曝气生物滤池(Biological aerated filter，BAF)是 20 世纪80 年代末在欧美发展起来的一种新型生物膜法污水处理工艺，并经历了下流式、下流两段式、上流式、上流两段式曝气生物滤池4 种工艺形式，从单一的结构逐渐发展到综合结构。它将接触氧化工艺和给水快滤池工艺结合在一起，用于去除水中的有机物，也可以通过硝化反硝化达到脱氮效果〔1, 2, 3〕，具备了容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短、所需基建投资少、出水水质好、运行能耗低、运行费用省等诸多优点。
笔者采用两段上向流曝气生物滤池(UBAF)处理城市污水，通过控制运行条件，研究了影响两段 UBAF 脱氮效果的各种因素。
1 试验装置及方法
1.1 试验装置
试验中采用的两段UBAF 工艺流程如图 1 所示。该两段UBAF 中所加填料为陶粒，其性能参数如 表 1 所示。A 段曝气生物滤池主要是对原污水中的少部分氨氮及有机物进行去除，B 段曝气生物滤池主要对剩余COD 及氨氮进行去除。两座曝气生物滤池均采用上向流的运行方式，其结构设计参数完全相同，主体材料为有机玻璃，设计尺寸为D 0.25 m× 2.5 m，填料层高1.50 m。底部设有反冲洗供气管、放空管、穿孔配水管。
图 1 试验装置
1.2 启动方式及挂膜
采用接种挂膜，接种液取自某污水厂原水混合液。以曝气量15～18 L/h 连续闷曝24 h 后将滤柱排空，重复2 次。第3 天小流量进水(有利于硝化菌的生长固定)，以滤速0.55 m/h(流量约为16 L/h)、曝气量16 L/h 运行，第5 天滤速增加到0.75 m/h(流量约为21 L/h)、曝气量增至31 L/h。期间对各柱DO 进行检测，出水DO 均在4 mg/L 以上。26 d 后将滤速均增至0.89 m/h，按气水比3∶1 运行，此时对COD、 NH4+-N、浊度均有很好的去除效果，将滤料表面生物膜剥落，镜检发现生物膜中有大量丝状菌，同时有钟虫、线虫、变形虫、轮虫等微型动物。
1.3 试验方法及水质
两反应器从底部进水，气水同向，控制A 段水力负荷为0.81 m/h、气水比为3∶1，研究了相同水力负荷下B 段气水比分别为3∶1、2∶1、1∶1 时，反应器的运行情况。试验中各项水质指标按照文献〔4〕中提供的标准方法进行监测，其中：DO，仪器法;NO3--N，紫外分光光度法;NO2--N，N-(1-萘基)-乙二胺光度法;NH3-N，纳氏试剂光度法;COD，重铬酸钾法; TN，过硫酸钾消解紫外分光光度法。试验用水来自某污水厂进水端配水井，试验期间原水水质见表 2。
2 结果与讨论
2.1 温度对UBAF 脱氮性能的影响
当滤速为0.8 m/h，气水比为2∶1，且系统稳定运行时，分别于7～10、10～20、21～28 ℃条件下考察反应器对氨氮、总氮的去除效果，结果表明：水温是影响微生物生长和生物代谢活性的主要因素。当水温在 7～10 ℃时，UBAF 对NH4+-N、TN 的平均去除率分别为69.19%、25.35%，出水NH4+-N、TN 的质量浓度分别为11.8、40.32 mg/L; 水温10～20 ℃时，UBAF 对 NH4+-N、TN 的平均去除率分别为80.15%、33.68%，出水NH4+-N、TN 的质量浓度分别为7.48、41.09 mg/L;水温为21～28 ℃时，UBAF 对NH4+-N 的去除率明显升高，平均去除率达89.16%，对TN 的平均去除率也有所提高，达38.75%，出水NH4+-N、TN 的质量浓度分别为4.93、37.68 mg/L。这说明，水温对UBAF 去除NH4+-N、TN 具有很大的影响，水温越高，UBAF 硝化和反硝化效果越好;反之，则越差。而且，在低温条件下，UBAF 对NH4+-N、TN 的去除率都比较低，水温变化对脱氮效果影响最大;常温时，NH4+-N、TN 的去除率升高，水温变化对脱氮效果影响较小;较高水温时，NH4+-N、TN 的去除率明显升高，水温变化对曝气生物滤池脱氮效果影响最小。这是因为大多数硝化菌合适的生长温度是25～30 ℃之间，当温度低于25 ℃或者高于30 ℃时硝化菌生长减慢，水温低于15 ℃时，反硝化速率明显降低。此外，硝化细菌的繁殖速度要比异养菌低几个数量级，在低温条件下繁殖速度更低，影响硝化效果，导致UBAF 对 NH4+-N 的去除率下降; 反硝化菌的增殖速率降低，代谢速率也降低，相应的TN 去除率也下降。
2.2 水力负荷对UBAF 脱氮性能的影响
在气水比为2∶1，水温为16～25 ℃，进水NH4+-N 为28.56～57.29 mg/L，TN 为44.2～75.36 mg/L 时，考察了水力负荷对UBAF 去除TN 的影响，结果显示：当水力负荷由0.8 m/h 增加至1.2 m/h 时，UBAF 对 NH4+-N 的平均去除率由87.48%降为84.94%，下降了2.54% ，对TN 的平均去除率由36.40% 降为 32.38%，下降了4.02%;水力负荷由1.2 m/h 增至1.8 m/h 时，UBAF 对NH4+-N 的平均去除率为78.70%，下降了6.24%，对TN 的平均去除率为26.67%，下降了5.71%。可见，水力负荷对UBAF 的脱氮性能影响较大，随着水力负荷加大，UBAF 对NH4+-N、TN 的去除率逐渐降低，而且降幅越来越大。分析认为，一方面是由于硝化细菌的世代期较长，而随着水力负荷的增大，生物膜的迅速更新，这样不利于硝化细菌的附着和增殖，而且形成的生物膜厚度较薄，有利于氧传递到生物膜内部，破坏其内部的厌氧环境，不利于反硝化反应的进行;另一方面，水力负荷增加导致有机负荷随之也增加，在较高的有机物浓度下，降解有机质的异养菌处于绝对优势，抑制了自养性硝化细菌的增殖和活性。
2.3 有机负荷对UBAF 脱氮性能的影响
当滤速为0.8 m/h，气水比为2∶1，水温为16～ 25 ℃，且系统稳定运行时，有机容积负荷对UBAF 除NH4+-N 效果的影响见图 2。
图 2 有机负荷对UBAF 脱氮性能的影响
由图 2 可以看出，随着系统有机容积负荷的增加，UBAF 对NH4+-N、TN 的去除率逐渐下降。可见，当有机容积负荷升高时，有机容积负荷对NH4+-N 的去除有明显的抑制作用，此时异养菌降解有机物的区间会沿滤料高度方向上移，异养菌的生存空间亦随之向上拓展，压缩了硝化自养菌的活动空间，而且，由于异养菌的比生长速率要远大于硝化自养菌，在争夺溶解氧和营养基质的竞争中，往往是异养菌优先利用水中的氧，在有机底物较为丰富的条件下大量繁殖，使硝化自养菌的增殖受到限制。有机容积负荷越高时，异养菌对硝化自养菌的抑制就越强烈，从而使得UBAF 硝化性能呈现较大幅度的下降。随着有机容积负荷的增加，系统的硝化性能下降，硝酸盐氮浓度降低，可供反硝化菌用作电子受体的硝酸盐氮减少，反硝化菌的生长受到抑制，使得系统的脱氮性能下降。
2.4 氨氮容积负荷对UBAF 脱氮性能的影响
当滤速为0.8 m/h，气水比为2∶1，水温为16～ 25 ℃，且系统稳定运行时，NH4+-N 容积负荷对 UBAF 除NH4+-N 效果的影响见图 3。
图 3 氨氮容积负荷对UBAF 脱氮性能的影响
由图 3 可知，UBAF 对NH4+-N 的去除率随进水 NH4+-N 容积负荷的增加而降低。这是因为，硝化细菌属于化能自养菌，比增长速率小、世代周期长、对环境条件变化较为敏感。当NH4+-N 容积负荷较高时，高NH4+-N 浓度会抑制硝化自养菌的生长，影响 UBAF 的硝化性能。硝化性能的下降，使可供反硝化菌用作电子受体的硝酸盐氮减少，反硝化菌的生长受到抑制，TN 的去除率逐渐下降，可见，NH4+-N 容积负荷的增加会对UBAF 系统的脱氮效果产生较为不利的影响。
2.5 气水比对UBAF 脱氮性能的影响
在滤速为0.8 m/h，水温为16～25℃，进水NH4+-N 质量浓度为27.89～41.36 mg/L 时，考察了气水比对 UBAF 去除NH4+-N、TN 的影响，结果显示：当气水比为1∶1 时，出水中的DO 为0.77～1.35 mg/L，UBAF 对 NH4+-N、TN 的平均去除率分别为79.34%、29.77%;气水比增加至2∶1 时，出水中的DO 为1.76～2.65 mg/L，UBAF 对NH4+-N、TN 的平均去除率分别为 86.83%、35.44%; 气水比增至3∶1 时，出水中的DO 为2.32～3.35 mg/L，UBAF 对NH4+-N、TN 的平均去除率分别为87.98%、33.89%。
可见，随着气水比的增加，UBAF 对NH4+-N 的去除率呈上升的趋势。这是因为水中溶解氧充足有利于氨氮的氧化。气水比是控制DO 的主要操作条件，DO 随气水比增大而增大。根据双膜理论，氧气传递速率的大小由气液两相停滞膜的阻力决定，气水比越大，膜间传质阻力越小，生物膜内溶解氧浓度也越高，相应地提高了好氧微生物的活性和生物降解速率。但当气水比较大时，溶解氧穿过生物膜较深，生物膜的兼氧及厌氧层薄，内部难以形成缺氧区，大量的氨氮被转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，因此反硝化效果较差，TN 的去除率比较低，出水TN 浓度较高;而当气水比较小时，生物膜内的厌氧层加厚，反硝化效果变好;但当气水比为1∶1 时，因硝化作用进行的不彻底致使TN 去除效果又变差。。
3 结论和建议
(1)水温对UBAF 脱氮效果影响较大。当水温小于10 ℃时，UBAF 对NH4+-N、TN 的平均去除率分别为69.19% 、25.35% ; 水温10 ～20 ℃时，UBAF 对 NH4+-N、TN 的平均去除率为80.15%、33.68%; 在水温大于20 ℃时，NH4+-N、TN 的平均去除率分别为 89.16%，38.75%。水温越高，UBAF 脱氮效果越好。
(2)在水温为16～25 ℃，气水比为2∶1 时，当水力负荷由0.8 m/h 增加至1.2 m/h 时，UBAF 对NH4+-N 的平均去除率下降了2.54%，对TN 的平均去除率下降了4.02%;水力负荷由1.2 m/h 增至1.8 m/h 时， UBAF 对NH4+-N 的平均去除率下降了6.24%，对 TN 的平均去除率下降了5.71%。随着水力负荷的升高，UBAF 脱氮效果呈下降趋势。
(3)气水比对脱氮效果影响较大，在水力负荷为 0.8 m/h，水温为16～25 ℃，气水比为1∶1 时，UBAF 对 NH4+-N、TN 的平均去除率为79.34%、29.77%; 气水比增加至2∶1 时，UBAF 对NH4+-N、TN 的平均去除率为86.83%、35.44%; 气水比增至3∶1 时，UBAF 对 NH4+-N、TN 的平均去除率为87.98%、33.89%。
(4)两段UBAF 对TN 的去除效果不佳，为了增加其对TN 的去除效果，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002) 中的一级标准，笔者建议增加缺氧滤池进行反硝化，以达到最佳的脱氮效果。
