(shè)計可以排出池內(nèi)氣沖后剩余的空氣，過氣孔的設(shè)計可以實現(xiàn)均勻布氣，減小濾梁的阻礙作用，最后反洗氣管支管的設(shè)計可以更好的實現(xiàn)布氣和排氣，是紐帶環(huán)節(jié)。以上是上向流曝氣生物濾池反洗工藝的若干優(yōu)化設(shè)計建議，可為曝氣生物濾池單體的圖紙設(shè)計提供參考依據(jù)；對降低曝氣生物濾池的反洗頻率，降低反洗風機的電耗均具有較好的實際意義；也可提高污染物的去除率，為實現(xiàn)污水穩(wěn)定達標排放提供技術(shù)保障。