改良型BFBR工藝的開發(fā)及應(yīng)用研究

＊楊國寧 范巍 謝長福 丁耀華 馮朝娜 尚靜藝

（1.中國水電基礎(chǔ)局有限公司 天津 301700 2.河南省愛可沃德生態(tài)科技有限公司 河南 450199）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，地表水域的環(huán)境質(zhì)量壓力很大，對人們的生產(chǎn)和生活甚至健康帶來了不利的影響[1]。與此同時，傳統(tǒng)的污水處理工藝都存在不同程度的基建費用高、能耗大、運行管理困難等缺陷[2]。BFBR（Bio-Film Biological-Reactor生物膜生物反應(yīng)器）是近年來我國引進的一種新的水處理工藝，核心在于生化處理+植生修復(fù)，通過人為干預(yù)的方式提高微生物活性和植生修復(fù)效率，使水質(zhì)高效凈化[3]。

傳統(tǒng)的BFBR處理技術(shù)主要應(yīng)用于生活污水、工業(yè)有機廢水的治理，是由6～7級連續(xù)串聯(lián)的生化反應(yīng)器構(gòu)成。BFBR工藝反應(yīng)器是全固定生物膜反應(yīng)器，具備固定生物膜全部優(yōu)點。在生化反應(yīng)器內(nèi)，通過布設(shè)曝氣系統(tǒng)、設(shè)置仿生生物膜填料、種植挺水植物、安裝回流泵及攪拌機等工程技術(shù)措施，為微生物的繁殖創(chuàng)造有利的環(huán)境，加速微生物的新陳代謝。利用反應(yīng)器內(nèi)大量的微生物，從而氧化分解污水中的各種有機污染物，并將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無機物，從而實現(xiàn)有機污染物去除的最終目標。同時通過種植挺水植物，可利用植物的生長去除一些有機物，又可利用植物的根系構(gòu)建生物載體，從而減少剩余污泥量和去除污水處理時產(chǎn)生的臭味，以達到改善景觀環(huán)境的目的。BFBR處理技術(shù)有以下特點：主要技術(shù)特點包括：（1）能增強硝化反硝化效果顯著；（2）提高生物降解性能、出水水質(zhì)可全面達標；（3）內(nèi)設(shè)除臭系統(tǒng)，可凈化環(huán)境；（4）生態(tài)環(huán)境適宜，運行高效穩(wěn)定；（5）外排剩余污泥少；（6）工投資合理，占地面積較?。唬?）自動化程度高，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和指導(dǎo)。

微納米氣泡具有直徑小、在水中停留時間長、比表面積大、高Zeta電位、強氧化性、高傳質(zhì)效率、生物活性強等特點[4]，從而可以提高臭氧在水中的傳遞效率，增強臭氧的氧化能力。曝氣是好氧生物處理中的關(guān)鍵部分，其作用是可以向反應(yīng)池內(nèi)充加氧氣從而向微生物的生化作用提供溶解氧[5]。微納米氣泡一方面可以提升水體的溶解氧，另一方面可以對微生物進行一定的調(diào)節(jié)，從而更有利于提升水質(zhì)。

本文在BFBR工藝的基礎(chǔ)上，利用自行研發(fā)和設(shè)計的微納米氣泡發(fā)生器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的曝氣裝置，旨在更好地促進挺水植物生長，使其在污水處理過程中發(fā)揮更大作用，同時提高微生物的活性和處理效率。此改良工藝可用于生活污水的深度處理、低毒性滲濾液及暗涵區(qū)等水體的高效處理?；诨疚锢?、化學(xué)和生物過程，包括反應(yīng)化學(xué)計量學(xué)、生物膜動力學(xué)和順序電子受體使用，建立了BFBR數(shù)值模型，并與全尺寸處理結(jié)果進行了評估。

1.材料與方法

(1)實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。采用鋼化玻璃制作BFBR水處理裝置，反應(yīng)區(qū)有效高度50cm，長80cm，寬50cm，有效容積200L。

圖1 實驗裝置

將生活污水注入實驗裝置，將已經(jīng)掛膜完成的生物膜放入裝置內(nèi)，挺水植物置于裝置上方，利用微納米氣泡發(fā)生器和純凈空氣泵分別曝氣，進行污染物去除實驗。

(2)實驗儀器與分析方法

YL-20-0S型微納米氣泡發(fā)生器；SHC型空氣泵；KDB-III型微波消解儀；DZF-300型烘箱；UV-1750型紫外-可見分光光度計；FA-2004N型分析天平。

檢測CODcr、總氮和總磷時，均使用微波消解法，檢測氨氮時使用納氏試劑分光光度法。

(3)實驗方法

實驗所用到的生活污水取自開封市黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院污水處理站（N34°49′E114°18′）。在實驗組中，利用微納米氣泡發(fā)生器進行曝氣，每天三次，每次曝氣2h，每兩次之間間隔2h，每天測量水體的CODcr、總氮、總磷和氨氮。在對照組中，使用純凈空氣泵進行曝氣，曝氣時間與實驗組同步進行，同樣測量CODcr、氨氮、總氮和總磷等污染物指標。本實驗周期為5d，測定實驗組和對照組中水樣CODcr、氨氮、總氮和總磷的濃度變化，分析改良型BFBR工藝對生活污水中污染物的去除效果。

2.結(jié)果與討論

(1)CODcr去除效果分析

由圖2可見，使用純凈空氣泵曝氣下，對照組實驗裝置中污水的CODcr在5d內(nèi)由327mg/L下降到53.8mg/L，去除率為83.75%；實驗組實驗裝置中CODcr在5d內(nèi)由327mg/L下降到29.1mg/L，去除率為91.12%，改良后的BFBR工藝將CODcr的去除率提升了7.55個百分點?？梢钥闯觯⒓{米氣泡曝氣下CODcr的去除效果要優(yōu)于常規(guī)曝氣，這是因為微納米氣泡在污水中的停留時間比普通氣泡的停留時間長，更容易將水中的污染物截留輸送到生物膜和挺水植物的根系，給生物膜上的微生物和挺水植物提供充足的營養(yǎng)，促進了污染物的去除[6]。

圖2 實驗組和對照組CODcr的去除

(2)氨氮去除效果分析

由圖3可見，使用純凈空氣泵曝氣下，對照組實驗裝置中污水的氨氮在5d內(nèi)由25.3mg/L下降到8.75mg/L，去除率為69.40%；實驗組實驗裝置中氨氮在5d內(nèi)由25.3mg/L下降到2.76mg/L，去除率為89.10%，改良后的BFBR工藝將氨氮的去除率提升了19.7個百分點。可以看出，微納米氣泡曝氣下氨氮的去除效果要優(yōu)于常規(guī)曝氣，是因為微納米曝氣能顯著提升反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度，促進生物膜外層的硝化細菌將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，而生物膜內(nèi)層的反硝化細菌將硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣溢出[7]。

圖3 實驗組和對照組氨氮的去除

(3)總氮去除效果分析

由圖4可見，使用純凈空氣泵曝氣下，對照組實驗裝置中污水的總氮在5d內(nèi)由30.6mg/L下降到8.69mg/L，去除率為71.58%；實驗組實驗裝置中總氮在5d內(nèi)由30.6mg/L下降到5.44mg/L，去除率為82.21%，改良后的BFBR工藝將總氮的去除率提升了10.63個百分點?？梢钥闯?，微納米氣泡曝氣下總氮的去除效果要優(yōu)于常規(guī)曝氣，說明微納米氣泡曝氣時生物脫氮的能力更強，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)更加徹底[8]，因此出水總氮的濃度更低。在微納米氣泡曝氣的作用下，總氮的去除率比氨氮的去除率低6.89個百分點，其原因在于BFBR工藝是一個沒有設(shè)置回流的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致總氮的去除率比氨氮的去除率低[9]，但總體上總氮的去除率較為穩(wěn)定，說明裝置內(nèi)生物膜上的微生物生長狀況良好。

圖4 實驗組和對照組總氮的去除

(4)總磷去除效果分析

由圖5可見，使用純凈空氣泵曝氣下，對照組實驗裝置中污水的總磷在5d內(nèi)由7.45mg/L下降到2.23mg/L，去除率為70.07%；實驗組實驗裝置中總磷在5d內(nèi)由7.45mg/L下降到1.03mg/L，去除率為86.17%，改良后的BFBR工藝將總磷的去除率提升了16.1個百分點?？梢钥闯觯⒓{米氣泡曝氣下總磷的去除效果要優(yōu)于常規(guī)曝氣，這是因為微納米氣泡在污水中的停留時間比普通氣泡的停留時間長，使水中的溶解氧濃度顯著升高，促進聚磷菌的生長[10]，使其在好氧條件下能更多吸收污水中的磷。

圖5 實驗組和對照組總氮的去除

3.結(jié)論

（1）BFBR工藝在常規(guī)曝氣的條件下，對CODcr、氨氮、總氮和總磷的去除率分別為83.57%、69.40%、71.58%、70.07%；微納米氣泡曝氣的條件下，CODcr、氨氮、總氮和總磷的去除率分別為91.12%、89.10%、82.21%、86.17%，可見微納米氣泡曝氣有助于提升BFBR工藝的水處理效果。

（2）由于自制的實驗裝置模擬實驗條件與實際工程應(yīng)用不可避免地存在差異，曝氣時間、處理水量等方面還存在局限性，所以在實際操作中，還應(yīng)根據(jù)實際條件進行調(diào)整，以達到最佳的處理效果。

4.展望

改良的BFBR生態(tài)處理技術(shù)用于處理生活污水，處理效果好，出水水質(zhì)達到GB 3838-2002地表Ⅲ類水的要求，采用改良的BFBR立體生態(tài)技術(shù)，造型美觀，內(nèi)置生物除臭裝置可有效消除惡臭二次污染，極大地改善了污水出水水質(zhì)。

近年來，BFBR生態(tài)處理技術(shù)在脫氮、去除有機物、除臭方面具有非常明顯的優(yōu)勢，如硝化反硝化效果好、處理效率高、冬季保溫效果良好、占地面積較小、投資成本低、使用壽命長，因而在水環(huán)境治理方面的應(yīng)用受到人們的廣泛關(guān)注，但目前尚有許多問題有待研究解決。BFBR裝置在結(jié)構(gòu)構(gòu)造、運行能耗、穩(wěn)定性方面還有待加強。探究新型BFBR裝置已逐漸成為水處理研究的熱點，因地制宜選擇合適的技術(shù)路線并探明對于污染水體的去除機理，進而為國內(nèi)水處理提供新方向。