摘要:曝氣生物濾池是一種將生物氧化機理與深床過濾機理有機結合的新型污水生物處理技術。本文對曝氣生物濾池的工藝原理、工藝特點、工藝形式進行了綜合評述,對其在城市生活污水處理中去污效能、啟動方式、反沖洗形式及理想填料的應用與最新研究進展進行了詳細介紹,尤其對目前曝氣生物濾池存在的優點與不足進行了針對性的分析。對曝氣生物濾池的運行機理進行深入探討,并進一步加強對曝氣生物濾池與其他工藝組合的優化研究,將完善曝氣生物濾池的工藝體系,拓寬其使用范圍。因此,曝氣生物濾池將在我國污水處理中具有廣闊的應用前景。

關鍵詞:污水處理,曝氣生物濾池,脫氮除磷,應用進展

水資源是人類賴以生存的基本物質之一,已成為人類社會可持續發展的重要限制因素。近年來隨著城市建設和工業的發展,城市用水量急劇增加,大量不達標污廢水的排放不僅污染了環境和水源,更加重了水資源的日益短缺和水質的日益惡化,從而導致生態環境的惡性循環。

尋求經濟高效的污水處理技術,對促進污水回用的發展和水環境的恢復有著現實和深遠的意義。生物法是污水處理的基本方法,然而傳統污水生物處理工藝不可避免的具有占地面積比較大、處理系統復雜、運行管理難度大、處理效能低下等缺點,而且隨著城市發展步伐的加快及城市區域的拓展,污水處理設施離城區越來越近,有的甚至建在城區,污水廠土地的使用也受到嚴格的限制[1]。

在這種背景下,生物過濾的思想被引入到污水處理中來,于是體積小、出水水質好、具有模塊化結構并可自動化操作的曝氣生物濾池(biological aerated filter,BAF)就應運而生了。作為一種新型污水處理技術,曝氣生物濾池工藝尚處于發展完善過程中。深入了解其性能、機理并對其在實際工程中的應用回顧與評述,將有助于提高人們對該項新技術的認知水平,對曝氣生物濾池在我國污水處理中的應用起到積極的促進作用。

1　曝氣生物濾池的工藝原理及特點

曝氣生物濾池是20世紀80 年代末在歐美發展起來的一種新型的污水處理技術,它是由滴濾池發展而來并借鑒了快濾池形式,在一個單元反應器內同時完成了生物氧化和固液分離的功能。世界上首座曝氣生物濾池于1981年誕生在法國,隨著環境對出水水質要求的提高,該技術在全世界城市污水處理中獲得了廣泛的推廣應用[ 2 ] 。目前,在全球已有數百座大小各異的污水處理廠采用了BAF技術,并取得了良好的處理效果。

1. 1　工藝原理

曝氣生物濾池是充分借鑒污水處理接觸氧化法和給水快濾池的設計思路,將生物降解與吸附過濾兩種處理過程合并在同一單元反應器中。以濾池中填裝的粒狀填料(如陶粒、焦炭、石英砂、活性炭等)為載體,在濾池內部進行曝氣,使濾料表面生長著大量生物膜,當污水流經時,利用濾料上所附生物膜中高濃度的活性微生物強氧化分解作用以及濾料粒徑較小的特點,充分發揮微生物的生物代謝、生物絮凝、生物膜和填料的物理吸附和截留以及反應器內沿水流方向食物鏈的分級捕食作用,實現污染物的高效清除,同時利用反應器內好氧、缺氧區域的存在,實現脫氮除磷的功能。

1. 2　工藝特點

曝氣生物濾池雖是生物膜處理方法的一種,但與傳統生物濾池相比,仍具有明顯特點:(1)BAF采用的粗糙多孔的小顆粒填料作為生物載體,可在填料表面保持較高的生物量(可達10～15 g/L) ,易于掛膜且運行穩定; (2)生物相復雜,菌群結構合理,反應器內具有明顯的空間梯度特征, 能耐受較高的有機和水力沖擊負荷,不同的污染物可以在同一反應器被漸次去除,同步發揮生物氧化作用、生物吸附絮凝和物理截留作用,出水水質好,可滿足回用要求; (3)區別于一般生物濾池及生物濾塔,在去除BOD、氨氮時需進行曝氣,但粒狀填料層具有較高的氧轉移效率,曝氣量低,運行能耗較低,硝化和反硝化效率高; (4) BAF濾池為半封閉或全封閉構筑物,其生化反應受外界溫度影響較小,適合于寒冷地區進行污水處理; (5)高濃度的微生物量增大了BAF的容積負荷,進而降低了池容積和占地面積,使基建費用大大降低; (6)濾池運行過程中通過反沖洗去除濾層中截留的污染物和脫落的生物膜,無需二沉池,簡化了工藝流程,采用模塊化結構設計,使運行管理更加方便; ( 7)減少了污水廠異味,無污泥膨脹問題,無需污泥回流。

1. 3　工藝形式

近年來曝氣生物濾池發展迅速,工藝形式不斷推陳出新, 曾先后出現過B IOCARBON、B IOFOR、B IOSTYR、B IOSMED I、B IOPUR、COLOX、DeepBed等形式,其中B IOCARBON、B IOFOR、B IOSTYR、B IOS2MED I、B IOPUR是現代曝氣生物濾池幾種典型的運行工藝, 在世界范圍內都有應用, 其構造特點見表1。B IOCARBON (圖1)為早期開發的工藝形式,現在曝氣生物濾池則多采用B IOFOR (圖2)和B IO2STYR (圖3)形式。

1. 4　工藝參數

隨著人們對曝氣生物濾池研究的深入, BAF反應器的關鍵工藝參數也有了較大的調整,其工藝參數大致如下:
容積負荷與要求出水水質相關,一般情況下有機物負荷為2～10 kg BOD5 /m3 •d;硝化0. 5～3 kgNH32N /m3 •d;反硝化018～7 kg NO32N /m3 •d; 水力負荷6～16 m3 /m2 •h;氣水比(1～3) ∶1,最大不超過10∶1; 填料粒徑為2～8 mm;填料高度為2～4m;單級反沖周期24 ～48 h;多級反沖周期24 ～48h,硝化反硝化濾池運行時間較長;單池反沖水量約占產水量的8%左右,或為單池填料體積的3倍左右;反沖時間20～30 min,反沖洗水強度15～35 L /m2 •s,氣強度15～45 L /m2 •s。

2　曝氣生物濾池的效能

作為新型污水處理工藝,國內外學者對曝氣生物濾池的應用進行了大量研究。雖然很多學者在曝氣生物濾池對有機物和懸浮物的去除,對硝化和反硝化等污染物的去除效能方面已取得了一定的進展和共識。但有關曝氣生物濾池的生物掛膜,磷的去除、填料的選擇、反沖洗方式等方面的研究與應用還有待進一步完善。

2. 1　污染物的去除

曝氣生物濾池工藝上的獨特性及明顯的空間梯度特征決定了其對污染物去除的高效性。

2. 1. 1　有機物和懸浮物的去除

曝氣生物濾池內填料的物理吸附和過濾截留作用以及生物膜的生物氧化作用決定了池內SS和有機物的高效去除,國內外該領域的研究及應用也充分證明了上述觀點。Pastorelli G. 等[ 3 ]對中試規模的淹沒式生物濾池連續進行18 個月的試驗研究表明BOD5和SS去除率均大于95%。Gilbert Desbos等[ 4 ]在研究SS和COD的去除率同濾速之間的關系時發現,當負荷的增大并不是因為進水中更多的SS,而是由于更高的流量和低停留時間時,去除效率是相當穩定的,總的SS去除率在80% ～90%之間,而COD去除率在70% ～80%之間波動。國內,齊兵強等[ 5 ]采用B IOFOR工藝,以生活污水為處理對象, COD、BOD5、SS出水水質指標均達到了生活雜用水水質標準。大連市馬欄河污水處理廠采用B IOFOR型BAF,在處理量為12萬m3 /d, COD負荷最大6 kg COD /m3 •d的情況下,出水COD小于75 mg/L。以上國內外研究與應用結果表明,曝氣生物濾池對有機物和懸浮物的處理機能成熟,處理量大,去除效果顯著,在污水碳有機物去除應用中潛力巨大。

2. 1. 2　氨氮的去除

氨氮是污水處理中最主要的目標去除物之一。曝氣生物濾池將較短的水力停留時間與長的污泥齡有機統一起來,有利于硝化細菌這類世代期較長的細菌生長,對氨氮具有較高的去除效率,因此,被廣泛應用于污水中氨氮的去除。硝化作用,有關BAF硝化性能的研究已得到越來越多研究者的重視,通過優化運行參數BAF的硝化效率已得到了明顯的提高。J1Cromphout[ 6 ]利用上向流曝氣生物濾池處理含氨的富營養化水時,在氣水比1∶1,濾速5118 m /h,溫度10 ℃以上條件下,硝化效率可達100%。英國水研究中心Dillon等[ 7 ]對BAF的硝化能力研究結果表明當氮容積負荷為0163 kg/m3 • d 時, NH+2N 去除率可達90%。R1Pujol等[ 8 ]通過對法國巴黎Achresh處理廠的上向流曝氣生物濾池兩年的研究認為,在濾速4 ～6m /h, 6～8 m /h, 8～10 m /h運行條件下,當NH32N的容積負荷為115 kg NH32N /m3 •d時,曝氣生物濾池氨氮去除率始終保持在80% ～100% ,濾速的提高不僅不是影響反應器硝化速度的限制因素,反而會對硝化有積極的促進作用。F1Fdz2Polanco[ 9 ]等對淹沒式曝氣生物濾池硝化過程中異養菌和硝化菌的空間分布情況進行研究時發現:當COD∶NH+42N為4∶1,進水COD低于200 mg/L 時不影響硝化效能;當進水COD高于200 mg/L 時,硝化效能將無法達到100%;盡管BAF的氨氮去除效能在實踐中得到了檢驗,但有關進水負荷,有機物濃度以及硝化細菌分布特征還需進一步探討。目前的研究表明,曝氣生物濾池的硝化性能與有機物濃度、溫度、停留時間等因素有密切的關系,因此硝化性能的研究有待進一步的深入。

反硝化作用,由于曝氣生物濾池中存在厭氧和兼性微生物,使得反硝化得以進行。Pujol[ 8 ]研究認為,反硝化最好采用外加碳源的辦法,在最佳濾速為10 ～ 15 m /h 時, 脫氮能力可達到100%。Pujol等[ 10 ]還比較了前置反硝化和后置反硝化的優劣,認為反硝化過程應采用上向流的進水方式進行。Chen等[ 11 ]研究生物過濾反應器與活性污泥反應器以及流化床的反硝化特性時,發現在不同水力條件下,反應器內微生物種群會發生一定的變化,但優勢種群———桿菌屬基本穩定。

另外,曝氣生物濾池獨特的空間梯度分布特征及運行特點使其具備了一定的短程硝化反硝化能力,曝氣生物濾池采用粒狀顆粒作為過濾和生物氧化的介質和載體,在整體上和每一單元填料表面所附著生物膜中都存在著基質和溶解氧的濃度梯度分布,這為各種不同生態類型的微生物在生物膜內不同部位占據優勢生態位提供了條件。Puzava等[ 12 ]在曝氣生物濾池一體化硝化反硝化方面取得了一定進展,他們通過調整曝氣量將反應器內的溶解氧濃度控制在015～3 mg/L,從而控制溶解氧不擴散到生物膜內部,實現同步硝化反硝化。中試結果表明,通過實時曝氣,即使將曝氣量降低50% ,也可達到同樣的處理效果。顯然,曝氣生物濾池的硝化,反硝化能力已經得到了很好的實踐驗證,對去除污水中氨氮的技術發展具有一定的推動作用。

2. 1. 3　磷的去除

單獨利用BAF的生物作用除磷是很難達到排放標準的,通常情況下需采取化學方法除磷。Gon2calves等[ 13 ]進行曝氣生物濾池同步脫氮除磷的研究時發現,進水方式對磷去除效果影響不大。德國科隆污水處理廠采用曝氣生物濾池進行的同步硝化除磷實驗表明,曝氣生物濾池除磷率可達70% ,總磷可降至015 mg/L。Aesªy等[ 14 ]發現,利用曝氣生物濾池反硝化脫氮時,如利用水解污泥或水解固體廢物做外加碳源,可同時去除比微生物生長需要量高3倍的磷。Pak等[ 15 ]研究了利用2級生物濾池在交替好氧、厭氧條件下運行對污水中氮磷的去除情況,發現影響除磷的因素為COD /TP值和水力停留時間,好氧過程中產生的硝酸鹽和亞硝酸鹽對磷的釋放有一定影響。Pedro A. Castillo等[ 16 ]在研究序批式曝氣生物濾池生物除磷時,在保持原水中COD∶N∶P為20∶5∶1,進水COD < 15 g/m2 •d 情況下,磷的去除率為72%。而T. Clark等[ 17 ]在BAF中用化學沉淀法除磷的研究結果表明, BAF化學加藥除磷比生物除磷效率要高,同時BOD5、COD的去除效果未受影響。從目前研究可知,單純采用曝氣生物濾池除磷效果較差,如何在濾池中創造良好的厭氧2好氧環境有待進一步探討。

2. 2　填料的研制與應用

填料的開發是曝氣生物濾池工藝發展的核心問題,適合的填料對曝氣生物濾池效能的發揮有著直接的影響,同時也將影響到曝氣生物濾池的結構形式、運行成本和正常操作。

首先,填料材質本身的物理吸附特性、化學穩定性、有無毒害、孔隙率等對濾池處理效能有一定影響。目前, 曝氣生物濾池多采用顆粒狀填料,如陶粒、沸石、焦炭、石英砂、活性炭和膨脹硅鋁酸鹽等。有機高分子填料聚氯乙烯、聚苯乙烯小球、合成纖維和波紋板等上浮式填料近來也得到了一定的應用。Lei Yang等[ 19 ]對曝氣生物濾池中水流模式與濾料特性進行對比研究時認為,濾料特性對濾池性能的決定作用遠大于水流模式。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。

Yongwoo Hwang等[ 20 ]通過對比聚苯乙烯漂浮顆粒和聚亞安酯泡沫管2種填料的異養反硝化性能,表明聚苯乙烯顆粒更為理想。Mann等[ 21 ]研究結果表明:上浮式填料比沉沒式填料對SS、COD的去除率高,在高濾速下更耐有機負荷和水力負荷沖擊。以上說明輕質填料取代高密度填料是曝氣生物濾池污水處理技術發展的趨勢。

其次,生物填料的粒徑大小也嚴重影響著曝氣生物濾池的處理效能。Rebecca Moore等[ 22 ]對不同粒徑濾料(115～315 mm和215～415 mm)對曝氣生物濾池的效果的影響進行了試驗,結果發現濾料粒徑小的曝氣生物濾池脫氮效果好,但小粒徑不適應高的水力負荷,會使濾池工作周期變短。而粒徑較大的填料雖然改善了濾池操作條件,減少了反沖洗的次數,但不利于脫氮和磷的去除。Rebecca Moore等[ 22 ]研究濾料粒徑對濾池性能影響時還發現壓降和SS的去除曲線表明小粒徑濾床性能差。因此,在濾料粒徑的選擇上應綜合考慮各種因素。目前,曝氣生物濾池普遍采用的濾料粒徑為3～8 mm,濾層厚度為2～4 m。鑒于我國目前還沒有像歐美國家一樣對曝氣生物濾池用填料制定較為嚴格的標準,因此,制定適于我國曝氣生物濾池的填料標準是十分重要的。（哈爾濱工業大學市政環境工程學院）

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