BAC-FB与传统活性污泥法处理生活污水的对比研究

李金波，陶虎春，李绍峰

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.北京大学深圳研究生院环境与能源学院，城市人居环境科学与技术重点实验室，广东 深圳 518055；3.深圳职业技术学院建工系，广东 深圳 518055）

《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002）颁布实施后，广泛应用于城镇污水处理厂的传统活性污泥法工艺面临出水难达标的压力，亟需应用新技术保障水厂出水稳定达标。生物活性炭流化床是生物流化床与生物活性炭技术相结合的新工艺。生物流化床[1-2]是将传统活性污泥法与生物膜法有机结合并引入化工流态化技术应用于污水处理的一种新型生化处理装置。其技术核心是以填料直接投加到曝气池中，作为微生物的活性填料。依靠曝气池内的曝气和水流的提升作用使反应器内达到流化状态，废水中的污染物与均匀分散的生物膜充分接触而被去除[3-4]。具有处理效率高、容积负荷大、抗冲击能力强、设备紧凑、占地少等优点[5]，被认为是未来最具发展前途的生物处理工艺之一[6]。生物活性炭技术的应用始于20世纪70年代，其实质是利用活性炭具有巨大比表面积、发达孔隙结构以及优良的吸附性能等特点，以活性炭作为载体构建生物膜，对污染物质进行降解[7]。

本文采用以生物活性炭为载体的流化床工艺（Biological Activated Carbon Fluidized Bed,BACFB），研究其处理生活污水的可行性并与同等工况下传统活性污泥法工艺（Conventional Activated Sludge,CAS）作比较，以期为城镇污水处理厂改建找到新途径。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验所采用的反应器装置如图1所示。反应器采用有机玻璃制造，内径90 mm，有效高度830 mm，有效体积为5.0 L。污水由蠕动泵从进水口泵入，上联通管与下联通管经蠕动泵带动，构成外部循环，反应器底部设置3个微孔曝气头，采用电磁式空气压缩机供气，通过转子流量计控制曝气量，电磁阀控制出水，整套装置由微电脑时控开关（PLC）实现自动控制。

图1 试验装置Fig.1 Experimental equipment

1.2 试验方法

接种污泥取自深圳市罗芳污水处理厂，测得MLSS 为 28.50 g·L-1。本文按 1.8 g·L-1的量向反应器内投加污泥，加入污泥量为0.32 L。其中，BAC-FB选用粒径0.18～0.25 mm的颗粒活性炭为载体，按反应器有效体积的3%投加。然后，加入配制好有机浓度的进水，原水取自北京大学深圳研究生院校园内的生活污水。闷曝2 d，以后间歇进水，HRT保持在8 h，每天镜检1次。挂膜期间为防止空气对活性炭表面生物膜的过度冲刷，调节气水比为 16： 1。

1.3 测试指标及方法

检测的水质指标：COD、BOD5、NH3-N、TP、pH，分析参照文献[8]。

2 结果与分析

2.1 启动时间的对比

反应器启动运行初期，CAS出水中COD去除率为30%～35%，而BAC-FB出水中COD去除率为42%～44%。这说明BAC-FB对溶解性有机物的去除能力略高于CAS，其原因为表面积较大的颗粒活性炭载体，对有机物具有很强的吸附能力。随着生物膜的培养与驯化，可以发现BAC-FB对COD的去除率一直高于CAS，并于启动8 d后达到了＞80%的去除率；而CAS则在18 d后才达80%的COD去除率。同时，微生物相镜检观察到轮虫、线虫、纤毛虫、等枝虫、钟虫等原生动物和后生动物，确定BAC-FB启动运行8 d以及CAS运行18 d时均成功启动，相比较而言，BAC-FB大大缩短了启动时间。

2.2 COD的去除

如图2所示，反应运行初期进水有机负荷控制在一个较低的水平，待BAC-FB与CAS两反应器出水COD去除率皆达到60%以上后，逐渐提高进水浓度。CAS与BAC-FB在相同进水有机负荷条件下持续运行近两个月，两者对生活污水COD去除率有明显差距。

图2 两反应器进水有机负荷与COD去除率Fig.2 Influent organic loading and COD removal rates of two reactors

两反应器启动成功后，CAS工艺COD去除率仍波动较大，最低处只有64%，BAC-FB反应器COD去除率基本维持在93%左右，说明BAC-FB反应器具有运行稳定、COD处理效果高以及抗冲击负荷能力强的特点。其原因在于BAC-FB采用粒径较小的颗粒活性炭为载体，比表面积大，一定量载体提供微生物膜生长面积大，因而微生物浓度高。当微生物浓度增高时，有机物降解速率加快，同时BACFB体系废水与微生物膜接触表面大，水中有机物与微生物膜传质条件好，进而加快了生化反应速度。与此同时，在流化床中载体粒料搅动剧烈、分布均匀，可对冲击性有机负荷及有毒负荷起到缓冲作用。

2.3 NH3-N的去除

运行阶段，两种工艺的NH3-N处理效果对比见图3。随着NH3-N浓度的升高，硝化中间产物积累，抑制氨氮的硝化反应速率，使去除率有所下降。CAS反应器在较低氨氮浓度时有较好的去除效果，平均去除率＞78%，当NH3-N浓度由37.5 mg·L-1上升至57.8 mg·L-1时，去除率迅速由81%下降至73%。进一步提高NH3-N浓度到61.9 mg·L-1时，去除率下降至65%以下。NH3-N负荷提高对BAC-FB脱氮效率影响较小，当氨氮浓度升至61.9mg·L-1时，去除率仍然保持在97%左右，说明BAC-FB处理生活污水较同等工况下CAS可有效脱除氨氮。

图3 NH3-N去除效果Fig.3 Effect of NH3-N removal

2.4 污泥特性分析

BAC-FB的污泥沉降速度和泡沫控制情况均优于CAS，结果见图4。

图4 BAC-FB/CAS处理生活污水SVI变化规律Fig.4 SVI variation of BAC-FB/CAS treating domestic sewage

从图4的污泥沉降指数（SVI）变化规律可以看出，CAS运行至第8天时便污泥膨胀（SVI＞150 mL·g-1），BAC-FB的污泥沉降性能明显好于CAS。由于BAC-FB中投加了颗粒活性炭载体，改善了污泥结构，使污泥絮体更加紧密，同时由于活性炭的孔隙被水分和微生物充满形成BAC，密度比水大[10]，从而提高了污泥絮体密度和沉降性能；另一方面，由于污泥沉降性能的提高，随出水而损失的污泥量得到有效控制。CAS由于丝状菌繁多而导致污泥膨胀，BAC-FB中虽然丝状菌数量也较多，但镜检发现其大部分在载体表面附着生长，以载体颗粒为骨架的污泥絮体大而密实。因此，有效避免了丝状菌引起的污泥膨胀。

2.5 稳定运行的处理效果

BAC-FB与CAS连续运行2个月，稳定运行期间处理效果见表1。

表1 BAC-FB/CAS处理生活污水运行效果Table 1 Performance of BAC-FB/CAS treating domestic sewage

BAC-FB处理生活污水，出水COD≤50 mg·L-1、BOD5≤10 mg·L-1、NH3-N≤5 mg·L-1、TP≤0.5 mg·L-1，各项出水指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB189189-2002）中规定的国家一级A排放标准，CAS仅达到国家二级排放标准。稳定运行状态下，BAC-FB的处理性能优于CAS。

2.6 生物相的观察

见图版Ⅰ。CAS和BAC-FB在整个运行过程中生物相的对比观察结果。

CAS启动初期污泥散碎、稀少；BAC-FB活性炭与污泥各自独立，并无附着现象。反应器运行至第8天，CAS系统出现大量丝状菌，已有污泥膨胀的迹象，遂降低有机负荷停止进水数日恢复正常；同期，BAC-FB启动成功，载体活性炭表面包裹着一层厚厚的生物膜。运行至第18天，CAS启动成功，出现少量钟虫和线虫等后生动物，但在生物种类与数量上较相似工况下BAC-FB反应器少得多。

3 讨 论

试验中BAC-FB启动成功仅需8 d，较CAS大大缩短了启动时间。其原因在于BAC的高吸附性能，接种的微生物被快速固定在载体表面，摄取水中的营养物质，并在载体表面生长、繁殖，减少了微生物附着到载体上的时间[9]，降低了菌体被消耗（如游离菌被捕食）的机率。

生物活性炭流化床（BAC-FB）对污染物指标的去除率比CAS反应器高，其机理主要在于快速形成的生物膜，使整个系统处于悬浮生长和附着生长相结合的状态。生物膜的存在加大了反应器内的生物量和生物种类，并能保证世代较长的微生物（如硝化菌）生存，利于硝化反应；生物膜载体从表面到内部存在溶解氧浓度的梯度，形成相应的好氧、缺氧和兼氧区，为直接脱氮提供了良好的环境。大部分活性污泥以生物膜附着在填料表面，提高了微生物的空间分布的均匀性，使有机质更易被吸附降解，提高了出水水质稳定性。此外，BAC的存在克服了污泥沉降性能差以及污泥膨胀等问题。由于不需要大量设备投入，该技术特别适用于城镇污水处理厂活性污泥法的升级改造。

4 结论

本文试验研究表明，BAC-FB较CAS在处理生活污水上效果显著。

a.同等工况下，BAC-FB启动成功需8 d，CAS需18 d，BAC-FB较CAS启动时间更短；

b.在相同进水有机负荷条件下持续运行，处理效果表明BAC-FB对污染物的去除率明显高于CAS，可有效脱除氨氮，BAC-FB反应器具有运行稳定、去除效率高和抗冲击负荷能力强的特点；

c.污泥沉降指数变化规律表明，BAC-FB不发生污泥膨胀，污泥沉降性能明显好于CAS；

d.相似工况下，BAC-FB在生物种类与数量上较CAS反应器丰富。

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