某BAF污水處理廠的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及運行建議

李曉倩，楊洋，袁志丹*，朱靜，張虞

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 2.德國帕薩旺-洛蒂格公司北京辦事處，北京 100027

某BAF污水處理廠的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及運行建議

李曉倩1，楊洋2，袁志丹2*，朱靜1，張虞1

1.中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012 2.德國帕薩旺-洛蒂格公司北京辦事處，北京 100027

采用平均值法和累積頻率法對某曝氣生物濾池(BAF)污水處理廠的COD、SS、氨氮和總氮運行數(shù)據(jù)進行了分析比較，以考察BAF運行的高效性和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，當(dāng)數(shù)據(jù)波動性較小時，平均值法和累積頻率法均可較為合理地反映BAF的處理能力，平均值法數(shù)據(jù)處理較累積頻率法方便易行；但當(dāng)數(shù)據(jù)波動性較大時，累積頻率統(tǒng)計方法則能更好地反映BAF的處理能力和處理效果。綜合運行數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，對BAF運行時存在的主要問題進行了總結(jié)，并從強化BAF預(yù)處理、優(yōu)化BAF反沖洗和提升運行效果等方面提出了相應(yīng)的運行建議。

曝氣生物濾池；累積頻率；平均值；相對標(biāo)準(zhǔn)偏差；運行建議

作為一種新型污水處理工藝，曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，BAF)的應(yīng)用范圍越來越廣泛[1]。BAF充分借鑒了污水處理中的生物接觸氧化法和給水處理中快濾池的設(shè)計思路，集曝氣、快濾、截留SS、定期反沖洗等特點于一體，并通過過濾、吸附和生物降解實現(xiàn)對廢水的凈化[1-2]。與普通活性污泥法相比，BAF具有有機負荷高、占地面積小、投資少、不會產(chǎn)生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點[3-6]。

某城市污水采用合流制排水系統(tǒng)，其進水污染物濃度波動較大，出水要求達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[7]中的一級B標(biāo)準(zhǔn)?；谠撐鬯幚韽S規(guī)劃面積較小的現(xiàn)狀，若采用常規(guī)活性污泥法，無法完全接納和處理規(guī)劃中的污水量，因此，經(jīng)過多種工藝方案論證，選擇兩級BAF工藝作為該污水處理廠的主體處理工藝。

該污水處理廠自投入運行以來，已連續(xù)運行逾五年。該污水處理廠位于多雨地區(qū)，進水流量和污染物濃度變化較大，雖然污水處理廠的運行效果一直不錯，但在實際數(shù)據(jù)監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)，僅采用監(jiān)測結(jié)果的平均值對運行效果進行評價和預(yù)測，信息量不夠完整和準(zhǔn)確，因此筆者嘗試采用累積頻率統(tǒng)計對該污水處理廠的部分運行數(shù)據(jù)進行分析比較，同時，根據(jù)該污水處理廠的實際情況，歸納總結(jié)了有關(guān)BAF穩(wěn)定運行的經(jīng)驗和建議，期望能對今后類似的工藝運行起到借鑒作用。

1 污水處理廠基本情況

該污水處理廠設(shè)計規(guī)模為50 000 m3d，設(shè)計進水水質(zhì)為：CODCr(簡寫為COD)，300 mgL；BOD5，200 mgL；SS，200 mgL；總氮，40 mgL；總磷，4 mgL；pH，6～8。該污水處理廠所采用的工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理廠工藝流程Fig.1 Process flow chart of the wastewater treatment plant

由于BAF對進水懸浮物的要求較為嚴(yán)格[8]，因此有必要對兩級BAF的進水進行有效的預(yù)處理。該污水處理廠的預(yù)處理系統(tǒng)包括沉砂、加藥混凝、沉淀和超細格柵等設(shè)施。

BAF是該污水處理廠的核心系統(tǒng)，全廠共設(shè)五組上向流式BAF處理單元，每組處理單元包括一座碳氮氧化池(一級BAF)和一座脫氮池(二級BAF)。每座濾池采用火山巖濾料作為微生物的生長載體，濾池采用單孔膜曝氣系統(tǒng)。一級BAF設(shè)計停留時間為60 min，二級BAF設(shè)計停留時間為65 min。

2 分析與討論

該污水處理廠的實際平均進水量約35 000 m3d，且進水中污染物的濃度也與設(shè)計值有較大偏差。國內(nèi)工程技術(shù)人員通常習(xí)慣采用監(jiān)測結(jié)果的平均值來代表污染物的濃度，這對污染物濃度波動較小的情況是適宜的，但當(dāng)污染物濃度波動較大時就不易反映真實的情況，尤其是對于一些合流制污水收集系統(tǒng)的城市，當(dāng)雨季出現(xiàn)連續(xù)濃度較低情況時，采用平均值的方法容易掩蓋真實的污染情況。

根據(jù)德國ATV-DVWK-A 131E標(biāo)準(zhǔn)[9]，在計算污水處理設(shè)施的進水污染物負荷時，通常采用非雨季數(shù)據(jù)的累積頻率為85%的對應(yīng)數(shù)值，這樣可以最大程度地體現(xiàn)實際處理能力，又不會造成過多的浪費。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，累積頻率體現(xiàn)了某事件在統(tǒng)計樣本中出現(xiàn)的可能性，在相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較大的樣本統(tǒng)計中有著廣泛的應(yīng)用。因此，筆者參考德國ATV-DVWK-A 131E標(biāo)準(zhǔn)，利用累積頻率的方法對污染物濃度變化較大的污水處理廠數(shù)據(jù)進行分析，以更準(zhǔn)確地獲得這些數(shù)據(jù)所代表的信息。

2.1 有機物(COD)

某半年時間內(nèi)，該污水處理廠的進、出水COD監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，該污水處理廠進水COD變化較大，最低約為50 mgL，最高達200 mgL。進水COD的平均值為101.4 mgL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為29%。出水COD平均值為25.1 mgL，圖中顯示較為穩(wěn)定，但相對標(biāo)準(zhǔn)偏差卻達到了33%，出水濃度穩(wěn)定的“假象”主要是由于進、出水濃度采用同一縱坐標(biāo)軸造成的。采用平均值表示時，污水處理廠的COD去除率為75%。

圖2 進、出水COD監(jiān)測結(jié)果Fig.2 COD concentrations of influent and effluent

對進、出水COD進行累積頻率統(tǒng)計，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，對應(yīng)累積頻率為85%的進水COD約為128.2 mgL，而累積頻率為85%的出水COD為33.9 mgL，相對的污水處理廠COD去除率為74%。兩種統(tǒng)計結(jié)果都表明，該廠兩級BAF對進水的有機負荷沖擊有較好的抵抗能力。

圖3 進、出水COD累積頻率統(tǒng)計Fig.3 Cumulative frequency results of COD data

對比兩種統(tǒng)計方式可知，雖然二者表征的COD去除率基本相同，但對于進、出水的COD特征值，二者有較大差別。累積頻率為85%的事件可以認為是統(tǒng)計樣本中的大概率事件，因此，COD平均值僅為大概率事件中的一個特例。換言之，當(dāng)進水COD不超過128.2 mgL，而不是僅在平均值101.4 mgL時，其去除率可穩(wěn)定在75%左右。當(dāng)其他條件不變時，兩種統(tǒng)計方式表示的進水COD負荷相差近30%，可見采用累積頻率統(tǒng)計方法能更真實地反映BAF的處理能力。

2.2 懸浮物(SS)

同一時期該污水處理廠的進、出水SS濃度監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，與進水COD相比，進水SS濃度比較穩(wěn)定，這主要是由于進水取樣點位于提升泵后，泵前的集水池對進水懸浮物的波動進行了一定緩沖，進水SS濃度平均值為172.7 mgL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為6%。出水SS濃度穩(wěn)定在20 mgL以下，平均值為14.1 mgL，但相對標(biāo)準(zhǔn)偏差達到了24%，采用平均值表示時，污水處理廠在該時間段的SS去除率達92%。

圖4 進、出水SS濃度的監(jiān)測結(jié)果Fig.4 SS concentrations of influent and effluent

對進、出水SS濃度進行累積頻率統(tǒng)計，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，對應(yīng)累積頻率為85%的進水SS濃度約為185.0 mgL，而累積頻率為85%的出水SS濃度為19.0 mgL，相應(yīng)的SS去除率為90%。

圖5 進、出水SS濃度的累積頻率統(tǒng)計Fig.5 Cumulative frequency results of SS data

與采用兩種統(tǒng)計方式的COD結(jié)果不同，不但兩種方式表征的SS去除率差別不大，而且進、出水的SS濃度特征值也無太大差別?？梢?，當(dāng)統(tǒng)計樣本中的事件波動不大時，無論采用哪種統(tǒng)計方式都較為合理。運行結(jié)果還表明，雖然兩級BAF對SS具有較高的去除率，但出水SS濃度相對波動較大，這可能是由于濾料表面生長的生物膜脫落造成的，因此，對BAF進行有效的反沖洗有可能提升SS的去除穩(wěn)定性。此外，根據(jù)德國ATV-DVWK-A 131E標(biāo)準(zhǔn)，二沉池出水中的SS對出水COD有一定的影響，該標(biāo)準(zhǔn)建議，1 g SS相當(dāng)于0.8～1.4 g COD[9]。由于該污水處理廠出水COD的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差與出水SS的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差相當(dāng)，據(jù)此推測，出水COD的波動可能是由于懸浮性的物質(zhì)造成的，因此，如能進一步穩(wěn)定和提升SS的去除效果，則該污水處理廠的出水COD效果還將有明顯改善。

2.3 氨氮和總氮

同一時期內(nèi)該污水處理廠的進、出水氨氮濃度監(jiān)測結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，進水氨氮濃度波動較大，平均值為24.9 mgL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為26%。出水氨氮濃度平均值為5.7 mgL，似乎較穩(wěn)定，但相對標(biāo)準(zhǔn)偏差達到了29%。采用平均值表示時，相對應(yīng)的氨氮去除率為77%。出水氨氮濃度波動較大，與該污水處理廠的運行方式有關(guān)，二級BAF為脫氮池，采用間歇曝氣的運行方式。此外，由于進水COD比較低，且進水水量僅為設(shè)計水量的70%，因此，在滿足出水水質(zhì)達標(biāo)排放的前提下，為了降低運行能耗，根據(jù)實際需求不定期的降低了一級BAF的空氣曝氣量，在一定程度上也影響了出水氨氮的穩(wěn)定性。

圖6 進、出水氨氮濃度監(jiān)測結(jié)果Fig.6 Ammonia concentrations of influent and effluent

對進、出水氨氮濃度進行累積頻率統(tǒng)計，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，對應(yīng)累積頻率為85%的進水氨氮濃度為30.5 mgL，而累積頻率為85%的出水氨氮濃度為7.4 mgL，相對應(yīng)的氨氮去除率為76%。由于氨氮的進、出水情況與COD類似，都屬于波動較大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，因此，采用平均值和累積頻率兩種方法對氨氮數(shù)據(jù)的分析比較不再贅述。

圖7 進、出水氨氮濃度累積頻率統(tǒng)計Fig.7 Cumulative frequency results of ammonia data

同一時期內(nèi)該污水處理廠的進、出水總氮監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，進水總氮濃度波動較大，平均值為27.7 mgL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為23%。出水總氮濃度平均值為16.8 mgL，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為19%。采用平均值表示時，相對應(yīng)的總氮去除率為39%。進水總氮濃度的平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差與進水氨氮濃度的平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差基本相同，表明該污水處理廠進水總氮主要由氨氮和少量的有機氮等組成。

圖8 進、出水總氮濃度監(jiān)測結(jié)果Fig.8 Total nitrogen concentrations of influent and effluent

對進、出水總氮濃度進行累積頻率統(tǒng)計，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，對應(yīng)累積頻率為85%的進水總氮濃度為33.6 mgL，而累積頻率為85%的出水總氮濃度為19.6 mgL，相對應(yīng)的總氮去除率為42%。顯然，用累積頻率統(tǒng)計的總氮去除效果強于用平均值統(tǒng)計的結(jié)果。

圖9 進、出水總氮濃度累積頻率統(tǒng)計Fig.9 Cumulative frequency results of total nitrogen data

平均值和累積頻率兩種統(tǒng)計方式都顯示該污水處理廠對總氮有一定的去除，這主要是來自兩級BAF曝氣方式的貢獻。二級BAF采用間歇曝氣的運行方式，當(dāng)該池不曝氣時，就為微生物的反硝化提供了缺氧條件，此外，由于兩級BAF都存在有意降低曝氣強度的運行階段，受氧氣傳遞所限，在濾料的內(nèi)部完全有可能產(chǎn)生反硝化所需的缺氧微環(huán)境[10-13]。而該污水處理廠的進水總氮濃度又遠低于設(shè)計值，因此，雖然該污水處理廠沒有設(shè)置專門的反硝化系統(tǒng)，但出水總氮濃度能達到GB 18918—2002一級B標(biāo)準(zhǔn)的排放要求。

3 運行經(jīng)驗及建議

上述數(shù)據(jù)分析表明，該污水處理廠對進水污染物濃度的波動有較強的適應(yīng)能力，各污染物均能達標(biāo)排放，但由于BAF自身的技術(shù)特點——易堵塞，以及實際采取的某些運行策略，使得出水中的污染物濃度不夠穩(wěn)定，與高效穩(wěn)定的處理系統(tǒng)有一定差距，尤其是總氮的去除率還較低。為了有效提升該污水處理廠的處理效果，筆者整理了該污水處理廠預(yù)防和處理濾池堵塞問題的一些經(jīng)驗，并對今后可能進行的提標(biāo)改造提出了相應(yīng)建議。

3.1 強化BAF前處理

BAF堵塞主要分為濾頭堵塞和濾料阻塞(也稱濾料板結(jié))。就BAF而言，不論是濾頭還是濾料，當(dāng)采用不同廠家產(chǎn)品時，其性能會有所區(qū)別，但都不是造成濾池堵塞的根本原因。造成濾池堵塞的主要原因是過多的雜質(zhì)未經(jīng)適當(dāng)?shù)念A(yù)處理直接進入BAF，而這些雜質(zhì)以及濾料脫落的生物膜又未經(jīng)有效的反沖洗去除，最終造成了堵塞。因此，防止濾池堵塞首先需要強化BAF的前處理，即在污水進入濾池之前，必須設(shè)置有效的預(yù)處理系統(tǒng)，降低濾池進水懸浮物濃度，并設(shè)置高效的隔離設(shè)備去除污水中的輕質(zhì)雜物。

該污水處理廠設(shè)置了較為完善的預(yù)處理系統(tǒng)，污水由提升泵經(jīng)細格柵進入沉砂池，在沉砂池內(nèi)設(shè)撇油管和排砂泵，分別用于撇除油脂和除礫。沉砂池上清液進入沉淀池反應(yīng)室，通過射流曝氣機與藥液(來自加藥間)進行混合后，進入斜管沉淀池進行混凝沉淀處理，這些措施有效地降低了污水中的懸浮物濃度，也使得出水中的總磷能夠穩(wěn)定達標(biāo)排放。

斜管沉淀池的出水經(jīng)過超細格柵進入BAF，超細格柵的目的是去除污水中的毛發(fā)、纖維及塑料片等輕質(zhì)雜物。該污水處理廠采用的是柵距為1 mm的超細格柵，其對輕質(zhì)雜物的攔截效果不理想，當(dāng)進水中毛發(fā)類雜物較多時，濾池堵塞頻繁，嚴(yán)重時甚至發(fā)生了為了去除這些堵塞物加大反沖洗強度，導(dǎo)致濾板損壞的情況，不得不掏空濾料后對濾頭進行清洗和部分更換?？梢?，輕質(zhì)雜物的去除在BAF的前處理中同樣要受到高度重視。

3.2 優(yōu)化BAF反沖洗

BAF運行過程中，會經(jīng)常發(fā)生濾料阻塞問題[14]。通常，適度加大反沖洗強度或增加反沖洗時間即可解決，如果堵塞比較嚴(yán)重出現(xiàn)濾料板結(jié)問題，僅靠反沖洗無法解決時，則需要停止該組濾池的運行，采用人工翻料解決。

目前大多數(shù)BAF污水處理廠采用的反沖洗周期為24～72 h，BAF的反沖洗周期與進水懸浮物濃度和進水量有較大關(guān)系[15]。一般進水懸浮物濃度較高，濾速較高時，反沖洗周期較短，實際運行的反沖洗周期可根據(jù)濾池水頭損失值或者運行規(guī)定的反沖洗周期進行調(diào)整，若運行過程中，發(fā)現(xiàn)某組濾池曝氣明顯不均或出水量較小時，則優(yōu)先對該組濾池進行反沖洗。

BAF一般按照氣洗、氣-水聯(lián)合沖洗、清水漂洗順序進行反沖洗，氣洗時間3～5 min，氣-水聯(lián)合沖洗時間4～6 min，清水漂洗時間8～10 min[16]。該污水處理廠的反沖洗過程為：先通過反沖洗降水沖洗，水流從上向下，可將滯留在濾頭中的雜質(zhì)及時沖洗出去，待濾池中的水位降到淹沒濾料時，停止反沖洗降水，依次進行氣洗、氣-水聯(lián)合沖洗、清水漂洗，完成整個反沖洗操作，實際反沖洗時間通常在40～60 min。在反沖洗過程中，其余正常運行的BAF處理水量包括了正常進水量和反沖洗排水量，在不利運行條件時，可能還會出現(xiàn)一組濾池檢修的情況，因此在BAF設(shè)計中要考慮這些因素，以免造成處理能力不足的問題。

3.3 提升運行效果建議

隨著國家環(huán)境保護要求越來越嚴(yán)格，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高，因此，該污水處理廠有必要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上穩(wěn)定提高工藝運行效果，甚至進行相應(yīng)的工藝升級改造。

(1)COD和SS

該污水處理廠的COD和SS都能夠達標(biāo)，但出水濃度的波動性均較大。由于出水中溶解性的可生物降解的COD已微乎其微，能進一步被有效去除的僅為懸浮性COD，因此，SS的進一步去除對提高二者的去除率以及去除的穩(wěn)定性尤為重要。除了優(yōu)化現(xiàn)有的預(yù)處理和反沖洗系統(tǒng)外，也可增加通常在污水處理廠升級改造過程中采用的深度過濾設(shè)施，如濾布濾池等，通過對SS的穩(wěn)定去除達到穩(wěn)定出水COD的目的。

(2)氨氮和總氮

實際運行中為了實現(xiàn)總氮的去除，二級BAF采用間歇曝氣的運行方式，因此該污水處理廠的氨氮去除率仍有提升的空間。運行結(jié)果也表明，該污水處理廠采用碳氮氧化池和脫氮池串聯(lián)工藝對總氮的去除不高，為了提高污水處理廠的總氮去除率，可考慮采用前置缺氧濾池與BAF串聯(lián)，BAF出水回流至缺氧濾池進行反硝化脫氮。因進入濾池之前污水中含有較高濃度的易降解有機物，所以前置缺氧濾池中有足夠的碳源進行反硝化。此外，也可在BAF之后增加缺氧池，但是污水經(jīng)過BAF處理后能夠被反硝化細菌有效利用的有機物已不多，為了達到反硝化脫氮目的，必須向后置缺氧池中外加碳源，且需要合理控制投加量，否則會造成出水有機物濃度超標(biāo)。當(dāng)反硝化過程在單獨設(shè)置的缺氧池中進行時，可根據(jù)實際進水的COD和氨氮進行BAF曝氣量的調(diào)節(jié)，以期得到更好、更穩(wěn)定的出水效果。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)活性污泥法相比，BAF具有負荷高、占地面積小等優(yōu)勢，而與膜生物反應(yīng)器相比，BAF又具有投資省、運行管理簡單等特點，因此，BAF越來越受到人們的重視。而BAF的高效性和穩(wěn)定性一直是技術(shù)人員關(guān)注的重點，采用不同的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析方式對某BAF污水處理廠的運行數(shù)據(jù)進行分析比較，并結(jié)合實際經(jīng)驗提出了相應(yīng)的運行建議，希望能對BAF的推廣應(yīng)用起到拋磚引玉的作用。

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DataStatisticalAnalysisandOperatingSuggestionofaWastewaterTreatmentPlantusingBAFProcess

LI Xiao-qian1，YANG Yang2，YUAN Zhi-dan2，ZHU Jing1，ZHANG Yu1

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Passavant-Roediger Beijing Representative Office, Beijing 100027, China

In order to evaluate the efficiency and stabilization of the biological aerated filter (BAF) process, the operation data of a wastewater treatment plant using BAF process, including COD, SS, ammonia nitrogen and total nitrogen, were analyzed through the average value method and the cumulative frequency method respectively. The results showed that, when the data were less fluctuated, both the average value method and the cumulative frequency method were suitable for analyzing the operation results of BAF process, and the average value method was more convenient and feasible. On the contrary, the cumulative frequency method was much better in reflecting the capacity and efficiency of BAF process when the data were more fluctuated. Based on the data analysis and practical experience, some operating suggestions of BAF were given on enhancing pretreatment, optimizing back-flushing and improving treatment effects, etc.

biological aerated filter; cumulative frequency; average value; relative standard deviation; operating suggestion

1674-991X(2013)03-0189-06

2012-12-03

李曉倩(1979—)，女，助理研究員，博士，主要從事環(huán)境污染機理及防治方法研究，lixiaoqian@craes.org.cn

*責(zé)任作者:袁志丹(1983—)，男，工程師，碩士，主要從事水污染治理工程，yuanzd@prabj.com

X703.1

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10.3969j.issn.1674-991X.2013.03.031