生物滤池在污水深度处理中的研究进展

2021-06-30闫高俊杨治广庄国强宋志伟

环境科技 2021年3期

闫高俊,杨治广,庄国强，宋志伟

（1.黑龙江科技大学环境与化工学院，黑龙江哈尔滨 150027；2.河南城建学院河南省水体污染防治与修复重点实验室，河南平顶山 467036；3.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085）

0 引言

进入21世纪以来，我国污水处理行业进入了一个高速发展阶段，目前，我国城镇污水处理率已经高达93.4%[1]，并且将发展范围扩大到农村地区。污水处理设施规模和数量不断增大的同时，污水的收集率和集中处理率也在逐步提高，可以有效避免污水直接排放对受纳水体造成污染。但是污水处理设施尾水长时间大量、集中的排放同样会向受纳水体输入大量污染物，对受纳水体的水质状况、自净能力、微生物群落结构等都会产生巨大影响，若排放标准制订不合理、出水不达标、水处理设施处理量不足，容易造成区域内受纳水体集中污染。虽然有部分研究认为尾水进入受纳水体可以增加水体功能菌的丰度、提高受纳水体的自净能力，但整体来说，大量尾水进入受纳水体造成的影响仍是负面的，因此，重点地区水处理设施尾水深度处理研究在水环境的保护工作中具有重要意义。

1 水处理设施尾水及其对受纳水体的影响

1.1 水处理设施尾水现状

随着污水产生和收集量快速增加，进入受纳水体的污染物总量逐年增多，加之受纳水体中污染物的长期积累、地表水位下降，河流、湖泊等受纳水体污染加重，环境容量和水体自净能力基本丧失[2]，许多地方政府逐渐开始制定更为严格的强制性或推荐性地方标准。这些地方标准中多数主要水污染物的排放指标相当于GB 3838—2002 《地表水环境质量标准》中Ⅳ类水标准。近年来，农村地区尾水排放也得到了重点关注，各省、市相继制订了农村生活污水处理设施水污染物排放标准。

工业废水及生活污水在经过特定的工艺设施处理后依然会含有重金属、难降解有机物、抗生素等药物类化合物，这些物质长期积累是造成受纳水体环境容量和水体自净能力丧失的重要原因。对此，一般生活污水处理设施没有专门的处理工艺，而是通过去除悬浮固体的方法进行去除；对于工业废水中含量较高的重金属，则一般会通过特定的治理方式去除。

1.2 尾水对受纳水体的影响

污水处理设施尾水对受纳水体的营养盐含量及转化吸收效率、水体下游微生物群落结构[3-4]都有较大影响。目前全国城镇污水处理厂普遍执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准，但随着河道水位下降、排污量增大，诸多主要江河和湖泊出现严重的富营养化现象，需要进一步提高受纳水体自净能力较差流域接收的污染物水质标准。一些重点流域和地区相继出台了更为严格的排放标准，如重庆市DB 50/963—2020《梁滩河流域城镇污水处理厂主要水污染物排放标准》，其中几种主要水污染物排放要求达到了地表水Ⅴ类水水质标准，减轻尾水排放造成受纳水体自净能力减弱、缺氧、富营养化，避免形成黑臭水体。目前我国几种水环境污染物排放标准限值见表1。

表1 几种标准中主要水污染物质量浓度排放限值对比

1.3 污水深度处理中常用的生物滤池改进及组合工艺

污水的深度处理不仅可以减轻对受纳水体的污染，处理后的尾水还可以回用，缓解水资源短缺问题。处理技术主要有物化处理、生物处理和膜分离技术等[5]。曝气生物滤池（Biological Aerated Filter,BAF）是20世纪80年代末从欧美发展起来的一种生物膜处理工艺，具有结构紧凑、占地面积小、成本低、易操作、处理效果好等优点，已成为应用最为广泛的工艺之一，可以用于市政污水、垃圾渗滤液及微污染水体的处理。目前，生物滤池已有多种改进或组合工艺用于各类水处理设施尾水的处理，详见表2。

续表

2 生物滤池对尾水中污染物的去除

2.1 对有机物及悬浮固体的去除

有机物和悬浮固体进入生物滤池后先通过滤料的截留及生物膜的吸附作用固定下来，然后经过微生物的代谢作用降解去除。陈浪等[12]采用河砂滤池和生物炭滤池对城镇污水处理厂尾水进行处理，COD 的平均去除率分别为85.86%和86.16%，出水质量浓度均为20 mg/L 左右，降解效果良好。赖后伟等[9]开发反硝化滤池-曝气生物滤池（DN-BAF）工艺处理城市污水厂一级A 标准的尾水，出水达到地表水Ⅳ类水质标准，实现了同级排入补充地表水的目的。生物滤池不仅对生活污水处理设施尾水中COD有很好的去除能力，对工业污水处置尾水中的难降解有机物的处理也表现较好，刘旭等[13]采用O3/UVBAF 工艺处理无锡市某工业园区污水处理厂生化尾水，出水COD 和色度可稳定达到一级A 排放标准。

2.2 对营养盐的去除

尾水处理主要是去除尾水中N，P 等营养盐，营养盐的过量排放是导致受纳水体产生富营养化现象的主要原因，因此去除营养盐是尾水处理的主要目的，也是污水提标的核心问题。有学者在滤池对尾水脱氮除磷做了大量研究，生物滤池的改进或组合工艺在城镇污水厂尾水、微污染河水和垃圾渗滤液尾水的处理中都表现出很大的优势，杨娅男等[14]采用改良型反硝化生物滤池，利用低浓度甲烷构建出好氧甲烷耦合反硝化极限脱氮系统，出水TN 和NH3-N 的平均质量浓度分别达到1.05，0.54 mg/L，平均去除率分别为94.77%和93.30%，相较于美国应用极限脱氮技术改造的Bay point 污水厂36.97%的TN去除率，具有更好的脱氮效果。HONG Y L 等[15]采用曝气生物滤池对天然污染河水NH3-N 的平均去除率为92.6%，出水NH3-N 平均质量浓度为0.15 mg/L，郭智等[16]采用臭氧催化氧化-曝气生物滤池组合工艺对垃圾焚烧发电厂渗滤液超滤出水进行深度处理，将出水NH3-N 质量浓度从15～20 mg/L 降解为4 mg/L 以下。

2.3 对其他污染物的去除

由于生物滤池具有很好的截留、吸附和生物降解能力，除了对一般有机污染物有良好的处理效果，也可以通过改良或采用新型的特定填料，提高对持久性有机污染物（PCBs）、抗生素等药物类化合物、重金属等污染物质的去除效果。曹爱辉[18]研究了生物滤池对微污染源水中PCBs 的去除效果，最高平均去除率达到52%。ILHAN Z E 等[19]利用由木片制成的原位脱氮墙和生物滤池对农场尾水中常见的残留药物的去除率达到65%～90%。BRADLEYD L 等[3]使用不同填料的滤池处理配制的含重金属废水,发现聚酰胺纤维和羊毛复合填料对重金属Pb2+,Zn2+和Cd2+的去除率可达80%以上。

3 影响生物滤池处理尾水的主要因素

3.1 填料的种类

生物滤池通过填料截留悬浮物、吸附污染物，微生物在填料上附着、生长和繁殖，进而吸附和降解污染物，显而易见，填料是滤池最为核心的模块，直接决定对污染物的去除效果，也影响生物滤池的建造和运行成本。填料的种类众多，分类方式也不尽相同，可以按照天然和人工、无机物材质和有机材质、滤料密度大于水和小于水[20]等标准分类，常用的填料主要有轻质生物陶粒、石英砂、火山岩等，如操家顺等[21]采用自制轻质生物陶粒和普通生物陶粒对照处理模拟城镇污水厂尾水，结果表明，轻型陶粒滤池启动快，能减轻68.4%左右的滤层总重量，且附着生物量高于普通陶粒约20%。

一直以来，众多研究都在探索性能更加优异的填料，比如以可生物降解聚合物（BDPs）作为固体碳源和填料，BDPs 既可以作为微生物附着的载体，又可作为微生物所需的碳源，不会产生投加液态有机碳源常见的添加不足或过量造成二次污染问题，并且节省了配套投加设备的成本，张辉鹏等[22]研究了以聚羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）、聚己内酸酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）3 种不同可生物降解聚合物作为固体碳源用于城市污水厂尾水的反硝化脱氮，发现以PHBV 为碳源的滤池对尾水处理效果最佳，出水COD,TN 平均浓度分别达地表水Ⅳ类、Ⅴ类水质标准。吉芳英等[23]用聚己内酯（PCL）为填料的固体碳源反硝化滤池处理生化池尾水，在HRT为1.5 h 的条件下出水TN 质量浓度为1.1～3.5 mg/L，硝态氮质量浓度低于1 mg/L，平均去除率均高于94%。也有研究结合“以废治废”的理念，利用工业矿渣或农田废物制造填料。在工业矿渣制作填料方面，王璀[24]以褐煤活性焦为BAF 填料处理内蒙古某工业园区药厂制药废水生化尾水及褐煤提质废水生化尾水等典型难降解工业尾水；在农业废物制作填料方面，马蕴琦[25]对玉米芯、花生壳、稻巧、竹丝、稻壳和木屑等6 种天然有机固体碳源进行研究，选出最佳天然有机固体碳源作为BAF 填料处理典型污水处理厂尾水；葛海华等[26]综述了天然纤维素材质滤料在污水厂尾水处理中的诸多优势。

3.2 进水水质参数

（1）进水COD

我国生活污水普遍具有可生化性差、碳氮比低的特点，污水处理设施尾水同样具有低碳氮比的特点。理论上，缺氧条件下的反硝化过程，碳氮比为2.86 便可使硝酸盐及亚硝酸盐氮完全还原为N2，但由于部分碳源会被其他异养微生物吸收利用或被反硝化菌生长代谢利用，同时一些难降解有机物降解缓慢，因此为实现充分脱氮，实际工程中要求m(COD)/m(NOx-N)为5～10，至少也要达到3.5～4[27]。目前低碳源污水处理的主要脱氮策略有外加碳源、优化进水策略、短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等，主要除磷策略有外加碳源、分段进水、生物强化除磷等，实现同步脱氮除磷对策有反硝化除磷、分段进水等。外加碳源是最常用的方法之一，碳源的种类、投加量对脱氮效果都有一定的影响，刘秀红等[28]采用中试反硝化生物滤池，研究了乙酸钠、乙酸和甲醇3种碳源对城市污水处理厂实际二级尾水处理效果的影响，发现3 种碳源皆可使硝酸盐去除率达90%以上，北方冬季更适宜采用甲醇为碳源，与另2 种碳源相比，甲醇为碳源时，投加量低、反冲洗周期长、出水浊度低。

（2）进水温度

进水温度是影响生物滤池对污染物去除效率的重要因素之一，因此探索温度对BAF 的影响具有重要意义。HONG Y L 等[15]研究了曝气生物滤池在不同温度下对天然污染河水NH3-N 的去除效果，随着温度从5 ℃提高至33 ℃，出水NH3-N 平均质量浓度从0.65 mg/L 降至0.15 mg/L，去除率从77.52%提升至92.6%，说明滤池中微生物的生物活性及生物量与温度密切有关，这与刘冰等[29]得出的生物活性和生物量随温度的降低而下降,温度对NH3-N 的去除率和去除量有一定影响的结论相一致。KANDA R 等[30]采用滴滤池与DNBF 组合处理日本琉球大学的卫生室出水，结果显示，高温时COD 和BOD 的去除率分别保持在90%和95%左右，在水温低于15 ℃时，硝化效率急剧下降，这是由于温度下降导致硝化菌失活，同样说明了温度对滤池去除污染物效率有显著影响。

3.3 运行参数

（1）水力负荷

当滤池容积一定时，水力负荷越大，水力停留时间（HRT）越短，水力负荷对生物膜与污水的接触时间以及滤料表面附着生物膜所受的水力剪切力大小有重大影响[32]，进而影响生物膜的强度、厚度和微生物的生长代谢。当水力负荷较大时，有利于氧的传质作用，但生物膜所受的水力剪切力较大，容易从填料上剥离脱落，水头损失也较大；当水力负荷较小时，对出水水质有一定的改善，但水处理量较小，而且可能会导致微生物营养不足，所以确定合适的水力负荷对污染物的去除极为重要。敬双怡等[32]研究发现，提高水力负荷会降低滤池对污水处理厂二级尾水中硝态氮的去除率，并累积反硝化中间产物，最佳水力负荷应该为0.015 m3/（m2·h）。王先涛等[33]采用反硝化滤池探索了不同水力负荷对城市污水厂尾水处理效果的影响，随着水力负荷的增加，滤池出水COD呈先降后增的趋势，滤池对硝态氮的平均去除率分别为97.53%，99.06%，96.21%，95.36%和90.13%，同上述实验结论一致，这可能是由于亚硝酸盐型反硝化细菌受到冲击，使得亚硝酸盐反硝化过程受到了影响。

（2）气水比

气水比是曝气量与进水流量之比，同样是影响生物滤池处理效果的重要因素，其对滤池中DO 浓度和污水湍流程度都有影响[20]，合适的气水比既可满足微生物对DO 的需要，又不会曝气过量，造成能源浪费。不同功能类型的生物滤池对DO 的浓度要求不同，如反硝化滤池一般要求DO 质量浓度小于0.5 mg/L，刘欢等[34]通过反硝化生物滤池中试实验装置处理城市污水处理厂尾水，研究了滤池沿程DO浓度变化及对应的脱氮性能，进水TN 质量浓度为10～15 mg/L，在滤池下半部处，DO 质量浓度在4.0～7.0 mg/L 之间，TN 基本没有降解；在滤池上半部处，DO 质量浓度在0.5～2 mg/L 之间，较适合反硝化微生物生长，TN 快速降解。马龙等[35]采用中置曝气生物滤池研究在不同气水比条件下对NH3-N 的去除，随着气水比从0.1 升至0.6，NH3-N 的去除率从55.26%提升至92.86%。

3.4 其他影响因素

滤池填料高度[36]、尾水pH 值、滤池反冲洗、BAF启动时的挂膜方式等因素也会对尾水的深度处理效果产生一定影响，但在一般情况下，污水处理设施尾水pH 值为6～8，且尾水中的悬浮物浓度较低，故pH值和反冲洗对滤池处理尾水的影响较小；挂膜方式对滤池启动阶段的影响较大，主要分为先间歇培养后连续进水培养、在一定负荷条件下连续进水培养、接种污泥/菌剂后连续/间歇进水培养3 种挂膜方式，不同挂膜方式的启动时间和适用条件不尽相同，但挂膜完成后，污染物的去除效果相差并不大。