新型污水处理工艺

新型污水处理工艺——曝气生物滤池（BAF）代莹1,孙铁珩2,武道吉1,邹金龙3,张丽1（1.山东建筑大学市政与环境工程学院,济南250014;2.沈阳大学沈阳环境工程关键试验室,沈阳110044;3.哈尔滨工业大学市政环境工程学院,哈尔滨150090;）摘要:本文叙述了曝气生物滤池产生和发展、基础原理和工艺特点、应用及研究现实状况、影响运行机制原因、存在问题与不足和以后发展趋势,综述了曝气生物滤池研究在有机物和SS去除、硝化反硝化、菌群结构、反冲洗和生物膜处理机理以及反应动力学等方面最新进展,指出曝气生物滤池是符合中国国情新型生物处理技术,应加大研究力度,快速使之国产化并投入使用。关键词:曝气生物滤池;生物膜;运行方法;水力负荷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曝气生物滤池产生和发展曝气生物滤池（Biologicalaeratedfilter:BAF）处理污水是多年来开发出污水处理工艺,已在欧美和日本广为流行,但在中国研究甚少。曝气生物滤池最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体,节省了后续沉淀池（如二沉池）[1]。另外,该处理工艺容积负荷、水力负荷大,占地面积、基建投资少,氧转移率高,出水水质好等特点。该工艺能够达成BOD、悬浮物和NH3-N去除,既能够用在污水二级处理,也能够用深度处理中[2-3]。2曝气生物滤池基础工作原理和工艺特点曝气生物滤池通常由粒状填料床组成,曝气装置安装在填料床承托层或靠近它地方,流过反应器污水既能够是上流式也能够下流式,污水中底物和充足氧气使滤料表面附着生物膜。不管是生活污水处理还是工业废水处理,曝气生物滤池比传统生物处理工艺含有占地小,方便灵活优点[4-7]。2.1BAF基础工作原理BAF工艺类型和操作方法有多个,各具特点,但其基础原理是一致。曝气生物滤池处理污水原理是反应器内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链分级捕食作用[8],以及生物膜内部微环境和厌氧段反硝化作用。2.2BAF工艺特点曝气生物滤池与活性污泥法相比,含有以下特点:（1）含有更高生物浓度和更高有机负荷。BAF中采取粗糙多孔粒状填料为微生物提供了更佳生长环境,易于挂膜及稳定运行,可在填料表面保持较多生物量,单位体积内微生物量远远大于活性污泥中微生物量[9],高浓度微生物量使得BAF容积负荷增大,进而降低了池容积和占地面积,使基建费用大大降低[10]。（2）占地面积小。因为在BAF反应器中,处理效果与填料高度成正相关[5],所以能够经过增加填料高度来降低占地面积。曝气生物滤池容积负荷很高[6],BOD5容积负荷可达成5～6kgBOD5/（m3·d）,是常规活性污泥法或接触氧化法6～12倍[7]。（3）工艺简单,基建费用低。因为填料机械截留作用以及滤料表面微生物和代谢中产生粘性物质形成吸附架桥作用[11],所以,可省去二沉池,进而降低基建费用。（4）受气温影响小。因为BAF为半封闭或全封闭构筑物,其生化反应受外界温度影响较小,所以适合于严寒地域进行污水处理[12]。（5）菌群结构合理。传统活性污泥法,微生物分布相对均匀,而在BAF中从上到下形成了不一样优势生物菌种[10],所以使得除C、硝化/反硝化能在同一个池子中发生,简化了工艺步骤。（6）耐冲击能力强。BAF滤池对有机负荷、水力负荷、温度改变不像活性污泥法那么敏感[12]。（7）易于操作管理。曝气生物滤池抗冲击负荷能力强,耐低温,无污泥膨胀之虞,能够避免微生物流失,保持较高微生物量[9,12],所以,日常运行管理简单,处理效果稳定[7]。（8）高质量出水水质[8]。3曝气生物滤池应用及研究现实状况3.1曝气生物滤池在微污染水源中应用清华大学有些人[13]研究表明,利用BAF工艺对微污染源水进行生物预处理能够取得良好除污染效果。BAF对有机物去除受源水水质影响较大,其对CODMn去除率为5%～45%,对COD去除率在20%～60%之间;BAF对水中氨氮去除则受源水水质影响较小,除部分情况外其去除率普遍达80%以上。另外,BAF工艺对浊度、色度、铁、锰等也有很好去除效果。BAF预处理工艺除能够直接去除源水中污染物外,对后继常规给水处理工艺也产生非常有利影响。BAF预处理消耗了源水中大部分可生物降解有机物,肯定降低给水管网中细菌滋生可能性,提升了饮用水生物稳定性;BAF预处理工艺降低了源水中有机物和氨氮含量,能够降低消毒过程中氯气投量,降低了消毒过程中消毒副产物产生量,提升饮用水安全性。3.2曝气生物滤池处理污水中应用在中中国地,曝气生物滤池正处于推广阶段,大连市马栏河污水处理厂是中国第一个采取曝气生物滤池工艺城市污水处理厂,现在正处于试运行阶段。大连马栏河污水处理厂工程经过国际招标确定了SEDIPAC3D+BIOFOR工艺,设计处理能力为12×104m3/d,其中4×104m3/d回用,服务面积为32km2,服务人口为35万人,占地为4.3hm2,工程直接投资约1.6亿元。工程于1998年11月开工,9月进入调试运行,7月经过性能测试并正式投产运行[14]。王立立等人[15]针对南方特有低浓度生活污水,研究了在低曝气条件下,气水比、水力负荷、进水有机负荷、碳氮比、填料层高度等原因对曝气生物滤池容积负荷影响。结果表明,在气水比为3:1,碳氮比为3～4,水力负荷为1.1m3/(m2·h)条件下,CODCr和氨氮去除率分别为97.37%和82.28%,出水有机物和氨氮质量浓度分别为3.4mg/L和6.94mg/L。碳氮比对反应器CODCr容积负荷影响较对氨氮容积负荷影响更为显著;氨氮去除率受水力负荷改变影响较小。广州大学有些人[16]研究BAF工艺处理生活污水关键影响原因依次为:滤层高度、气水比、水力负荷、进水有机物浓度。曝气生物滤池处理啤酒废水效果很好,当COD容积负荷为10kg/(m3·d)时,在0.8m/h、1.4m/h和2.5m/h3种不一样水力负荷下COD出水浓度分别在59mg/L、82mg/L和51mg/L以下;当BOD容积负荷为6kg/(m3·d)时,3种水力负荷下BOD5出水浓度分别在21mg/L,38mg/L,24mg/L以下;分析结果表明,出水浓度随容积负荷增高而增高,受水力负荷影响较小[17]。4曝气生物滤池影响原因4.1运行方法对曝气生物滤池影响运行方法对曝气生物滤池处理效能有着深刻影响,王晓阳等[18]针对曝气生物滤池两种不一样运行方法进行研究,得出以下结论:（1）上流式曝气生物滤池和下流式曝气生物滤池挂膜时间分别9天和10天,上流式曝气生物滤池挂膜时间略低于下流式曝气生物滤池,而且两种运行方法均展现丰富生物相。（2）上流式与下流式曝气生物滤池沿水流方向COD去除率趋于稳定。上流式曝气生物滤池填料高度略低于下流式曝气生物滤池。（3）上流式和下流式曝气生物滤池在填料高度对SS去除表现出较高去除率,而上流式曝气生物滤池出水SS去除率高于下流式曝气生物滤池。（4）进水SS是影响上流式和下流式曝气生物滤池运行周期关键原因,提议对SS进行预处理,以延长运行周期。（5）综合多种污染物质去除效果,上流式曝气生物滤池优于下流式曝气生物滤池。将上流式曝气生物滤池用于城市污水深度处理有着良好处理效果[19],采取上流式曝气生物滤池处理城市生活污水,即使在秋冬季节水温较低时也能有效处理生活污水,使其达标排放[20]。对于上流式两段曝气生物滤池工艺而言,原理是对两个处理单元分别曝气,分别强化反应器填料所附生物膜中微生物氧化作用,在上升水流过程中填料和生物膜吸附阻留作用及生物膜内部反硝化作用,达成了高效处理污水目[21]。上流式曝气生物滤池工艺是一个新型、经济和可靠污水处理方法,其优点是步骤短、耐冲击力强、占地和投资省、可省却二沉池、处理效果好,而且对上流式曝气生物滤池限制条件也是非常少[22],但对预处理要求较高（需要投加药剂）,使操作过程略显复杂[23]。4.2温度对曝气生物滤池作用影响生物膜是整个曝气生物滤池水处理构筑物关键,良好生物膜是生物膜反应器稳定运行基础。在曝气生物滤池中异养微生物能有效地形成生物膜,但受到低温限制。经过一段时间饥饿后,重新取得营养物质时生物滤池内硝化细菌活性和生长能得到部分恢复,但低温或异养菌生长对其有抑制作用[24]。低温下生物可利用有机基质浓度不受限制时异养细菌生物量增加仍然很快,而生物可利用有机基质浓度成为限制因子时,异养细菌生物量增加即使仍能有所增加,但增加缓慢;当NH+4-N浓度不是硝化细菌生物量增加限制因子,硝化细菌生物量增加仍受低温严重限制,硝化细菌生物量即使有所增加,但增加很缓慢;对应基质浓度不受限制时,低温对硝化细菌生物量增加限制作用更显著[25]。BAF中温度对硝化作用影响,尤其对短程硝化反硝化作用影响不一样与悬浮生长反应器。这是因为在BAF反应器中溶质扩散传输而不是动力学特征是硝化作用控制原因。王春荣等[26]在试验中发觉20℃是临界温度,当温度低于20℃时,反应器氨氮去除率较低（仅为进水氨氮25%）,而温度为20℃时,氨氮去除率上升到68%左右,但随温度深入提升氨氮去除率增加缓慢。谢曙光等人[27]4.3反冲洗对曝气生物滤池作用影响曝气生物滤池集生物膜强氧化降解能力和滤层截留效能于一体,是一个适合大规模回用、高效、低耗污水再生工艺,而运行一定时间后,滤层需要经过反冲洗进行再生,反冲过程要求达成释放截留悬浮物,不损害并更新生物膜多重目,所以,反冲洗是确保曝气生物滤池运行效能关键步骤[28]。客观讲,反冲过程没有太多理论依据,基础是从再生效果考虑,既要恢复过滤能力,又要确保填料表面仍附着有足够生物体,使滤池能满足下一周期净化处理要求[29]。另外,曝气生物滤池反冲洗污泥含有很好生物絮凝活性,利用该反冲洗污泥混合液作为生物絮凝剂对生活污水进行强化混凝预处理[30]。反冲滤层运动状态可分解为3个阶段[28]:反冲开始滤层变速膨胀阶段、滤层悬浮平衡阶段和后期悬浮滤层沉降阶段,因为第一阶段特征是滤层变速膨胀,颗粒拥挤上升,碰撞摩擦猛烈,再加上反冲气/水剪切、摩擦作用使滤料净化效率最高;而第2和第3阶段颗粒碰撞摩擦机会极少使碰撞摩擦作用减弱,而且反冲气/水对滤料剪切和摩擦强度也会因为滤层处于平衡状态而有所降低,所以冲洗效果关键取决于第1阶段。5曝气生物滤池存在问题和不足曝气生物滤池在实际应用中也存在其固有缺点:（1）曝气生物滤池进水SS不能过高。假如进水SS较高,会使滤池在短时间内达成设计水头损失,发生堵塞,这么就肯定造成频繁反冲洗,增加了运行费用与管理不便[7]。为使之在较短水力停留时间内处理较高有机负荷并含有截留SS功效,曝气生物滤池采取填料粒径通常都比较小。依据国外运行经验,进水SS通常不超出100mg/L,最好控制在60mg/L以下。（2）采取曝气生物滤池,其过滤水头损失大,故污水提升所需泵机扬程高。曝气生物滤池虽含有截留SS,替换二沉池功效,但同时伴伴随是其水头损失较大。通常来说,水头损失依据具体情况,每一级为1～2m,这么就在整体上加大了水总提升高度[31]。（3）采取曝气生物滤池工艺,在反冲洗操作过程中短时间内水力负荷较大,反冲洗出水直接回流到初沉池,初沉池会受到较大水力冲击负荷影响。所以,从确保稳定运行角度来看,有必需设置污泥缓冲池。6曝气生物滤池发展趋势作为一个新型污水生物处理技术,曝气生物滤池多年来已经成为中国外研究热点,但与应用研究相比,现在理论研究还不够系统和完善。伴随现代生物检测技术和纳米测量技术不停进步,相关曝气生物滤池生物膜特征研究,尤其是在生物膜生长、生物膜组成和生物膜活性等方面研究将成为近期前沿课题,这些研究同时也会促进反应器内微生物系统生态学研究发展。曝气生物滤池新型填料、反应动力学和反冲洗过程水力学特征也是以后需要研究关键问题。在应用方面,因为曝气生物滤池含有良好硝化反硝化能力,在污水三级脱氮处理和微污染水源水预处理中将得到更广泛应用,并拓宽其使用范围,对曝气生物滤池在中小型污水处理厂中深入推广应用有主动促进作用。参考文件:[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,马军.曝气生物滤池短程硝化反硝化机理研究[J].中国给水排水,,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,钱易,孔波等.曝气生物滤池去除污染物机理研究[J].环境科学,1999,20(6):49-52.[6]Boller.M,Kobler.DandKoch.G.Particleseparation,solidsbudgetsandheadlossdevelopmentindifferentbiofilters[J].WaterScienceTechnology,1997,36(4):239-247.[7]王炜亮,毕学军,张波.曝气生物滤池特点、应用及发展[J].青岛建筑工程学院学报,,25(4):62-67[8]邱立平,杜茂安,冯琦.二段曝气生物滤池处理生活污水试验研究[J].环境工程,,19(2):22-24.[9]Mac.CandW.S.Compactsystemreportedlyproduceeffluentcomparabletoconventionalactivatedsludgeprocess[J].WaterEnvironmentTechnology,1997,2:39-42。[10]李汝其.污水处理新技术——BAFSR曝气生物滤池[J].中国环境保护产业,1999,12:38-39.[11]王占生,刘文君.微污染水源应用水处理[M].北京:中国建筑工业出版社,1999:145-146.[12]徐亚明,蒋彬.曝气生物滤池原理及工艺[J].工业水处理,,22(6):1-5.[13]桑军强,王占生.BAF在微污染源水生物预处理中应用.中国给水排水[J].,19(2):21-23[14]乔晓时,许云闳,全燮.BIOFOR曝气生物滤池用于城市污水处理[J].中国给水排水,,20(7):83-85[15]王立立,刘焕彬,胡勇有,周勤.曝气生物滤池处理低浓度生活污水研究[J].工业水处理,,23(3):29-32[16]江萍.曝气生物滤池处理城市污水研究[J].水处理技术,,29(3):172-174[17]李汝琪孙长虹钱易.曝气生物滤池处理啤酒废水研究[J].环境科学,1999,20（4）:83-85[18]王晓阳,袁雅姝,刘军,苏锦明.两种运行方法对曝气生物滤池影响[J].现代化工,,33(3):175-178[19]郭天鹏,汪诚文,陈吕军,胡纪萃,靳志军,刘旭,周洪江,陈玉才,李强利.升流式曝气生物滤池深度处理城市污水工艺特征[J].环境科学,,23(1):58-61[20]肖文胜,徐文国,齐兵强.上流式曝气生物滤池处理城市污水[J].中国给水排水,,19(2):49-50[21]Pujol.R,Lemmel.HandGousailles.