基于水头损失解析的BAF过滤模式及反冲洗控制研究

摘要

随着我国经济的迅速发展，城市化进程不断加快，城市土地资源日益紧张，城市污水处理厂等公益设施的建设受到严格限制。曝气生物滤池(Biological Aerated Filter, BAF)以其占地面积小、基建费用低、动力费用省、出水水质好、挂膜容易、启动快等优点，在新建污水厂以及旧污水厂改造方面占有绝对优势。然而，由于曝气生物滤池处理机理尚不明晰，而频繁反冲洗又经常导致反应器运行不稳定，使得这种新技术的发展受到了一定程度的抑制。随着国内污水处理与回用领域采用曝气生物滤池技术的日趋增多，深入研究曝气生物滤池运行特性，不断提高曝气生物滤池处理工艺的高效性和稳定性，成为当务之急。
　　 为了深入研究曝气生物滤池处理机理，优化工艺控制参数，提高处理效率和运行稳定性，本文采用理论分析与试验模拟相结合的方式，对曝气生物滤池的水头损失发展过程进行了系统解析，构建了基于Kozeny-Carman过滤方程和Eckenfelder方程的曝气生物滤池生化-物化过滤模式，并对曝气生物滤池的反冲洗条件、反冲洗程序和反冲洗控制进行了初步探讨。
　　 本研究采用孔隙率减小量间接表征水头损失的增长量，推导得出了清洁条件曝气生物滤池滤床平均孔隙率公式：(?)εm=ε0=(?)
　　 该方程充分考虑了曝气生物滤池水头损失的沿程变化特性，突破了传统过滤方程只能用于计算设计总水头损失的局限性。利用该方程对曝气生物滤池的沿程水头损失进行拟合计算，所得清洁条件曝气生物滤池沿程水头损失模拟值与实验测定值具有良好的相关性，说明该方程能够描述清洁条件曝气生物滤池水头损失的动态发展情况。
　　 由于曝气生物滤池的水头损失增长是其过滤截留和生物氧化协同作用的综合结果，因此，曝气生物滤池生化-物化过滤模式应该是在清洁条件基本过滤方程的基础上，结合生物膜增长过程，通过生化-物化过滤方程来表征。本研究在清洁条件曝气生物滤池基本过滤方程的基础上，将描述生物膜增长的Eckenfelder公式引入孔隙率计算模型，合理地将生物氧化作用和过滤截留耦合于曝气生物滤池水头损失增长模型中。在此模型构建过程中，对截留悬浮物的含水率、密度等参数进行了适当简化，以便于方程求解计算。通过理论推导及试验模拟，最终得到曝气生物滤池生化-物化过滤方程：H=(?)ΔΗⅰ=(?)
　　 滤床平均孔隙率方程：εm=(?)
　　 在构建了曝气生物滤池生化-物化过滤方程，进而对水头损失动态发展过程进行预测的基础上，为了进一步提高曝气生物滤池的运行稳定性，提高处理效率，本文还对曝气生物滤池的反冲洗条件选择优化及反冲洗控制进行了初步研究。
　　 根据连续流模型反冲洗试验结果，结合曝气生物滤池实际工程运行的技术经济分析，提出曝气生物滤池反冲洗的建议程序和冲洗条件：先以12L/(m2·s)的气冲强度单独冲洗2～4min，再分别以12L/(m2·s)、6L/(m2·s)的气、水反冲强度联合反冲4～6min，最后以8L/(m2·s)的水冲强度漂洗7～9min。在上述反冲洗条件下对曝气生物滤池模型反应器进行反冲洗，反冲洗后初滤水头可以恢复至接近清洁水头，反应器出水COD、浊度稍有增加，但在2h内即可恢复正常，而氨氮的处理效率恢复很快，几乎不受反冲洗的影响，说明建议反冲洗程序可以有效恢复曝气生物滤池的过滤通量，同时反应器的处理功能基本不受影响。一般实际工程中多对曝气生物滤池进行模块式组合，多组使用，因此可采用错时反冲洗的方式，以通过混合效应弥补初滤水COD、浊度等变化带来的影响。
　　 通过对曝气生物滤池反应器水头损失各影响因素的动态解析，本研究初步建立了曝气生物滤池生化-物化过滤方程，为预测曝气生物滤池水头损失的动态发展过程提供了初步的理论依据，也为进一步深入研究曝气生物滤池处理机理提供了新的思路；而反冲洗条件、反冲洗程序和反冲洗控制研究结果也对进一步提高曝气生物滤池处理效能和运行稳定性具有重要参考作用，对曝气生物滤池理论和工程应用研究具有重要意义。