曝氣生物濾池是一種將生物氧化機(jī)理與深床過(guò)濾機(jī)理有機(jī)結(jié)合的新型污水生物處理技術(shù)。因此,曝氣生物濾池將在我國(guó)污水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。
1　曝氣生物濾池的工藝原理及特點(diǎn)
曝氣生物濾池是20世紀(jì)80 年代末在歐美發(fā)展起來(lái)的一種新型的污水處理技術(shù),它是由滴濾池發(fā)展而來(lái)并借鑒了快濾池形式,在一個(gè)單元反應(yīng)器內(nèi)同時(shí)完成了生物氧化和固液分離的功能。世界上首座曝氣生物濾池于1981年誕生在法國(guó),隨著環(huán)境對(duì)出水水質(zhì)要求的提高,該技術(shù)在全世界城市污水處理中獲得了廣泛的推廣應(yīng)用。目前,在全球已有數(shù)百座大小各異的污水處理廠采用了BAF技術(shù),并取得了良好的處理效果。
1. 1　工藝原理
曝氣生物濾池是充分借鑒污水處理接觸氧化法和給水快濾池的設(shè)計(jì)思路,將生物降解與吸附過(guò)濾兩種處理過(guò)程合并在同一單元反應(yīng)器中。以濾池中填裝的粒狀填料(如陶粒、焦炭、石英砂、活性炭等)為載體,在濾池內(nèi)部進(jìn)行曝氣,使濾料表面生長(zhǎng)著大量生物膜,當(dāng)污水流經(jīng)時(shí),利用濾料上所附生物膜中高濃度的活性微生物強(qiáng)氧化分解作用以及濾料粒徑較小的特點(diǎn),充分發(fā)揮微生物的生物代謝、生物絮凝、生物膜和填料的物理吸附和截留以及反應(yīng)器內(nèi)沿水流方向食物鏈的分級(jí)捕食作用,實(shí)現(xiàn)污染物的高效清除,同時(shí)利用反應(yīng)器內(nèi)好氧、缺氧區(qū)域的存在,實(shí)現(xiàn)脫氮除磷的功能。
1. 2　工藝特點(diǎn)
曝氣生物濾池雖是生物膜處理方法的一種,但與傳統(tǒng)生物濾池相比,仍具有明顯特點(diǎn):
(1)BAF采用的粗糙多孔的小顆粒填料作為生物載體,可在填料表面保持較高的生物量(可達(dá)10～15 g/L) ,易于掛膜且運(yùn)行穩(wěn)定;
(2)生物相復(fù)雜,菌群結(jié)構(gòu)合理,反應(yīng)器內(nèi)具有明顯的空間梯度特征, 能耐受較高的有機(jī)和水力沖擊負(fù)荷,不同的污染物可以在同一反應(yīng)器被漸次去除,同步發(fā)揮生物氧化作用、生物吸附絮凝和物理截留作用,出水水質(zhì)好,可滿足回用要求;
(3)區(qū)別于一般生物濾池及生物濾塔,在去除BOD、氨氮時(shí)需進(jìn)行曝氣,但粒狀填料層具有較高的氧轉(zhuǎn)移效率,曝氣量低,運(yùn)行能耗較低,硝化和反硝化效率高;
(4) BAF濾池為半封閉或全封閉構(gòu)筑物,其生化反應(yīng)受外界溫度影響較小,適合于寒冷地區(qū)進(jìn)行污水處理;
(5)高濃度的微生物量增大了BAF的容積負(fù)荷,進(jìn)而降低了池容積和占地面積,使基建費(fèi)用大大降低;
(6)濾池運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)反沖洗去除濾層中截留的污染物和脫落的生物膜,無(wú)需二沉池,簡(jiǎn)化了工藝流程,采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使運(yùn)行管理更加方便;
( 7)減少了污水廠異味,無(wú)污泥膨脹問(wèn)題,無(wú)需污泥回流。
1. 3　工藝形式
近年來(lái)曝氣生物濾池發(fā)展迅速,工藝形式不斷推陳出新, 曾先后出現(xiàn)過(guò)B IOCARBON、B IOFOR、B IOSTYR、B IOSMED I、B IOPUR、COLOX、DeepBed等形式,其中B IOCARBON、B IOFOR、B IOSTYR、B IOS2MED I、B IOPUR是現(xiàn)代曝氣生物濾池幾種典型的運(yùn)行工藝, 在世界范圍內(nèi)都有應(yīng)用。
1. 4　工藝參數(shù)
隨著人們對(duì)曝氣生物濾池研究的深入, BAF反應(yīng)器的關(guān)鍵工藝參數(shù)也有了較大的調(diào)整,其工藝參數(shù)大致如下:
容積負(fù)荷與要求出水水質(zhì)相關(guān),一般情況下有機(jī)物負(fù)荷為2～10 kg BOD5 /m3 •d;硝化0. 5～3 kgNH32N /m3 •d;反硝化018～7 kg NO32N /m3 •d; 水力負(fù)荷6～16 m3 /m2 •h;氣水比(1～3) ∶1,最大不超過(guò)10∶1; 填料粒徑為2～8 mm;填料高度為2～4m;單級(jí)反沖周期24 ～48 h;多級(jí)反沖周期24 ～48h,硝化反硝化濾池運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng);單池反沖水量約占產(chǎn)水量的8%左右,或?yàn)閱纬靥盍象w積的3倍左右;反沖時(shí)間20～30 min,反沖洗水強(qiáng)度15～35 L /m2 •s,氣強(qiáng)度15～45 L /m2 •s。
2　曝氣生物濾池的效能
作為新型污水處理工藝,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)曝氣生物濾池的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究。雖然很多學(xué)者在曝氣生物濾池對(duì)有機(jī)物和懸浮物的去除,對(duì)硝化和反硝化等污染物的去除效能方面已取得了一定的進(jìn)展和共識(shí)。但有關(guān)曝氣生物濾池的生物掛膜,磷的去除、填料的選擇、反沖洗方式等方面的研究與應(yīng)用還有待進(jìn)一步完善。
2. 1　污染物的去除
曝氣生物濾池工藝上的獨(dú)特性及明顯的空間梯度特征決定了其對(duì)污染物去除的高效性。
2. 1. 1　有機(jī)物和懸浮物的去除
曝氣生物濾池內(nèi)填料的物理吸附和過(guò)濾截留作用以及生物膜的生物氧化作用決定了池內(nèi)SS和有機(jī)物的高效去除,國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的研究及應(yīng)用也充分證明了上述觀點(diǎn)。Pastorelli G. 等[ 3 ]對(duì)中試規(guī)模的淹沒(méi)式生物濾池連續(xù)進(jìn)行18 個(gè)月的試驗(yàn)研究表明BOD5和SS去除率均大于95%。Gilbert Desbos等[ 4 ]在研究SS和COD的去除率同濾速之間的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)負(fù)荷的增大并不是因?yàn)檫M(jìn)水中更多的SS,而是由于更高的流量和低停留時(shí)間時(shí),去除效率是相當(dāng)穩(wěn)定的,總的SS去除率在80% ～90%之間,而COD去除率在70% ～80%之間波動(dòng)。國(guó)內(nèi),齊兵強(qiáng)等[ 5 ]采用B IOFOR工藝,以生活污水為處理對(duì)象, COD、BOD5、SS出水水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到了生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。大連市馬欄河污水處理廠采用B IOFOR型BAF,在處理量為12萬(wàn)m3 /d, COD負(fù)荷最大6 kg COD /m3 •d的情況下,出水COD小于75 mg/L。以上國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用結(jié)果表明,曝氣生物濾池對(duì)有機(jī)物和懸浮物的處理機(jī)能成熟,處理量大,去除效果顯著,在污水碳有機(jī)物去除應(yīng)用中潛力巨大。
2. 1. 2　氨氮的去除
氨氮是污水處理中最主要的目標(biāo)去除物之一。曝氣生物濾池將較短的水力停留時(shí)間與長(zhǎng)的污泥齡有機(jī)統(tǒng)一起來(lái),有利于硝化細(xì)菌這類世代期較長(zhǎng)的細(xì)菌生長(zhǎng),對(duì)氨氮具有較高的去除效率,因此,被廣泛應(yīng)用于污水中氨氮的去除。硝化作用,有關(guān)BAF硝化性能的研究已得到越來(lái)越多研究者的重視,通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)BAF的硝化效率已得到了明顯的提高。J1Cromphout[ 6 ]利用上向流曝氣生物濾池處理含氨的富營(yíng)養(yǎng)化水時(shí),在氣水比1∶1,濾速5118 m /h,溫度10 ℃以上條件下,硝化效率可達(dá)100%。英國(guó)水研究中心Dillon等[ 7 ]對(duì)BAF的硝化能力研究結(jié)果表明當(dāng)?shù)莘e負(fù)荷為0163 kg/m3 • d 時(shí), NH+2N 去除率可達(dá)90%。R1Pujol等[ 8 ]通過(guò)對(duì)法國(guó)巴黎Achresh處理廠的上向流曝氣生物濾池兩年的研究認(rèn)為,在濾速4 ～6m /h, 6～8 m /h, 8～10 m /h運(yùn)行條件下,當(dāng)NH32N的容積負(fù)荷為115 kg NH32N /m3 •d時(shí),曝氣生物濾池氨氮去除率始終保持在80% ～100% ,濾速的提高不僅不是影響反應(yīng)器硝化速度的限制因素,反而會(huì)對(duì)硝化有積極的促進(jìn)作用。F1Fdz2Polanco[ 9 ]等對(duì)淹沒(méi)式曝氣生物濾池硝化過(guò)程中異養(yǎng)菌和硝化菌的空間分布情況進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn):當(dāng)COD∶NH+42N為4∶1,進(jìn)水COD低于200 mg/L 時(shí)不影響硝化效能;當(dāng)進(jìn)水COD高于200 mg/L 時(shí),硝化效能將無(wú)法達(dá)到100%;盡管BAF的氨氮去除效能在實(shí)踐中得到了檢驗(yàn),但有關(guān)進(jìn)水負(fù)荷,有機(jī)物濃度以及硝化細(xì)菌分布特征還需進(jìn)一步探討。目前的研究表明,曝氣生物濾池的硝化性能與有機(jī)物濃度、溫度、停留時(shí)間等因素有密切的關(guān)系,因此硝化性能的研究有待進(jìn)一步的深入。
反硝化作用,由于曝氣生物濾池中存在厭氧和兼性微生物,使得反硝化得以進(jìn)行。Pujol[ 8 ]研究認(rèn)為,反硝化最好采用外加碳源的辦法,在最佳濾速為10 ～ 15 m /h 時(shí), 脫氮能力可達(dá)到100%。Pujol等[ 10 ]還比較了前置反硝化和后置反硝化的優(yōu)劣,認(rèn)為反硝化過(guò)程應(yīng)采用上向流的進(jìn)水方式進(jìn)行。Chen等[ 11 ]研究生物過(guò)濾反應(yīng)器與活性污泥反應(yīng)器以及流化床的反硝化特性時(shí),發(fā)現(xiàn)在不同水力條件下,反應(yīng)器內(nèi)微生物種群會(huì)發(fā)生一定的變化,但優(yōu)勢(shì)種群———桿菌屬基本穩(wěn)定。
另外,曝氣生物濾池獨(dú)特的空間梯度分布特征及運(yùn)行特點(diǎn)使其具備了一定的短程硝化反硝化能力,曝氣生物濾池采用粒狀顆粒作為過(guò)濾和生物氧化的介質(zhì)和載體,在整體上和每一單元填料表面所附著生物膜中都存在著基質(zhì)和溶解氧的濃度梯度分布,這為各種不同生態(tài)類型的微生物在生物膜內(nèi)不同部位占據(jù)優(yōu)勢(shì)生態(tài)位提供了條件。Puzava等[ 12 ]在曝氣生物濾池一體化硝化反硝化方面取得了一定進(jìn)展,他們通過(guò)調(diào)整曝氣量將反應(yīng)器內(nèi)的溶解氧濃度控制在015～3 mg/L,從而控制溶解氧不擴(kuò)散到生物膜內(nèi)部,實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化。中試結(jié)果表明,通過(guò)實(shí)時(shí)曝氣,即使將曝氣量降低50% ,也可達(dá)到同樣的處理效果。顯然,曝氣生物濾池的硝化,反硝化能力已經(jīng)得到了很好的實(shí)踐驗(yàn)證,對(duì)去除污水中氨氮的技術(shù)發(fā)展具有一定的推動(dòng)作用。
2. 1. 3　磷的去除
單獨(dú)利用BAF的生物作用除磷是很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的,通常情況下需采取化學(xué)方法除磷。Gon2calves等[ 13 ]進(jìn)行曝氣生物濾池同步脫氮除磷的研究時(shí)發(fā)現(xiàn),進(jìn)水方式對(duì)磷去除效果影響不大。德國(guó)科隆污水處理廠采用曝氣生物濾池進(jìn)行的同步硝化除磷實(shí)驗(yàn)表明,曝氣生物濾池除磷率可達(dá)70% ,總磷可降至015 mg/L。Aesªy等[ 14 ]發(fā)現(xiàn),利用曝氣生物濾池反硝化脫氮時(shí),如利用水解污泥或水解固體廢物做外加碳源,可同時(shí)去除比微生物生長(zhǎng)需要量高3倍的磷。Pak等[ 15 ]研究了利用2級(jí)生物濾池在交替好氧、厭氧條件下運(yùn)行對(duì)污水中氮磷的去除情況,發(fā)現(xiàn)影響除磷的因素為COD /TP值和水力停留時(shí)間,好氧過(guò)程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽對(duì)磷的釋放有一定影響。Pedro A. Castillo等[ 16 ]在研究序批式曝氣生物濾池生物除磷時(shí),在保持原水中COD∶N∶P為20∶5∶1,進(jìn)水COD < 15 g/m2 •d 情況下,磷的去除率為72%。而T. Clark等[ 17 ]在BAF中用化學(xué)沉淀法除磷的研究結(jié)果表明, BAF化學(xué)加藥除磷比生物除磷效率要高,同時(shí)BOD5、COD的去除效果未受影響。從目前研究可知,單純采用曝氣生物濾池除磷效果較差,如何在濾池中創(chuàng)造良好的厭氧2好氧環(huán)境有待進(jìn)一步探討。
2. 2　填料的研制與應(yīng)用
填料的開(kāi)發(fā)是曝氣生物濾池工藝發(fā)展的核心問(wèn)題,適合的填料對(duì)曝氣生物濾池效能的發(fā)揮有著直接的影響,同時(shí)也將影響到曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)行成本和正常操作。
首先,填料材質(zhì)本身的物理吸附特性、化學(xué)穩(wěn)定性、有無(wú)毒害、孔隙率等對(duì)濾池處理效能有一定影響。目前, 曝氣生物濾池多采用顆粒狀填料,如陶粒、沸石、焦炭、石英砂、活性炭和膨脹硅鋁酸鹽等。有機(jī)高分子填料聚氯乙烯、聚苯乙烯小球、合成纖維和波紋板等上浮式填料近來(lái)也得到了一定的應(yīng)用。Lei Yang等[ 19 ]對(duì)曝氣生物濾池中水流模式與濾料特性進(jìn)行對(duì)比研究時(shí)認(rèn)為,濾料特性對(duì)濾池性能的決定作用遠(yuǎn)大于水流模式。具體參見(jiàn)http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
Yongwoo Hwang等[ 20 ]通過(guò)對(duì)比聚苯乙烯漂浮顆粒和聚亞安酯泡沫管2種填料的異養(yǎng)反硝化性能,表明聚苯乙烯顆粒更為理想。Mann等[ 21 ]研究結(jié)果表明:上浮式填料比沉沒(méi)式填料對(duì)SS、COD的去除率高,在高濾速下更耐有機(jī)負(fù)荷和水力負(fù)荷沖擊。以上說(shuō)明輕質(zhì)填料取代高密度填料是曝氣生物濾池污水處理技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。
 
其次,生物填料的粒徑大小也嚴(yán)重影響著曝氣生物濾池的處理效能。Rebecca Moore等[ 22 ]對(duì)不同粒徑濾料(115～315 mm和215～415 mm)對(duì)曝氣生物濾池的效果的影響進(jìn)行了試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)濾料粒徑小的曝氣生物濾池脫氮效果好,但小粒徑不適應(yīng)高的水力負(fù)荷,會(huì)使濾池工作周期變短。而粒徑較大的填料雖然改善了濾池操作條件,減少了反沖洗的次數(shù),但不利于脫氮和磷的去除。Rebecca Moore等[ 22 ]研究濾料粒徑對(duì)濾池性能影響時(shí)還發(fā)現(xiàn)壓降和SS的去除曲線表明小粒徑濾床性能差。因此,在濾料粒徑的選擇上應(yīng)綜合考慮各種因素。目前,曝氣生物濾池普遍采用的濾料粒徑為3～8 mm,濾層厚度為2～4 m。鑒于我國(guó)目前還沒(méi)有像歐美國(guó)家一樣對(duì)曝氣生物濾池用填料制定較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),因此,制定適于我國(guó)曝氣生物濾池的填料標(biāo)準(zhǔn)是十分重要的。