曝气生物滤池在污水深度处理中的研究进展
引言
曝气生物滤池(BAF)是一种集物理过滤、化学吸附和生物氧化为一体，环保、经济、高效、节能的新型生物膜污水处理技术。它能实现水资源再生及持续利用，非常适合于我国污水处理方面所面临的水资源短缺、资金不足和技术相对落后的现状。在我国现阶段建设资源节约型、环境友好型的社会大背景下，不失为一种理想的处理工艺，是一种非常适合于我国国情的污水处理技术。它作为一种新型高效的生物处理技术 ，既可以用于污水的二级处理，也可用于深度处理，因而在污水除磷脱氮、有机物、色度和浊度的去除等方面有着非常广阔的应用前景。近年来BAF发展迅速，工艺形式不断推陈出新，曾先后出现过BIOCARBONE、BIOFOR、BIOSTYR、BIOSMEDI、BIOPUR、COLOX、DeepBed等形式，其中BIOCARBONE、BIOFOR、BIOSTYR、BIOSMEDI、BIOPUR是现代BAF几种典型的运行工艺，在世界范围内都有应用。
1 BAF及组合工艺在污水深度处理的研究进展
1.1 BAF中填料的研究进展填料是BAF的核心组成部分。
填料粒径对BAF的处理效能和运行周期都有重要影响，填料粒径越小，处理效果越好，但填料粒径较小时，滤池容易堵塞，运行周期相对较短，需频繁反冲洗，且不易发挥填料深层的作用。填料的密度大小关系到生物滤池反冲洗强度的大小，密度越大，反冲洗强度越大，则需要的能量消耗越大。在国外，Kent和Williams等[1]人依据BEWA(the British Effluent and Water Association)标准，对常见的7种可用作BAF的填料进行了系统试验分析，认为Arlita(膨胀球形粘土)最适合作为BAF的填料。在国内，对BAF填料的研究主要以陶粒为主。曹春艳等[2]通过实验对沸石、活性炭、建筑陶粒、工程陶粒四种填料的研究，表明在水力停留时间为1.5h，进水COD为150mg/L，有机负荷为0.74kgCOD/(m3·d)时，工程陶粒是BAF的最佳滤料。其他研究人员对一些新型的陶粒填料如粘土陶粒、纳米改性陶粒、陶土(高岭土)陶粒、粉煤灰陶粒等进行BAF试验发现，陶粒填料与具有规则形状的有机填料相比，具有强度大、空隙率大、比表面积大、化学稳定性好、生物附着性强、截污能力强等优点。在实际工程中，应用球形轻质多孔生物陶粒取得了良好的效果，目前国内有数10个BAF采用其作为填料，从实际运行的效果分析，都能满足设计的要求。
1.2 BAF及组合工艺在污水深度处理中的研究进展
国外对BAF的研究始于20世纪80年代末期，比国内早十几年，为BAF技术的发展和成熟积累了许多宝贵的经验，目前国内正处于研究推广阶段。在去除有机物、SS等方面，孙志国等[3]以升流式曝气生物滤池(UBAF)深度处理某污水处理厂的二级生化出水，经试验，CODCr、NH3-N、SS的去除率分别为77%、90%和92%左右，出水水质达到生活杂用水标准。王树涛等[4]研究了O3/BAF联合工艺深度处理生活污水二级出水的效能及其影响因素。在O3投量为10mg/L(0.17～0.25 mgO3/mgCOD、0.77～1.25mgO3/mgTOC)，接触时间为4min，BAF水力负荷为1m3/(m2·h)条件下，考察O3/BAF净化有机物的长期运行效果，发现O3预氧化与BAF具有协同作用，其对有机物的去除效率大于二者之和。O3/BAF联合工艺对TOC、UV254、色度的去除效率分别为20%～27%、65%～75%和85%～95%。水力负荷为0.4～6m3/(m2·h)时，有机物的去除率从59%～65%减小到49%～53%;pH为5.7～8.9 时，COD的去除率没有受到明显影响;随着温度的升高，BAF生物降解有机物的能力也随之提高，20℃、25℃时的COD平均去除率分别比 9℃时高11.5%、12.7%。
整体来说，BAF对水力负荷、pH等具有较强的适应性。反冲洗对 BAF 的净化效能没有明显影响。刘转年等[5]采用上流式曝气生物滤池与超滤(BAF/UF)组合工艺对西安市邓家村污水处理厂的二级出水进行深度处理，考察了对COD、NH3-N、色度、浊度的去除效果。结果表明，在进水流量为1L/h、气水比为3∶l、温度为20～25 ℃、pH值为7.83～7.99的条件下，当进水COD、NH3-N、色度、浊度分别为41.83mg/L、23.12mg/L、12倍、9NTU时，BAF出水COD、NH3-N、色度和浊度分别为25.67～31.87mg/L、1.41～2.56mg/L、9～11倍和2.01～3.25NTU，平均去除率分别为35%、90%、16%和69%;再经UF工艺处理后，分别降至15.31～17.85mg/L、1.38～2.44mg/L、5～7倍和0.03～0.1NTU，平均去除率分别为4l%、4%、40%、98%。BAF/UF组合工艺对COD、NH3-N、色度和浊度的平均去除率分别为60%、92%、50%和99%，且将BAF作为超滤的预处理工艺可大大提高超滤膜的性能，有效降低了膜污染。李魁晓等[6]采用BAF工艺对某城市污水处理厂二级生化处理出水进行深度处理。结果表明，在进水COD为25～35mg/L、色度为15～30、浊度约为8NTU的条件下，当O3投加量为5～6mg/L、BAF的水力停留时间为1～1.5h时，出水COD<30mg/L、色度<5、浊度<1NTU，出水水质可满足生产工艺对回用水的水质要求。
在硝化性能及其影响因素方面，研究者发现硝化菌生长速度要比异养菌慢，对环境条件敏感，主要研究的影响因素有：盐度、NH3-N容积负荷和水力负荷。Morsyleide F.Rosa等[7]研究了NaCl盐度对BAF硝化作用的影响，并发现高浓度自由氨对硝化菌也有抑制作用。G.Dillon等[8]用BAF处理二级出水的试验结果表明，当NH3-N容积负荷为0.63kgN/(m3•d)时，可达到90%以上的NH3-N去除率，出水平均NH3-N浓度保持在0～4mg/L，出水SS和BOD分别在4～15mg/L和3～7mg/L，NH3-N去除率和容积负荷呈线性相关关系，当容积负荷增大时，NH3-N去除率急剧降低。张守彬等[9]采用3种填料探讨水力负荷及pH值对BAF硝化效率的影响，结果表明，当进水pH>6.5时，沸石BAF的NH3-N去除能力优于石灰岩BAF和陶粒BAF，提高进水有机物负荷、NH3-N负荷到一定程度将抑制BAF的硝化效率，增加进水pH值可有效提高3种填料BAF的NH3-N去除率，沸石、陶粒和石灰岩BAF均具有较好的有机物和悬浮物去除能力，沸石BAF和石灰岩BAF的硝化除氨效率优于陶粒BAF，石灰岩BAF能够很好地适应进水pH的变化，具有稳定的硝化效率，比较适于处理低pH和高NH3-N负荷的污水。
在工业废水深度处理方面，BAF中高浓度的微生物、复杂的生物种类与结构以及良好的截污过滤能力，使其被广泛地应用于工业有机废水深度处理中。工业废水中COD浓度高，经二级处理后直接排入水体或进入污水处理厂，将造成接纳水体有机物浓度升高，高浓度的有毒物和难降解物质抑制微生物和水生动植物的生长，最终危及水环境自净能力和污水处理厂的正常运行。张安龙等[10]以升流式曝气生物滤池(UBAF)深度处理碱法草浆中段废水，实验结果表明，在HRT为1.5h，气水比为3∶1的条件下，CODCr、SS的平均去除率分别为31%、85%;进水的水力负荷对UBAF的处理效率有一定的影响;反应器运行一段时间以后要进行反冲洗以恢复其处理能力，反冲洗周期为6～7d。朱乐辉等[11]采用混凝+BAF+纳米材料复合膜工艺处理印染废水，采用混凝和BAF作为预处理去除废水中大部分的COD、悬浮物，其中BAF采用轻质陶粒作为填料，直接采用穿孔管曝气，该工艺可有效去除印染废水中的浊度、色度、COD和SS，系统出水COD<10mg/L，浊度<1NTU，色度<5倍，达到中水回用标准。
Wang等[12] 采用O3/BAF联合处理含酸性玫瑰红染料的印染废水，试验结果表明，经O3氧化处理后，一方面达到了废水脱色效果，另一方面，氧化一部分 COD的同时，还提高了废水的可生化性，为后续BAF创造可生物处理的条件，在温度18～25℃，水力停留时间为3h，气水比为4∶1 的条件下，经 BAF处理后最终出水COD、SS、色度分别小于40、50mg/L和20度，达到了工业冷却水回用水质标准。Zhu等[13] 采用 UBF+BAF组合工艺处理炼焦废水，结果表明，在总停留时间为46.7h(UBF为15.4h，BAF为31.3h)条件下，系统对 COD、NH3-N总去除效率分别达81.5%、96.4%。Su等[14] 采用了厌氧折流板反应器(ABR)和BAF联合处理石油采出废水，组合工艺对油、COD、BOD、SS总去除率分别为84.5%～96.7%、58.2%～75.1%、80.0%～93.1%、80.7%～87.1%。Lu等[15]采用O3+UBAF处理偶氮染料废水。在O3浓度为34.08mg/L，反应120min 后，废水几乎完全被脱色。
废水的可生化性(BOD/COD值)由原来的0.102到0.406，之后采用BAF 处理残余COD，在温度为20～25℃，水力负荷为4.8m3/(m2·d)，气水比为3︰1条件下，最终出水COD<40mg/L ，色度<20度，去除效率分别达90%、97%。胡天媛等[16] 先将皮革废水中含Cr废水、含S废水进行单独处理后，再与部分锅炉排污水和厂区生活污水等综合废水混合，随后采用了水解酸化+氧化沟+BAF+气浮+活性炭滤池联合工艺进行处理经二沉池出水后的COD为227mg/L，经BAF处理后出水浓度为102mg/L，去除效率达50%以上。系统经调试后正常运行，出水稳定可靠，并优于《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级标准排放。
2 结束语
通过以上论述，可以看出当所处理的出水中COD、NH3-N浓度、色度、浊度等都不是很高时，单用BAF就可以达到很好的处理效果;当处理水成分比较复杂，污染物浓度较高时，BAF与其他工艺组合，可达到令人满意的处理效果。因此，加大开发规模化BAF及拓宽BAF组合工艺应用范围将是解决我国水资源短缺的一条有效途径。这将对处理用水量大的造纸、印染、制革等行业的废水，实现企业污水的闭路循环和零排放创造良好的社会经济效益和环境效益。同时，它也可广泛应用于城市污水的深度处理，使之达到城市杂用水、景观回用水水质标准，实现水资源的可再生及持续利用的目的。通过研发具有高效性能的生物填料，加强预处理及高级氧化等组合工艺，可以强化BAF的处理性能以及对某些难降解污染物的去除能力，从而使BAF在污水深度处理上发挥更大的作用。
近几年来，国内外许多研究单位和环保企业对BAF的填料、去除机理、处理效果、运行控制和影响因素等方面进行了大量地探索研究，积累了许多关于BAF在污水深度处理方面的宝贵经验，为BAF的发展和推广应用奠定了坚实的基础，同时也充分肯定了BAF技术的一些重要优势，如基建投资省、占地面积小、流程简单、臭气产生少、模块化布置、自动化控制等。然而，对于任何一种处理工艺，总会存在一些缺陷，BAF也不例外，如对进水负荷敏感、对进水浊度要求较高、反冲洗能耗较大、水面容易起泡沫、生物除P效果差等。因此，对BAF开展进一步的研究是必要的。
笔者认为，BAF今后应重点研究以下相关问题：(1)BAF的生物膜生长规律、影响因素、反应机理与反应动力学的理论研究还有待完善;(2)BAF启动周期长，如何快速启动成为今后的研究重点;(3)BAF并不能有效地去除污水中的P，应研究合适的工艺技术与BAF组成新型一体化反应器，能同时去除污水中的N和P;(4)研究BAF反冲洗过程中生物膜的脱落规律，实现更高效的反冲洗控制方式，进一步减少反冲洗能耗;(5)为了更好地发挥BAF的除污效能，需研究开发高性能、低价位、截污能力强的填料。
参考文献
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