气水比对BAF工艺深度处理石化污水效果的影响

张 雪，吴昌永，周岳溪，陈学民，张彦福

（1. 兰州交通大学 环境与市政工程学院，甘肃 兰州 730070；2. 中国环境科学研究院 水污染控制技术研究中心，北京 100012；3. 中国石油 吉林石化公司污水处理厂，吉林 吉林 132021）

臭氧氧化与曝气生物滤池（BAF）组合工艺是一种污水深度处理工艺，它将化学氧化的有效性与生物处理的经济性结合起来，提高了污水中难降解有机物的去除率。该组合工艺已在污水深度处理中得到了较广泛的应用，是目前国内外污水深度处理技术的研究热点之一［1-3］。

可生物降解溶解性有机碳（BDOC）是指污水中能被异养菌降解的有机物。提高BDOC值即可提高污水的可生化性，这是臭氧氧化作为BAF单元预处理的主要目的［4］。研究表明，污水厂二级生化处理出水经臭氧氧化处理后，可一定程度地提高其可生化性，有利于下一步的生物处理［5］。王树涛［6］研究发现，臭氧氧化处理可使污水的BDOC值升高245%。通常情况下，用于硝化处理的BAF应采用较高的气水比，而仅用于碳化处理的BAF可采用较低的气水比。有研究表明，当气水比由7∶1增大至10∶1 时，升流式BAF对NH3-N的去除率仅增大4.2%，但能耗却显著增加［7］。所以，在BAF工艺中选择合适的气水比至关重要，尤其是BAF具有除碳、脱氮和除磷的复合功能时，气水比的选择更加重要。

本工作采用臭氧氧化与BAF组合工艺深度处理某石化污水厂二级生化处理出水，研究了气水比对BAF单元处理效果的影响。

1 实验部分

1.1 材料、试剂和仪器

污水取自某石化污水厂二级生化处理出水。污水pH为 7.20～7.80，COD为70～108 mg/L，ρ（NH3-N）为1.2～3.0 mg/L，ρ（NO3--N）为5～12 mg/L，TN为9.0～18.3 mg/L，ρ（PO43--P ）为1.3～2.6 mg/L。

以空气为气源，采用高压放电的方式通过臭氧发生器制取臭氧。臭氧氧化柱：有机玻璃材质，填料为锰砂和陶粒。BAF：有机玻璃材质，内径0.1 m，高2 m，填料为火山岩，火山岩粒径为4～6 mm。

YG-5型臭氧发生器：北京山美水美公司；CTL-12型COD速测仪：承德市华通环保仪器有限公司；Multi 340i型便携式溶解氧快速测定仪：德国WTW公司；BT100-1J型蠕动泵：保定兰格恒流泵有限公司。

1.2 实验方法

采用蠕动泵以1 L/h的流量将污水送入臭氧氧化柱内，臭氧加入量为10 mg/L，接触氧化时间为4 min，臭氧氧化处理后出水进入BAF。

实验前17 d为BAF挂膜稳定阶段，然后调节BAF单元的气水比分别为0.4∶1，0.8∶1，1.5∶1，3∶1，5∶1，测定各气水比条件下BAF处理后出水的水质指标。

1.3 分析方法

按照国家标准方法测定ρ（NH3-N），TN，ρ（NO3--N），ρ（PO43--P ）［8］。采用COD速测仪测定COD；采用便携式溶解氧快速测定仪测定pH、DO、温度。

2 结果与讨论

2.1 气水比对COD去除率的影响

气水比对BAF单元COD去除率的影响见图1。由图1可见，气水比在（0.4∶1）～（5∶1）的范围内变化，BAF单元的COD去除率受气水比变化的影响不大，维持在19%～48%。由此可见，即使在较低的气水比的情况下，微生物也能将臭氧氧化出水中增加的BDOC全部降解。综合考虑能耗和COD去除率，在BAF单元只需要维持较低的气水比。

石化污水厂二级生化处理出水COD为70～108 mg/L，经臭氧氧化处理后COD降至20～40 mg/L，再经BAF单元处理后COD降至8～30 mg/L。臭氧氧化与BAF组合工艺的总COD去除率为37%～62%，平均出水COD为47.6 mg/L，优于GB8978—1996《污水综合排放标准》中的一级标准［9］。

图1 气水比对BAF单元COD去除率的影响

2.2 气水比对NH3-N去除率的影响

气水比对BAF单元NH3-N去除率的影响见图2。由图2可见：气水比对BAF单元NH3-N去除率的影响较明显，当气水比由0.4∶1增加至3∶1时，NH3-N去除率随气水比的增大而显著增大；当气水比由3∶1增大至5∶1时，NH3-N去除率增大不明显。这是因为：在BAF单元内微生物进行硝化作用，使NH3-N得以去除；在气水比较小的情况下，污水中的DO也较小，影响了硝化反应的进行，使得NH3-N去除率较小［10-11］；随着气水比的增大，BAF中的硝化细菌数量成为硝化反应进行的限制因素；当气水比超过3∶1时，再增大气水比，NH3-N去除率也不再明显增大。

图2 气水比对BAF单元NH3-N去除率的影响

石化污水厂二级生化处理出水中ρ（NH3-N）为1.2～3.0 mg/L，经臭氧氧化处理后ρ（NH3-N）略有增大，增加量小于1.5 mg/L。这是因为，NH3-N很难被氧化剂氧化，即使是氧化性很强的羟基自由基［12］，同时臭氧可将出水中的部分有机氮氧化成NH3-N，导致ρ（NH3-N）的增大。经BAF单元处理后，出水中ρ（NH3-N）为0.4～2.0 mg/L。

2.3 气水比对TN去除率的影响

气水比对BAF单元TN去除率的影响见图3。由图3可见，随气水比减小，TN去除率逐渐增大。完整的生物脱氮包括硝化和反硝化过程，当气水比较大时，水中的DO较大，可促进硝化反应的进行；而反硝化反应需要在缺氧条件下进行，兼性生物膜中 的DO过大，导致氧与硝酸盐竞争电子供体，抑制反硝化反应的进行［13］。随气水比的减小，DO减小，同步硝化反硝化效果逐渐好转，这与很多研究的结论相同［14-15］。

石化污水厂二级生化处理出水中TN为9.0～18.3 mg/L，经臭氧氧化处理后TN略有增大，但增加量不超过2.0 mg/L。经BAF单元处理后，出水中TN为8.0～15.8 mg/L。

图3 气水比对BAF单元TN去除率的影响

2.4 气水比对PO43--P去除率的影响

气水比对BAF单元PO43--P去除率的影响见图4。由图4可见，随气水比增大，PO34--P去除率呈现先增大后减小的趋势。由于系统在运行期间一直没有进行反冲洗，出水pH为6.84～7.56，化学沉淀除磷对系统除磷的贡献不大，影响除磷效果的主要是生物除磷。生物除磷需经厌氧放磷和好氧过量吸磷的过程，因此，厌氧和好氧区的存在对除磷有较大的影响。当气水比较小时，BAF中的DO也较小，由于浓度扩散的阻力，生物膜内的DO会随生物膜深度的增加而减小［16］，因此对厌氧放磷效果的影响较大，而好氧吸磷效果也不佳，故整体除磷效果较差。随气水比增加，BAF中的DO增大，BAF的除磷效果改善。当气水比进一步增大至5∶1时，BAF中的DO高达6 mg/L，生物膜被DO穿透，微观的厌氧条件在一定程度上被破坏，生物除磷的效果变差。本实验气水比为3∶1时， PO34--P的去除率最高。

图4 气水比对BAF单元PO43--P去除率的影响

石化污水厂二级生化处理出水中ρ（PO43--P ）为1.3～2.6 mg/L，经臭氧氧化处理后，ρ（PO43--P ）略有增加，但增加量不超过2.0 mg/L。经BAF单元处理后，出水中ρ（PO34--P ）为1.1～2.3 mg/L。

3 结论

a）采用臭氧氧化与BAF组合工艺处理石化污水厂二级生化处理出水，气水比对BAF单元的COD去除影响不大，BAF单元的COD去除率为19%～48%。

b）NH3-N去除率随气水比的增大而显著增大；当气水比由3∶1增大至5∶1时，NH3-N去除率增大不明显。经BAF单元处理后，出水中ρ（NH3-N）为0.4～2.0 mg/L。

c）随气水比减小，TN去除率逐渐增大。经BAF单元处理后，出水中TN为8.0～15.8 mg/L。

d）随气水比增大，PO43--P去除率呈现先增大后减小的趋势。当气水比为3∶1时， PO34--P的去除率最高。经BAF单元处理后，出水中ρ（PO34--P）为1.1～2.3 mg/L。

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