摘要:曝氣生物濾池是一種將生物氧化機理與深床過濾機理有機結(jié)合的新型污水生物處理技術(shù)。本文對曝氣生物濾池的工藝原理、工藝特點、工藝形式進行了綜合評述,對其在城市生活污水處理中去污效能、啟動方式、反沖洗形式及理想填料的應(yīng)用與最新研究進展進行了詳細介紹,尤其對目前曝氣生物濾池存在的優(yōu)點與不足進行了針對性的分析。對曝氣生物濾池的運行機理進行深入探討,并進一步加強對曝氣生物濾池與其他工藝組合的優(yōu)化研究,將完善曝氣生物濾池的工藝體系,拓寬其使用范圍。因此,曝氣生物濾池將在我國污水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:污水處理,曝氣生物濾池,脫氮除磷,應(yīng)用進展

水資源是人類賴以生存的基本物質(zhì)之一,已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的重要限制因素。近年來隨著城市建設(shè)和工業(yè)的發(fā)展,城市用水量急劇增加,大量不達標(biāo)污廢水的排放不僅污染了環(huán)境和水源,更加重了水資源的日益短缺和水質(zhì)的日益惡化,從而導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡性循環(huán)。

尋求經(jīng)濟高效的污水處理技術(shù),對促進污水回用的發(fā)展和水環(huán)境的恢復(fù)有著現(xiàn)實和深遠的意義。生物法是污水處理的基本方法,然而傳統(tǒng)污水生物處理工藝不可避免的具有占地面積比較大、處理系統(tǒng)復(fù)雜、運行管理難度大、處理效能低下等缺點,而且隨著城市發(fā)展步伐的加快及城市區(qū)域的拓展,污水處理設(shè)施離城區(qū)越來越近,有的甚至建在城區(qū),污水廠土地的使用也受到嚴(yán)格的限制[1]。

在這種背景下,生物過濾的思想被引入到污水處理中來,于是體積小、出水水質(zhì)好、具有模塊化結(jié)構(gòu)并可自動化操作的曝氣生物濾池(biological aerated filter,BAF)就應(yīng)運而生了。作為一種新型污水處理技術(shù),曝氣生物濾池工藝尚處于發(fā)展完善過程中。深入了解其性能、機理并對其在實際工程中的應(yīng)用回顧與評述,將有助于提高人們對該項新技術(shù)的認(rèn)知水平,對曝氣生物濾池在我國污水處理中的應(yīng)用起到積極的促進作用。

1　曝氣生物濾池的工藝原理及特點

曝氣生物濾池是20世紀(jì)80 年代末在歐美發(fā)展起來的一種新型的污水處理技術(shù),它是由滴濾池發(fā)展而來并借鑒了快濾池形式,在一個單元反應(yīng)器內(nèi)同時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,隨著環(huán)境對出水水質(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[ 2 ] 。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)計思路,將生物降解與吸附過濾兩種處理過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)部進行曝氣,使濾料表面生長著大量生物膜,當(dāng)污水流經(jīng)時,利用濾料上所附生物膜中高濃度的活性微生物強氧化分解作用以及濾料粒徑較小的特點,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捕食作用,實現(xiàn)污染物的高效清除,同時利用反應(yīng)器內(nèi)好氧、缺氧區(qū)域的存在,實現(xiàn)脫氮除磷的功能。

1. 2　工藝特點

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:(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10～15 g/L) ,易于掛膜且運行穩(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, 能耐受較高的有機和水力沖擊負荷,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、氨氮時需進行曝氣,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)進行污水處理; (5)高濃度的微生物量增大了BAF的容積負荷,進而降低了池容積和占地面積,使基建費用大大降低; (6)濾池運行過程中通過反沖洗去除濾層中截留的污染物和脫落的生物膜,無需二沉池,簡化了工藝流程,采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計,使運行管理更加方便; ( 7)減少了污水廠異味,無污泥膨脹問題,無需污泥回流。
 

1. 3　工藝形式

近年來曝氣生物濾池發(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行工藝, 在世界范圍內(nèi)都有應(yīng)用, 其構(gòu)造特點見表1。B IOCARBON (圖1)為早期開發(fā)的工藝形式,現(xiàn)在曝氣生物濾池則多采用B IOFOR (圖2)和B IO2STYR (圖3)形式。
 

1. 4　工藝參數(shù)

隨著人們對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:
容積負荷與要求出水水質(zhì)相關(guān),一般情況下有機物負荷為2～10 kg BOD5 /m3 •d;硝化0. 5～3 kgNH32N /m3 •d;反硝化018～7 kg NO32N /m3 •d; 水力負荷6～16 m3 /m2 •h;氣水比(1～3) ∶1,最大不超過10∶1; 填料粒徑為2～8 mm;填料高度為2～4m;單級反沖周期24 ～48 h;多級反沖周期24 ～48h,硝化反硝化濾池運行時間較長;單池反沖水量約占產(chǎn)水量的8%左右,或為單池填料體積的3倍左右;反沖時間20～30 min,反沖洗水強度15～35 L /m2 •s,氣強度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,國內(nèi)外學(xué)者對曝氣生物濾池的應(yīng)用進行了大量研究。雖然很多學(xué)者在曝氣生物濾池對有機物和懸浮物的去除,對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展和共識。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)用還有待進一步完善。

2. 1　污染物的去除

曝氣生物濾池工藝上的獨特性及明顯的空間梯度特征決定了其對污染物去除的高效性。

2. 1. 1　有機物和懸浮物的去除

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和有機物的高效去除,國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究及應(yīng)用也充分證明了上述觀點。Pastorelli G. 等[ 3 ]對中試規(guī)模的淹沒式生物濾池連續(xù)進行18 個月的試驗研究表明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)系時發(fā)現(xiàn),當(dāng)負荷的增大并不是因為進水中更多的SS,而是由于更高的流量和低停留時間時,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。國內(nèi),齊兵強等[ 5 ]采用B IOFOR工藝,以生活污水為處理對象, COD、BOD5、SS出水水質(zhì)指標(biāo)均達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m3 /d, COD負荷最大6 kg COD /m3 •d的情況下,出水COD小于75 mg/L。以上國內(nèi)外研究與應(yīng)用結(jié)果表明,曝氣生物濾池對有機物和懸浮物的處理機能成熟,處理量大,去除效果顯著,在污水碳有機物去除應(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間與長的污泥齡有機統(tǒng)一起來,有利于硝化細菌這類世代期較長的細菌生長,對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越多研究者的重視,通過優(yōu)化運行參數(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養(yǎng)化水時,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100%。英國水研究中心Dillon等[ 7 ]對BAF的硝化能力研究結(jié)果表明當(dāng)?shù)�容積負荷為0163 kg/m3 • d 時, NH+2N 去除率可達90%。R1Pujol等[ 8 ]通過對法國巴黎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運行條件下,當(dāng)NH32N的容積負荷為115 kg NH32N /m3 •d時,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,反而會對硝化有積極的促進作用。F1Fdz2Polanco[ 9 ]等對淹沒式曝氣生物濾池硝化過程中異養(yǎng)菌和硝化菌的空間分布情況進行研究時發(fā)現(xiàn):當(dāng)COD∶NH+42N為4∶1,進水COD低于200 mg/L 時不影響硝化效能;當(dāng)進水COD高于200 mg/L 時,硝化效能將無法達到100%;盡管BAF的氨氮去除效能在實踐中得到了檢驗,但有關(guān)進水負荷,有機物濃度以及硝化細菌分布特征還需進一步探討。目前的研究表明,曝氣生物濾池的硝化性能與有機物濃度、溫度、停留時間等因素有密切的關(guān)系,因此硝化性能的研究有待進一步的深入。

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, 脫氮能力可達到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)為反硝化過程應(yīng)采用上向流的進水方式進行。Chen等[ 11 ]研究生物過濾反應(yīng)器與活性污泥反應(yīng)器以及流化床的反硝化特性時,發(fā)現(xiàn)在不同水力條件下,反應(yīng)器內(nèi)微生物種群會發(fā)生一定的變化,但優(yōu)勢種群———桿菌屬基本穩(wěn)定。

另外,曝氣生物濾池獨特的空間梯度分布特征及運行特點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展,他們通過調(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散到生物膜內(nèi)部,實現(xiàn)同步硝化反硝化。中試結(jié)果表明,通過實時曝氣,即使將曝氣量降低50% ,也可達到同樣的處理效果。顯然,曝氣生物濾池的硝化,反硝化能力已經(jīng)得到了很好的實踐驗證,對去除污水中氨氮的技術(shù)發(fā)展具有一定的推動作用。

2. 1. 3　磷的去除

單獨利用BAF的生物作用除磷是很難達到排放標(biāo)準(zhǔn)的,通常情況下需采取化學(xué)方法除磷。Gon2calves等[ 13 ]進行曝氣生物濾池同步脫氮除磷的研究時發(fā)現(xiàn),進水方式對磷去除效果影響不大。德國科隆污水處理廠采用曝氣生物濾池進行的同步硝化除磷實驗表明,曝氣生物濾池除磷率可達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,如利用水解污泥或水解固體廢物做外加碳源,可同時去除比微生物生長需要量高3倍的磷。Pak等[ 15 ]研究了利用2級生物濾池在交替好氧、厭氧條件下運行對污水中氮磷的去除情況,發(fā)現(xiàn)影響除磷的因素為COD /TP值和水力停留時間,好氧過程中產(chǎn)生的硝酸鹽和亞硝酸鹽對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,在保持原水中COD∶N∶P為20∶5∶1,進水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)境有待進一步探討。

2. 2　填料的研制與應(yīng)用

填料的開發(fā)是曝氣生物濾池工藝發(fā)展的核心問題,適合的填料對曝氣生物濾池效能的發(fā)揮有著直接的影響,同時也將影響到曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)形式、運行成本和正常操作。

首先,填料材質(zhì)本身的物理吸附特性、化學(xué)穩(wěn)定性、有無毒害、孔隙率等對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也得到了一定的應(yīng)用。Lei Yang等[ 19 ]對曝氣生物濾池中水流模式與濾料特性進行對比研究時認(rèn)為,濾料特性對濾池性能的決定作用遠大于水流模式。具體參見http://www.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

Yongwoo Hwang等[ 20 ]通過對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:上浮式填料比沉沒式填料對SS、COD的去除率高,在高濾速下更耐有機負荷和水力負荷沖擊。以上說明輕質(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。

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 ]對不同粒徑濾料(115～315 mm和215～415 mm)對曝氣生物濾池的效果的影響進行了試驗,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)高的水力負荷,會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 ]研究濾料粒徑對濾池性能影響時還發(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。鑒于我國目前還沒有像歐美國家一樣對曝氣生物濾池用填料制定較為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn),因此,制定適于我國曝氣生物濾池的填料標(biāo)準(zhǔn)是十分重要的。（哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院）

　一）.運行周期的討論

　　概念：

　　在曝氣生物濾池運行過程中，由于附著在活性載體上生物膜的增長和載體間懸浮顆粒的捕獲作用，導(dǎo)致濾床水頭損失增加、產(chǎn)水量降低或出水水質(zhì)變差，這時曝氣生物濾池應(yīng)停止運行進行反沖洗，以恢復(fù)反應(yīng)器的高效性能。我們將曝氣生物濾池自反沖洗結(jié)束投入運行至下一次反沖洗開始這段時間稱為曝氣生物濾池的一個運行周期。從反沖洗結(jié)束投入運行至反沖洗結(jié)束這段時間稱為曝氣生物濾池的工作周期。
運行周期的影響因素：
       
　　曝氣生物濾池運行周期的長短主要與進水水質(zhì)、濾池的流向、濾料級配、濾池的功能、濾池反沖洗的效果等因素有關(guān)。

　　1）與進水水質(zhì)的關(guān)系

　　給定的曝氣生物濾池反應(yīng)器的運行周期的長短主要取決于進入反應(yīng)器的水質(zhì)特性，包括入流污水的有機污染物濃度及懸浮物含量與顆粒尺寸等。在曝氣生物濾池運行過程中，由于濾床對固體物質(zhì)的累積作用，導(dǎo)致水頭損失增加至設(shè)計值(影響濾池產(chǎn)水量)或出現(xiàn)顆粒穿透濾池(此時即為濾池的一個運行周期結(jié)束)．而濾床對固體物質(zhì)的累積主要包括生物膜的增長和懸浮物的截留兩個方面的作用。

　　 (1)與有機污染物濃度的關(guān)系 
    
　　生物濾池是利用固著在填料上的生物膜，吸附和網(wǎng)捕水中的有機污染物，并加以氧化分解，使污水得以凈化。濾床進水端增長的生物膜量較大，出水端增長的生物膜量較小，在曝氣生物濾池的一個運行周期臨近結(jié)束時(即將進行反沖洗)，整個濾床范圍內(nèi)平均累積的微生物膜量大約為2500一3000g／m3濾料，而濾床進水端的微生物量達到6000一7000g／m3濾料。

　　(2) 懸浮物濃度及顆粒粒徑的關(guān)系  

　　曝氣生物濾池反應(yīng)器的濾床對入流污水的懸浮顆粒存在著較好的機械過濾與截留作用。其應(yīng)用于污水二級處理，一般要求其進水懸浮物濃度在100mg／l以下，以避免由于進水懸浮物濃度較高，大大縮短濾池的運行周期，從而導(dǎo)致濾池會出現(xiàn)頻繁反沖洗，降低反應(yīng)器的效能。

　　反應(yīng)器對懸浮顆粒的去除效果還與顆粒粒徑分布存在一定的關(guān)系。試驗證明對于粒徑＞30μm顆粒，在濾床進水端至濾床深度40cm處，去除率可以達到95％；而對于粒徑＜5 μm的顆粒，在整個濾床范圍內(nèi)，其去除率小于50％，而且在濾床縱斷面上去除基本是均勻的；對于粒徑更小的顆粒，則可以直接穿透整個濾床。

　　 曝氣生物濾池反應(yīng)器對入流污水的懸浮物含量有較嚴(yán)格的要求．這也是曝氣生物濾池反應(yīng)器的不足之處。在實際工程中，預(yù)處理一般采用高效沉淀池、水解他、高效固液分離、氣浮等工序，只要控制得當(dāng)，可以滿足濾池對入流污水的懸浮物含量的要求，但設(shè)計中要考慮到由于濾池反沖洗排水回到處理設(shè)施的前端波動負荷的影響。

　　2）與濾池的流向的關(guān)系

　　由于濾池的運行方式不向，其截污能力與水頭損失增加特性也有所不一樣。下向流濾池對懸浮物的截留及降解COD所增加的生物膜量主要集中在濾料層上部的40 cm以上部分，大大減少了空間利用效率。下向流濾池水頭損失增加特點是：運行周期開始時，水頭損失增加緩慢，但到濾料表面出現(xiàn)阻塞，氣泡在濾料層中的凝結(jié)時．水頭損失增加迅速。很快會達到達行周期終點(從水頭損失突增到反應(yīng)器終止運行，時間＜1.0h)。  
上向流濾池在結(jié)構(gòu)上采用氣水平行上向流態(tài)，同時采用強制鼓風(fēng)曝氣技術(shù)，使得氣、水進行極好的均分，防止了氣泡在濾料中的凝結(jié)，與下向流濾池相比，在整個濾池高度上提供正壓條件，可以避免形成溝流或短流，使空間過濾能被更好地運用，空氣能將污水中的固體物質(zhì)帶入濾床深處，在濾池中能得到高負荷、均勻的團體物質(zhì)，延長反沖洗周期。

　　3）與濾料級配關(guān)系

　　濾料級配對曝氣生物濾池的運行有重要的影響。濾料級配不僅影響出水BOD和SS的濃度，而且影響水頭損失的增長速度和濾池運行周期。濾料粒徑越小，相應(yīng)其固體容量(納污量)越小，水頭損失越大，濾池運行周期越短，但出水水質(zhì)越好。

　�。矗┡c濾池功能的關(guān)系

　　反硝化濾池對顆粒物的去除效率較硝化濾池高，對于粒徑較大的顆粒(＞30 μm)去除率大于95％．而對于粒徑較小的顆粒(＜ 5μm）在整個濾料層其去除率小于50％。

　　前置式反硝化濾池采用硝化濾池出水回流的手段來實現(xiàn)脫氮功能，由于系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)作用并不能將固體顆粒帶出系統(tǒng)外，循環(huán)過程可以看作其在系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)不斷的固體累積過程。假定其前端處理(硝化濾池)效果良好的話，反硝化濾池進水懸浮物濃度會很低，  一般運行周期可維持在60h，整個濾床截留的懸浮物固體容量大約為800gTSS／m3。

　�。担┡c濾池反沖洗的效果關(guān)系

　　曝氣生物濾池反沖洗效果對出水水質(zhì)、運行周期的影響很大。若反沖洗不充分，濾池運行周期將會大大縮短；若反沖洗過量，微生物數(shù)量不足，生化處理效能下降，出水水質(zhì)變差，盡管濾料的固體容量得以提高，但由于出水達不到要求，談及運行周期毫無意義。

　　所以，對于曝氣生物濾池而言，評價其反沖洗的效果應(yīng)從其對濾池運行周期的影響及反應(yīng)器生化恢復(fù)時間兩個方面加以評價。根據(jù)有關(guān)資料介紹，濾池反沖洗后，濾料中剩余的生物膜量各種濾池有所差異，對于去碳濾池反沖洗后，下向流濾他剩余生物量濃度為200一300gTSS／m 3，上向流濾池剩余生物量濃度為500一600gTSS／m3；硝化濾池反沖洗后，下向流濾池剩余生物量濃度為700一800gTSS／m3 ，上向流濾池剩余生物量濃度為2400一2500gTSS／m3，反硝化濾池反沖洗后，濾池剩余生物量濃度約為1600gTSS／m3 。
 

　　二）曝氣生物濾池去除有機物特性探討

　　曝氣生物濾池去除有機物機理

       曝氣生物濾池是一種膜法生物處理工藝，微生物附著在載體表面，污水在流經(jīng)載體表面過程中，通過有機營養(yǎng)物質(zhì)的吸附、氧向生物膜內(nèi)部的擴散以及生物膜中所發(fā)生的生物氧化等作用，對污染物質(zhì)進行氧化分解，使污水得以凈化。

　　生物膜的形成過程

　　生物膜是由微生物細胞組成的復(fù)雜混合物的微生態(tài)系統(tǒng)，細胞鑲嵌在胞外聚合物的基質(zhì)中，并且附著在固體表面。生物膜發(fā)育形成的條件和時間序列大致為：①存在著可用于聚居的固體表面；②一種有機分子膜快速形成；③聚結(jié)的細胞松散地附著；④聚居的細菌牢固地附著；⑤微生物群落形成，產(chǎn)生胞外聚合物；⑧群落向上和向外擴展，形成規(guī)則和不規(guī)則結(jié)構(gòu)；⑦生物膜成熟，新的菌種進人生物膜并生長，有機和無機碎片被結(jié)合，并且溶液梯度形成，導(dǎo)致了生物膜空間的異相結(jié)構(gòu)；⑧生物膜可能被吞噬細菌的原生動物捕食；⑨成熟的生物膜可以脫落，使這種循環(huán)交替地重復(fù)進行；⑩形成一種頂級群落。

　　三）影響曝氣生物濾池反應(yīng)器運行的主要因素及有關(guān)  問題探討

      曝氣生物濾池反應(yīng)器凈化有機污染物的過程是由附著生長在載體表面的微生物來完成的，而這些微生物又都生活在各自形成的特定環(huán)境中，與環(huán)境條件關(guān)系極為密切，為了使得反應(yīng)器高效運行．就需要了解影響反應(yīng)器運行的主要因素并設(shè)法創(chuàng)造微生物適宜的生活環(huán)境。在各種影響因素中，其中最主要的有進水底物濃度、營養(yǎng)物質(zhì)、溶解氧、酸堿度、溫度、毒性抑制、反應(yīng)器內(nèi)水力停留時間與負荷率等。

　　1．進水底物濃度

　　污水中有機物的組分是反應(yīng)器內(nèi)生物膜微生物食物與能量的主要來源。一般情況下，污水中的大部分有機物和部分無機物都可以作為微生物的營養(yǎng)源加以利用，這些可被微生物利用并在酶的催化作用下進行生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的物質(zhì)稱為底物。對于去除有機污染物而言，底物則是指可生物降解的有機物的量。污水中有機物濃度在長時間或短時間內(nèi)的改變均可導(dǎo)致微生物生長形式的改變，其結(jié)果必然會影響到處理水的水質(zhì)和反應(yīng)器的處理效率以及剩余污泥量的產(chǎn)生。

　　2.溶解氧

　　3.酸堿度

　　4.溫度

　　5．反應(yīng)器內(nèi)水力停留時間與負荷率
    
　　水力停留時間指的是待處理污水在反應(yīng)器內(nèi)平均停留時間，也就是污水與生物反應(yīng)器內(nèi)微生物作用的平均反應(yīng)時間。對于曝氣生物濾池反應(yīng)器，物理吸附截留作用，和水力停留時間無關(guān)(其主要與水流剪切力和生物膜網(wǎng)捕作用有關(guān))，而其內(nèi)的生物氧化作用主要發(fā)生在填料區(qū)，填料上的微生物與污水中的基質(zhì)進行生化作用，其反應(yīng)時間與反應(yīng)速率有關(guān)，反應(yīng)速率又取決于溫度及基質(zhì)可生化性等因素。一般反應(yīng)時間越長，反應(yīng)器對基質(zhì)的去除率越高。
 

　　五）曝氣生物濾池脫氮有關(guān)問題探討

　　曝氣生物濾池屬于生物膜分級硝化(去碳和硝化分開)系統(tǒng)，第一級濾池(CN濾池)生物膜以異養(yǎng)菌為主，主要是對有機污染物COD、BOD的降解，對于上向流曝氣生物濾池，在濾料層中上部會發(fā)生一定程度的硝化作用；第一級濾池(N濾池)生物膜以自養(yǎng)性的硝化細菌為主，進行硝化作用。分級硝化系統(tǒng)由于除有機物和硝化在各自不同的反應(yīng)器中進行，所以容易做到對硝化濾池環(huán)境條件的控制，同時對硝化作用的抑制物有可能在第一級濾池中被分解掉，故可以較大程度地提高濾池硝化速率。
 
　　1．反應(yīng)器進水底物濃度(NH3—N)的要求

　　硝化反應(yīng)器的進水底物濃度對生物膜代謝作用有較大程度的影響，同CN濾池一樣存在某一臨界進水濃度，它反應(yīng)了該反應(yīng)器實際承受的最大進水底物濃度。在一定范圍內(nèi)，硝化菌實際生長速率隨進水底物濃度的增加而增大。

　　2．硝化反應(yīng)器對進水有機污染物(COD)濃度要求

　　硝化濾池中的生物膜應(yīng)以自養(yǎng)性的硝化細菌為主。由于硝化菌的世代周期較異養(yǎng)菌長得多，生長繁殖速度緩慢，產(chǎn)率較低，若進水中有機污染物(COD)大大超過氮時，異養(yǎng)菌大量繁殖，并在與硝化競爭中占優(yōu)勢，逐漸成為優(yōu)勢菌種，從而降低反應(yīng)器的硝化效率。

　　3.硝化細菌生長速率

　　硝化菌的比生長速率隨著NH3—N、DO濃度增高而增大，但溶解氧對生長速率的影響較NH3—N對生長速率的影響大得多。不考慮傳質(zhì)等因素的影響，當(dāng)NH3—N濃度由20mg／l增大到30mg／l時，硝化菌的比生長速率理論上只增高0.8％；當(dāng)DO濃度由1.5mg ／l增加到2.5mg／l時，硝化菌的比生長速率理論上增高7％。當(dāng)然，DO對硝化作用的影響與生物膜厚度、氧的滲透率、氧的利用率等因素密切相關(guān)．對于曝氣生物濾池反應(yīng)器．溶解氧濃度通�？刂圃�2-3mg ／l，當(dāng)溶解氧濃度大于3mg／l時，溶解氧濃度對硝化作用的影響可不予考慮。

1.預(yù)處理

　　運用BAF處理生活污水和工業(yè)廢水一般需對原水進行預(yù)處理。為了使濾池能以較長的周期運行，減少反沖次數(shù)，降低能耗，否則原水中的大量雜質(zhì)和ss都將進入曝氣濾池，這將會堵塞曝氣、布水系統(tǒng)，給系統(tǒng)的運行帶來嚴(yán)重的后果，濾池用于二級處理的情況下，往往需投加藥劑才能達到這一要求，藥劑的使用不僅增加費用，部分藥劑還將降低堿度，進而影響反硝化，這是運用BAF工藝時需要考慮的問題。預(yù)處理一般用沉淀或水解，對工業(yè)廢水還需在進入濾池前加設(shè)調(diào)節(jié)池。如果用BAF處理飲用水的微污染，由于飲用水源中固體雜質(zhì)比生活、工業(yè)污廢水少得多，故可不另外考慮預(yù)處理可直接將水進入BAF濾池。

　　2．除P脫N

　　磷的去處技術(shù)主要有以下三種：生物、化學(xué)和物理法。物理法價格昂貴，但去除率并不高。就生物法而言，將生物脫N和生物除P相結(jié)合的系統(tǒng)對除P不利，因為除P脫N本身是一對不可調(diào)和的矛盾．如果DO太低除P率會下降，硝化反應(yīng)受到限制，污泥沉降性能差，如果DO太高．則由于回流厭氧區(qū)DO增加，反硝化受到限制，同時N03-N的濃度高可影響厭氧區(qū)磷的釋放。因為，磷的釋放需要厭氧環(huán)境，如果有N03-N存在就表明只能為兼氧環(huán)境。

　　從目前的BAF運行工藝看，完全用生物除磷是很難達到排放標(biāo)準(zhǔn)的；用生物除磷就失去了生物濾池高負荷的特點，造成投資過大，因此最好用加FeCl3藥劑的方法除磷，而生物濾池由于耐水力沖擊負荷，可使處理后的水超量回流，并在運行中加化學(xué)藥劑，將化學(xué)處理和生物處理同時應(yīng)用于系統(tǒng)中，達到除P脫N目的，使化學(xué)藥劑相對用量減少，從剛降低運行費用。

　　3．溫度

　　如果在濾池中要進行硝化、反硝化反應(yīng)，則必須考慮溫度的影響，因為硝化、反硝化機理受進水水溫的影響很大，曝氣生物濾池可在8-30℃的范圍內(nèi)正常運行。

　　4．產(chǎn)泥量

　　曝氣生物濾池產(chǎn)泥量相對活性污泥量稍大，污泥穩(wěn)定性稍差，因為停留時間較短，污泥消化不充分。

 

曝氣生物濾池的構(gòu)造與污水三級處理的濾池基本相同，只是濾料不同，一般采用單一均粒濾料。曝氣生物濾池主體可分為布水系統(tǒng)、布氣系統(tǒng)、承托層、生物填料層、反沖洗等五個部分。

曝氣生物濾池(biologicalaeratedfilter)與普通活性污泥法相比，具有有機負荷高、占地面積小(是普通活性污泥法的1/3)、投資少(節(jié)約30%)、不會產(chǎn)生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點［1～3］，但它對進水SS要求較嚴(yán)(一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L)，因此對進水需要進行預(yù)處理。同時，它的反沖洗水量、水頭損失都較大。

    曝氣生物濾池（BiologicalAeratedFilter）是八十年代末、九十年代初最先在歐美發(fā)展起來的一種新型污水生物處理技術(shù)。

    曝氣生物濾池是由滴濾池發(fā)展而來，屬于生物膜法范疇，最初用作三級處理，后發(fā)展成直接用于二級處理，自90年代初在歐洲建成第一座采用該工藝的城市污水處理廠后，該工藝已在歐美和日本等發(fā)達國家廣為流行，目前世界上已有3500多座大大小小的污水處理廠應(yīng)用了這種技術(shù)。該工藝綜合了過濾、吸附和生物代謝等多種凈化作用，使其具有體積小、占地面積省、處理效率高、出水水質(zhì)好、流程簡單、操作管理方便并可省去二沉池等優(yōu)點。

    曝氣生物濾池（BiologicalAeratedFilter,簡稱BAF）技術(shù)是在充分吸取國外曝氣生物濾池(BAF)優(yōu)點的基礎(chǔ)上而發(fā)展起來的，它的最大特點是使用一種新型的球形陶粒填料，在其表面及開口內(nèi)腔空間生長有微生物膜，污水由下向上流經(jīng)濾料層時，微生物膜吸收污水中的有機污染物作為其自身新陳代謝的營養(yǎng)物質(zhì)，并在濾料層下部提供曝氣供氧的條件下，氣、水同為上向流態(tài)，使廢水中的有機物得到好氧降解，并進行硝化脫氮。它定期利用處理后的出水對濾池進行反沖洗，排除濾料表面增殖的老化微生物膜，以保證微生物膜的活性。

    曝氣生物濾池處理污水的原理是反應(yīng)器內(nèi)濾料上所附生物膜中微生物氧化分解作用，濾料及微生物膜的吸附阻留作用和沿著水流方向形成的食物鏈分級捕食作用以及微生物膜內(nèi)部微環(huán)境的反硝化作用。

    根據(jù)曝氣生物濾池中的水流流向，其可分為上向流和下向流曝氣生物濾池，由于上向流曝氣生物濾池接近于理想濾池，所以在實際工程中應(yīng)用較多。

    曝氣生物濾池反應(yīng)器為周期運行，從開始過濾到反沖洗完畢為一個完整的周期。具體過程如下：

    經(jīng)預(yù)處理的污水從濾池底部進入濾料層，濾料層下部設(shè)有供氧的曝氣系統(tǒng)進行曝氣，氣水為同向流。在濾池中，有機物被微生物氧化分解，NH3-N被氧化成NO3-N；另外，由于在堆積的濾料層內(nèi)和微生物膜的內(nèi)部存在厭氧/缺氧環(huán)境，在硝化的同時實現(xiàn)部分反硝化，從濾池上部的出水可直接排出系統(tǒng)。

    隨著過濾的進行，由于濾料表面新產(chǎn)生的生物量越來越多，截留的SS不斷增加，在開始階段濾池水頭損失增加緩慢，當(dāng)固體物質(zhì)積累達到一定程度，使水頭損失達到極限水頭損失或?qū)е耂S發(fā)生穿透，此時就必須對濾池進行反沖洗，以除去濾床內(nèi)過量的微生物膜及SS，恢復(fù)其處理能力。

    曝氣生物濾池的反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖，反沖洗水為經(jīng)處理后的達標(biāo)水，反沖洗空氣來自于濾板下部的反沖洗氣管。反沖洗時關(guān)閉進水和工藝空氣，先單獨氣沖，然后氣水聯(lián)合沖洗，最后進行水漂洗。反沖洗時濾料層有輕微膨脹，在氣水對濾料的流體沖刷和濾料間相互摩擦下，老化的生物膜與被截留的SS與濾料分離，沖洗下來的生物膜及SS隨反沖洗排水排出濾池，反沖洗排水回流至預(yù)處理系統(tǒng)。

    曝氣生物濾池作為一種膜法污水處理新工藝，與傳統(tǒng)活性污泥法和接觸氧化法相比，具有以下特點：

    1具有較高的生物濃度和較高的有機負荷

    曝氣生物濾池采用的為粗糙多孔的球狀濾料，為微生物提供了較佳的生長環(huán)境，易于掛膜及穩(wěn)定運行，可在濾料表面和濾料間保持較多的生物量，單位體積內(nèi)微生物量遠遠大于活性污泥法中的微生物量（可達10～15g/l），高濃度的微生物量使得BAF的容積負荷增大，進而減少了池容積和占地面積，使基建費用大大降低。

    2工藝簡單、出水水質(zhì)好

    由于濾料的機械截留作用以及濾料表面的微生物和代謝中產(chǎn)生的粘性物質(zhì)形成的吸附作用，使得出水的SS很低，一般不超過10mg/l，因此可省去二沉池，進而降低基建費用。因進行周期性的反沖洗，生物膜得以有效更新，表現(xiàn)為生物膜較薄，活性較高。有時即使生物處理發(fā)生故障，在短期內(nèi)其物理作用機理仍可保證高質(zhì)量的出水。BAF的處理出水不但可以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，同時可用于回用。

    3抗沖擊負荷能力強

    由于整個濾池中分布著較高濃度的微生物，其對有機負荷、水力負荷的變化不象傳統(tǒng)活性污泥那么敏感，同時無污泥膨脹問題。

    4氧的傳輸效率高

    曝氣生物濾池中氧的利用率可達20%～30%，曝氣量明顯低于一般生物處理。其主要原因是：①因濾料粒徑小，氣泡在上升過程中不斷被切割成小氣泡，加大了氣液接觸面積，提高了氧的利用率；②氣泡在上升過程中，由于濾料的阻擋和分割作用，使氣泡必須經(jīng)過濾料的縫隙，延長了其停留時間，同樣有利于氧的傳質(zhì)；③理論研究表明，BAF中氧氣可直接滲入生物膜，因而加快了氧氣的傳輸速度，減少了供氧量。

    5易掛膜、啟動快

    BAF調(diào)試時間短，一般只需7～12天，而且不需接種污泥，采用自然掛膜馴化。由于微生物生長在粗糙多孔的濾料表面，微生物不易流失，使其運行管理簡單。BAF在短時間內(nèi)不使用的情況下可關(guān)閉運行，一旦通水并曝氣，可在很短時間內(nèi)恢復(fù)正常運行，這一特點說明曝氣生物濾池非常適合一些水量變化大的地區(qū)的污水處理。

    6菌群結(jié)構(gòu)合理

    傳統(tǒng)活性污泥法中，微生物分布相對均勻，而在BAF中從上到下形成了不同的優(yōu)勢菌種，因此使得除碳、硝化/反硝化能在一個池子中發(fā)生。

    7自動化程度高

    由于相關(guān)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，一些先進的自動化設(shè)備如液位傳感器、在線溶氧測定儀、定時器、變頻器及微電腦等產(chǎn)品的出現(xiàn)，使得曝氣生物濾池系統(tǒng)運行管理自動化得以順利實現(xiàn)。

    曝氣生物濾池系統(tǒng)可以對進水水質(zhì)、水量以及污水中溶解氧濃度進行在線檢測，并通過PLC控制系統(tǒng)方便地調(diào)整曝氣時間的長短，控制風(fēng)機的供氧量，做到優(yōu)化運行，PLC系統(tǒng)對濾池進行自動反沖洗。

    8脫氮效果好

    通過不同功能的濾池組合或同一濾池中的不同功能區(qū)分布，使濾池在除碳的同時可進行硝化和反硝化。

其原理是通過對兩組濾池或同一座濾池內(nèi)分別人為地造成好氧、兼氧的生物環(huán)境，不僅能去除一般有機物和懸浮固體，而且具有較好脫氮功能。

    為了實現(xiàn)硝化、反硝化，必須在各段濾池中連續(xù)測定溶解氧數(shù)值，并加以控制調(diào)節(jié)。在C/N池和N池中的曝氣階段需要不斷調(diào)節(jié)溶解氧水平，使溶解氧達到較高水平（約2～3mgO2/l），而在DN池中使溶解氧達到較低水平（約0.2～0.5mgO2/l）。

    根據(jù)本工程的的進水和排水水質(zhì)要求，只要求進行氨氮的硝化，不需進行反硝化脫氮，所以只需建設(shè)C/N池和N池。

    9構(gòu)筑物模塊化，有利于今后的擴建

    曝氣生物濾池單元為模塊化結(jié)構(gòu)，可較好滿足城市污水處理廠分期建設(shè)的要求。

    上向流式曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)：

    BAF工藝技術(shù)分析

    曝氣生物濾池簡稱BAF（biologicalaeratedfilter）,是一種高負荷淹沒式固定膜三相反應(yīng)器，在20世紀(jì)70年代末80年代初首先在法國使用成功。隨后在歐洲、美洲、日本等地得到了廣泛應(yīng)用。

    曝氣生物濾池具有以下幾個特點：

    曝氣生物濾池的主要特點是采用粒徑較小的粒狀材料作為濾料，濾料浸沒在水中，利用鼓風(fēng)機曝氣供氧。濾料層起兩方面作用，一是作為微生物的載體，與一般的生物濾池相比，由于具有更大的比表面積，污水與生物膜實際接觸的時間長，可使生化反應(yīng)進行得更徹底，二是可作為過濾介質(zhì)，截留進水中的懸浮固體和新形成的生物固體，從而省去其他生物處理法中的二次沉淀池，取得優(yōu)質(zhì)出水；

    在生曝氣物濾池中可以生長許多不同性質(zhì)的菌群。在距進水端較近的濾層中，污水中的有機物含量較高，各種異養(yǎng)菌占優(yōu)勢，主要是去除BOD；在距出水口較近的濾料層中，污水中的有機物含量已經(jīng)很低，自養(yǎng)型的硝化菌將占優(yōu)勢，可進行氨氮的硝化反應(yīng)。硝化菌存在于生物膜內(nèi)側(cè)，在濾料上有很強的附著力，一旦形成，不易完全脫落，故曝氣生物濾池具有很強的硝化去除氨氮的能力。

    采用氣水平行上流，使得氣水進行極好的均分，防止了氣泡在濾料層中凝結(jié)和氣堵現(xiàn)象，且濾料層對氣泡的切割作用使氣泡在濾料層中的停留時間延長，使氧的利用率高，能耗低；

    上向流形成了對工藝有好處的半柱推條件，即使采用高過濾速度和負荷，仍能保證BAF工藝的持久穩(wěn)定性和有效性。

    采用氣水平行上向流，使空間過濾能被更好的運用，空氣能將固體物質(zhì)帶入濾床深處，在濾池中能保持高負荷均勻的固體物質(zhì)，從而延長了反沖洗周期，減少了清洗時水、氣用量。

    BAF具有生化處理和過濾的雙重功能，可以同步去除污水的有機物、氮磷和懸浮物的優(yōu)點