新型污水處理工藝

新型污水處理工藝——曝氣生物濾池（BAF）代瑩1,孫鐵珩2,武道吉1,鄒金龍3,張麗1（1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,濟(jì)南250014;2.沈陽大學(xué)沈陽環(huán)境工程關(guān)鍵試驗(yàn)室,沈陽110044;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院,哈爾濱150090;）摘要:本文敘述了曝氣生物濾池產(chǎn)生和發(fā)展、基礎(chǔ)原理和工藝特點(diǎn)、應(yīng)用及研究現(xiàn)實(shí)狀況、影響運(yùn)行機(jī)制原因、存在問題與不足和以后發(fā)展趨勢,綜述了曝氣生物濾池研究在有機(jī)物和SS去除、硝化反硝化、菌群結(jié)構(gòu)、反沖洗和生物膜處理機(jī)理以及反應(yīng)動力學(xué)等方面最新進(jìn)展,指出曝氣生物濾池是符合中國國情新型生物處理技術(shù),應(yīng)加大研究力度,快速使之國產(chǎn)化并投入使用。關(guān)鍵詞:曝氣生物濾池;生物膜;運(yùn)行方法;水力負(fù)荷BiologicalAeratedFilter——ANewWastewaterTreatmentProcessDaiYing1,SunTie-heng2,WuDao-ji1,ZouJin-long3,ZhangLi1(1.ShandongjianzhuUniversity,DepartmentofMunicipalandEnvironmentalEngineering,Jinan,250014,China;2.ShenyangUniversity,ShenyangKeyLaboratoryofEnviromentalEngineering,Shenyang,110044,China;3.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China;)Abstract:Thispaperdescribesanewwastewatertreatmentprocess-thebiologicalaeratedfilter(BAF),fromitsdevelopment,principle,feature,applicationandstatusofresearch,mainfactorofrunningmechanism,disadvantageanddevelopmentinthefuture.ThenewresearchprogressintheremovaloforganicmattersandSS,nitrificationanddenitrification,bacteriumstructure,backing-washing,biofilmmechanismandkineticsofBAFwasreviewed.ItwaspointedoutthatBAFisanovelfixed-biofilmtreatmentprocessthatissuitableforthenationalconditioninourcountryandmoreresearchmustbeconductedtoaccelerateitsapplicationinChina.Keywords:biologicalaeratedfilter;biomembrane;operationmode;hydraulicloading1曝氣生物濾池產(chǎn)生和發(fā)展曝氣生物濾池（Biologicalaeratedfilter:BAF）處理污水是多年來開發(fā)出污水處理工藝,已在歐美和日本廣為流行,但在中國研究甚少。曝氣生物濾池最大特點(diǎn)是集生物氧化和截留懸浮固體于一體,節(jié)省了后續(xù)沉淀池（如二沉池）[1]。另外,該處理工藝容積負(fù)荷、水力負(fù)荷大,占地面積、基建投資少,氧轉(zhuǎn)移率高,出水水質(zhì)好等特點(diǎn)。該工藝能夠達(dá)成BOD、懸浮物和NH3-N去除,既能夠用在污水二級處理,也能夠用深度處理中[2-3]。2曝氣生物濾池基礎(chǔ)工作原理和工藝特點(diǎn)曝氣生物濾池通常由粒狀填料床組成,曝氣裝置安裝在填料床承托層或靠近它地方,流過反應(yīng)器污水既能夠是上流式也能夠下流式,污水中底物和充足氧氣使濾料表面附著生物膜。不管是生活污水處理還是工業(yè)廢水處理,曝氣生物濾池比傳統(tǒng)生物處理工藝含有占地小,方便靈活優(yōu)點(diǎn)[4-7]。2.1BAF基礎(chǔ)工作原理BAF工藝類型和操作方法有多個,各具特點(diǎn),但其基礎(chǔ)原理是一致。曝氣生物濾池處理污水原理是反應(yīng)器內(nèi)填料上所附生物膜中微生物氧化分解作用,填料及生物膜吸附阻留作用和沿水流方向形成食物鏈分級捕食作用[8],以及生物膜內(nèi)部微環(huán)境和厭氧段反硝化作用。2.2BAF工藝特點(diǎn)曝氣生物濾池與活性污泥法相比,含有以下特點(diǎn):（1）含有更高生物濃度和更高有機(jī)負(fù)荷。BAF中采取粗糙多孔粒狀填料為微生物提供了更佳生長環(huán)境,易于掛膜及穩(wěn)定運(yùn)行,可在填料表面保持較多生物量,單位體積內(nèi)微生物量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于活性污泥中微生物量[9],高濃度微生物量使得BAF容積負(fù)荷增大,進(jìn)而降低了池容積和占地面積,使基建費(fèi)用大大降低[10]。（2）占地面積小。因?yàn)樵贐AF反應(yīng)器中,處理效果與填料高度成正相關(guān)[5],所以能夠經(jīng)過增加填料高度來降低占地面積。曝氣生物濾池容積負(fù)荷很高[6],BOD5容積負(fù)荷可達(dá)成5～6kgBOD5/（m3·d）,是常規(guī)活性污泥法或接觸氧化法6～12倍[7]。（3）工藝簡單,基建費(fèi)用低。因?yàn)樘盍蠙C(jī)械截留作用以及濾料表面微生物和代謝中產(chǎn)生粘性物質(zhì)形成吸附架橋作用[11],所以,可省去二沉池,進(jìn)而降低基建費(fèi)用。（4）受氣溫影響小。因?yàn)锽AF為半封閉或全封閉構(gòu)筑物,其生化反應(yīng)受外界溫度影響較小,所以適合于嚴(yán)寒地域進(jìn)行污水處理[12]。（5）菌群結(jié)構(gòu)合理。傳統(tǒng)活性污泥法,微生物分布相對均勻,而在BAF中從上到下形成了不一樣優(yōu)勢生物菌種[10],所以使得除C、硝化/反硝化能在同一個池子中發(fā)生,簡化了工藝步驟。（6）耐沖擊能力強(qiáng)。BAF濾池對有機(jī)負(fù)荷、水力負(fù)荷、溫度改變不像活性污泥法那么敏感[12]。（7）易于操作管理。曝氣生物濾池抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),耐低溫,無污泥膨脹之虞,能夠避免微生物流失,保持較高微生物量[9,12],所以,日常運(yùn)行管理簡單,處理效果穩(wěn)定[7]。（8）高質(zhì)量出水水質(zhì)[8]。3曝氣生物濾池應(yīng)用及研究現(xiàn)實(shí)狀況3.1曝氣生物濾池在微污染水源中應(yīng)用清華大學(xué)有些人[13]研究表明,利用BAF工藝對微污染源水進(jìn)行生物預(yù)處理能夠取得良好除污染效果。BAF對有機(jī)物去除受源水水質(zhì)影響較大,其對CODMn去除率為5%～45%,對COD去除率在20%～60%之間;BAF對水中氨氮去除則受源水水質(zhì)影響較小,除部分情況外其去除率普遍達(dá)80%以上。另外,BAF工藝對濁度、色度、鐵、錳等也有很好去除效果。BAF預(yù)處理工藝除能夠直接去除源水中污染物外,對后繼常規(guī)給水處理工藝也產(chǎn)生非常有利影響。BAF預(yù)處理消耗了源水中大部分可生物降解有機(jī)物,肯定降低給水管網(wǎng)中細(xì)菌滋生可能性,提升了飲用水生物穩(wěn)定性;BAF預(yù)處理工藝降低了源水中有機(jī)物和氨氮含量,能夠降低消毒過程中氯氣投量,降低了消毒過程中消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生量,提升飲用水安全性。3.2曝氣生物濾池處理污水中應(yīng)用在中中國地,曝氣生物濾池正處于推廣階段,大連市馬欄河污水處理廠是中國第一個采取曝氣生物濾池工藝城市污水處理廠,現(xiàn)在正處于試運(yùn)行階段。大連馬欄河污水處理廠工程經(jīng)過國際招標(biāo)確定了SEDIPAC3D+BIOFOR工藝,設(shè)計(jì)處理能力為12×104m3/d,其中4×104m3/d回用,服務(wù)面積為32km2,服務(wù)人口為35萬人,占地為4.3hm2,工程直接投資約1.6億元。工程于1998年11月開工,9月進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行,7月經(jīng)過性能測試并正式投產(chǎn)運(yùn)行[14]。王立立等人[15]針對南方特有低濃度生活污水,研究了在低曝氣條件下,氣水比、水力負(fù)荷、進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷、碳氮比、填料層高度等原因?qū)ζ貧馍餅V池容積負(fù)荷影響。結(jié)果表明,在氣水比為3:1,碳氮比為3～4,水力負(fù)荷為1.1m3/(m2·h)條件下,CODCr和氨氮去除率分別為97.37%和82.28%,出水有機(jī)物和氨氮質(zhì)量濃度分別為3.4mg/L和6.94mg/L。碳氮比對反應(yīng)器CODCr容積負(fù)荷影響較對氨氮容積負(fù)荷影響更為顯著;氨氮去除率受水力負(fù)荷改變影響較小。廣州大學(xué)有些人[16]研究BAF工藝處理生活污水關(guān)鍵影響原因依次為:濾層高度、氣水比、水力負(fù)荷、進(jìn)水有機(jī)物濃度。曝氣生物濾池處理啤酒廢水效果很好,當(dāng)COD容積負(fù)荷為10kg/(m3·d)時,在0.8m/h、1.4m/h和2.5m/h3種不一樣水力負(fù)荷下COD出水濃度分別在59mg/L、82mg/L和51mg/L以下;當(dāng)BOD容積負(fù)荷為6kg/(m3·d)時,3種水力負(fù)荷下BOD5出水濃度分別在21mg/L,38mg/L,24mg/L以下;分析結(jié)果表明,出水濃度隨容積負(fù)荷增高而增高,受水力負(fù)荷影響較小[17]。4曝氣生物濾池影響原因4.1運(yùn)行方法對曝氣生物濾池影響運(yùn)行方法對曝氣生物濾池處理效能有著深刻影響,王曉陽等[18]針對曝氣生物濾池兩種不一樣運(yùn)行方法進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:（1）上流式曝氣生物濾池和下流式曝氣生物濾池掛膜時間分別9天和10天,上流式曝氣生物濾池掛膜時間略低于下流式曝氣生物濾池,而且兩種運(yùn)行方法均展現(xiàn)豐富生物相。（2）上流式與下流式曝氣生物濾池沿水流方向COD去除率趨于穩(wěn)定。上流式曝氣生物濾池填料高度略低于下流式曝氣生物濾池。（3）上流式和下流式曝氣生物濾池在填料高度對SS去除表現(xiàn)出較高去除率,而上流式曝氣生物濾池出水SS去除率高于下流式曝氣生物濾池。（4）進(jìn)水SS是影響上流式和下流式曝氣生物濾池運(yùn)行周期關(guān)鍵原因,提議對SS進(jìn)行預(yù)處理,以延長運(yùn)行周期。（5）綜合多種污染物質(zhì)去除效果,上流式曝氣生物濾池優(yōu)于下流式曝氣生物濾池。將上流式曝氣生物濾池用于城市污水深度處理有著良好處理效果[19],采取上流式曝氣生物濾池處理城市生活污水,即使在秋冬季節(jié)水溫較低時也能有效處理生活污水,使其達(dá)標(biāo)排放[20]。對于上流式兩段曝氣生物濾池工藝而言,原理是對兩個處理單元分別曝氣,分別強(qiáng)化反應(yīng)器填料所附生物膜中微生物氧化作用,在上升水流過程中填料和生物膜吸附阻留作用及生物膜內(nèi)部反硝化作用,達(dá)成了高效處理污水目[21]。上流式曝氣生物濾池工藝是一個新型、經(jīng)濟(jì)和可靠污水處理方法,其優(yōu)點(diǎn)是步驟短、耐沖擊力強(qiáng)、占地和投資省、可省卻二沉池、處理效果好,而且對上流式曝氣生物濾池限制條件也是非常少[22],但對預(yù)處理要求較高（需要投加藥劑）,使操作過程略顯復(fù)雜[23]。4.2溫度對曝氣生物濾池作用影響生物膜是整個曝氣生物濾池水處理構(gòu)筑物關(guān)鍵,良好生物膜是生物膜反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)。在曝氣生物濾池中異養(yǎng)微生物能有效地形成生物膜,但受到低溫限制。經(jīng)過一段時間饑餓后,重新取得營養(yǎng)物質(zhì)時生物濾池內(nèi)硝化細(xì)菌活性和生長能得到部分恢復(fù),但低溫或異養(yǎng)菌生長對其有抑制作用[24]。低溫下生物可利用有機(jī)基質(zhì)濃度不受限制時異養(yǎng)細(xì)菌生物量增加仍然很快,而生物可利用有機(jī)基質(zhì)濃度成為限制因子時,異養(yǎng)細(xì)菌生物量增加即使仍能有所增加,但增加緩慢;當(dāng)NH+4-N濃度不是硝化細(xì)菌生物量增加限制因子,硝化細(xì)菌生物量增加仍受低溫嚴(yán)重限制,硝化細(xì)菌生物量即使有所增加,但增加很緩慢;對應(yīng)基質(zhì)濃度不受限制時,低溫對硝化細(xì)菌生物量增加限制作用更顯著[25]。BAF中溫度對硝化作用影響,尤其對短程硝化反硝化作用影響不一樣與懸浮生長反應(yīng)器。這是因?yàn)樵贐AF反應(yīng)器中溶質(zhì)擴(kuò)散傳輸而不是動力學(xué)特征是硝化作用控制原因。王春榮等[26]在試驗(yàn)中發(fā)覺20℃是臨界溫度,當(dāng)溫度低于20℃時,反應(yīng)器氨氮去除率較低（僅為進(jìn)水氨氮25%）,而溫度為20℃時,氨氮去除率上升到68%左右,但隨溫度深入提升氨氮去除率增加緩慢。謝曙光等人[27]4.3反沖洗對曝氣生物濾池作用影響曝氣生物濾池集生物膜強(qiáng)氧化降解能力和濾層截留效能于一體,是一個適合大規(guī)模回用、高效、低耗污水再生工藝,而運(yùn)行一定時間后,濾層需要經(jīng)過反沖洗進(jìn)行再生,反沖過程要求達(dá)成釋放截留懸浮物,不損害并更新生物膜多重目,所以,反沖洗是確保曝氣生物濾池運(yùn)行效能關(guān)鍵步驟[28]。客觀講,反沖過程沒有太多理論依據(jù),基礎(chǔ)是從再生效果考慮,既要恢復(fù)過濾能力,又要確保填料表面仍附著有足夠生物體,使濾池能滿足下一周期凈化處理要求[29]。另外,曝氣生物濾池反沖洗污泥含有很好生物絮凝活性,利用該反沖洗污泥混合液作為生物絮凝劑對生活污水進(jìn)行強(qiáng)化混凝預(yù)處理[30]。反沖濾層運(yùn)動狀態(tài)可分解為3個階段[28]:反沖開始濾層變速膨脹階段、濾層懸浮平衡階段和后期懸浮濾層沉降階段,因?yàn)榈谝浑A段特征是濾層變速膨脹,顆粒擁擠上升,碰撞摩擦猛烈,再加上反沖氣/水剪切、摩擦作用使濾料凈化效率最高;而第2和第3階段顆粒碰撞摩擦機(jī)會極少使碰撞摩擦作用減弱,而且反沖氣/水對濾料剪切和摩擦強(qiáng)度也會因?yàn)闉V層處于平衡狀態(tài)而有所降低,所以沖洗效果關(guān)鍵取決于第1階段。5曝氣生物濾池存在問題和不足曝氣生物濾池在實(shí)際應(yīng)用中也存在其固有缺點(diǎn):（1）曝氣生物濾池進(jìn)水SS不能過高。假如進(jìn)水SS較高,會使濾池在短時間內(nèi)達(dá)成設(shè)計(jì)水頭損失,發(fā)生堵塞,這么就肯定造成頻繁反沖洗,增加了運(yùn)行費(fèi)用與管理不便[7]。為使之在較短水力停留時間內(nèi)處理較高有機(jī)負(fù)荷并含有截留SS功效,曝氣生物濾池采取填料粒徑通常都比較小。依據(jù)國外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),進(jìn)水SS通常不超出100mg/L,最好控制在60mg/L以下。（2）采取曝氣生物濾池,其過濾水頭損失大,故污水提升所需泵機(jī)揚(yáng)程高。曝氣生物濾池雖含有截留SS,替換二沉池功效,但同時伴伴隨是其水頭損失較大。通常來說,水頭損失依據(jù)具體情況,每一級為1～2m,這么就在整體上加大了水總提升高度[31]。（3）采取曝氣生物濾池工藝,在反沖洗操作過程中短時間內(nèi)水力負(fù)荷較大,反沖洗出水直接回流到初沉池,初沉池會受到較大水力沖擊負(fù)荷影響。所以,從確保穩(wěn)定運(yùn)行角度來看,有必需設(shè)置污泥緩沖池。6曝氣生物濾池發(fā)展趨勢作為一個新型污水生物處理技術(shù),曝氣生物濾池多年來已經(jīng)成為中國外研究熱點(diǎn),但與應(yīng)用研究相比,現(xiàn)在理論研究還不夠系統(tǒng)和完善。伴隨現(xiàn)代生物檢測技術(shù)和納米測量技術(shù)不停進(jìn)步,相關(guān)曝氣生物濾池生物膜特征研究,尤其是在生物膜生長、生物膜組成和生物膜活性等方面研究將成為近期前沿課題,這些研究同時也會促進(jìn)反應(yīng)器內(nèi)微生物系統(tǒng)生態(tài)學(xué)研究發(fā)展。曝氣生物濾池新型填料、反應(yīng)動力學(xué)和反沖洗過程水力學(xué)特征也是以后需要研究關(guān)鍵問題。在應(yīng)用方面,因?yàn)槠貧馍餅V池含有良好硝化反硝化能力,在污水三級脫氮處理和微污染水源水預(yù)處理中將得到更廣泛應(yīng)用,并拓寬其使用范圍,對曝氣生物濾池在中小型污水處理廠中深入推廣應(yīng)用有主動促進(jìn)作用。參考文件:[1]Chang.W.S,Hong.S.W.andPark.J.Effectofzeolitemediaforthetreatmentoftextilewastewaterinabiologicalaeratedfilter[J].ProcessBiochemistry,(37):693–698[2]Moore.R,Quarmby.JandStephenson.T.Theeffectofmediasizeontheperformanceofbiologicalaeratedfilters[J].WaterResearch.,35(10):2514–2522.[3].邱立平,馬軍.曝氣生物濾池短程硝化反硝化機(jī)理研究[J].中國給水排水,,18(11):1-4[4]Harris.S.L,Stephenson.TandPearce.P.Aerationinvestigationofbiologicalaeratedfiltersusingoff-gasanalysis[J].WaterScienceTechnology。1996,34(3-4):307-314。[5]李汝其,錢易,孔波等.曝氣生物濾池去除污染物機(jī)理研究[J].環(huán)境科學(xué),1999,20(6):49-52.[6]Boller.M,Kobler.DandKoch.G.Particleseparation,solidsbudgetsandheadlossdevelopmentindifferentbiofilters[J].WaterScienceTechnology,1997,36(4):239-247.[7]王煒亮,畢學(xué)軍,張波.曝氣生物濾池特點(diǎn)、應(yīng)用及發(fā)展[J].青島建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),,25(4):62-67[8]邱立平,杜茂安,馮琦.二段曝氣生物濾池處理生活污水試驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程,,19(2):22-24.[9]Mac.CandW.S.Compactsystemreportedlyproduceeffluentcomparabletoconventionalactivatedsludgeprocess[J].WaterEnvironmentTechnology,1997,2:39-42。[10]李汝其.污水處理新技術(shù)——BAFSR曝氣生物濾池[J].中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè),1999,12:38-39.[11]王占生,劉文君.微污染水源應(yīng)用水處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999:145-146.[12]徐亞明,蔣彬.曝氣生物濾池原理及工藝[J].工業(yè)水處理,,22(6):1-5.[13]桑軍強(qiáng),王占生.BAF在微污染源水生物預(yù)處理中應(yīng)用.中國給水排水[J].,19(2):21-23[14]喬曉時,許云閎,全燮.BIOFOR曝氣生物濾池用于城市污水處理[J].中國給水排水,,20(7):83-85[15]王立立,劉煥彬,胡勇有,周勤.曝氣生物濾池處理低濃度生活污水研究[J].工業(yè)水處理,,23(3):29-32[16]江萍.曝氣生物濾池處理城市污水研究[J].水處理技術(shù),,29(3):172-174[17]李汝琪孫長虹錢易.曝氣生物濾池處理啤酒廢水研究[J].環(huán)境科學(xué),1999,20（4）:83-85[18]王曉陽,袁雅姝,劉軍,蘇錦明.兩種運(yùn)行方法對曝氣生物濾池影響[J].現(xiàn)代化工,,33(3):175-178[19]郭天鵬,汪誠文,陳呂軍,胡紀(jì)萃,靳志軍,劉旭,周洪江,陳玉才,李強(qiáng)利.升流式曝氣生物濾池深度處理城市污水工藝特征[J].環(huán)境科學(xué),,23(1):58-61[20]肖文勝,徐文國,齊兵強(qiáng).上流式曝氣生物濾池處理城市污水[J].中國給水排水,,19(2):49-50[21]Pujol.R,Lemmel.HandGousailles.