间歇曝气耦合内循环曝气生物滤池脱氮除磷性能研究*

柴蓓蓓 曹锋锋 任武昂#

(1.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054；2.河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038)

曝气生物滤池(BAF)是集生物氧化降解和滤料物理截留为一体的生物膜处理工艺[1]，具备占地面积小、处理效率高、经济成本低[2-3]等优点，已被广泛用于城市污水处理厂的深度处理单元[4-5]。与此同时，采用BAF作为二级生物处理工艺的实验研究和工程实例亦有文献报道。传统BAF去除COD和氨氮效果好[6]，但内部环境的限制，导致出水硝酸盐氮积累，TN、TP的去除效果不理想[7]。构建硝化和反硝化BAF的两级曝气滤池，能有效解决传统BAF脱氮效率低的问题，但存在系统结构复杂、增加基建和运行费用等弊端[8]。因此，优化单级BAF的运行操作条件、强化BAF同步脱氮除磷效果，对其在生活污水处理工程中的推广应用具有重要意义。

郝晓地等[9]20在单级BAF实验装置中增加出水内回流，将系统的TN去除率提高了28%；然而，该方法并未改善单级BAF除磷效果。基于生物除磷理论[10]，在生物处理单元内为聚磷菌(PAOs)创造厌氧/好氧交替的生存环境，可提高除磷效率[11]。而将BAF的曝气方式调整为间歇性曝气，可实现好氧/厌氧环境的交替。由此推断，采用间歇曝气可提升BAF的除磷性能。赵海霞等[12]在利用BAF深度处理二级出水的实验研究中，通过间歇曝气的方式实现了TP去除效率的提升也证实了上述推断。

综上所述，在内循环BAF中引入间歇曝气的运行操作方式，可强化单级BAF处理生活污水时的同步脱氮除磷效能，然而该方式是否会对BAF系统的稳定运行造成影响仍未可知。为此，本研究首先将对间歇曝气耦合内循环BAF系统的稳定运行情况进行验证；随后，考察优化回流比和间歇曝气的操作参数对BAF脱氮除磷效果的影响。本研究的结果可为推广BAF处理分散式的生活污水提供技术指导，也可为农村水环境卫生整治的技术路线选择提供参考。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置与流程

升流式BAF(UBAF)见图1。反应器为圆柱形，由聚氯乙烯制成，内、外径分别为15、25 cm，总高度250 cm，各分区之间用法兰连接。底部是均匀配水区，高20 cm；上方是垫层区，高30 cm，在均匀布水板上铺粒径为1～4 cm鹅卵石，并在其内部设置曝气盘；填料区以生物陶粒装填，堆积高度150 cm，陶粒主要物理参数为粒径3～5 mm、堆积密度0.7～1.0 g/cm3、孔隙率大于30%；顶部是静水区，高50 cm。在UBAF静水区设置有连通底部配水区的硝化液回流管路，出水经回流管实现内循环。

图1 UBAF示意图Fig.1 UBAF diagram

本研究采用的反冲洗流程为先气洗3 min、再气水混合洗5 min、最后水洗5 min，其中冲洗强度均为10 L/(m2·s)，反冲洗周期一般为5 d，反冲洗周期具体以实际出水水质而定。另外，蠕动泵控制进水量和回流量，曝气量通过空压机和气体流量计控制。出水最终由集水水箱溢流排出。

1.2 原水水质与运行参数

实验用水取自某高校污水处理站调节池。为防止原水中含有较大杂质堵塞UBAF，原水在水箱中经30 min静沉后，选择上层静水作为实验的原水，具体水质指标见表1。实验运行参数控制如下：进水量3.2 L/h，水力停留时间6 h，曝气和停曝周期1 h，气水比为6∶1(体积比)。

1.3 接种污泥与挂膜启动

采用排泥法对UBAF进行挂膜启动。接种污泥为某高校污水处理站膜生物反应池的活性污泥，具有较好的污泥活性。活性污泥混合液用蠕动泵自下而上泵入UBAF内，投加量以淹没陶粒填料层上表面为基准，UBAF剩余部分用原水注满。以30 L/h的曝气量闷曝7 h，静沉1 h，排出上清液并补充原水至原始高度。如此循环闷曝3 d后，开始以小流量进水，分3个阶段逐步增加进水流量至设计流量3.2 L/h，各阶段持续运行时间为8 d。

1.4 检测指标、方法和仪器

COD、TN、TP、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮测定均按照文献[13]中标准方法进行；DO及温度选用哈希HQ30D便携式溶氧仪测定；陶粒填料表面结构选用JSM-7610F扫描电子显微镜(SEM)进行观察。

2 结果与讨论

2.1 挂膜启动结果

UBAF连续运行27 d后，进水COD、氨氮平均值为248.57、46.28 mg/L，出水COD、氨氮平均值为46.34、5.71 mg/L，COD、氨氮的平均去除率稳定在81.36%和87.66%。通过肉眼可观察到填料表面附着较厚的棕色黏稠物。如图2所示，挂膜后填料外表面比挂膜前粗糙且具有更多的孔隙结构。以上结果均表明，系统挂膜启动完成[14]。

表1 实验期间的原水水质

图2 挂膜前后陶粒填料表面的SEM图Fig.2 SEM images of ceramsite filler before and after filming

2.2 回流比影响

回流比(R，%)对COD和氨氮去除效果的影响见图3。UBAF连续运行150 d，COD去除率稳定在83%以上，出水平均值为41.54 mg/L。可见，回流比对COD的去除效率无明显的影响，这说明UBAF陶粒填料上富集着大量的异养菌，可有效降解原水中的有机物。UBAF运行期间，氨氮的平均去除率为91.26%，出水平均值为4.10 mg/L，表明系统内部硝化细菌具有较强的代谢速率，几乎能彻底去除污水中的氨氮[15]。综上所述，回流比对UBAF去除COD和氨氮的效率无明显影响，且出水平均值满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

回流比对TN和TP去除效果的影响见图4。UBAF无回流的工况下，TN的平均去除率为41.78%，出水平均值为38.95mg/L；当回流比为50%、100%、150%、200%时，TN的平均去除率依次为56.15%、72.79%、53.19%、45.62%，出水平均值依次为28.27、19.77、32.18、39.87 mg/L。这说明增加内回流可促进系统的反硝化作用，提升TN的去除效果，然而当回流比过大(R>100%)时，出水TN浓度大幅增加是由于回流液DO高于6.0 mg/L，回流至系统底部时提升了区域生物膜外部的DO浓度，进而破坏了生物膜内的缺氧环境，使得反硝化效果变差，最终导致UBAF随着回流比继续增加出现了脱氮效率降低的实验结果[9]28。在无回流的工况下，UBAF对于TP的去除效果不佳，平均去除率为46.63%，出水平均值为2.35 mg/L；当回流比为50%、100%、150%、200%时，TP的平均去除率分别为49.81%、54.45%、63.89%、70.25%，出水平均值分别为1.95、1.85、1.59、1.43 mg/L。可见系统对TP的去除性能是逐渐提升的。分析原因在于UBAF对TP的去除主要是依靠陶粒填料层的吸附作用和生物膜的同化作用[16]，回流比增加导致水流剪切作用提升，强化了水流对填料附着生物膜的冲刷作用，使得排出的生物膜量增加，进而提升了系统的除磷效果。

图3 回流比对COD和氨氮去除效果的影响Fig.3 Effect of reflux ratio on COD and ammonia nitrogen removal

图4 回流比对TN和TP去除效果的影响Fig.4 Effect of reflux ratio on TN and TP removal

综合各项指标的平均去除率，可确定最佳回流比为100%，此时UBAF的脱氮性能最优，COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分别为81.68%、89.78%、72.79%、54.45%，出水平均值分别为37.29、4.68、19.77、1.85 mg/L。为进一步强化UBAF对TP的去除效果，下面的研究将基于最佳回流比，调整连续曝气为间歇曝气，并对主要水质指标进行检测分析。

2.3 曝停比影响

如图5所示，出水COD平均值随着曝停比的改变呈现较大的波动。在曝停比由1∶1变化到2∶1时，系统对COD的去除在曝气阶段依赖于好氧型异养菌的氧化分解，在停曝阶段兼性厌氧型异养菌也可发挥降解作用，因此出水COD平均值相较于连续曝气无太大的差异。当曝停比为1∶2时，出水COD平均值首次超过50 mg/L达到64.12 mg/L。主要原因在于停曝时间过长，导致DO被生物消耗后，填料内部存在大量缺氧区域，抑制了好氧型异养菌的生长代谢活动，从而影响COD的去除效果。进一步说明UBAF对COD的降解起主导作用的优势菌种是好氧型异养菌[17]。当曝停比为1∶1、2∶1、1∶2时，UBAF对氨氮的平均去除率依次为74.17%、86.35%、67.37%，出水平均值依次为12.22、6.34、15.69 mg/L。可见在一定的周期内延长曝气时间可增强自养型硝化菌对氧气的亲和力，促进硝化反应，使得氨氮平均去除率增大。但UBAF在间歇曝气的运行工况下对氨氮的去除效果不如连续曝气，这是因为间歇曝气导致供氧量减小，影响了系统的硝化作用；此处可通过提升曝气阶段的供氧量优化间歇曝气的硝化作用[18]。

如图6所示，当曝停比为1∶1、2∶1、1∶2时，TN的平均去除率分别为54.69%、75.23%、57.29%，出水平均值为31.18、16.82、28.16 mg/L。系统对于TN的去除效果差异较显著。其中曝停比为2∶1时TN的去除效果最佳，并且优于回流比为100%时连续曝气的脱氮效果。停曝阶段强化了反硝化作用，使得曝气阶段积累的硝酸盐氮在缺氧环境依靠反硝化细菌转化为N2，因此TN平均去除率也明显升高。但停曝时间过长影响了系统的硝化作用，进而造成TN平均去除率下降。在间歇曝气工况下，UBAF在整个运行期间对TP的平均去除率和出水平均值分别为66.13%和1.43 mg/L，相比于回流比为100%时的连续曝气阶段，系统对TP的去除性能有明显提升。主要原因是间歇曝气可为UBAF提供交替的厌氧/好氧条件，使生物膜系统细菌群落的分布和相对丰度发生改变，可富集较多的PAOs，PAOs好氧吸磷后进行反冲洗排出了脱落的生物膜，最终强化了UBAF的除磷效果。当曝停比由1∶1变为2∶1时，系统对TP的平均去除率由61.46%增长至76.08%，这是因为延长曝气时间，可为PAOs吸磷提供有利的好氧环境；当曝停比为1∶2时，TP去除率降为60.85%。说明好氧时间过短，抑制了滤料生物膜的除磷作用[19]。实验结果表明，在一定的曝气量和曝停周期内，随着曝气时间的延长，系统对TP去除率升高。当曝停比为2∶1时，UBAF对TP的去除率高达76.08%，有效解决传统BAF除磷效率低的问题。

注：曝停比1∶1、2∶1、1∶2分别表示曝气30 min/停曝30 min、曝气40 min/停曝20 min、曝气20 min/停曝40 min。图5 曝停比对COD和氨氮去除效果的影响Fig.5 Effect of aeration/interruption ratio on COD and ammonia nitrogen removal

图6 曝停比对TN和TP去除效果的影响Fig.6 Effect of aeration/interruption ratio on TN and TP removal

综上所述，UBAF在最佳回流比耦合间歇曝气的工况下，对TP去除率均有不同程度的提高。其中，当回流比为100%、曝停比为2∶1时，出水效果最佳，COD、氨氮、TN、TP的平均去除率分别为85.56%、86.35%、75.23%、76.08%，出水平均值分别为28.19、6.34、16.82、1.13mg/L。

2.4 系统沿程DO变化规律

最佳曝停比和回流比的工况下，UBAF系统沿程DO变化规律见图7。曝气、停曝阶段DO的变化趋势相同，总体呈山谷型分布。进水取自绝对厌氧环境的调节池，DO小于0.20 mg/L，曝气阶段出水DO平均值为6.07 mg/L，导致硝化液回流与进水混合后反应柱底部DO高达3.02 mg/L。反应柱沿程高度为35～75 cm的区域DO浓度明显较低，甚至在停曝20 min时出现了厌氧和缺氧环境，说明此段可能在富集了大量好氧生物的同时也存在厌氧、缺氧菌种，为生物脱氮除磷提供了必要的环境条件，可有效实现UBAF的同步脱氮除磷。

图7 沿程DO变化规律Fig.7 DO changes along the way

2.5 间歇曝气耦合内循环BAF脱氮除磷性能对比分析

本研究以单级UBAF处理实际生活污水，采用对UBAF局部改造增加出水回流和调整连续曝气为间歇曝气的运行模式，TN、TP的去除率分别提升了33.45百分点、29.45百分点，显著强化了单级UBAF的同步脱氮除磷性能。由表2可知，与类似的组合式BAF实验结果相比，本研究中系统对TN和TP的最终去除率并不具有优势。其关键原因在于本实验所采用的进水C/N平均仅为2.9，有机碳源的匮乏影响了间歇曝气耦合内循环的BAF脱氮除磷效果进一步发挥。

表2 文献中BAF及其组合工艺最佳的脱氮除磷效果

3 结 论

(1) 单级UBAF处理实际生活污水，回流比对COD和氨氮的去除效果没有明显的影响。当回流比为100%时，TN去除效果最佳，平均去除率为72.79%，但TP的平均去除率仅为54.45%。

(2) 在间歇曝气条件下，曝停比由1∶1变为2∶1，TN、TP的平均去除率由54.69%、61.46%增长到75.23%、76.08%，系统脱氮除磷的效果有显著提升。曝停比由2∶1变为1∶2，TN和TP平均去除率为57.29%、60.85%，停曝时间过长对系统脱氮除磷不利，最终确定最佳曝停比为2∶1。

(3) 在最佳回流比100%耦合曝停比2∶1的工况下，COD、氨氮、TN、TP的平均去除率分别为85.56%、86.35%、75.23%、76.08%；反应柱沿程DO呈山谷型分布，停曝阶段35～75 cm区域处于厌氧、缺氧环境，可有效实现UBAF的同步脱氮除磷。