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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重点实验室, 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: 本文阐述了曝气生物滤池的产生和发展、 基本原理和工艺特点、 应用及研究现状、 影响运行机制因素、 存在的问题与不足和今后的发展趋势, 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的最新进展, 指出曝气生物滤池是符合中国国情的新型生物处理技术, 应加大研究力度, 迅速使之国产化并投入使用。
关键词: 曝气生物滤池; 生物膜; 运行方式; 水力负荷
Biological Aerated Filter——A New Wastewater Treatment Process
Dai Ying1, Sun Tie-heng2,Wu Dao-ji 1,Zou Jin-long 3, Zhang Li1
(1.Shandong jianzhu University, Department of Municipal and Environmental Engineering, Jinan,250014, China; 2. Shenyang University, Shenyang Key Laboratory of Enviromental Engineering, Shenyang,110044,China;3. School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;)
Abstract: This paper describes a new wastewater treatment process-the biological aerated filter (BAF), from its development, principle, feature, application and status of research, main factor of running mechanism, disadvantage and development in the future. The new research progress in the removal of organic matters and SS, nitrification and denitrification, bacterium structure, backing-washing, biofilm mechanism and kinetics of BAF was reviewed. It was pointed out that BAF is a novel fixed-biofilm treatment process that is suitable for the national condition in our country and more research must be conducted to accelerate its application in China.
Keywords: biological aerated filter; biomembrane; operation mode; hydraulic loading
1 曝气生物滤池的产生和发展
曝气生物滤池( Biological aerated filter: BAF) 处理污水是近年来开发出的污水处理工艺, 已在欧美和日本广为流行, 但在中国研究甚少。曝气生物滤池最大的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。该工艺能够达到BOD 、 悬浮物和NH3-N的去除, 既能够用在污水二级处理, 也能够用深度处理中[2-3]。
2 曝气生物滤池基本工作原理和工艺特点
曝气生物滤池一般由粒状的填料床组成, 曝气装置安装在填料床承托层或靠近它的地
方, 流过反应器的污水既能够是上流式也能够下流式, 污水中的底物和充分的氧气使滤料表面附着生物膜。无论是生活污水处理还是工业废水处理, 曝气生物滤池比传统的生物处理工艺具有占地小, 方便灵活的优点[4-7]。
2.1 BAF基本工作原理
BAF工艺类型和操作方式有多种, 各具特点, 但其基本原理是一致的。曝气生物滤池处理污水的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, 填料及生物膜的吸附阻留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用[8], 以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用。
2.2 BAF的工艺特点
曝气生物滤池与活性污泥法相比, 具有以下特点:
( 1) 具有更高的生物浓度和更高的有机负荷。BAF中采用的粗糙多孔的粒状填料为微生物提供了更佳的生长环境, 易于挂膜及稳定运行, 可在填料表面保持较多的生物量, 单位体积内微生物量远远大于活性污泥中的微生物量[9], 高浓度的微生物量使得BAF的容积负荷增大, 进而减少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。由于在BAF反应器中, 处理效果与填料高度成正相关[5], 因此能够经过增加填料高度来减少占地面积。曝气生物滤池的容积负荷很高[6], BOD5容积负荷可达到5～6kgBOD5/( m3·d) , 是常规活性污泥法或接触氧化法的6～12倍[7]。
( 3) 工艺简单, 基建费用低。由于填料的机械截留作用以及滤料表面的微生物和代谢中产生的粘性物质形成的吸附架桥作用[11], 因此, 可省去二沉池, 进而降低基建费用。
　　( 4) 受气温影响小。由于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, 因此适合于寒冷地区进行污水处理[12]。
　　( 5) 菌群结构合理。传统的活性污泥法, 微生物的分布相对均匀, 而在BAF 中从上到下形成了不同的优势生物菌种[10], 因此使得除C、 硝化/反硝化能在同一个池子中发生, 简化了工艺流程。
( 6) 耐冲击能力强。BAF滤池对有机负荷、 水力负荷、 温度的变化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, 保持较高的微生物量[9,12], 因此, 日常运行管理简单, 处理效果稳定[7]。
( 8) 高质量的出水水质[8]。
3 曝气生物滤池的应用及研究现状
3.1 曝气生物滤池在微污染水源中的应用
清华大学有人[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的除污染效果。BAF 对有机物的去除受源水水质的影响较大, 其对CODMn的去除率为5%～45%, 对COD的去除率在20%～60%之间; BAF对水中氨氮的去除则受源水水质影响较小, 除个别情况外其去除率普遍达80%以上。另外, BAF工艺对浊度、 色度、 铁、 锰等也有较好的去除效果。
BAF预处理工艺除能够直接去除源水中的污染物外, 对后继的常规给水处理工艺也产生非常有利的影响。BAF预处理消耗了源水中大部分可生物降解的有机物, 必然减少给水管网中细菌滋生的可能性, 提高了饮用水的生物稳定性; BAF预处理工艺降低了源水中的有机物和氨氮的含量, 能够减少消毒过程中氯气的投量, 降低了消毒过程中消毒副产物的产生量, 提高饮用水的安全性。
3.2 曝气生物滤池处理污水中的应用
在中国内地, 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用曝气生物滤池工艺的城市污水处理厂, 当前正处于试运行阶段。大连马栏河污水处理厂工程经过国际招标确定了SEDIPAC 3D+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]针对南方特有的低浓度生活污水, 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、 填料层高度等因素对曝气生物滤池容积负荷的影响。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和氨氮的去除率分别为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容积负荷的影响较对氨氮容积负荷的影响更为明显; 氨氮的去除率受水力负荷的变化影响较小。广州大学有人[16]研究BAF工艺处理生活污水的主要影响因素依次为: 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较好, 当COD容积负荷为10kg/(m3·d)时, 在0.8m/h、 1.4m/h和2.5m/h3种不同水力负荷下COD的出水浓度分别在59mg/L、 82mg/L和51mg/L以下; 当BOD容积负荷为6kg/(m3·d)时, 3种水力负荷下的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的增高而增高, 受水力负荷的影响较小[17]。
4 曝气生物滤池的影响因素
4.1 运行方式对曝气生物滤池的影响
运行方式对曝气生物滤池的处理效能有着深刻的影响, 王晓阳等[18]针对曝气生物滤池的两种不同运行方式进行研究, 得出如下结论:
( 1) 上流式曝气生物滤池和下流式曝气生物滤池的挂膜时间分别9天和10天, 上流式曝气生物滤池的挂膜时间略低于下流式曝气生物滤池, 而且两种运行方式均呈现丰富的生物相。
( 2) 上流式与下流式曝气生物滤池沿水流方向的COD去除率趋于稳定。上流式的曝气生物滤池的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的去除表现出较高的去除率, 而上流式曝气生物滤池出水的SS的去除率高于下流式曝气生物滤池。
( 4) 进水的SS是影响上流式和下流式曝气生物滤池运行周期的关键因素, 建议对SS进行预处理, 以延长运行周期。
( 5) 综合各种污染物质的去除效果, 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的深度处理有着良好的处理效果[19], 采用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的氧化作用, 在上升水流过程中填料和生物膜的吸附阻留作用及生物膜内部反硝化作用, 达到了高效处理污水的目的[21]。
上流式曝气生物滤池工艺是一种新型、 经济和可靠的污水处理方法, 其优点是流程短、 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的限制条件也是非常少的[22], 但对预处理的要求较高( 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的影响
生物膜是整个曝气生物滤池水处理构筑物的核心, 良好生物膜是生物膜反应器稳定运行的基础。
在曝气生物滤池中异养微生物能有效地形成生物膜, 但受到低温的限制。经过一段时间的饥饿后, 重新获得营养物质时生物滤池内的硝化细菌活性和生长能得到一些恢复, 但低温或异养菌的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依然很快, 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虽然仍能有所增加, 但增加缓慢; 当NH+4-N浓度不是硝化细菌生物量增加的限制因子, 硝化细菌生物量增加仍受低温的严重限制, 硝化细菌生物量虽然有所增加, 但增加很缓慢; 相应基质浓度不受限制时, 低温对硝化细菌生物量增加的限制作用更显著[25]。
BAF中温度对硝化作用的影响, 特别对短程硝化反硝化作用的影响不同与悬浮生长反应器。这是由于在BAF反应器中溶质的扩散传递而不是动力学特性是硝化作用的控制因素。王春荣等[26]在试验中发现20℃是临界温度, 当温度低于20℃时, 反应器的氨氮去除率较低( 仅为进水氨氮的25%) , 而温度为20℃时, 氨氮去除率上升到68%左右, 但随温度的进一步提高氨氮去除率增长缓慢。谢曙光等人[27]采用两级曝气生物滤池在低温下处理水库入库水的探索性试验, 表明有机物和氨氮的去除受到了低温的严重抑制, 亚硝酸盐转化成硝酸盐不再是完全硝化反应的限制步骤。
4.3 反冲洗对曝气生物滤池作用的影响
曝气生物滤池集生物膜的强氧化降解能力和滤层截留效能于一体, 是一种适合大规模回用、 高效、 低耗的污水再生工艺, 而运行一定时间后, 滤层需要经过反冲洗进行再生, 反冲过程要求达到释放截留的悬浮物, 不损害并更新生物膜的多重目的, 因此, 反冲洗是保证曝气生物滤池运行效能的关键步骤[28]。客观的讲, 反冲过程没有太多的理论依据, 基本是从再生效果考虑的, 既要恢复过滤能力, 又要保证填料表面仍附着有足够的生物体, 使滤池能满足下一周期净化处理要求[29]。另外, 曝气生物滤池的反冲洗污泥具有较好的生物絮凝活性, 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]。
反冲滤层的运动状态可分解为3个阶段[28]: 反冲开始的滤层变速膨胀阶段、 滤层悬浮平衡阶段和后期的悬浮滤层沉降阶段, 由于第一阶段的特征是滤层变速膨胀, 颗粒拥挤上升, 碰撞摩擦剧烈, 再加上反冲气/水的剪切、 摩擦作用使滤料净化效率最高; 而第2和第3阶段颗粒碰撞摩擦的机会极少使碰撞摩擦作用减弱, 而且反冲气/水对滤料的剪切和摩擦强度也会由于滤层处于平衡状态而有所降低, 因此冲洗效果主要取决于第1阶段。
5 曝气生物滤池的存在的问题和不足
曝气生物滤池在实际应用中也存在其固有的缺点:
( 1) 曝气生物滤池的进水SS不能过高。如果进水SS较高, 会使滤池在短时间内达到设计的水头损失, 发生堵塞, 这样就必然导致频繁的反冲洗, 增加了运行费用与管理的不便[7]。为使之在较短的水力停留时间内处理较高的有机负荷并具有截留SS的功能, 曝气生物滤池采用的填料粒径一般都比较小。根据国外的运行经验, 进水的SS一般不超过100mg/L, 最好控制在60mg/L以下。
( 2) 采用曝气生物滤池, 其过滤水头损失大, 故污水提升所需泵机的扬程高。曝气生物滤池虽具有截留SS, 代替二沉池的功能, 但同时伴随着的是其水头损失较大。一般来说, 水头损失根据具体情况, 每一级为1～2m, 这样就在整体上加大了水的总提升高度[31]。
( 3) 采用曝气生物滤池工艺, 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的影响。 因此, 从保证稳定运行角度来看, 有必要设置污泥缓冲池。
6 曝气生物滤池的发展趋势
作为一种新型的污水生物处理技术, 曝气生物滤池近年来已经成为国内外的研究热点, 但与应用研究相比, 当前的理论研究还不够系统和完善。
随着现代生物检测技术和纳米测量技术的不断进步, 有关曝气生物滤池的生物膜特性研究, 特别是在生物膜生长、 生物膜组成和生物膜活性等方面的研究将成为近期的前沿课题, 这些研究同时也会促进反应器内微生物系统生态学研究的发展。
曝气生物滤池的新型填料、 反应动力学和反冲洗过程的水力学特性也是今后需要的研究重点问题。
在应用方面, 由于曝气生物滤池具有良好的硝化反硝化能力, 在污水的三级脱氮处理和微污染水源水的预处理中将得到更广泛的应用, 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的进一步推广应用有积极的促进作用。
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代 莹: (1980-), 女, 吉林蛟河人, 研究方向: 水处理技术E-mail:
孙铁珩: ( 1938-) , 男, 辽宁沈阳人, 中国工程院院士, 博士生导师, 研究方向: 污染生态
武道吉: ( 1966-) , 男, 山东济南人, 教授, 硕士生导师, 研究方向: 水处理技术
通讯地址: 山东建筑大学 市政与环境工程学院 级研究生 张丽( 收)