微曝气生物滤池-固相碳源反硝化生物滤池强化脱氮处理新运粮河水的示范工程研究

朱擎，杨飞飞，芦婷，冯传平，吴为中*

1. 中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京，100083；2. 北京大学环境科学与工程学院，北京100871；3. 中国环境监测总站，北京，100012

微曝气生物滤池-固相碳源反硝化生物滤池强化脱氮处理新运粮河水的示范工程研究

朱擎1, 2, 3，杨飞飞2，芦婷2，冯传平1，吴为中2*

1. 中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京，100083；2. 北京大学环境科学与工程学院，北京100871；3. 中国环境监测总站，北京，100012

摘要：滇池是中国富营养化状态最为严重的湖泊，而入湖河流氮磷元素的输入是其主要原因。河流水质的低C/N特征是限制氮素去除的关键因素，采用固相反硝化技术能够为反硝化过程提供持续的碳源，因而能够强化受污染河流的脱氮效果。以滇池的重点控制入湖河流-新运粮河为研究对象，设计了微曝气生物滤池（Biological aerating filter，BAF）-固相碳源反硝化（Solid-phase denitrification，SPD）组合工艺，在河道旁路展开示范工程研究。组合工艺设计规模为800 m3·d-1，BAF（气水比为3∶1～5∶1）和SPD生物滤池的最大表面水力负荷分别为4.2和1.4 m3·m-2·h-1，其中SPD生物滤池采用新型固相碳源共混可生物降解聚合物与惰性载体共混作为生物膜载体。工艺研究结果表明，在BAF气水比为3∶1～5∶1、HRT为0.5～1 h 和SPD滤池HRT为0.5～1 h的运行工况下，BAF对NH4+-N的平均硝化率达到了91.27%，SPD滤池的平均反硝化率93.60%，工艺出水NH4+-N、NO3--N和NO2--N平均浓度分别为0.68、0.70和0.02 mg·L-1。示范工程对各项污染物的去除效果良好，对TN、TP和CODCr的去除率分别达到84.93%、50.15%和31.39%；工艺出水TN、TP和CODCr平均浓度分别为1.75、0.20 和22.96 mg·L-1，主要水质指标均达到了地表水V类水质标准。采用新型固相碳源填充的反硝化生物滤池强化了工艺针对低C/N水质特征污染水体的脱氮效果，组合工艺对滇池氮素输入控制具有重要的意义。

关键词：曝气生物滤池（Biological aerating filter，BAF）；固相反硝化（Solid-phase denitrification，SPD）；脱氮；示范工程

*通讯联系人，E-mail: wzwu@pku.edu.cn

引用格式：朱擎，杨飞飞，芦婷，冯传平，吴为中. 微曝气生物滤池-固相碳源反硝化生物滤池强化脱氮处理新运粮河水的示范工程研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(7): 1216-1221.

ZHU Qing, YANG Feifei, LU Ting, FENG Chuanping, WU Weizhong. Demonstration Scale Evaluation of A Biological Aerated Filter Combined with Solid Phase Denitrification Biofilter for XinYunliang River Water Treatment [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(7): 1216-1221.

近年来，我国的湖泊富营养化形势日趋严重，据2013年国家环境质量公报结果显示，在国家重点湖泊（水库）中，处于富营养状态的比例为27.8%，其中滇池富营养化状态最为严重。滇池是我国著名的高原湖泊，位于昆明市西南部，其流域面积为2920 km2，湖岸线长为163 km，湖容积为15.6亿m3（陈吉宁等，2004）。滇池流域富营养化问题主要由外源性氮、磷输入导致，而入湖河流是重要的输入途径之一。草海是滇池富营养化最为严重的区域，而其北部入湖河流输入的污水量是其最主要的污染输入源。在纳入监测的草海的4条入湖河流中，污染最为严重的是乌龙河和新运粮河，其水质均为劣V类水，因而针对入湖河流的水质净化对滇池的富营养化控制具有重要意义。

针对受污染河流的水质净化方法，较为常用的技术有生物接触氧化工艺（张辉等，2009）、人工快速渗滤系统（张敏等，2008；牟新民等，2003）、地表漫流系统（孙敏等，2006）、人工湿地系统（Ruan et al.，2006；张建等，2006）、多级土壤渗滤系统（魏才倢等，2010)、氧化塘（张永祥等，2011）等。但受河水水温变化及低碳氮比的水质特征影响（吴伟龙等，2013），限制了工艺对污染物的去除。在低碳氮比水质特征的受污染河水处理过程中，有机碳源是影响氮素去除的限制性因素，碳源不足会导致反硝化不足而导致氮素去除效率低下的问题。在传统的污水处理过程中常采用液体碳源，如甲醇（Auclair et al.，2012；Ginige et al.，2009）、乙醇（Adav et al.，2010；Kazasi et al.，2013）、乙酸钠（Rustigeet al.，2007）等，来作为反硝化过程的电子供体，但往往由于投加量控制困难而易出现反硝化不完全或出水的二次污染问题等（Wu et al.，2012）。固相反硝化工艺是近年来研究较多的一种新型反硝化脱氮工艺，其由于固相碳源能够在微生物酶作用下缓慢释放有机物质，因而维持了反硝化过程的持续稳定进行，且能够有效避免出水的二次污染问题。多种人工可生物降解聚合物（Biodegradable Ploymers）类固相碳源被用于多种反硝化工艺中，取得了较好的污染物去除效果（Boley et al.，2005；Chu et al.，2013；Zhao et al.，2009；陈佳利等，2012），证实了固相反硝化工艺在实际工程中应用的可能性，但存在固相碳源成本较高的问题。

本研究设计了河流旁路处理工程——微曝气生物滤池（Biological aerating filter，BAF）-固相碳源反硝化生物（Solid-phase denitrification，SPD）滤池组合工艺处理受污染城市河流新运粮河河水，将研发的一种新型较低成本的固相碳源应用于生物滤池中，探讨强化脱氮去除效果，为滇池流域入湖河流输送的氮素污染控制提供技术支撑。

1　材料与方法

1.1示范工程概况

示范工程位于昆明市昆安公路与积善路之间，隐含在新运粮河“河长林”绿地内，紧邻新运粮河。工程采用BAF-SPD生物滤池工艺，由取水泵将新运粮河河水泵至BAF，经处理后进入砂滤池、配水井，最后进入生物滤池单元，出水经景观水池后回流入新运粮河。工艺流程如图1所示。

图1　示范工程工艺流程图Fig. 1 Flow chart of the demonstration project

该示范工程所处位置，地质结构良好。范工程中BAF尺寸为4 m×4 m×3.5 m，填充重质陶粒，采用上向流，滤池为半地下式，钢筋混凝土结构；快滤池单元尺寸为4 m×1.5 m×2 m，选用重质陶砂作为滤料，水流流向为向下流，主要控制悬浮物对后续基于固相碳源多介质生物滤池的冲击问题。由于该示范工程BAF-砂滤池为本研究中SPD生物滤池与其它技术单元的共用流程，因而建设配水井以完成后续不同处理技术单元的分流，配水井尺寸为4 m×1.5 m×2 m。SPD生物滤池尺寸为3 m×8 m×2 m，滤池为半地下式结构，水流流向为向上流，填料高度为1 m，由新型固相碳源、水洗高炉渣、瓜子石等组成，有效容积为36 m3，上面种植具有净化和景观美化功能的水生植物。新型固相碳源是基于聚羟基丁酸戊酸酯/聚乳酸等多组分共混可生物降解聚合物。除BAF外，SPD生物滤池、快滤池、配水井等因池深仅为2 m，且为半地下式，所以均为底部地基经过夯实，下部为钢筋混凝土池底，采用砖混结构池体并作了防渗膜处理，上部加圈梁加固。

1.2工艺运行期间的原水水质及运行条件

示范工程运行期间（3月至9月）跨越了旱季、雨季，截污控源后的新运粮河河水主要为昆明市第3污水处理厂尾水排放，除了少量截污不完善的污水排放外，在雨季受降雨影响比较明显。运行期间的新运粮河河水的水质特征如表1所示。BAF处理规模为1600 m3·d-1，其最大水力表面负荷为4.2 m3·m-2·h-1；BAF-SPD生物滤池工艺设计最大规模为800 m3·d-1，SPD生物滤池的最大水力表面负荷为0.7 m3·m-2·h-1。工程运行期间，BAF气水比为3∶1～5∶1。

表1　新运粮河“河长林”段的水质状况Table 1 The Hechanglin section water quality of the Xin Yunliang River

单独设立了控制室，放置空压机等，控制泵的自控运行、正常运行时BAF的供氧以及BAF、快滤池、SPD滤池的气水联合反冲洗等。非雨季情况下，BAF、SPD滤池反冲洗的周期一般为3～6 d，快滤池则每天反冲洗1次。

1.3分析项目和分析方法

2　结果与讨论

BAF-SPD生物滤池工艺示范工程运行期间的各类污染物去除情况及分析如下。

图2　BAF的硝化效果：BAF进出水NH?-N、NO?-N和NO?-N浓度分别如（A）～（C）所示，硝化率如（D）所示Fig. 2 Nitrification performance of BAF: Influent and effluent contents of NH-N, NO-N and NO-N showed in a～c, nitrification rate showed in d

2.1工艺对N素污染的去除效果分析

表2　工艺进出水NH?-N、NO?-N、NO?-N和TN平均浓度及N素平均去除率Table 2 Average contents of NH-N, NO-N, NO-N and TN in influent/effluent with average nitrogen removal rates for the project

表2　工艺进出水NH?-N、NO?-N、NO?-N和TN平均浓度及N素平均去除率Table 2 Average contents of NH-N, NO-N, NO-N and TN in influent/effluent with average nitrogen removal rates for the project

水质指标 　NH4+-N 　NO3--N 　NO2--N 　TN进水浓度/(mg·L-1) 6.80±2.60　3.43±2.77 0.39±0.27 11.85±1.16出水浓度/(mg·L-1) 0.70±0.52　0.70±0.40 0.02±0.01　1.75±0.52平均去除率/% 　88.97±6.60 92.33±4.77 93.84±3.48 84.93±5.14

如图2a，示范工程运行期间，由于季节和污水处理厂排水影响，进水NH4+-N浓度波动变化较大，浓度范围为1.29～12.28 mg·L-1。经过BAF的充分氧化后，出水NH4+-N浓度降至0.80 mg·L-1，平均硝化率达到了91.27%（图2d）。由图2b也可以看出在进水NO3--N浓度波动较大的条件下（0.09～10.22 mg·L-1），BAF的硝化作用仍然十分明显，出水NO-N明显上升，浓度范围为6.72～9.53 mg·L-1。由BAF进出水NO-N浓度变化（图2c），可以表明河水中的NO-N浓度较低（0.04～1.13 mg·L-1）且波动较大，BAF出水NO-N平均浓度为0.23 mg·L-1，并未出现明显的积累现象，表明硝化过程较为完全。这表明BAF单元设计合理，具有较好的抗冲击负荷能力，为后续反硝化过程准备了良好的基础条件。

图3　SPD滤池的反硝化效果：SPD滤池进出水NH?-N、NO?-N和NO?-N分别如（A）～（C）所示，反硝化率如（D）所示Fig. 3 Denitrification performance SPD biofilter: Influent and effluent contents of NH-N, NO-N and NO-N showed in a～c, denitrification rate showed in d

图4　示范工程对TN的去除效果Fig. 4 Removal performance of TN by the demonstration project

BAF-SPD组合工艺对TN的去除效果反映了整个示范工程对氮素污染物的去除效果。由图4可以看出，系统对TN的去除效果随运行时间的增长逐渐趋于稳定，由进水水质波动变化与去除率变化情况可以得知，在运行条件维持一定的情况下，进水TN浓度是影响TN去除率变化的主要因素。进水TN浓度平均值为11.85 mg·L-1，工艺出水TN浓度平均值为1.75 mg·L-1，达到了地表水V类水质标准，去除率达到了84.93%。工艺中BAF单元的高效硝化作用与SPD生物滤池的高效反硝化脱氮作用，共同实现了示范工程对受污染河水的强化脱氮功能。

2.2工艺对TP的去除效果分析

示范工程对TP的去除效果如图5所示。在BAF中，水体中TP的去除主要通过附着在填料表面生物膜对磷素进行吸收利用的同化作用实现，在反冲洗过程中通过生物膜脱落实现磷素从系统中的去除。在该示范工程中，春季进水中TP浓度较低，进入夏季TP浓度略有升高，浓度范围为0.09～1.83 mg·L-1（平均浓度为0.52 mg·L-1）。BAF段出水TP浓度平均值为0.30 mg·L-1，SPD生物滤池出水TP浓度为0.20 mg·L-1，达到了地表水V类水质标准，对TP的去除率贡献分别为42.31%和19.23%，可见在曝气的条件下生物滤池具有相对较高的TP去除效果。整个工程对TP的平均去除率达到了50.15%，表现出良好的去除能力。

图5　示范工程对TP的去除效果Fig. 5 Removal performance of TP by the demonstration project

2.3工艺对有机物的去除效果分析

示范工程对CODCr的去除效果如图6所示。工程运行期间进水CODCr浓度平均值为33.78 mg·L-1，BAF段出水CODCr浓度平均值为23.61 mg·L-1，对其去除率贡献为30.11%，SPD生物滤池出水CODCr浓度平均值为22.96 mg·L-1，对整个工艺CODCr去除率的贡献甚微，由此说明有机物的去除主要发生在BAF段，主要通过好氧微生物的分解利用去除，而SPD生物滤池段由于填充了固相碳源，系统内部对外源有机污染物的去除作用并不明显，但由出水浓度与进水浓度比较可知，固相碳源的填充并没有带来过度释碳导致的出水有机物浓度过高的二次污染问题。由于在该工程中，SPD生物滤池内部固相碳源是与惰性载体（水洗高炉渣、瓜子石等）混合填充的，因而在固相碳源和惰性载体表面均能形成生物膜，若固相碳源被其表面微生物利用后释放出残余的有机物质，会被惰性载体表面的异养型微生物进一步利用，进而避免了出水的二次污染，也提高了固相碳源的利用效率，这与很多研究中单独使用固相碳源作为生物滤池填料易出现出水的有机物浓度较高的二次污染问题（吴伟龙等，2013；谭洪新等，2010；Shen et al.，2011）。

图6　示范工程对CODCr的去除效果Fig. 6 Removal performance of CODCrby the demonstration project

由进水水质可以发现，进水CODCr/TN仅为2.85，且经过BAF氧化处理后水中CODCr浓度进一步降低，CODCr/TN变为2.08，远低于满足反硝化完全进行所需的C/N（4～15）（李晓晨等，2003），属于一类明显具有低C/N特征的污水，而采用固相碳源强化的反硝化过程则能较好地实现这类污染水体的脱氮效果。

3　结论

（1）BAF-SPD生物滤池示范工程对氮素污染物具有较好的去除效果，其中BAF和SPD生物滤池段的平均硝化和反硝化率分别为91.27%和93.60%，表现出了较好的硝化和反硝化性能，在进水TN浓度为11.85 mg·L-1的条件下，去除率达到了84.93%，出水氮素水质指标达到了地表水V类水质标准；新型固相碳源的填充强化了SPD生物滤池对NO3--N的去除效果。

（2）在进水TP浓度波动较大的水质条件下，示范工程对TP的去除效果良好，去除率达到了50.15%，且TP的去除主要由BAF段完成。

（3）示范工程对CODCr的去除效果良好，在进水为33.78 mg·L-1的水质条件下，对CODCr的去除率达到了31.39%，出水CODCr浓度为22.96 mg·L-1，达到了地表水IV类水质标准；同时表明通过固相碳源与惰性载体混合填充能有效避免过度释碳导致的出水二次污染问题，并进一步提高了碳源的利用效率。

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Demonstration Scale Evaluation of A Biological Aerated Filter Combined with Solid Phase Denitrification Biofilter for XinYunliang River Water Treatment

ZHU Qing1, 2, 3, YANG Feifei2, LU Ting2, FENG Chuanping1, WU Weizhong2*
1. School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China; 3. China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012, China

Abstract:Over input of nitrogen and phosphorus contaminats is the major reason for the most serious eutrophication condition of Dianchi Lake in China. Low C/N restricts the removal efficiency of nitrogen compounds. Application of solid-phase technology could supply enough carbon source consistently for denitrification process, enhancing the removal performance of nitrogen. A biological aerated filter (BAF) combined with solid phase denitrification (SPD) biofilter was applied to water purification in the Xin Yunliang River bypass on a demonstration scale. Designed scale was 800 m3·d-1, with the maximum hydraulic loads of 4.2 and 1.4 m3·m-2·h-1for BAF and SPD biofilter, respectively. Novel solid carbon source combined with inert carrier were applied in the SPD biofilter as biofilm carriers. Results indicated nitrification and denitrification were satisfactory at air/water ratio of 3∶1 to 5∶1 and HRT of 0.5 to 1.0 h for BAF and HRT of 0.5 to 1.0 h for SPD, with average nitrification and denitrification rates of 91.27% and 93.60% respectively. Effluent contents of NH4+-N, NO3--N and NO2--N were 0.68, 0.70 and 0.02 mg·L-1. Removals of TN, TP and CODCrwere found to be 84.93%, 50.15% and 31.19%, respectively. Contents of TN, TP and CODCrin the effluent were 1.75 mg·L-1, 0.20 mg·L-1and 22.96 mg·L-1respectively, meeting the Class V limits of Environmental Quality Standards for Surface Water. Further analysis pointed out that such a process combination was effective for purifying low C/N ratio water and thus controlling nitrogen input into Dianchi Lake.

Key words:biological aerated filter (BAF); solid phase denitrification; nitrogen removal; demonstration project

收稿日期：2014-11-20

作者简介：朱擎（1983年生），男，博士研究生，主要从事水污染治理技术方面的研究。E-mail: zhuqing@cnemc.cn

基金项目：国家自然基金面上项目（51378021；50978001）；国家重大水专项（2012ZX07102002）

中图分类号：X522

文献标志码：A

文章编号：1674-5906（2015）07-1216-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.021