摘要:曝气生物滤池是一种将生物氧化机理与深床过滤机理有机结合的新型污水生物处理技术。本文对曝气生物滤池的工艺原理、工艺特点、工艺形式进行了综合评述,对其在城市生活污水处理中去污效能、启动方式、反冲洗形式及理想填料的应用与最新研究进展进行了详细介绍,尤其对目前曝气生物滤池存在的优点与不足进行了针对性的分析。对曝气生物滤池的运行机理进行深入探讨,并进一步加强对曝气生物滤池与其他工艺组合的优化研究,将完善曝气生物滤池的工艺体系,拓宽其使用范围。因此,曝气生物滤池将在我国污水处理中具有广阔的应用前景。
关键词:污水处理,曝气生物滤池,脱氮除磷,应用进展
水资源是人类赖以生存的基本物质之一,已成为人类社会可持续发展的重要限制因素。近年来随着城市建设和工业的发展,城市用水量急剧增加,大量不达标污废水的排放不仅污染了环境和水源,更加重了水资源的日益短缺和水质的日益恶化,从而导致生态环境的恶性循环。
寻求经济高效的污水处理技术,对促进污水回用的发展和水环境的恢复有着现实和深远的意义。生物法是污水处理的基本方法,然而传统污水生物处理工艺不可避免的具有占地面积比较大、处理系统复杂、运行管理难度大、处理效能低下等缺点,而且随着城市发展步伐的加快及城市区域的拓展,污水处理设施离城区越来越近,有的甚至建在城区,污水厂土地的使用也受到严格的限制[1]。
在这种背景下,生物过滤的思想被引入到污水处理中来,于是体积小、出水水质好、具有模块化结构并可自动化操作的曝气生物滤池(biological aerated filter,BAF)就应运而生了。作为一种新型污水处理技术,曝气生物滤池工艺尚处于发展完善过程中。深入了解其性能、机理并对其在实际工程中的应用回顾与评述,将有助于提高人们对该项新技术的认知水平,对曝气生物滤池在我国污水处理中的应用起到积极的促进作用。
1 曝气生物滤池的工艺原理及特点
曝气生物滤池是20世纪80 年代末在欧美发展起来的一种新型的污水处理技术,它是由滴滤池发展而来并借鉴了快滤池形式,在一个单元反应器内同时完成了生物氧化和固液分离的功能。世界上首座曝气生物滤池于1981年诞生在法国,随着环境对出水水质要求的提高,该技术在全世界城市污水处理中获得了广泛的推广应用[ 2 ] 。目前,在全球已有数百座大小各异的污水处理厂采用了BAF技术,并取得了良好的处理效果。
1. 1 工艺原理
曝气生物滤池是充分借鉴污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路,将生物降解与吸附过滤两种处理过程合并在同一单元反应器中。以滤池中填装的粒状填料(如陶粒、焦炭、石英砂、活性炭等)为载体,在滤池内部进行曝气,使滤料表面生长着大量生物膜,当污水流经时,利用滤料上所附生物膜中高浓度的活性微生物强氧化分解作用以及滤料粒径较小的特点,充分发挥微生物的生物代谢、生物絮凝、生物膜和填料的物理吸附和截留以及反应器内沿水流方向食物链的分级捕食作用,实现污染物的高效清除,同时利用反应器内好氧、缺氧区域的存在,实现脱氮除磷的功能。
1. 2 工艺特点
曝气生物滤池虽是生物膜处理方法的一种,但与传统生物滤池相比,仍具有明显特点:(1)BAF采用的粗糙多孔的小颗粒填料作为生物载体,可在填料表面保持较高的生物量(可达10～15 g/L) ,易于挂膜且运行稳定; (2)生物相复杂,菌群结构合理,反应器内具有明显的空间梯度特征, 能耐受较高的有机和水力冲击负荷,不同的污染物可以在同一反应器被渐次去除,同步发挥生物氧化作用、生物吸附絮凝和物理截留作用,出水水质好,可满足回用要求; (3)区别于一般生物滤池及生物滤塔,在去除BOD、氨氮时需进行曝气,但粒状填料层具有较高的氧转移效率,曝气量低,运行能耗较低,硝化和反硝化效率高; (4) BAF滤池为半封闭或全封闭构筑物,其生化反应受外界温度影响较小,适合于寒冷地区进行污水处理; (5)高浓度的微生物量增大了BAF的容积负荷,进而降低了池容积和占地面积,使基建费用大大降低; (6)滤池运行过程中通过反冲洗去除滤层中截留的污染物和脱落的生物膜,无需二沉池,简化了工艺流程,采用模块化结构设计,使运行管理更加方便; ( 7)减少了污水厂异味,无污泥膨胀问题,无需污泥回流。
1. 3 工艺形式
近年来曝气生物滤池发展迅速,工艺形式不断推陈出新, 曾先后出现过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是现代曝气生物滤池几种典型的运行工艺, 在世界范围内都有应用, 其构造特点见表1。B IOCARBON (图1)为早期开发的工艺形式,现在曝气生物滤池则多采用B IOFOR (图2)和B IO2STYR (图3)形式。
1. 4 工艺参数
随着人们对曝气生物滤池研究的深入, BAF反应器的关键工艺参数也有了较大的调整,其工艺参数大致如下:
容积负荷与要求出水水质相关,一般情况下有机物负荷为2～10 kg BOD5 /m3 •d;硝化0. 5～3 kgNH32N /m3 •d;反硝化018～7 kg NO32N /m3 •d; 水力负荷6～16 m3 /m2 •h;气水比(1～3) ∶1,最大不超过10∶1; 填料粒径为2～8 mm;填料高度为2～4m;单级反冲周期24 ～48 h;多级反冲周期24 ～48h,硝化反硝化滤池运行时间较长;单池反冲水量约占产水量的8%左右,或为单池填料体积的3倍左右;反冲时间20～30 min,反冲洗水强度15～35 L /m2 •s,气强度15～45 L /m2 •s。
2 曝气生物滤池的效能
作为新型污水处理工艺,国内外学者对曝气生物滤池的应用进行了大量研究。虽然很多学者在曝气生物滤池对有机物和悬浮物的去除,对硝化和反硝化等污染物的去除效能方面已取得了一定的进展和共识。但有关曝气生物滤池的生物挂膜,磷的去除、填料的选择、反冲洗方式等方面的研究与应用还有待进一步完善。
2. 1 污染物的去除
曝气生物滤池工艺上的独特性及明显的空间梯度特征决定了其对污染物去除的高效性。
2. 1. 1 有机物和悬浮物的去除
曝气生物滤池内填料的物理吸附和过滤截留作用以及生物膜的生物氧化作用决定了池内SS和有机物的高效去除,国内外该领域的研究及应用也充分证明了上述观点。Pastorelli G. 等[ 3 ]对中试规模的淹没式生物滤池连续进行18 个月的试验研究表明BOD5和SS去除率均大于95%。Gilbert Desbos等[ 4 ]在研究SS和COD的去除率同滤速之间的关系时发现,当负荷的增大并不是因为进水中更多的SS,而是由于更高的流量和低停留时间时,去除效率是相当稳定的,总的SS去除率在80% ～90%之间,而COD去除率在70% ～80%之间波动。国内,齐兵强等[ 5 ]采用B IOFOR工艺,以生活污水为处理对象, COD、BOD5、SS出水水质指标均达到了生活杂用水水质标准。大连市马栏河污水处理厂采用B IOFOR型BAF,在处理量为12万m3 /d, COD负荷最大6 kg COD /m3 •d的情况下,出水COD小于75 mg/L。以上国内外研究与应用结果表明,曝气生物滤池对有机物和悬浮物的处理机能成熟,处理量大,去除效果显著,在污水碳有机物去除应用中潜力巨大。
2. 1. 2 氨氮的去除
氨氮是污水处理中最主要的目标去除物之一。曝气生物滤池将较短的水力停留时间与长的污泥龄有机统一起来,有利于硝化细菌这类世代期较长的细菌生长,对氨氮具有较高的去除效率,因此,被广泛应用于污水中氨氮的去除。硝化作用,有关BAF硝化性能的研究已得到越来越多研究者的重视,通过优化运行参数BAF的硝化效率已得到了明显的提高。J1Cromphout[ 6 ]利用上向流曝气生物滤池处理含氨的富营养化水时,在气水比1∶1,滤速5118 m /h,温度10 ℃以上条件下,硝化效率可达100%。英国水研究中心Dillon等[ 7 ]对BAF的硝化能力研究结果表明当氮容积负荷为0163 kg/m3 • d 时, NH+2N 去除率可达90%。R1Pujol等[ 8 ]通过对法国巴黎Achresh处理厂的上向流曝气生物滤池两年的研究认为,在滤速4 ～6m /h, 6～8 m /h, 8～10 m /h运行条件下,当NH32N的容积负荷为115 kg NH32N /m3 •d时,曝气生物滤池氨氮去除率始终保持在80% ～100% ,滤速的提高不仅不是影响反应器硝化速度的限制因素,反而会对硝化有积极的促进作用。F1Fdz2Polanco[ 9 ]等对淹没式曝气生物滤池硝化过程中异养菌和硝化菌的空间分布情况进行研究时发现:当COD∶NH+42N为4∶1,进水COD低于200 mg/L 时不影响硝化效能;当进水COD高于200 mg/L 时,硝化效能将无法达到100%;尽管BAF的氨氮去除效能在实践中得到了检验,但有关进水负荷,有机物浓度以及硝化细菌分布特征还需进一步探讨。目前的研究表明,曝气生物滤池的硝化性能与有机物浓度、温度、停留时间等因素有密切的关系,因此硝化性能的研究有待进一步的深入。
反硝化作用,由于曝气生物滤池中存在厌氧和兼性微生物,使得反硝化得以进行。Pujol[ 8 ]研究认为,反硝化最好采用外加碳源的办法,在最佳滤速为10 ～ 15 m /h 时, 脱氮能力可达到100%。Pujol等[ 10 ]还比较了前置反硝化和后置反硝化的优劣,认为反硝化过程应采用上向流的进水方式进行。Chen等[ 11 ]研究生物过滤反应器与活性污泥反应器以及流化床的反硝化特性时,发现在不同水力条件下,反应器内微生物种群会发生一定的变化,但优势种群———杆菌属基本稳定。
另外,曝气生物滤池独特的空间梯度分布特征及运行特点使其具备了一定的短程硝化反硝化能力,曝气生物滤池采用粒状颗粒作为过滤和生物氧化的介质和载体,在整体上和每一单元填料表面所附着生物膜中都存在着基质和溶解氧的浓度梯度分布,这为各种不同生态类型的微生物在生物膜内不同部位占据优势生态位提供了条件。Puzava等[ 12 ]在曝气生物滤池一体化硝化反硝化方面取得了一定进展,他们通过调整曝气量将反应器内的溶解氧浓度控制在015～3 mg/L,从而控制溶解氧不扩散到生物膜内部,实现同步硝化反硝化。中试结果表明,通过实时曝气,即使将曝气量降低50% ,也可达到同样的处理效果。显然,曝气生物滤池的硝化,反硝化能力已经得到了很好的实践验证,对去除污水中氨氮的技术发展具有一定的推动作用。
2. 1. 3 磷的去除
单独利用BAF的生物作用除磷是很难达到排放标准的,通常情况下需采取化学方法除磷。Gon2calves等[ 13 ]进行曝气生物滤池同步脱氮除磷的研究时发现,进水方式对磷去除效果影响不大。德国科隆污水处理厂采用曝气生物滤池进行的同步硝化除磷实验表明,曝气生物滤池除磷率可达70% ,总磷可降至015 mg/L。Aesªy等[ 14 ]发现,利用曝气生物滤池反硝化脱氮时,如利用水解污泥或水解固体废物做外加碳源,可同时去除比微生物生长需要量高3倍的磷。Pak等[ 15 ]研究了利用2级生物滤池在交替好氧、厌氧条件下运行对污水中氮磷的去除情况,发现影响除磷的因素为COD /TP值和水力停留时间,好氧过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐对磷的释放有一定影响。Pedro A. Castillo等[ 16 ]在研究序批式曝气生物滤池生物除磷时,在保持原水中COD∶N∶P为20∶5∶1,进水COD < 15 g/m2 •d 情况下,磷的去除率为72%。而T. Clark等[ 17 ]在BAF中用化学沉淀法除磷的研究结果表明, BAF化学加药除磷比生物除磷效率要高,同时BOD5、COD的去除效果未受影响。从目前研究可知,单纯采用曝气生物滤池除磷效果较差,如何在滤池中创造良好的厌氧2好氧环境有待进一步探讨。
2. 2 填料的研制与应用
填料的开发是曝气生物滤池工艺发展的核心问题,适合的填料对曝气生物滤池效能的发挥有着直接的影响,同时也将影响到曝气生物滤池的结构形式、运行成本和正常操作。
首先,填料材质本身的物理吸附特性、化学稳定性、有无毒害、孔隙率等对滤池处理效能有一定影响。目前, 曝气生物滤池多采用颗粒状填料,如陶粒、沸石、焦炭、石英砂、活性炭和膨胀硅铝酸盐等。有机高分子填料聚氯乙烯、聚苯乙烯小球、合成纤维和波纹板等上浮式填料近来也得到了一定的应用。Lei Yang等[ 19 ]对曝气生物滤池中水流模式与滤料特性进行对比研究时认为,滤料特性对滤池性能的决定作用远大于水流模式。。
Yongwoo Hwang等[ 20 ]通过对比聚苯乙烯漂浮颗粒和聚亚安酯泡沫管2种填料的异养反硝化性能,表明聚苯乙烯颗粒更为理想。Mann等[ 21 ]研究结果表明:上浮式填料比沉没式填料对SS、COD的去除率高,在高滤速下更耐有机负荷和水力负荷冲击。以上说明轻质填料取代高密度填料是曝气生物滤池污水处理技术发展的趋势。
其次,生物填料的粒径大小也严重影响着曝气生物滤池的处理效能。Rebecca Moore等[ 22 ]对不同粒径滤料(115～315 mm和215～415 mm)对曝气生物滤池的效果的影响进行了试验,结果发现滤料粒径小的曝气生物滤池脱氮效果好,但小粒径不适应高的水力负荷,会使滤池工作周期变短。而粒径较大的填料虽然改善了滤池操作条件,减少了反冲洗的次数,但不利于脱氮和磷的去除。Rebecca Moore等[ 22 ]研究滤料粒径对滤池性能影响时还发现压降和SS的去除曲线表明小粒径滤床性能差。因此,在滤料粒径的选择上应综合考虑各种因素。目前,曝气生物滤池普遍采用的滤料粒径为3～8 mm,滤层厚度为2～4 m。鉴于我国目前还没有像欧美国家一样对曝气生物滤池用填料制定较为严格的标准,因此,制定适于我国曝气生物滤池的填料标准是十分重要的。（哈尔滨工业大学市政环境工程学院）
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