BAF单系统处理玉米青贮渗出液主要影响因素分析

邹海明 ，汪建飞，王艳，李飞跃

(1.安徽科技学院 资环系，安徽 凤阳，233100；2.东南大学 能源与环境学院，江苏 南京，210096)

曝气生物滤池(biological aerated filter，简称BAF)，是20世纪80年代末90年代初在普通生物滤池的基础上，并借鉴给水滤池工艺而开发的污水处理新工艺，最初用于污水的三级处理，后发展成直接用于二级处理。自20世纪80年代在欧洲建成第1座BAF污水处理厂后，BAF已在欧美和日本等发达国家广为流行，目前世界上已有数百座污水处理厂采用了这种技术[1−3]。20世纪90年代初我国就开始对BAF工艺进行试验研究和开发，并已将BAF成功地应用于多个大、中、小型工程；随着实际工程的运行，BAF的优点越来越受到我国水处理界的关注[4]。该技术不仅可用于水体富营养化处理，而且可广泛地被用于城市污水、小区生活污水、生活杂排水和食品加工废水、酿造和造纸等高浓度废水的处理[1−2,5−14]。该技术最大的特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省后续二次沉淀池，具有去除悬浮固体(suspended solid，SS)、化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)、脱氮除磷、除去可吸附有机卤化物(absorbable organic halogens，AOX)等有害物质的作用。此外，BAF工艺还具有水力负荷(hydraulic loading)大、有机负荷(organic loading)高、水力停留时间(hydraulic retention time，HRT)短、所需基建投资少、能耗及运行成本低等特点。BAF系统中有机物等污染物质的降解和去除过程复杂，同时发生着污染物质在污水和生物膜中的传质过程；有机物的好氧和厌氧代谢；氧在污水和生物膜中的传质过程和生物膜的生长和脱落等过程。这些过程的发生和发展决定了BAF净化污水的性能，影响这些过程的主要因素有有机负荷、水力负荷、气水比(gas-water ratio，指通入的空气量体积与进水量体积之比，用来控制溶解氧(dissolved oxygen, DO)含量)和滤床高度(filter bed height)。畜牧标准化规模养殖是现代畜牧业发展的必由之路。近年来，在国家政策扶持和倡导下，我国畜牧业发展非常迅速。在舍饲规模条件下，牛羊以全株玉米青贮饲料为主要日粮模式。青贮饲料是在密封条件下，通过附着在植物体表的乳酸菌的发酵活动，使pH降低而得以保存青绿饲料。在常规青贮调制过程中，必须保证原材料一定的含水量，并经适当的压实,使植物汁液渗出，以利于乳酸菌的活动。但原材料水分含量较高并机械加工后，会形成大量的植物汁液[15]，其 COD和 TN质量浓度分别为 110～350和120～160 mg/L。如果超过植物体本身的吸持能力，会造成青贮渗出液的发生。1个存储1 000 t的塔或窖，一次青贮可产生渗出液 14.6～30.0 万 L[16]，大量的青贮渗出液严重地污染了周边的水环境，目前我国对青贮渗出液的处理和处置研究较少。在此，本文作者在前期工作的基础上，考察水力停留时间、水力负荷、有机负荷和溶解氧对 BAF技术处理玉米青贮渗出液的影响，以期为同类废水处理及BAF技术推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 废水水质

废水系安徽凤阳某养牛场玉米青贮站青贮渗出液，其主要水质参数：TN 120～160 mg/ L，COD 110～350 mg/L，SS 132～169 mg/L。实验中进水COD和NH3-N质量浓度分别为220和105 mg/L。

1.2 BAF工艺流程图

图1所示为BAF工艺流程图。

图1 BAF工艺流程图Fig.1 BAF system process

调节池主要调节水质(调pH、去除粗大悬浮物)和水量，其长×宽×高为0.5 m×0.3 m×0.4 m，有机玻璃材质。玉米青贮渗出液经过调节池调节后进入BAF系统，气体和进水流量通过流量计控制。BAF系统总高度为1.4 m，内径为0.1 m，有机玻璃材质；滤床高度为1.0 m，滤床填料为沸石，其粒径为3～5 mm，堆积密度为1 050 kg/m3，比表面为11.2 m2/g，空隙率为43.5%；滤床下层放置多孔挡板，上面垫粒径为15 mm左右细卵石作为支撑层，高度为0.08 m；在滤床上0.15 m处安装液位管，用来显示池内液面高度；在滤床沿程高度上设置4个出水采样口，分别是0.2，0.4，0.6和0.8 m，加上进水和出水测定，整个实验共6个样品待测定。BAF系统出水进入澄清池，部分用于反冲洗用水，其余排放。反冲洗周期72 h，采用气水联合反冲洗方法，其步骤为先关闭进水，然后气冲 3 min，气水冲5 min，水冲8 min，流量为4～6 L/min，通过流量计控制。

1.3 分析方法

1.3.1 参数测定[17]

采用重铬酸钾法GB 11914—89测定COD质量浓度；采用纳氏试剂分光光度法 GB 7479—87测定NH3-N质量浓度；采用便携式pH计法测定pH；采用便携式溶解氧仪法测定DO质量浓度。

1.3.2 数据处理

(1) 有机负荷计算方法：在水力负荷确定的情况下，根据进水中 COD质量浓度，计算有机负荷公式如下[4]：

式中：N为有机负荷(以 COD计)，kg/(m3·d)；q为水力负荷，m3/(m2·h)；ρ0为进水中 COD 质量浓度，mg/L；H为滤床高度，m。

(2) 绘图及统计分析：采用 origin8.0绘图、SAS12.0数据处理。

2 结果与讨论

2.1 水力负荷对BAF系统的影响

在气水比为3:1，水力负荷为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5和3.0 m3/(m2·h)条件下，考察BAF系统运行情况，结果见图2。

图2 水力负荷对BAF系统的影响Fig.2 Influence of hydraulic loading on BAF system

由图2可知：水力负荷从0.5 m3/(m2·h)升高到3.0 m3/(m2·h)过程中，COD和 NH3-N 的去除率都是先升高后降低；当水力负荷为0.5 m3/(m2·h)时，COD的去除率为58.2%，出水COD质量浓度83.6 mg/L。因为水力负荷较小时，有机物、DO在滤料间的传质阻力加大，水流在滤池内分布不均，实验过程中也发现此阶段池内生物膜颜色深浅不一也证实了这一点；此外，水力负荷较小时，有机营养物质不足而使异养好氧菌增长繁殖受到抑制导致COD去除率偏低。NH3-N在水力负荷为0.5 m3/(m2·h)时的去除率略高于COD的去除率，为60.4%，尽管水力负荷较小，DO质量浓度有限，硝化反应受到限制，但沸石的交换吸附可以去除一定量的NH3-N[15]。当水力负荷为1.5 m3/(m2·h)时，COD和NH3-N的去除率达到最大，分别为83.5%和74.9%，其出水质量浓度中，COD为33.0 mg/L，NH3-N为 26.4%。随着水力负荷的增加，营养物质丰富，微生物生长繁殖旺盛，促进生物膜生长提高了污染物的去除率；同时水力负荷的增加也加大了对生物膜的冲刷剪切，促进生物膜的更新。但过大的水力负荷不利于COD和NH3-N的去除，当水力负荷为3.0 m3/(m2·h)时，COD和NH3-N的去除率分别降至71.5%和52.3%，与最大去除率分别相差 12.0%和 22.6%，表明继续增加水力负荷NH3-N的去除受抑制程度明显大于COD的受抑制程度。水力负荷过大，有机负荷高，降低水力停留时间，影响了BAF系统处理效果。此外，过大的水力负荷增加了水力冲刷作用和剪切力，造成生物膜流失，使出水COD质量浓度增大，COD去除率下降。同时，加大水力负荷时，BAF下部区域生物膜明显呈黑绿色，表明污染物质浓度较高，营养物质丰富，生化反应快，生物膜较厚，生物膜内层DO不足而呈缺氧和厌氧状态，削弱了异养好氧菌的代谢活动；当水力负荷为 1.5 m3/(m2·h)的基础上再增加时，NH3-N的去除率下降明显，到 3.0 m3/(m2·h)时，与最大值相比下降30.2%，说明水力负荷的增加对单BAF系统的硝化反应影响显著。水力负荷提高，水力停留时间缩短，使对污泥龄较长的自养硝化菌和好氧异养菌的竞争处于劣势，生物活性降低；此外，水力负荷增大必然使得反冲洗操作频繁，使得比增长速率较低的硝化菌容易随水流失，进一步削弱了 BAF系统硝化反应能力。

2.2 气水比对BAF系统的影响

在水力负荷为1.5m3/(m2·h)，气水比为0.5:1，1.5:1，2.5:1，3.5:1和4.5:1条件下考察BAF系统运行情况，结果见图3。

图3 气水比对BAF系统的影响Fig.3 Influence of gas-water ratio on BAF system

由图3可知：在水力负荷和进水污染物质量浓度一定情况下，随着气水比的增加，COD和NH3-N的去除效果明显增强，气水比从0.5:1增大到3.5:1，COD和 NH3-N的去除率分别从 52.5%和 59.3%上升到87.5%和75.2%，表明足够的溶解氧对BAF系统去除效果有着重要影响；当气水比为0.5:1时，DO质量浓度不足，好氧微生物活性受到影响，新陈代谢能力降低，废水中的有机物氧化不能彻底进行，出水 COD质量浓度较高，为104.5 mg/L；试验中也发现生物膜恶化变质，发黑且有轻微的臭味，同样说明DO质量浓度不足使BAF系统处理效果变差。但在较低的气水比时，DO质量浓度不足时NH3-N的去除率可以得到一定保证，且稍高于 COD的去除率，这是沸石的交换吸附所致，这与水力负荷较低时实验结果一致(见图2)。当增大气水比时，曝气量增大，DO质量浓度升高，生物膜内的好氧微生物活比增长速率增大，有机物的降能力提高，表现为 COD去除率明显提高；硝化菌是一种自养好氧菌，DO是硝化反应限制因素之一，提高BAF反应器的DO质量浓度，促进硝化反应进行，使 NH3-N去除率提高。但继续增大气水比，从 3.5:1到4.5:1，COD和NH3-N的去除率都呈下降趋势，且NH3-N去除率下降幅度大于COD去除率下降幅度，分别从87.5%和75.2%将至84.3%和71.6%。当气水比过大时，DO供应过多，因新陈代谢活动增强，营养物质缺乏使得生物膜内微生物进行内源呼吸而老化，活性降低，影响了出水水质。此外，过高的气水比也增加了BAF系统的运行成本。

2.3 有机负荷对BAF系统的影响

在水力负荷为1.5 m3/(m2·h)，气水比为3.5:1，有机负荷为 2.4，3.6，4.8，6.0 和 7.2 kg/(m3·d) 条件下考察BAF系统的运行情况，结果见图4。不同有机负荷通过控制进水中 COD质量浓度进行调节，计算方法见式(1)。

图4 有机负荷对BAF系统的影响Fig.4 Influence of organic loading on BAF system

由图4可知：有机负荷对COD和NH3-N的去除率有一定的影响，随着有机负荷的增大先增大后降低。当有机负荷较低时，为2.4 kg/(m3·d)，COD去除率仅为 49.6%。有机营养物质的不足明显影响了好氧异养菌的生长繁殖，生物膜活性降低，有机物被代谢分解缓慢，此时，NH3-N去除可到达58.5%，主要靠沸石的吸附作用完成[15]。随着有机负荷的增大，COD和NH3-N的去除率也逐渐增加，当有机负荷达到 4.8 kg/(m3·d)时，COD 和 NH3-N 去除率分别为 80.9%和75.9%，相对较低负荷时，COD去除率的增长幅度要比NH3-N的大，这主要因为单BAF系统中硝化反应始终要受到好氧异养菌新陈代谢活动的抑制。继续增大有机负荷率，COD的去除率增加缓慢，当有机负荷率大于6 kg/(m3·d)时还逐渐下降。继续增大有机负荷对氨氮的去除率影响较大，当有机负荷为7.2 kg/(m3·d)时，NH3-N去除率降为 61.7%，与最低有机负荷 2.4 kg/(m3·d)时的去除率相差不大，过量的有机物明显地抑制了硝化反应的发生，因为有机负荷增加，BAF系统中营养物质充足，世代周期短的异养菌迅速繁殖，大量消耗水中的 DO，造成世代周期长的自养硝化菌因竞争处于劣势而缺少 DO，抑制了硝化菌的繁殖，其硝化能力大大降低。因此，当有机物的质量浓度增大到一定程度时，硝化作用明显减弱，NH3-N去除率大大降低，此时，BAF系统出水的pH偏高也说明了系统中硝化反应发生缓慢。

2.4 滤床高度对BAF系统的影响

在水力负荷为1.5 m3/(m2·h)，气水比为3.5:1，有机负荷为 4.8 kg/(m3·d)时考察滤床不同高度区域(0～0.2，0.2～0.4，0.4～0.6，0.6～0.8和 0.8～1.0 m)BAF系统运行情况，结果见图5。

图5 滤床高度对BAF系统的影响Fig.5 Influence of filter height on BAF system

由图5可知：滤床高度对COD和NH3-N去除率有重要影响，不同的滤床高度下，COD和NH3-N去除速率不同。在BAF系统中，COD的去除主要发生在0～0.6 m区域，在这个区域COD去除率占整个系统总COD去除率的95.7%。在0～0.2，0.2～0.4和0.4～0.6 m各区域COD去除速率逐渐降低，去除率分别增大41.5%，28.1%和8.8%，因为在进水口处有机物质量浓度高，营养物质丰富，DO质量浓度高，好氧异养菌生长繁殖旺盛，活性高，有机物降解速度快；此外，在进水口区域悬浮固体(SS)截留程度高也促进了COD的去除。污水中含碳有机物质量浓度是影响生物硝化反应的重要因素。在0～0.6 m区域有机物质量浓度高，自养硝化菌与好氧异养菌竞争处于劣势，硝化反应受到抑制，但仍有47.9%的NH3-N去除率，主要是沸石填料的交换吸附行为，沸石填料在去除NH3-N上与其他填料材料相比有着明显的优势[15]。随着滤床高度上升，污水中有机物质质量浓度逐渐降低，好氧异养微生物因营养缺乏而活性降低，基质浓度为反应速率的抑制因子。在实验中发现0.6～0.8 m区域有机物降解速率明显变小，COD去除率较 0～0.6 m区域仅增长3.5%。在BAF系统中：1 m处COD去除率反而降低了1.7%，主要是脱落的生物膜部分随着出水流出，提高了出水中COD质量浓度。然而，0.6～1.0 m区域是NH3-N的生物硝化反应的主要区域，在0.6～0.8 m和0.8～1.0 m区域去除率明显增高，分别为 14.5%和17.2%，这个区域好氧异养菌因营养物质缺乏，活性降低，使得自养硝化菌成为优势种群，促进硝化反应的发生。

3 结论

(1) 利用BAF系统来处理玉米青贮渗出液是可行的，在水力负荷为1.5 m3/(m2·h)，气水比为3.5:1，有机负荷为4.8 kg/(m3·d)条件下，出水达到GB 8978—1996(《污水综合排放标准》)二级标准，极大地改善了玉米青贮站周边水体环境，且该工艺占地面积小，能耗低，操作简便，符合“三农”发展的实际情况，具有很好的经济效益和环境效益。

(2) 水力负荷过低或过高都不利于COD和NH3-N的去除，当水力负荷为1.5 m3/(m2·h)时，COD和NH3-N的去除率达到最大，分别为83.5%和74.9%。

(3) 增加气水比使得系统中溶解氧充足，可明显提高COD和NH3-N去除率，当气水比为3.5:1时，COD和NH3-N的去除率达到最大，分别为87.5%和75.2%。

(4) 低有机负荷不利于COD和NH3-N的去除，当有机负荷为2.4 kg/(m3·d)时，COD和NH3-N去除率分别为49.6%和58.5%；但过高的有机负荷对NH3-N去除率影响较大；当有机负荷为 7.2 kg/(m3·d)时，NH3-N去除率为61.7%。

(5) 滤床高度对 NH3-N的去除有重要影响，NH3-N生物硝化反应去除行为主要发生在 0.6～1.0 m区域。在保证BAF系统中含一定DO质量浓度时，适当增加滤床高度有助于自养硝化菌的繁殖，从而促进硝化反应进行，提高NH3-N去除率。若滤床高度过高，会增加水气传递阻力，增加成本，因此，在实际应用中，应根据进水水质情况设计合理的滤床高度范围。

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