曝氣生物濾池在污水深度處理中的進展
引言
曝氣生物濾池(BAF)是一種集物理過濾、化學吸附和生物氧化為一體，環保、經濟、高效、節能的新型生物膜污水處理技術。它能實現水資源再生及持續利用，非常適合于我國污水處理方面所面臨的水資源短缺、資金不足和技術相對落后的現狀。在我國現階段建設資源節約型、環境友好型的社會大背景下，不失為一種理想的處理工藝，是一種非常適合于我國國情的污水處理技術。它作為一種新型高效的生物處理技術 ，既可以用于污水的二級處理，也可用于深度處理，因而在污水除磷脫氮、有機物、色度和濁度的去除等方面有著非常廣闊的應用前景。近年來BAF發展迅速，工藝形式不斷推陳出新，曾先后出現過BIOCARBONE、BIOFOR、BIOSTYR、BIOSMEDI、BIOPUR、COLOX、DeepBed等形式，其中BIOCARBONE、BIOFOR、BIOSTYR、BIOSMEDI、BIOPUR是現代BAF幾種典型的運行工藝，在世界范圍內都有應用。
1 BAF及組合工藝在污水深度處理的研究進展
1.1 BAF中填料的研究進展填料是BAF的核心組成部分。
填料粒徑對BAF的處理效能和運行周期都有重要影響，填料粒徑越小，處理效果越好，但填料粒徑較小時，濾池容易堵塞，運行周期相對較短，需頻繁反沖洗，且不易發揮填料深層的作用。填料的密度大小關系到生物濾池反沖洗強度的大小，密度越大，反沖洗強度越大，則需要的能量消耗越大。在國外，Kent和Williams等人依據BEWA(the British Effluent and Water Association)標準，對常見的7種可用作BAF的填料進行了系統試驗分析，認為Arlita(膨脹球形粘土)最適合作為BAF的填料。在國內，對BAF填料的研究主要以陶粒為主。曹春艷等通過實驗對沸石、活性炭、建筑陶粒、工程陶粒四種填料的研究，表明在水力停留時間為1.5h，進水COD為150mg/L，有機負荷為0.74kgCOD/(m3·d)時，工程陶粒是BAF的最佳濾料。其他研究人員對一些新型的陶粒填料如粘土陶粒、納米改性陶粒、陶土(高嶺土)陶粒、粉煤灰陶粒等進行BAF試驗發現，陶粒填料與具有規則形狀的有機填料相比，具有強度大、空隙率大、比表面積大、化學穩定性好、生物附著性強、截污能力強等優點。在實際工程中，應用球形輕質多孔生物陶粒取得了良好的效果，目前國內有數10個BAF采用其作為填料，從實際運行的效果分析，都能滿足設計的要求。
1.2 BAF及組合工藝在污水深度處理中的研究進展
國外對BAF的研究始于20世紀80年代末期，比國內早十幾年，為BAF技術的發展和成熟積累了許多寶貴的經驗，目前國內正處于研究推廣階段。在去除有機物、SS等方面，孫志國等以升流式曝氣生物濾池(UBAF)深度處理某污水處理廠的二級生化出水，經試驗，CODCr、NH3-N、SS的去除率分別為77%、90%和92%左右，出水水質達到生活雜用水標準。王樹濤等研究了O3/BAF聯合工藝深度處理生活污水二級出水的效能及其影響因素。在O3投量為10mg/L(0.17～0.25 mgO3/mgCOD、0.77～1.25mgO3/mgTOC)，接觸時間為4min，BAF水力負荷為1m3/(m2·h)條件下，考察O3/BAF凈化有機物的長期運行效果，發現O3預氧化與BAF具有協同作用，其對有機物的去除效率大于二者之和。O3/BAF聯合工藝對TOC、UV254、色度的去除效率分別為20%～27%、65%～75%和85%～95%。水力負荷為0.4～6m3/(m2·h)時，有機物的去除率從59%～65%減小到49%～53%;pH為5.7～8.9 時，COD的去除率沒有受到明顯影響;隨著溫度的升高，BAF生物降解有機物的能力也隨之提高，20℃、25℃時的COD平均去除率分別比 9℃時高11.5%、12.7%。
整體來說，BAF對水力負荷、pH等具有較強的適應性。反沖洗對 BAF 的凈化效能沒有明顯影響。劉轉年等采用上流式曝氣生物濾池與超濾(BAF/UF)組合工藝對西安市鄧家村污水處理廠的二級出水進行深度處理，考察了對COD、NH3-N、色度、濁度的去除效果。結果表明，在進水流量為1L/h、氣水比為3∶l、溫度為20～25 ℃、pH值為7.83～7.99的條件下，當進水COD、NH3-N、色度、濁度分別為41.83mg/L、23.12mg/L、12倍、9NTU時，BAF出水COD、NH3-N、色度和濁度分別為25.67～31.87mg/L、1.41～2.56mg/L、9～11倍和2.01～3.25NTU，平均去除率分別為35%、90%、16%和69%;再經UF工藝處理后，分別降至15.31～17.85mg/L、1.38～2.44mg/L、5～7倍和0.03～0.1NTU，平均去除率分別為4l%、4%、40%、98%。BAF/UF組合工藝對COD、NH3-N、色度和濁度的平均去除率分別為60%、92%、50%和99%，且將BAF作為超濾的預處理工藝可大大提高超濾膜的性能，有效降低了膜污染。李魁曉等采用BAF工藝對某城市污水處理廠二級生化處理出水進行深度處理。結果表明，在進水COD為25～35mg/L、色度為15～30、濁度約為8NTU的條件下，當O3投加量為5～6mg/L、BAF的水力停留時間為1～1.5h時，出水COD<30mg/L、色度<5、濁度<1NTU，出水水質可滿足生產工藝對回用水的水質要求。
在硝化性能及其影響因素方面，研究者發現硝化菌生長速度要比異養菌慢，對環境條件敏感，主要研究的影響因素有：鹽度、NH3-N容積負荷和水力負荷。Morsyleide F.Rosa等研究了NaCl鹽度對BAF硝化作用的影響，并發現高濃度自由氨對硝化菌也有抑制作用。G.Dillon等用BAF處理二級出水的試驗結果表明，當NH3-N容積負荷為0.63kgN/(m3?d)時，可達到90%以上的NH3-N去除率，出水平均NH3-N濃度保持在0～4mg/L，出水SS和BOD分別在4～15mg/L和3～7mg/L，NH3-N去除率和容積負荷呈線性相關關系，當容積負荷增大時，NH3-N去除率急劇降低。張守彬等采用3種填料探討水力負荷及pH值對BAF硝化效率的影響，結果表明，當進水pH>6.5時，沸石BAF的NH3-N去除能力優于石灰巖BAF和陶粒BAF，提高進水有機物負荷、NH3-N負荷到一定程度將抑制BAF的硝化效率，增加進水pH值可有效提高3種填料BAF的NH3-N去除率，沸石、陶粒和石灰巖BAF均具有較好的有機物和懸浮物去除能力，沸石BAF和石灰巖BAF的硝化除氨效率優于陶粒BAF，石灰巖BAF能夠很好地適應進水pH的變化，具有穩定的硝化效率，比較適于處理低pH和高NH3-N負荷的污水。
在工業廢水深度處理方面，BAF中高濃度的微生物、復雜的生物種類與結構以及良好的截污過濾能力，使其被廣泛地應用于工業有機廢水深度處理中。工業廢水中COD濃度高，經二級處理后直接排入水體或進入污水處理廠，將造成接納水體有機物濃度升高，高濃度的有毒物和難降解物質抑制微生物和水生動植物的生長，最終危及水環境自凈能力和污水處理廠的正常運行。張安龍等以升流式曝氣生物濾池(UBAF)深度處理堿法草漿中段廢水，實驗結果表明，在HRT為1.5h，氣水比為3∶1的條件下，CODCr、SS的平均去除率分別為31%、85%;進水的水力負荷對UBAF的處理效率有一定的影響;反應器運行一段時間以后要進行反沖洗以恢復其處理能力，反沖洗周期為6～7d。朱樂輝等采用混凝+BAF+納米材料復合膜工藝處理印染廢水，采用混凝和BAF作為預處理去除廢水中大部分的COD、懸浮物，其中BAF采用輕質陶粒作為填料，直接采用穿孔管曝氣，該工藝可有效去除印染廢水中的濁度、色度、COD和SS，系統出水COD<10mg/L，濁度<1NTU，色度<5倍，達到中水回用標準。
Wang等采用O3/BAF聯合處理含酸性玫瑰紅染料的印染廢水，試驗結果表明，經O3氧化處理后，一方面達到了廢水脫色效果，另一方面，氧化一部分 COD的同時，還提高了廢水的可生化性，為后續BAF創造可生物處理的條件，在溫度18～25℃，水力停留時間為3h，氣水比為4∶1 的條件下，經 BAF處理后最終出水COD、SS、色度分別小于40、50mg/L和20度，達到了工業冷卻水回用水質標準。Zhu等采用 UBF+BAF組合工藝處理煉焦廢水，結果表明，在總停留時間為46.7h(UBF為15.4h，BAF為31.3h)條件下，系統對 COD、NH3-N總去除效率分別達81.5%、96.4%。Su等采用了厭氧折流板反應器(ABR)和BAF聯合處理石油采出廢水，組合工藝對油、COD、BOD、SS總去除率分別為84.5%～96.7%、58.2%～75.1%、80.0%～93.1%、80.7%～87.1%。Lu等采用O3+UBAF處理偶氮染料廢水。在O3濃度為34.08mg/L，反應120min 后，廢水幾乎完全被脫色。
廢水的可生化性(BOD/COD值)由原來的0.102到0.406，之后采用BAF 處理殘余COD，在溫度為20～25℃，水力負荷為4.8m3/(m2·d)，氣水比為3︰1條件下，最終出水COD<40mg/L ，色度<20度，去除效率分別達90%、97%。胡天媛等先將皮革廢水中含Cr廢水、含S廢水進行單獨處理后，再與部分鍋爐排污水和廠區生活污水等綜合廢水混合，隨后采用了水解酸化+氧化溝+BAF+氣浮+活性炭濾池聯合工藝進行處理經二沉池出水后的COD為227mg/L，經BAF處理后出水濃度為102mg/L，去除效率達50%以上。系統經調試后正常運行，出水穩定可靠，并優于《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)一級標準排放。
2 結束語
通過以上論述，可以看出當所處理的出水中COD、NH3-N濃度、色度、濁度等都不是很高時，單用BAF就可以達到很好的處理效果;當處理水成分比較復雜，污染物濃度較高時，BAF與其他工藝組合，可達到令人滿意的處理效果。因此，加大開發規模化BAF及拓寬BAF組合工藝應用范圍將是解決我國水資源短缺的一條有效途徑。這將對處理用水量大的造紙、印染、制革等行業的廢水，實現企業污水的閉路循環和零排放創造良好的社會經濟效益和環境效益。同時，它也可廣泛應用于城市污水的深度處理，使之達到城市雜用水、景觀回用水水質標準，實現水資源的可再生及持續利用的目的。通過研發具有高效性能的生物填料，加強預處理及高級氧化等組合工藝，可以強化BAF的處理性能以及對某些難降解污染物的去除能力，從而使BAF在污水深度處理上發揮更大的作用。
近幾年來，國內外許多研究單位和環保企業對BAF的填料、去除機理、處理效果、運行控制和影響因素等方面進行了大量地探索研究，積累了許多關于BAF在污水深度處理方面的寶貴經驗，為BAF的發展和推廣應用奠定了堅實的基礎，同時也充分肯定了BAF技術的一些重要優勢，如基建投資省、占地面積小、流程簡單、臭氣產生少、模塊化布置、自動化控制等。然而，對于任何一種處理工藝，總會存在一些缺陷，BAF也不例外，如對進水負荷敏感、對進水濁度要求較高、反沖洗能耗較大、水面容易起泡沫、生物除P效果差等。因此，對BAF開展進一步的研究是必要的。
筆者認為，BAF今后應重點研究以下相關問題：(1)BAF的生物膜生長規律、影響因素、反應機理與反應動力學的理論研究還有待完善;(2)BAF啟動周期長，如何快速啟動成為今后的研究重點;(3)BAF并不能有效地去除污水中的P，應研究合適的工藝技術與BAF組成新型一體化反應器，能同時去除污水中的N和P;(4)研究BAF反沖洗過程中生物膜的脫落規律，實現更高效的反沖洗控制方式，進一步減少反沖洗能耗;(5)為了更好地發揮BAF的除污效能，需研究開發高性能、低價位、截污能力強的填料。
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