1、生物接触氧化法的由来和发展邬扬善摘要：介绍生物处理的生物膜法之一，生物接触氧化法的由来、国内外兴起和发展，以及近期国内的新发展。1 由来和主要特征生物接触氧化法是生物膜法的一种形式，是在生物滤池的基础上，从接触曝气法的改良、演变而来，因此有人称为“浸没式滤池法”、“接触曝气法”和“淹没式生物膜法”等等。不管业内人士曾经如何称呼，当今的生物接触氧化法，既不是原先的“浸没式滤池法”,也不是所谓的“接触曝气法”，它已经发展成一种新型生物膜法。它与其他好氧生物膜法有共同的特点是：微生物需固定在填料表面附着生长，填料可以是固定的也可以处于不规则的浮动之中，而污水则流动于填料的孔隙中，与生物膜接触并进行生
2、物氧化反应。它的不同之处是，采用浸没在水中高孔隙率、大比表面积的填料（不管其形状如何，多数都是可塑性较高的人造有机填料），为微生物附着生长提供界面的好氧性生物膜法。因其表面积大，可附着的生物量大；同时因其孔隙率大，营养物、氧的供应、代谢产物的进出，以及生物膜自身更新脱落，均较为通畅，使得生物膜能保持高的活性和较高的生化反应速率。由于接触氧化法要像活性污泥法那样不断向水中曝气供氧，以及在高负荷时丝状菌密集繁殖，常形成垂丝状生物膜，如同活性污泥一样，在水中呈立体结构，处于漂浮状态，并且在氧化池的流态及反应动力学上，接触氧化法与完全混合的活性污泥法相似，因而它兼有活性污泥法的特点。但是，它又不同于其
3、他各种浸没式生物膜法，如曝气生物滤池、气提循环反应器、三相生物流化床和生物转盘等。它与曝气滤池相比，填料的孔隙率高得多，而没有大量截留悬浮物的效能，因而不需要反冲洗操作。它有填料，但不是呈小颗粒状的，不可能有生物流化床的流态化特性，传质效率没有流化床来得高。它不同于生物转盘半浸没在水中,靠盘的转动来完成充氧与脱膜，而是完全浸没在水中，此外，还需要一套专门的供氧设备来完成充氧与脱膜搅动。它也不像气提循环反应器那样，要依靠空气提升，迫使小颗粒填料产生定向循环流动，趋于流态化，并在空气提升和向水中充氧的同时，对填料上的生物膜进行搅动脱膜。2 国内外的兴起和发展早在 20 世纪 20 年代，生物接触氧
4、化法已在美国和西德，形成为正规的污水处理方法，但那时的处理效果都不太理想，BOD 去除率低。主要原因是：（1）停留时间短，一般只有 0.5h 左右。这样，有机物质氧化分解不彻底，致使 BOD去除率低，出水 BOD 值高。（2）填料的表面积过小，固定生物膜量不大，使 BOD 负荷过高。容积负荷达716kg/(m 3d)，面积负荷为 1022kg/(m 2d)，在过大的 BOD 负荷下，BOD 去除率自然是很低了。（3）填料构造不尽合理，易于堵塞，清扫困难，管理不方便。由于这种种原因，生物接触氧化法在 20 世纪的 20 年代，未能获得进一步的推广和应用。然而，事隔 50 多年后的 70 年代初，
5、日本的小岛贞男采用所谓的“管式接触氧化”用于受污染水源的好氧处理，取得了突破性的成功。与以往的接触氧化法相比，小岛贞男从河流自净作用出发，设想了蜂窝管式接触填料。这种填料的比表面积大孔隙率高，重量轻，强度大，脱膜容易，处理效果良好。其装置构造见图 1。目前日本已将管式蜂窝接触氧化逐渐应用于水源水的预处理和生活污水和某些工业废水的二级和三级处理中。80 年代日本政府建设省发表通告，将接触氧化法列入在小型污水处理中首先推荐采用的处理工艺。并且公布了构造准则，使接触氧化法更加通用化、规范化和系列化。19811985年间，日本新设置的小型污水处理槽为 154 万台左右，而接触氧化法处理槽为 81 万余
6、台，占全部装置的 52.5%。由此可见，接触氧化处理技术在日本的污水处理领域中应用的广泛性。1988 年 3 月，日本政府建设省又发出补充通告，在原有基础上提出了加以改进与完善的接触氧化处理污水工艺，使之能进一步适应除氮和减少污泥生成量的要求。这就是所谓分离式接触氧化综合处理方法和厌氧接触氧化处理方法。从 70 年代到 80 年代日本的接触氧化法的另一个重要发展是：曝气方式由在填料侧面曝气，逐步发展到填料下的全面曝气，进一步提高了氧的利用率，促进了生物膜表面的固液之间的传质效率，以及生物膜的正常脱落更新速度，减少了生物膜管式蜂窝内的堵塞现象。图 2 为分离式接触氧化工艺流程。这种处理流程中，原
7、水首先流入初次沉淀池，以去除部分悬浮物。而后进入接触氧化池进行生化处理，最后进入二次沉淀池进行泥水分离，图 1 蜂窝管式接触氧化装置构造池壁 中心导流筒 管式蜂窝填料 出水缝出水堰进气出水进水澄清水再经消毒后排放。二沉池的沉淀污泥回流到初次沉淀池或者接触氧化池，氧化池中的脱落生物膜回流到初次沉淀池。这种处理流程的特点是，污泥回流后受到进一步的好氧氧化，没有污泥排放，维护管理比较简单，适用于小型污水处理；生物接触氧化池对处理水的水量水质变化适应性较强，不会产生污泥膨胀，运转方便。图 2 分离式接触氧化工艺流程图 3 为厌氧接触氧化处理工艺流程图。这种处理流程中，污水首先进入厌氧滤池。而后流入接触
8、氧化池，进行好氧处理，最后在二次沉淀池进行泥水分离，再经消毒后排放。接触氧化池脱落的生物膜回流到厌氧滤池。同时，二次沉淀池的活性污泥回流到氧化池或者厌氧滤池。在这种处理流程中，厌氧滤池的作用是：去除原水中的悬浮物质和油脂类污染物；在滤料表面生长着厌氧微生物，对原水中的有机污染物和氧化池与二次沉淀池的回流污泥进行厌氧处理，以达到降解部分 BOD 和减少污泥量或达到无排放的污泥目的。图 3 厌氧接触氧化工艺流程日本对生物接触氧化技术是较为重视的，为发展接触氧化技术，于 1986 年又制定了进一步的开发研究目标，主要内容如表 1 。表 1 接触氧化技术开发方向（日本）项目 技术开发方向处理水水质 提
9、高处理性能，改善处理水水质，要求生物接触氧化生活污水处理装置的出水水质能达到：BOD 1020mg/LCODMn 1530mg/L悬浮物 2030mg/L总氮 1520mg/L消毒池二次沉淀池接触氧化池原水沉淀污泥脱落生物膜处理水初次沉淀池消毒池二次沉淀池接触氧化池原水沉淀污泥脱落生物膜处理水厌氧滤池总磷 23mg/L大肠杆菌 1000 个/mL流量调节 研究流量调节装置提高初次沉淀池的性能和增加稳定性生物膜的附着性 改进现有的填料，提高生物附着性泥水分离 目前采用初沉池为重力沉淀，进一步研究泥水分离技术占地面积 进一步研究缩小占地面积维护管理 简化管理，进一步研究计量与控制技术污泥生成量 研
10、究减少污泥量节能 目前使用的大容量风机能耗大，进一步研究节能措施环境对策 研究装置运行时脱臭气技术和噪声防治对策就在日本接触氧化法取得突破性发展的同期，1975 年，北京市环境保护科学研究所从城市污水处理的高效和低能耗要求出发，受日本小岛贞男的启发，在国内首先进行了，以管式蜂窝为填料的生物接触氧化法处理城市污水小试和日处理 500 立方米规模的中试，自主开发了二段接触氧化法和接触沉淀相结合的工艺流程，并对其高效的原理和运行中防止堵塞的方法进行了研究，图 4 为接触氧化池和接触沉淀池的试验装置，图 5 为中试流程。原水经污水泵从集水井提升至粗滤机，经粗滤后污水进入计量槽，然后再流入第一接触氧化池
11、（一氧池）。带有脱落生物膜的污水从一氧池进入第一接触沉淀池（一沉池），进行泥水分离。一沉池出水再经第二生物接触氧化池（二氧池）和第二接触沉淀池（二沉池）处理后排放。接触沉淀池定期用空气进行反冲洗，以去除所截留的污泥。试验水质如表 2 所示，试验结果如表 3 所示。试验表明当采用二段生物接触氧化法 空气空气原水处理水接触沉淀池生物接触氧化池图 4 生物接触氧化法处理城市污水试验装置管式蜂窝填料填料支撑架导流区出水槽穿孔布气管沉淀区砾石填料污泥斗水气比处理城市污水时，在原水 BOD 为 50100mg/L，污水在氧化池填料中的接触停留时间为25min（其中，一氧池为 13.3min，二氧池为 11
12、.7min），沉淀池上升流速 6.9m/h，总气水比：2.43（其中一氧池占 65，二氧池占 35）的条件下，处理水水质为 BOD5 5图 5 生物接触氧化法处理城市污水中试流程图12mg/L，去除率 87；悬浮物 20mg/L 左右，去除率 8590。处理效果良好。表 2 城市污水试验水质（mg/L）水温 pH BOD5 CODcr 悬浮物 氨氮 磷14.520 6.57.5 40110 101301 68437 2455 13磷酸盐 酚 氰 汞 铬 砷43136 0.0770.056 0.0010.0796 0.00160.006 0.160.57 0.0010.065生物接触氧化法之所以
13、在中国能有较快的发展，首先是因为它代表了污水处理的一个发展方向，即高效低耗和管理简便，由此受到众多用户的重视和采用。中国小型污水处理首先开始于印染污水，初期曾大量采用活性污泥法，在遇到污泥膨胀和管理不便等麻烦后转后改为生物接触氧化法，进而由于软性填料和半软性填料的问世，消除了填料堵塞的缺陷，接触氧化在中小规模的印染、食品加工等众多工业废水处理以及其水质易诱发活性污泥膨胀表 3 试验结果（设计流量 18m3/h）水温 溶解氧 (mg/L) 进水 (mg/L) 一沉池出水 (mg/L)() 一氧池 一沉池 二氧池 二沉池 COD BOD 悬浮物 COD BOD 悬浮物6 月 1 日 1：1.9 2
14、0.3 3.5 2.2 4.1 1.7 188.1 60.0 190.3 80.9 22.3 57.1日期粗滤机污水沟集水井 计量沉砂池污水泵二沉池反冲水排泥空压机排泥出水一氧池一沉池二氧池一沉池8 月 2 日 4二沉池出水 (mg/L) 去除率 (%) BOD 负荷 BOD 去除负荷 COD 负荷 COD 去除负荷COD BOD 悬浮物 COD BOD 悬浮物 kg/(m3d) kg/(m3d) kg/(m3d) kg/(m3d)38.0 7.4 20.9 79.8 87.6 89.0 3.29 2.88 10.73 8.58的污水处理中获得大量的采用。生物接触氧化法在我国能获得广泛应用的另
15、一个重要的外在原因是，中国环保政策导致大量发展小型污水处理设施，需管理简便，占地少的污水处理工艺，而接触氧化法恰恰是具备了这一特殊的要求和特殊的性能。3 近期国内的新发展在 1977 年之后，经过近三十年的实践和发展，国内在接触氧化技术的各项试验研究和实际应用方面又到达了一个新的水平。主要表现在以下几个方面：3.1 应用领域日益拓宽生物接触氧化处理废水技术的使用领域更加拓宽，除了用于生活污水处理外，更多的是应用在工业废水处理中。目前，接触氧化技术广泛地用于石油化工、农药、棉纺印染、毛纺针织染色、丝绸、绢纺、苎麻脱胶、轻工造纸、食品加工、发酵酿造等工业废水处理中。在处理水质方面，不仅用于一般的进
16、水水质（BOD 为数百毫克升的废水），而且还用于高浓度废水处理。例如，某绢纺厂自 1983 年以来采用生物接触氧化法处理 COD1 000mg/L 以上的绢纺有机废水，取得了较好的效果。某石油化工厂进行了处理高浓度的石油化工废水的中型试验。该厂废水的特点是：COD 浓度高且变化大，平均为 2500mg/L 以上，废水的可生化性好，BOD 与 COD 的比值为 0.50.7，废水主要含丙烷、醇、醛、苯、酚类有机物及硝酸盐、硫酸与盐酸等。混合废水水质如表 13-4 所示，试验流程如图 6。试验表明，当采用涤纶纤维填料时，可不必将原水稀释。在进水 COD 为 2500mg/L，表 4 某石化厂混合废
17、水水质（mg/L)COD BOD5 悬浮物 挥发酚 油类 硫化物 氢化物2456 1597 167 16.2 1.48 0.09 0.042BOD 容积负荷为 2.53.0kg/(m3d)，气水比（90130）:1 的条件下，接触氧化出水 COD一般在 250350mg/L。同时，这种处理方法对废水中毒物的冲击适应能力较强，能较好的保证处理装置的连续稳定进行。压缩空气石灰水 营养盐 混凝剂中和池 沉淀池 调节池原水 出水污泥污泥混凝沉淀池接触氧化池3.2 填料的研究和开发十分活跃接触填料是生物膜赖以栖息的场所，是生物膜的载体。填料的性能直接影响着生物接触氧化技术的效能和经济上的合理性，因此，是
18、接触氧化技术的关键。由日本小岛贞男开发的蜂窝管式填料，虽然具有表面均匀、规则，对气泡有切割作用，在一定程度上能提高氧的转移效率等优点，但是，实际使用中往往容易产生不同程度的填料的堵塞，影响处理效果。为此，80 年代初，上海石油化工总厂环保研究所等单位先后研制了维纶纤维填料（或称软性填料）。实践表明，软性填料具有质轻，比表面积大，易于加工与安装，不易堵塞，价格便宜等优点。但是，在实际使用中也发现软性填料的纤维易被生物膜粘结在一起，产生结球现象，使其表面积大为减少，进而在结球内部产生厌氧作用，影响处理效果。另外，还观察到，软性填料中的水流流态并不理想，在填料中容易产生大气泡，从而影响氧的利用率。为
19、此，80 年代中期，北京市纺织科学研究所开发研制了所谓半软性填料。这种填料由变性聚乙烯塑料制成，它兼具硬性填料的刚性和软性填料的柔性。半软性填料在去除有机污染物能力上比软性填料有所提高。由于半软性填料的比表面积不如软性填料，因此又开发了将两者组合的填料，即中间为半软性，边缘为软性纤维丝，称此为组合填料或盾形填料。但近期开发的尼龙丝立体弹性填料其构造简单，比表面积大，价格也较低廉，在国内被大量的采用，尤其是水源水的处理上用得的最多。90 年代，国内不少单位为克服软性 和半软性填料在安装上的不便，还研发了不少种类的漂浮的球形填料，以及仿造日本的网状填料，不过价格较贵，应用不广。在城市污水处理的实践
20、中，太原市政工程设计院以价格低廉而耐用的，多孔的钢炉炉渣为填料，通过对粒径的合理选配消除堵塞问题，也取得了理想的效果。近期在上海金山石化公司引进试验的日本的流离球，是一种用人造粘合剂结成的多孔碎石球体，污水在流动中存在着球体外流速快，球体内流速慢的场所，污水中漂浮物集中在流速慢的地方即产生流离，再由球体上生物膜进行生化分解，对污水起到了净化作用。以超滤膜作载体的，膜法生物接触氧化法工艺，反应器如同一个竖流式沉淀池和一个接触氧化池的组合体。试验结果表明：经初沉处理后的生活污水，当接触时间为 3h 左右时，COD、BOD、SS 和 NH3N 的去除率分别达到 83、92、94和 60左右。该工艺中
21、，由于有特殊的微生物生长环境和种群分布，使各类具有特殊降解污染物能力的微生物都有良好的生存环境，并且可将生物膜厚度自动维持在一定范围内而无堵塞问题，所以运行管理非常简单。此外由于无厌氧层存在，部分老化、死亡的微生物停留在生物膜上被氧化掉，因此只有少量的生物膜脱落。由于采用无泡充氧方法，可使污水处理在密闭条件下进行，对环境不产生影响。理论分析表明，该工艺具有良好的发展前景（刘贯一，中国给水排水，2000，8，4）。在许多工业废水处理中，为脱氮设置反硝化池，有不少采用了软性填料和半软性填料的的接触氧化池，取得较为成功的经验（甘树应，中国图 6 某石化厂的高浓度有机废水处理试验流程给水排水，2000
22、，8，25）。3.3 开发了新的曝气设备，与填料结合形成受限曝气反应器围绕着提高氧的转移率，节省动力，防止堵塞短路和降低造价等方面开发研制了一些新的曝气充氧设备。1984 年，浙江省玉环县楚门环保装备厂同化工部第一设计院、北京建筑工程学院共同协作，联合研制成功了散流式曝气器。这种曝气器用塑料压制成型，由锯齿形曝气头子和带有锯齿的散流罩、导流隔板、进气管四部分组成，整个曝气器呈倒伞形。使用表明，散流曝气器具有布气均匀，流态好，氧利用率和动力效率较高，以及构造比较简单，安装方便，耐腐蚀等优点，目前已经比较广泛地采用在生物接触氧化处理废水的技术中。为进一步节省能源，80 年代中期国内一些单位在借鉴国
23、外同类产品经验的基础上，研制了几种型号的微孔曝气器，填补了国内空白。这种曝气器的特点是：气孔孔径在280m 以下（一般为 150m ）；出孔的气泡直径在 2mm 以下；行程气泡直径在 5mm 以下；在通常情况下氧的利用率可达 2025，比目前采用的曝气设备可节能 3050。但由于材料和加工制造的原因，微孔曝气器的价格较高，在接触氧化技术中尚未得以普遍应用。近年来，上海石化水域环保厂在依据微孔曝气的可变孔原理，薄壁原理及狭缝气孔原理，研制的可变孔曝气软管的基础上，又开发了第二代产品：螺旋孔曝气软管。它的气孔可随气量的增减而变化，从而使曝气均匀稳定，同时有利于防止空气不到之处的填料的局部堵塞，其产
24、品价格低于其他微孔曝气器。北京市银燕环保公司制造了水下曝气器，可在填料下直接放置，省去了布气管路，免除了风机噪声的污染，但在维修上不如鼓风曝气方便。由于目前曝气池存在着两大问题：其一是曝气头之间存在着曝气死区或曝气不足的地方，这些区域的氧与有机物向活性污泥及生物膜转移的速率远低于主流区，故生化效果很差，为此要大大加长混合液在曝气池中的停留时间，也就是需要增加曝气池的体积，另外由于主流区气流相当集中，不利于氧向水体中转移，使得氧的利用率很低，生化反应生成物从活性污泥、生物膜移走的速率也很低，这一细部传质称为亚微观传质，由于其传质速率低（远低于生化反应速率），传质阻力比宏观传质阻力高几个数量级 2
25、 。高分散系高传质好氧生化反应系统正是基于以上两方面的考虑，在原有曝气系统的基础上加以改进，大大加强了三相传质，提高了氧的利用率，节约了能耗，降低了成本。高分散系高传质好氧生化反应系统组成见图 7，它由生物反应器和曝气受限器组成，即，将作为生物膜附着载体和气泡上升通道的固定式填料分层置于曝气池内，每层填料之间间隔 300mm，曝气池底铺设大型微孔曝气头，池内及填料表面靠曝气维持一定浓度的生物量，从而去除原水中的有机物。出水二沉池生物反应器前处理污水 曝气受限器图 7 高分散、高传质好氧生化反应系统其系统机理是：高分散、高传质好氧生化反应是通过受限曝气实现的。均匀受限曝气的基本原理如下：气泡在浮
26、力作用下自动上升，经由曝气受限器的小尺寸竖向通道时在水流中造成强烈的湍流剪切，并形成高比例、高强度的微涡旋，这些涡旋的离心惯性效应大大增加了亚微观传质速率，使得活性污泥菌胶团及生物膜的生化反应生成物尽快从其周围移走，生化所消耗的氧与有机物也尽快得到补充；在小尺寸竖向通道中产生强烈的湍流剪切抑制了活性污泥絮体与气泡的合并长大，使其处于高比表面积和有利的传质状态，从而形成了曝气池内高分散、高传质的好氧生化反应环境；曝气受限器的表面也是生物膜的附着面，由于受限器竖向通道中水流的强湍流剪切作用而使生物膜薄、活性好、传质效率高，因此均匀受限曝气是高效活性污泥法与高效生物膜法的结合，并且在活性污泥曝气池内
27、投加填料是降低污泥负荷、防止污泥膨胀和实现硝化的有效措施。通过如图 8 流程试验表明： 采用均匀受限曝气法处理高中浓度玉米废水是可行的。在未经酸化的情况下，当进水 COD 介于 13002000mg/L 、BOD5 介于 7001100mg/L 时，经 4h 曝气处理后可获得 COD60mg/L、BOD530mg/L 的稳定出水，达到行业排放标准。 高分散系高传质生化反应器强化了三相传质，形成了良好的好氧生化环境，并可维持很高的生物量，保证了对此类废水处理有较高的容积负荷可达 9kgCOD/(m3d)，达到缩小了池体体积。 试验系统达到提高了氧的利用率，节省了气量，气水比只需 10：1 即可使
28、 BOD5去除率达 97以上。 实际运行效果显示，对此类中高浓度废水的处理，该工艺明显优于传统处理方法，不仅曝气池体积可缩减 3050，曝气能耗也可降低 50，而且系统具有运行灵活、启动 出水气源进水回流污泥剩余污泥图 8 高分散系高传质好氧生化反应工艺流程图混合扩散设备 同时为生物膜附着的曝气受限器 二沉池迅速、抗冲击负荷能力较强的特点。 实际上，这种新的反应器已成为在本节后面提到的复合生物反应器和受限曝气器的有机结合体。3.4 池型的分格分段接触氧化池的型式有所改进。随着处理水量的增大和要求处理程度的提高，接触氧化池的型式由单格完全混合演变为多格完全混合式与推流式相结合的型式，如图 9 所
29、示。这种池型，是将长方形的接触氧化池分成数格，每格既是相对独立的单池，又是籍图 9 推流式接触氧化池进水廊道相连通的组合池。在每格中水的流态基本上是完全混合型，而对整个氧化池来说又属于推流型。池的进口至出口负荷的变化呈现出高负荷 中负荷 低负荷。每格填料上附着的微生物处于专性培养驯化状态，生物相同负荷相适应。从反应动力学来看，分格是完全合理的，可以提高反应物的浓度梯度，从而提高处理效果。这种池型往往应用于水处理量较大和原水有机污染物浓度较高的场合。3.5 与厌氧、兼氧的组合引入废水厌氧处理原理，发展生物接触氧化技术处理系统。80 年代中期以来，随着环境保护对废水处理程度的要求不断提高和厌氧技术
30、的发展，国内一些单位在接触氧化处理技术中引入了厌氧处理工艺的原理，在完善生物接触氧化处理系统和提高处理效能方面取得了良好的效果。上海石化总厂涤纶厂排出的废水中主要含有醋酸、对苯二甲酸、醋酸甲酯、甲醇、乙二醇、乙醛、三聚乙醛、苯二甲酸钠盐等，水质如表 6 。表 6 上海石化总厂涤纶废水水质（mg/L）数值 pH COD BOD5 氨氮 磷酸盐数值范围平均值4.57.05.52000250022001400160015008121081110该厂于 1984 年将原日方设计并运行数年的活性污泥法工艺流程改造为厌氧接触氧化处理工艺。改造后的废水处理量为 130140m/h；调节池停留时间 1012h；泵坑内装填料，出水原水进水
