曝气生物滤池处理性能影响因素实验研究

张连科

(内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古包头014010)

曝气生物滤池 (Biological Aerated Filter，BAF)是20世纪80年代末在普通生物滤池基础上发展起来的第三代生物膜法处理工艺［1，2］。该工艺具有容积负荷高、水力负荷大、水力停留时间短、性能稳定、所需基建投资少、能耗及运行成本低、出水水质高等优点［3］，是适合我国国情的简易、高效、低耗的污水处理新技术，在实际应用中取得了良好的处理效果。但是，目前对影响BAF污染物去除效率的因素诸如:气水比、水力负荷与进水底物浓度等的研究还不够完善。本试验以人工模拟生活污水为处理对象，研究了各因素对曝气生物滤池处理效能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

试验装置流程见图1。

模型反应器为有机玻璃制作，直径950mm，高2000mm。滤池下部为200mm高装有直径为2～3cm的卵石承托层，滤料层高度为1200mm，填料选用球形轻质生物陶粒，粒径3～6mm。生物滤池沿滤料层高度每隔30cm设一个取样口，第一个取样口距离滤料层底部10cm。滤池采用上向流气水同向运行方式，气水联合反冲洗。

1.2 试验用水

人工配水由葡萄糖、蛋白胨、牛肉膏、氯化铵、磷酸二氢钾等按一定比例配制，根据实验需要对葡萄糖和氯化铵等主要成分进行增减，以取得不同的进水水质。

1.3 检测项目和方法

表1 检测项目和方法［4］

2 结果与讨论

2.1 气水比对BAF工作性能的影响

室温条件下，进水流量为3L/h，相应的水力负荷为0.43 m3/(m2·h)，pH值6.8～7.2，气水比分别为3∶1、5∶1、7∶1和10∶1，各稳定运行9d，曝气生物滤池对CODCr和氨氮的处理效果见图2。

由图2可见，气水比由3∶1提高到10∶1，反应器对COD的去除率略有提高，影响不大。氨氮的去除率受气水比的影响较大，从3∶1提高到5∶1时，氨氮的平均去除率由48.7%提高到60.1%;当气水比达到7∶1和10∶1时，氨氮的平均去除率较5∶1时分别提高了0.3和2.4个百分点。气水比较低时，异养菌的生长利用了水中大部分溶解氧，硝化菌可利用的溶解氧量有限，成了硝化反应的限制因素，氨氮去除率较低。此时，单一的除碳型曝气生物滤池可以满足要求。当气水比达到5∶1以上，BAF取得较好的充氧效果，对有氧条件要求苛刻的硝化细菌能获得良好的生长条件，因而BAF对氨氮的去除率有了较大幅度的提高，并基本稳定。但曝气量增大，动力消耗也将增大，增加了运行成本，是水厂实际运行中需控制的指标之一。因此，根据实验结果确定最佳气水比为5∶1。

2.2 水力负荷对曝气生物滤池处理性能的影响

气水比为5∶1，水力负荷分别为 0.21m3/(m2·h)、0.43m3/(m2·h)、0.63m3/(m2·h)和0.86m3/(m2·h)时各稳定运行11d，水力负荷对COD和氨氮去除效果的影响见图3。

由图3可见，COD的去除率随水力负荷的增加降幅较小，说明滤池高度足够，填料上生物膜的总量能够保证在试验水力负荷条件下对COD有较好的去除效果。氨氮的平均去除率随水力负荷的增加下降明显，说明水力负荷对BAF的硝化效能有显著影响。一方面水力负荷增大，水力停留时间减小，使污水与微生物的接触反应时间减少，这对于增长速度较慢的硝化菌来说，其硝化作用无法得到充分发挥。另一方面，增加水力负荷的同时相应的有机负荷也增加，使得异氧菌生长迅速，这使得对溶解氧、pH值等环境条件要求较高的硝化菌在与异氧菌的竞争中处于不利地位，总体活性下降。再加上增加水力负荷导致频繁反冲洗，由于硝化细菌的比增长速率远远低于异养菌，使其在反冲洗过程中被冲刷脱落的可能性更大，从而也使得硝化能力下降。

2.3 进水有机负荷对滤池处理性能的影响

在水力负荷0.21 m3/(m2·h)、气水比5∶1的条件下，有机负荷对BAF性能的影响见图4。

随着进水有机负荷的增加，COD去除率缓慢下降。有机负荷从1.15 kg/(m3·d)增加到2.96kg/(m3·d)，氨氮的去除率逐渐减小，曝气生物滤池表现出很好的抗有机负荷冲击能力。再继续提高有机负荷，氨氮去除率迅速下降，氨氮的去除效果受进水有机负荷的影响较大，有机负荷的增加对系统的硝化作用产生了不利的影响。这是因为，当污水中有机物浓度增加时，由于异氧菌的生长繁殖速度快，异氧菌首先利用水中的氧，在营养较为丰富的条件下大量繁殖，同时生物膜增厚阻碍了氧向生物膜的传递。当水中溶解氧不足或氧透过膜达到硝化菌表面的传递速度下降时，硝化菌吸取水中溶解氧的能力比异氧菌要差，这些都限制了硝化菌的生长繁殖，使硝化反应受到影响，从而系统的氨氮去除率呈较大的下降趋势。

从实验结果看，滤池进水的有机负荷控制在2.96kg/(m3·d)以内较为合适。

2.4 填料层高度对曝气生物滤池处理性能的影响

气水比5∶1、水力负荷0.21m3/(m2·h)的条件下，不同滤料层高度处COD及氨氮的去除效果分别见图5和图6。

由图可见，BAF对有机物的去除主要发生在滤料层0～70cm段。在滤层高70cm处，CODCr的去除率达到83.2%，占总去除率的93.8%。主要是因为BAF下部有机负荷高，微生物增殖快而且活性高，去除COD的能力较强。对氨氮的硝化主要发生在滤料层40～100cm段。在滤料层40cm处，氨氮去除率仅为29.5%，到100cm处达到了77.2%，40～100cm段氨氮的去除率为47.7%，占总去除率的58.4%。主要由于硝化过程需要较高的溶解氧，在BAF底部因有机负荷较高，耗氧量大，致使氧含量很低，因此硝化菌的活性较低;在滤料层中部，有机负荷有所降低，溶解氧浓度升高，对氨氮的去除效果增强。

3 结论

(1)考虑动力消耗的同时要求有机物的去除和硝化效果最佳，确定最佳气水比为5∶1，在此条件下，COD和氨氮的平均去除率分别为87.6%和60.1%。

(2)在本实验条件下，水力负荷对曝气生物滤池COD去除率影响较小，对BAF的硝化效能影响显著。有机负荷对曝气生物滤池处理性能有较大影响，综合考虑碳氧化和硝化的效果，有机负荷控制在2.96kg/(m3·d)以内较为合适。

(3)在本实验条件下，通过对BAF滤料层不同高度处COD和NH3－N的测定，有机物的去除主要发生在滤料层0～70cm段。在滤层高70cm处，CODCr的去除率达到83.2%，占总去除率的93.8%。BAF对NH3－N的硝化主要发生在滤料层40～100cm段。在滤料层100cm处NH3－N去除率达到了77.2%，40～100cm段氨氮的去除率为47.7%，占总去除率的58.4%。

［1］沈耀良，王宝贞.废水生物处理新技术理论与应用［M］.北京:中国环境科学出版社，2006.

［2］Pujol F，Canler J P，Iwema A.Biological aerated filters －An attractive biological process ［J］.Water Sci Technol，1992，26(3):693－702.

［3］马晓春，刘世桐.曝气生物滤池处理生活污水的试验研究［J］.环境保护科学，2009，35(2):34－36.

［4］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法 (第四版)［M］.北京:中国环境科学出版社，2002.