曝氣生物濾池技術(shù)研究進展及其工藝改良

張小玲，李強，王靖楠，王欣澤，林燕

（1 長安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

曝氣生物濾池（biological aerated filter，BAF）是20 世紀(jì)80年代末在歐美國家興起的一種新型生物膜法污水處理技術(shù)。該技術(shù)集濾層的截留過濾效能和生物膜的強氧化降解能力于一體，既可以有效去除污水中的懸浮物和有機物，也可實現(xiàn)硝化、脫氮、除磷以及有害物質(zhì)的去除。目前，BAF 工藝在世界各地都有著十分廣泛的應(yīng)用，我國第一座曝氣生物濾池于2001年在大連市馬欄河污水處理廠正式投產(chǎn)運行，處理規(guī)模為12×104m3/d，服務(wù)人口約35 萬人[1]。作為一種易于管理、經(jīng)濟高效、技術(shù)成熟的水處理工藝，BAF 在我國的城市污水處理、工業(yè)廢水處理以及微污染水源水預(yù)處理等領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。

隨著曝氣生物濾池技術(shù)在世界范圍內(nèi)不斷普及和推廣，諸多學(xué)者在BAF 的濾料選擇、啟動掛膜、處理效能、工藝參數(shù)影響以及反沖洗等方面做了大量研究，也取得了較多成果，然而傳統(tǒng)的BAF 工藝也存在技術(shù)瓶頸和不足之處，因此需要在深入了解BAF 的去污機理、特點、運行參數(shù)影響以及研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，在實際應(yīng)用中對曝氣生物濾池進行優(yōu)化設(shè)計和工藝改良，不斷發(fā)展和完善BAF 技術(shù)，強化其處理效能，以拓展BAF 工藝的應(yīng)用領(lǐng)域，使其在今后的廢水處理中發(fā)揮更大的作用。本文對BAF的工作原理、影響因素以及優(yōu)化改良等內(nèi)容的總結(jié)評述將有助于提高人們對該工藝的認(rèn)識和應(yīng)用水平，也為BAF 技術(shù)的革新和研究提出了新的思路。

1 曝氣生物濾池的原理、形式及特點

曝氣生物濾池主要是由濾料、布水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、出水系統(tǒng)以及反沖洗系統(tǒng)組成。其基本原理是在濾池內(nèi)填裝一定量比表面積大、生化性質(zhì)穩(wěn)定的顆粒狀濾料，啟動時在系統(tǒng)內(nèi)進行曝氣，經(jīng)馴化培養(yǎng)使濾料掛膜，當(dāng)廢水穿過濾層時，附著在濾料上的微生物充分吸附進水中的有機營養(yǎng)物和鹽類等，并利用曝氣所產(chǎn)生的溶解氧將其氧化分解，最終轉(zhuǎn)化成CO2和H2O 等代謝產(chǎn)物。隨著濾層內(nèi)微生物的大量生長繁殖，生物膜厚度不斷增加，外層的異養(yǎng)菌對溶解氧的消耗量逐漸增大，此時在生物膜由外而內(nèi)的區(qū)域便形成了好氧、缺氧及厭氧環(huán)境，由于生物膜系統(tǒng)內(nèi)好氧、缺氧及厭氧區(qū)的存在，濾池可實現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮過程，若在工藝運行的相應(yīng)階段投加適量除磷劑，則還能達到較好的除磷效果。濾料的物理吸附和截留過濾作用是BAF的另一個除污機制，在運行中，表面粗糙且粒徑較小的濾料可有效吸附和阻截進水中的有機顆粒與懸浮物，被截留的懸浮顆粒與濾料表面微生物新陳代謝所產(chǎn)生的黏性膠體物質(zhì)黏結(jié)形成絮體，并通過絮凝沉降或反沖洗的方式被去除。BAF 運行一段時間后，由于濾層內(nèi)生物膜和懸浮物的過量積累，導(dǎo)致系統(tǒng)的過濾阻力增大，處理效率降低，此時需對BAF 進行反沖洗以清除濾層內(nèi)截留的懸浮物與過量的生物膜，從而恢復(fù)濾池的納污能力和處理效率。

BAF 的形式可根據(jù)濾料選取、濾池功能和水流方向進行分類。按照濾料選擇可分為懸浮濾料BAF和沉沒濾料BAF；按照功能可分為去碳BAF、硝化BAF、反硝化BAF 和預(yù)處理BAF 等；根據(jù)水流方向又可分為上向流BAF 和下向流BAF。BAF 工藝的優(yōu)點有：①同步發(fā)揮生物氧化作用、生物絮凝作用以及濾料的物理吸附與截留過濾作用，處理效率高；②以具有較大比表面積的多孔顆粒狀濾料作為載體，能為微生物提供良好的生長環(huán)境，使濾池內(nèi)部具有較高的生物量；③占地面積小，工藝流程短，不需設(shè)置二沉池，節(jié)省基建和運行成本；④系統(tǒng)掛膜啟動快，在適宜的培養(yǎng)條件下，2～3 周即可完成掛膜過程；⑤自動化程度高，管理維護方便，不存在污泥膨脹的問題，微生物不易流失。BAF 工藝的不足有：①系統(tǒng)對懸浮物含量要求較為苛刻，進水SS 濃度通常應(yīng)低于60mg/L，因此，需要進行混凝沉淀預(yù)處理；② BAF 的除磷效果不佳，需采用組合工藝或在預(yù)處理階段投加化學(xué)除磷劑，從而增加了處理設(shè)施和運行費用；③傳統(tǒng)BAF 工藝對進水水質(zhì)變化波動的適應(yīng)性相對較差，處理效果不穩(wěn)定，且在較高的有機負(fù)荷條件下，系統(tǒng)的硝化過程會因異養(yǎng)菌的大量生長繁殖而受到不利影響，導(dǎo)致氨氮的去除率明顯降低。因此，通過對濾池結(jié)構(gòu)和運行方式的改良以提升系統(tǒng)對高濃度污水的處理能力，特別是強化濾池在高有機負(fù)荷下的硝化性能將是BAF 技術(shù)在今后的重要研究方向。

2 曝氣生物濾池運行的影響因素

2.1 濾料的選擇

不同種類的濾料，其表面結(jié)構(gòu)和物化特征均有所不同，因而會影響B(tài)AF 的處理效果。Feng 等[2]用BAF 工藝對比了高爐水渣和陶粒濾料的處理效果，結(jié)果表明，高爐水渣中的CaCO3可以起到調(diào)節(jié)pH 值的作用，更有利于硝化細(xì)菌的生長繁殖，其脫氮效果要優(yōu)于陶粒。Qiu 等[3]的研究表明，沸石濾料對氨氮的去除效果優(yōu)于陶粒和石灰?guī)r；而對于低pH 值的進水，石灰?guī)r的除氨效果則要高于另外兩種濾料，這是由于沸石具有較好的離子交換和吸附性能，對氨氮的去除效果要優(yōu)于其他無機濾料，而具有緩沖能力的石灰?guī)r能夠很好地適應(yīng)進水pH 值的變化，在處理低pH 值或者pH 值不斷變化的進水中氨氮時具有明顯優(yōu)勢[4]。

濾料的粒徑會影響到BAF 的處理效能的運行周期。有報道顯示，在氨氮負(fù)荷為0.3kg/(m3·d)條件下，填裝濾料粒徑分別為2～4mm、4～8mm 和5.6～11.2mm 的3 個BAF 對氨氮的去除率依次為98.2%、80.5%以及62.7%，這表明濾料粒徑越小，BAF 的硝化性能越強[5]。此外，Moore 等[6]也認(rèn)為濾料粒徑小的BAF 處理效果較好，但小粒徑濾料的納污能力有限，容易堵塞，會使濾池工作周期變短；而粒徑較大的濾料雖然使濾層納污能力增強，延長了BAF的運行周期，但采用較大粒徑濾料的BAF 對固體懸浮物（SS）和氨氮的去除效率會有所降低。

濾料的密度對BAF 的形式、反沖洗強度和處理效果均有影響。下向流的BAF 一般采用密度較大的濾料，而上向流的BAF一般采用密度較小的濾料[7]。Mann 等[8]認(rèn)為上浮式濾料對SS 和有機物的去除效果優(yōu)于沉沒式濾料，且抗沖擊負(fù)荷能力更強。此外，BAF 的濾料密度越大，其反沖洗強度及所需能耗越大，而填裝的濾料密度越小，則用于反沖洗的能耗也就越小[9]。綜上所述，在選擇濾料時，應(yīng)同時考慮BAF 的處理效能和運行周期，根據(jù)濾處理要求和進水水質(zhì)對濾料進行優(yōu)化篩選。

2.2 有機負(fù)荷

對于傳統(tǒng)BAF 工藝而言，過高的有機負(fù)荷會引起濾池內(nèi)異養(yǎng)菌的大量生長繁殖，硝化細(xì)菌的生長受到抑制，活性降低，氨氮去除率也隨之下降。此外，當(dāng)進水有機物負(fù)荷遠遠小于該工藝的設(shè)計負(fù)荷時，COD 去除率會隨有機負(fù)荷的增加而升高，而當(dāng)系統(tǒng)的有機負(fù)荷超過某一特定值時，COD 去除率則開始下降。Qiu 等[3]研究了進水有機負(fù)荷對BAF 硝化性能的影響，結(jié)果表明，在有機負(fù)荷低于6kg/(m3·d)時，氨氮去除率保持在50%以上，當(dāng)有機負(fù)荷超過6kg/(m3·d)時，氨氮去除率僅在20%～40%之間，呈明顯下降趨勢。Ji 等[10]的研究表明，在較低的有機負(fù)荷條件下[≤0.2kgCOD/(m3·d)]，BAF 系統(tǒng)中微生物會因營養(yǎng)不足導(dǎo)致生長受到限制活性降低，當(dāng)有機負(fù)荷從0.39kg/(m3·d)增至1.56kg/(m3·d)時，系統(tǒng)的COD 去除率則由81%升高至93%，氨氮去除率則從94%下降至91%，這說明在一定范圍內(nèi)有機負(fù)荷的增加對系統(tǒng)的COD 去除效果有積極促進作用，而氨氮去除效果則隨有機負(fù)荷的增加而減弱，導(dǎo)致氨氮去除率下降的主要原因是有機負(fù)荷的升高增加了異養(yǎng)菌對溶解氧的消耗，致使自養(yǎng)硝化細(xì)菌在與異養(yǎng)菌對氧和生長空間的競爭中處于劣勢，硝化過程受到抑制[11]。Jiang 等[12]認(rèn)為，當(dāng)BAF系統(tǒng)的進水COD 濃度低于30mg/L 時，反應(yīng)器內(nèi)的異養(yǎng)菌對硝化細(xì)菌的生長沒有抑制作用。Dou 等[13]的研究表明，當(dāng)有機負(fù)荷從1.9kg/(m3·d)增加至3.4kg/(m3·d)時，BAF 對氨氮的去除率始終保持在50%以上，呈緩慢下降趨勢；當(dāng)有機負(fù)荷超過3.4kg/(m3·d)時，氨氮去除率開始明顯下降，在有機負(fù)荷為4.0kg/(m3·d)時，氨氮去除率不足30%。由此可見，有機負(fù)荷對傳統(tǒng)BAF 工藝的處理效能特別是系統(tǒng)的硝化性能存在顯著影響，過高的有機負(fù)荷對硝化細(xì)菌的生長具有明顯的抑制作用，因此需要對BAF 的結(jié)構(gòu)與運行方式進行改良，以實現(xiàn)系統(tǒng)對進水有機負(fù)荷的有效削減，從而提升濾池的硝化性能與抗沖擊負(fù)荷能力。

2.3 水力負(fù)荷

水力負(fù)荷也是影響B(tài)AF 處理效能的重要參數(shù)。Jian 等[14]的試驗結(jié)果表明，在水力負(fù)荷為1.57m3/(m2·h)、2.24m3/(m2·h)及2.52m3/(m2·h)條件下，前置反硝化BAF 對氨氮的去除率分別為82%、90%及80%，這說明當(dāng)水力負(fù)荷從1.57m3/(m2·h)升高至2.24m3/(m2·h)時，反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)分布逐漸均勻，微生物與液相間的傳質(zhì)效率提升，硝化細(xì)菌活性增強，氨氮的去除率也隨之升高；當(dāng)水力負(fù)荷從2.24m3/(m2·h)增大到2.52m3/(m2·h)時，系統(tǒng)的有機負(fù)荷也隨之升高，此時由于異養(yǎng)菌的大量生長繁殖導(dǎo)致硝化細(xì)菌在對溶解氧和營養(yǎng)物質(zhì)的競爭中處于劣勢，硝化細(xì)菌的生長受到抑制，從而使氨氮的去除率也迅速下降。Wei 等[15]認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)水力負(fù)荷從1.45m3/(m2·h)增加到2.8m3/(m2·h)時，BAF 對氨氮和COD 的去除率也逐步增高，但當(dāng)水力負(fù)荷由2.8m3/(m2·h)增至5.95m3/(m2·h)時，氨氮和COD 的去除率反而開始降低；在水力負(fù)荷很小的條件下，BAF 內(nèi)的傳質(zhì)阻力較大，氣、水分布不均，且易出現(xiàn)營養(yǎng)不足的情況，因而會導(dǎo)致濾池的處理效率相對較低，這與Wang 等[16]的研究結(jié)果一致；隨著水力負(fù)荷的逐步增大，系統(tǒng)內(nèi)的傳質(zhì)速率提高，微生物得到充足的營養(yǎng)，生長和繁殖速率加快，活性增強，COD 和氨氮的去除率也隨之升高；然而隨著水力負(fù)荷的進一步增大，反應(yīng)器濾速加快，導(dǎo)致進水對濾料的沖刷效果增強，生物膜易脫落，出水會將脫落的生物膜和截留在濾料間隙的懸浮物帶出，導(dǎo)致系統(tǒng)的處理效率降低。Su 等[17]研究了BAF 的反應(yīng)動力學(xué)特性，認(rèn)為BOD5去除率與水力負(fù)荷的關(guān)系可用cr/ci＝1-exp(-2.44/L0.59)表示，該方程也可用來預(yù)測BAF 在不同水力負(fù)荷下對BOD5的去除率。Zhang等[18]研究了不同水力負(fù)荷對BAF系統(tǒng)內(nèi)亞硝酸鹽積累的影響，結(jié)果表明，在進水氨氮濃度為28～34mg/L、pH 值為7.8～8.0、水溫12～17℃條件下，水力負(fù)荷從1m3/(m2·h)增加至10m3/(m2·h)時，亞硝酸鹽累積率從0.72%升高至37.8%，增大了51.5倍，這是由于在曝氣量不變的條件下，增加水力負(fù)荷導(dǎo)致異養(yǎng)菌的大量生長，使硝化反應(yīng)受到抑制，另一方面則是由于水力停留時間縮短，導(dǎo)致進水中的氨氮沒有被充分氧化便隨出水外排，從而使出水的亞硝酸鹽濃度升高。因此，在BAF 工藝的實際運用中，應(yīng)根據(jù)濾池對污染物的去除效果和處理要求以及工藝的運行費用確定出最佳的水力負(fù)荷。

2.4 氣水比

氣水比是指曝氣量與進水流量之比，氣水比的大小直接影響著反應(yīng)器中的溶解氧含量，是影響B(tài)AF 運行的關(guān)鍵因素。李婷等[19]的研究表明，氣水比過低，因為溶解氧不足，微生物量少，導(dǎo)致污染物的去除率較低；當(dāng)氣水比逐漸增大時，水中的溶解氧含量升高，微生物活性增強，對污染物的去除效率也逐步提高，這與文獻[20-21]中的結(jié)論一致；而當(dāng)氣水比過高時，不但會增加能耗，而且氣流和水流對濾料的沖刷作用會增大，使生物膜外層的好氧菌容易脫落，且不利于在生物膜內(nèi)層形成厭氧環(huán)境，導(dǎo)致污染物的去除率降低。李志峰等[22]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)氣水比分別為1∶1、2∶1、3∶1 及5∶1 時，采用組合濾料的下向流BAF 對COD 的去除率分別為48%、53%、56%和53%，對氨氮的去除率分別為54%、72%、70%和69%，表明氣水比對氨氮去除率的影響更為顯著，且最佳氣水比為(2～3)∶1。傳統(tǒng)BAF 的氣水比通常小于3∶1 以內(nèi)，最大不超過10∶1，僅用于去除有機物的濾池一般采用較小的氣水比，用于硝化除氨的濾池，氣水應(yīng)適當(dāng)增大。

2.5 反沖洗

BAF 在運行一段時間后，由于生物膜厚度和濾床內(nèi)截留懸浮物的增加，過濾阻力和水頭損失增大，影響了反應(yīng)器的傳質(zhì)效果，導(dǎo)致濾池處理效率明顯降低，因此，需要定期對濾池進行反沖洗，以恢復(fù)濾池的處理能力。BAF 的反沖洗效果對其運行周期和出水水質(zhì)都有影響：若沖洗不充分，濾池運行周期將會縮短，處理效能無法充分發(fā)揮；若反沖洗過量，則會導(dǎo)致濾料表面的生物膜大量脫落，生物量不足，濾池處理效果下降，出水水質(zhì)變差[23]。因此，選擇合適的反沖洗方式、反沖洗強度及反沖洗時間對BAF 的運行至關(guān)重要。邱立平等[24]對上向流BAF的反沖洗過程進行了研究，推薦先以沖洗強度10L/(m2·s)氣沖2～3min，再以沖洗強度10L/(m2·s)氣水聯(lián)合沖洗3～5min，最后以沖洗強度10L/(m2·s)水沖9～11min。這種水氣聯(lián)合反沖洗方式能夠有效使BAF 在短時間內(nèi)恢復(fù)處理能力，是目前BAF 普遍采用的反沖洗方式。

3 曝氣生物濾池技術(shù)在國內(nèi)外的研究進展

3.1 有機物和SS 的去除

BAF 對廢水中有機物和SS 有著良好的去除效果，國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究成果也充分證明了上述觀點。Desbos 等[25]認(rèn)為，在高濾速和低停留時間條件下，SS 的去除率是相當(dāng)穩(wěn)定的，總的SS 去除率保持在80%以上，而COD 的去除率也可達70%以上。Su 等[17]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)水力負(fù)荷在0.6～1.4m/h 變化時，BAF 對COD 和SS 的去除率分別穩(wěn)定在76.3%～80.3%和86.3%～90%。Liu 等[26]采用兩級BAF 處理電鍍廢水的試驗結(jié)果表明，在氣水比4∶1、濾速為1.2m/h 條件下，COD 去除率可達90%以上。邱珊[27]采用上向流BAF 處理城市生活污水的研究表明，隨著氣水比的提高，SS 的去除率呈下降趨勢，而COD 的去除率則呈先升高后降低的趨勢；在0.6m 處的濾層中，SS 的去除率可達90%，COD 的去除則主要是在濾層的1.2m 以前完成，去除率超過75%。以上國內(nèi)外研究結(jié)果表明，BAF 工藝依靠其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對COD 和懸浮物的去除效果明顯，處理技術(shù)成熟。

3.2 氨氮的硝化去除

濾池硝化性能的研究一直是BAF 技術(shù)的核心課題，國內(nèi)外很多學(xué)者也對此進行了深入研究。盧楠等[28]的研究結(jié)果顯示，在氣水比為3∶1、水力負(fù)荷為5m3/(m2·h)、氨氮容積負(fù)荷小于1.65kg/(m3·d)的條件下，兩級串聯(lián)BAF 對氨氮的平均去除率可達到93%，這與Dillon 等[29]的結(jié)論一致。Pujol[30]的研究表明，在氨氮容積負(fù)荷為1.5kg/(m3·d)、濾速分別為4～6m/h、6～8m/h 及8～10m/h 的條件下，BAF對氨氮的去除率保持在80%～100%，提高濾速可促進系統(tǒng)的硝化過程。Tschui 等[31]的研究結(jié)果也證明了BAF 的硝化能力會因濾速的提高而得到一定增強，這是因為在一定范圍內(nèi)，隨著水力負(fù)荷的增加，反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)分布更加均勻，生物膜與液相間的傳質(zhì)效率得到提高，促進了硝化細(xì)菌的生長繁殖，進而增強了濾池的硝化性能。張連科[32]的研究表明，進水有機負(fù)荷對濾池的硝化性能有較大影響，當(dāng)有機負(fù)荷超過2.96kg/(m3·d)時，氨氮去除率迅速下降，有機負(fù)荷的增加對BAF 的硝化過程產(chǎn)生了不利影響。Fdz-Polanco 等[33]認(rèn)為當(dāng)進水COD 濃度高于200mg/L 時，BAF 的硝化過程將受到抑制；當(dāng)進水COD 與氨氮濃度比大于4 時，生物膜內(nèi)部則會形成不同的功能分區(qū)；此外，BAF 系統(tǒng)內(nèi)異養(yǎng)菌、硝化細(xì)菌及亞硝化細(xì)菌的空間分布也和進水COD 濃度有關(guān)。

3.3 脫氮除磷

有關(guān)BAF 脫氮除磷方面的研究也是一個熱點領(lǐng)域，由于生物膜系統(tǒng)內(nèi)好氧、缺氧及厭氧區(qū)的存在，因此BAF 可實現(xiàn)同步硝化反硝化的脫氮過程，而單獨利用BAF 的生物作用是很難達到理想的除磷效果，通常要投加化學(xué)除磷劑或者采用組合工藝。有報道稱，反硝化脫氮最好采用外加碳源的方法，在水力負(fù)荷為10～15m3/(m2·h)的條件下，脫氮效果最佳[30]。王新等[34]采用固定化BAF 工藝處理豬場廢水的試驗結(jié)果顯示，用新鮮廢水作為反硝化段的碳源時，系統(tǒng)的總氮去除率可達93%。Chen 等[35]針對硝化細(xì)菌和聚磷菌對污泥停留時間要求的矛盾，采用A2O-BAF 聯(lián)合工藝處理低C/N 的城市污水，在回流比為100%～400%的條件下，總氮（TN）的去除率分別為64.9%、77.0%、82.0%和87.0%，試驗期間出水的COD、氨氮、總磷（TP）低于50.0mg/L、0.5mg/L 和0.5mg/L。邱立平等[36]認(rèn)為，投加鐵鹽（FeCl3）和鋁鹽（AlCl3）可以有效強化單級BAF 的除磷效果，同時對其他指標(biāo)的去除沒有太大影響。Pak 等[37]認(rèn)為，COD/TP 值和水力停留時間（HRT）是影響B(tài)AF 除磷效果的主要因素，而聚磷菌釋放磷的過程則會受到硝酸鹽和亞硝酸鹽的影響。Ding 等[38]采用A2O-BAF 聯(lián)合工藝處理低C/N、低C/P 污水，BAF 部分出水回流至A2O 工藝的缺氧區(qū)為反硝化和缺氧吸磷提供了電子受體，也為反硝化聚磷菌提供了適宜生存環(huán)境，結(jié)果表明，通過BAF 回流水量控制缺氧區(qū)的硝酸鹽含量在1～4mg/L 時，組合工藝可達到最佳的脫氮除磷效果。

4 曝氣生物濾池的工藝改良

曝氣生物濾池工藝作為一項發(fā)展較快的新型污水生物處理技術(shù)，其工藝形式與應(yīng)用研究也在不斷的發(fā)展和完善中，隨著國內(nèi)外對BAF 工藝研究的不斷深入，在實際應(yīng)用中也出現(xiàn)了多種形式的BAF改良工藝，而采用新型隔離曝氣技術(shù)以優(yōu)化反應(yīng)器運行方式的高效內(nèi)循環(huán)BAF 工藝就是其中之一。

4.1 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池工藝簡介

內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該工藝是對傳統(tǒng)BAF 的曝氣方式進行改良，采用導(dǎo)流筒(或稱曝氣筒)將濾池分成兩個功能區(qū)，筒內(nèi)為曝氣區(qū)，筒外的環(huán)形部分則是濾料區(qū)(即生物氧化區(qū))。導(dǎo)流筒底部開有液體回流孔，曝氣裝置設(shè)在導(dǎo)流筒內(nèi)部，通過曝氣使廢水在筒內(nèi)充氧，利用曝氣動力以及充氧后導(dǎo)流筒內(nèi)、外形成的壓力差作為循環(huán)液流的推動力，使混合流體得到提升而向上流動，在導(dǎo)流筒上緣氣水分離后，經(jīng)過充氧的廢水則落入環(huán)形濾料區(qū)，附著在濾料上的微生物與向下穿過濾層的廢水在該區(qū)域充分接觸，廢水中的污染物則通過濾料的吸附截留作用以及微生物的新陳代謝作用而得以去除[39]。經(jīng)過處理的廢水從濾池底部的回流孔重新進入導(dǎo)流筒而再次被提升至反應(yīng)器頂部，一部分水從出水口排出，另一部分則繼續(xù)落入濾料區(qū)形成循環(huán)液流。內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池結(jié)合了氣升式環(huán)流反應(yīng)器與傳統(tǒng)BAF 工藝的優(yōu)點，通過隔離曝氣形成的循環(huán)液流可使進水在濾池內(nèi)得到充分稀釋，從而有效削減了系統(tǒng)的污染負(fù)荷，特別是將系統(tǒng)內(nèi)的有機物濃度控制在較低水平，這在很大程度上減弱了過高的有機負(fù)荷對硝化細(xì)菌的抑制作用，使濾池的硝化性能得到明顯增強。

圖1 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)示意圖[40]

4.2 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池工藝特點

內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池技術(shù)是在改進傳統(tǒng)BAF工藝的過程中發(fā)展起來的，該反應(yīng)器克服了原有BAF 技術(shù)中的多種瓶頸因素，與普通BAF 相比，具有以下幾個特點[40-41]：① 反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán)水量能達到進水流量的30 倍以上，大量的循環(huán)液流可將進水的污染物濃度迅速稀釋，從而提高了系統(tǒng)的容積負(fù)荷和抗沖擊能力，反應(yīng)器可直接處理高濃度污水；②采用獨特的隔離式曝氣提升技術(shù)，將曝氣區(qū)與濾料區(qū)分開，有效避免了傳統(tǒng)曝氣方式對生物膜的沖刷影響，防止了微生物的流失，保護了系統(tǒng)內(nèi)的生物多樣性；③ 通過隔離曝氣使氣水均勻混合，可消除曝氣死角，避免了直接曝氣形成的溝流及氣水短路現(xiàn)象的出現(xiàn)；④反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的高速循環(huán)水流提高了污水與生物膜之間的傳質(zhì)速率以及氧的轉(zhuǎn)移、利用效率，增強了系統(tǒng)的廢水處理能力特別是強化了濾池的硝化性能。

4.3 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池處理廢水應(yīng)用實例

4.3.1 廢水來源及水質(zhì)

廣東佛山市某煉油廠廢水主要含COD、石油類、氨氮、硫化物及揮發(fā)酚等污染物，煉油廢水經(jīng)隔油池與渦凹?xì)飧∠到y(tǒng)的預(yù)處理后，水質(zhì)如下[42]：COD，342～555mg/L，均值460mg/L；石油類，14～37mg/L，均值26mg/L；氨氮，26～50mg/L，均值37mg/L；硫化物9.7～36mg/L，均值20mg/L；揮發(fā)酚，10～21mg/L，均值15mg/L。

4.3.2 工藝流程

該廠設(shè)計廢水處理規(guī)模約1440m3/d，經(jīng)預(yù)處理后，廢水進入三級內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池生化處理單元，總HRT 為6h。處理工藝流程如圖2 所示。

4.3.3 處理效果及分析

圖2 煉油廢水處理流程

內(nèi)循環(huán)BAF生化處理單元3個月的平均出水水 質(zhì)見表1。由表1 可知，煉油廢水經(jīng)過3 級內(nèi)循環(huán)BAF 處理后，系統(tǒng)對COD、石油類、氨氮、硫化物及揮發(fā)酚的去除率分別達到83%、88.5%、79.2%、98.5%和99.3%，出水水質(zhì)達到了廣東省《水污染物排放限值》(DB44/26—2001)的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1 內(nèi)循環(huán)BAF 出水水質(zhì) （單位：mg/L）

4.4 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池處理廢水研究現(xiàn)狀

內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池在處理高濃度煉油廢水和石化廢水中具有處理效果好、性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟合理等優(yōu)點，因此，許多學(xué)者也對內(nèi)循環(huán)BAF工藝進行了深入研究。程麗華等[43]的研究結(jié)果表明，在進水各污染物質(zhì)量濃度波動較大的情況下，經(jīng)內(nèi)循環(huán)BAF 處理后的出水水質(zhì)穩(wěn)定，反應(yīng)器具有較高的容積負(fù)荷和很強的耐沖擊能力；在HRT=1.9h、氣水比為5∶1、pH 值為6.5～8.5、反沖洗周期為6 天的條件下，系統(tǒng)的COD、石油類、氨氮及SS 去除率可分別達到42.%、47.5%、69.4%及96.1%，出水中以上4 種污染物平均濃度分別為52mg/L、1.1mg/L、21mg/L 及1.6mg/L。鐘理等[44]的中試結(jié)果顯示，對于COD、硫化物、揮發(fā)酚和石油類濃度范圍分別為 1000～2800mg/L、100～550mg/L、50～250mg/L 及100～800mg/L 的高濃度煉油廢水，采用三級內(nèi)循環(huán)BAF 工藝進行預(yù)處理，在適宜條件下，可對COD、硫化物、石油類及酚類的平均去除率分別達到82%、99%、95%和90%以上。陳英等[45]的中試結(jié)果顯示，對于硫化物濃度為50～115mg/L、氨氮濃度為50～110mg/L、COD 為1900～3500mg/L 的煉廠廢水，在進水流量為5L/h、pH 值為7.5～9、單級反應(yīng)器水力停留時間為24h、單級曝氣量為0.45m3/h 的條件下，經(jīng)兩級處理后，硫化物、氨氮、COD 平均去除率分別達到95.5%、63.6%及81.8%，出水硫化物、氨氮、COD 的平均濃度為1.6mg/L、10mg/L 和226mg/L。此外， 蘇兵等[46]采用牡蠣殼為填料的內(nèi)循環(huán)BAF 工藝對模擬水源水中的氨氮進行處理，結(jié)果表明，在水力停留時間為4h、曝氣量為2.0L/min、pH 值為7.5～8.0的最佳條件下，內(nèi)循環(huán)BAF 對氨氮的去除率可達90%以上。

5 結(jié)語與展望

作為一種高效且經(jīng)濟適用的污水處理新工藝，曝氣生物濾池技術(shù)正在不斷地發(fā)展和推廣中。就目前的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀來看，曝氣生物濾池在廢水的SS 和有機物去除、硝化除氨以及反硝化脫氮等方面均表現(xiàn)出穩(wěn)定且良好的處理效能，但是，該工藝也存在對進水水質(zhì)要求苛刻、硝化性能易受有機負(fù)荷影響以及除磷效果不佳等諸多不足。因此，今后需在深入研究BAF 的反應(yīng)動力學(xué)、水力學(xué)以及混合傳質(zhì)特性基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化濾池的結(jié)構(gòu)形式，改善系統(tǒng)內(nèi)微生物的生長環(huán)境，以強化濾池的除污性能，使該工藝在污水處理中發(fā)揮更大的作用。

內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池作為BAF 的一種改良工藝，采用獨特的隔離式曝氣提升技術(shù)，在反應(yīng)器內(nèi)部形成了循環(huán)液流，這種運行方式能夠有效提高濾池的處理能力，特別是增強了系統(tǒng)的硝化性能，該工藝在處理高有機負(fù)荷污水時，較普通BAF 具有明顯優(yōu)勢。目前，內(nèi)循環(huán)BAF 較多應(yīng)用在煉油廢水和石化廢水的預(yù)處理中，然而在處理生活污水中的運用尚不多見，從現(xiàn)有的應(yīng)用實例和研究成果可以看出，內(nèi)循環(huán)BAF 是一種先進且成熟的污水處理技術(shù)，適合處理高濃度污水。因此，采用內(nèi)循環(huán)BAF工藝處理我國某些地區(qū)的高濃度生活污水，將具有很好的研究前景和實際意義。

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