曝气生物滤池处理混合水源微污染水的试验研究

王朋,赵兴忠,赵星明,周忠波,徐志,刘经强*

曝气生物滤池处理混合水源微污染水的试验研究

王朋1,2,赵兴忠1,赵星明1,周忠波3,徐志4,刘经强1*

1. 山东农业大学水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 2. 高密市孚日水务有限公司, 山东 高密 261500 3. 济南沃特佳环境技术股份有限公司, 山东 济南 250102 4. 高密市城北水库运营维护中心, 山东 高密 261500

本文以水库微污染水为研究对象，采用曝气生物滤池工艺进行水源水预处理试验，测试各种污染物的去除效果，研究了温度、停留时间、水力负荷与溶解氧等因素对曝气生物滤池处理效果的影响，同时研究曝气生物滤池对后续工艺的影响。结果表明，曝气生物滤池预处理对该水源水具有较好的适用性。在水力负荷4～8 m3/(m2‧h)的条件下，对浊度、色度、CODMn、UV254、藻类和氨氮的去除率分别达到63.31%、49.49%、20.21%、6.23%、55.07%和27.05%；与常规混凝沉淀相比，“曝气生物滤池-混凝沉淀”组合工艺对浊度的去除率提高了17.37%～28.40%，CODMn去除率提高了10.65%～28.34%。

微污染水; 曝气生物滤池; 有机物

曝气生物滤池（biological aerated filter，以下简称BAF）于20世纪80年代诞生于欧洲，是一种新型生物膜法处理工艺，被广泛应用于污水处理，主要依靠填料及附着生物膜的拦截吸附作用和生物氧化作用，高效去除悬浮物、有机物和氨氮，并发展为脱氮除磷[1]。随着饮用水水源污染的加剧，曝气生物滤池在给水处理中也得到应用[2]。目前曝气生物滤池的主要工艺型式有BIOSTYR工艺[3]、Biofor[4]工艺及BIOSMEDI[5]工艺等，对于曝气生物滤池的研究主要集中在滤料型式[6,7]及尺寸[8,9]、温度[10-12]、水力负荷[13]与气水比[14,15]等几个方面，并建立了相关的数学模型[16]，致力于提高滤速[17]和处理水的可生化性[18]。

山东省高密市某水厂建成于2003年，以峡山水库水为处理对象，采用絮凝-沉淀-砂滤常规工艺。2015年因缺水严重，调入了引黄济青工程的黄河水，两者的水质和污染类型不同，水质的交替波动和不稳定对处理工艺产生较大的冲击，增加了水处理的难度。为保证出厂水水质满足《生活饮用水

卫生标准》（GB5749-2006）的要求，开展了曝气生物滤池预处理试验研究，通过实验室试验和生产现场模型试验相结合的方式，考察浊度、色度、CODMn、UV254、藻类和氨氮污染物的去除效果。试验结果显示，将曝气生物滤池作为前置预处理工艺，水质提升效果明显，对有机污染物的去除较为显著，为水厂升级改造[19]的工艺选择提供了参考依据。

1 水厂工艺现状

1.1 工艺流程

水厂一期工程设计供水能力4.0×104m3/d，净水采用常规工艺。如图1，原水经一级泵站提升并加药后，依次经过气浮池（夏秋高藻季节开启）、网格絮凝平流沉淀池、普通快滤池，滤池出水加注Cl02消毒后进入清水池，最终由二级泵站提升至输配水管网供给用户使用。为应对突发水质污染，水厂建设了粉炭投加间。

图1 水厂工艺流程图

网格絮凝沉淀池分为两组，每组反应池共25格，絮凝过程分为3段，设计絮凝时间共计12 min；平流式沉淀池单组尺寸70 m×8 m，池深3.5 m，有效水深3.2 m，沉淀时间2 h，池内平均流速10 mm/s；普通砂滤池共6座，设计滤速V=8.0 m/h，运行周期T=24 h。

2 材料与方法

2.1 原水水质

峡山水库水存在富营养化和耗氧有机物含量高的现象，主要污染指标为总氮、BOD5和CODcr；引黄济青段黄河水水质较好，但也存在季节性藻类和有机物高的问题，主要污染指标为高锰酸盐指数。两种水源水交替或混合进入高密市城北水库，供给水厂使用。

本实验以高密市城北水库水源水为研究对象，试验期间水质情况如表1所示。

表1 试验用原水水质指标及检测方法

2.2 试验装置

2.2.1 组成如图2所示，整个实验装置由滤柱本体、进水设备、曝气/反洗设备和水反洗设备组成。滤柱尺寸：φ300 mm×3000 mm，材质为有机玻璃。从下至上依次为配水室、配水孔板、承托层、滤料层和出水区；进水设备主要有原水箱、原水泵，曝气/反洗设备为无油空压机、蛇皮配气管；水反洗设备主要有冲洗水箱、冲洗水泵。进水、反洗水及曝气管路均安装流量计。

2.2.2 滤料参数见表2。

表2 火山岩滤料参数

2.2.3 承托层采用2 mm～4 mm、4 mm～8 mm和8 mm～16 mm级配砾石各100 mm厚，承托层内置蛇皮曝气管布气，承托层下方为配水孔板。

2.2.4 实验设计水流方向采用上向流，滤速4 m/h～8 m/h，流量0.28 m3/h～0.56 m3/h；气水比1:1，保证出水溶解氧在4 mg/L以上；反冲洗周期根据水头损失进行调整，要求水头损失小于＜0.2 m，反洗周期为7～10 d，；反冲洗采用先气洗后水洗的方式，气洗、水洗强度均为15 L/(s·m2)。

图2 曝气生物滤池实验装置

2.3 运行工况

试验时间自2018年9月起，共经历两个阶段。其中2018年9月至2019年6月为第一阶段，滤料层厚度800 mm；2019年7月至2020年6月为第二阶段，滤料层厚度1500 mm。试验期间，每日对进出水水质指标进行检测，包括浊度、色度、CODMn、UV254、氨氮、藻类、pH及溶解氧等指标。

3 结果与分析

3.1 曝气生物滤池的挂膜启动

试验采用自然挂膜，在水温22.5～29.4 ℃、进水CODMn含量7.0～9.2 mg/L条件下，控制气水比＜1，自8月20日开始挂膜至9月14日第25 d时，CODMn的去除率达到15%左右，可以视为挂膜成功。通过生物相观测可以发现，在生物膜内存在多种微生物。

图3 曝气生物滤池挂膜期间进出水CODMn检测结果

3.2 污染物去除效果

3.2.1 浊度的去除曝气生物滤池对浊度的去除依靠机械截留、生物絮凝等作用。如图4所示，试验期间的原水浊度为1.87～27.9NTU，曝气生物滤池对浊度的月均去除率为35.09%～70.51%，日均去除率为57.82%，其中第二阶段1500 mm厚滤料的日均去除率为63.31%，可以看出，随着运行时间的延长，浊度的去除率有所增长且趋于稳定。

图4 曝气生物滤池对浊度的去除

图5 曝气生物滤池对色度的去除

3.2.2 色度的去除试验期间原水的色度在9.1～51.9之间，曝气生物滤池对色度日均去除率为44.75%，1500 mm滤料的日均去除率达到了49.49%。曝气生物滤池对色度的去除率远高于对有机物的去除率，但低于浊度的去除率。水源水的色度构成分为溶解性色度和非溶解性色度[20]，非溶解性色度成分中包含浮游生物、藻类等物质，溶解性色度主要由腐殖质、铁、锰及合成染料等产生。结合3.2.5说明构成原水色度的物质中有相当一部分属于非溶解性色度；曝气生物滤池能对色度进行有效的去除，很大程度上得益于对藻类等物质的去除，且对于水中色度的去除较为稳定，波动不明显。

3.2.3 CODMn的去除试验期间，原水的CODMn含量为2.90 mg/L～10.26 mg/L，曝气生物滤池工艺对CODMn的月去除率为8.78%～26.64%，其中第二阶段1500 mm滤料对CODMn的日均去除率达到20.21%。从图6可以看出，CODMn的去除率受季节和水温的影响较大。试验后期，CODMn去除率与原水CODMn浓度呈现出较强的相关性。生物滤池对有机物的去除主要包括：异养微生物的繁殖需要不断地从周围环境中吸收可以利用的能量和物质，可以氧化分解水中的有机物，另外微生物胞外酶还可以分解大分子有机物；此外还依靠生物膜的的吸附作用和滤料之间的机械截留作用去除部分有机物。

图6 曝气生物滤池对CODMn的去除

图7 曝气生物滤池对UV254的去除

3.2.4 UV254的去除原水UV254值在0.063 cm-1～0.154 cm-1之间波动，由图7可以看出，曝气生物滤池对UV254的月均去除率0.87%～12.1%，去除率最高的月份在2018年12月，1500 mm滤料的日均去除率也仅有6.23%，曝气生物滤池对UV254去除效果不好。分析其原因在于：对在波长254 nm下存在吸光度的物质，其主要成分为大分子芳香族化合物，其分子结构复杂，生物降解性能也存在较大差异。曝气生物滤池对UV254的降解性差，说明该原水中的这类物质大部分属溶解性有机物，而且分子量较大，难以生物降解，填料及生物膜的截留吸附对其作用也不大，因而去除率不高。

3.2.5 藻类的去除试验期间，原水的藻类浓度在825 cell/mL～45872 cell/mL。从图8中可以看出，曝气生物滤池对藻类的月均去除率在13.31%～77.62%，1500 mm滤料的日均去除率为55.07%。进水藻类浓度与去除率之间不存在正相关性；同时可以看出，滤层厚度不是影响藻类去除率的主要因素。

原水中藻类以绿藻和蓝藻为主，绿藻、蓝藻的占比分别为25.28%、68.35%，曝气生物滤池对绿藻、蓝藻的去除率分别为85.84%、36.37%，绿藻的去除率远超过蓝藻。

图8 曝气生物滤池对藻类的去除

图9 曝气生物滤池对氨氮的去除

3.2.6 氨氮的去除设备运行期间，进出水氨氮及去除率月均值如图9所示。试验期间，氨氮的进水浓度为0.15 mg/L～0.89 mg/L，氨氮的月平均去除率保持在10.42%～47.98%之间，1500 mm滤料的日均去除率为27.05%。通过曲线可以看出，氨氮去除率的变化与进水氨氮浓度的变化趋势相一致。进水氨氮浓度越低，氨氮去除率越低。原水氨氮的月均值为0.26 mg/L～0.64 mg/L，曝气生物滤池出水氨氮均保持在0.5 mg/L以下，满足《生活饮用水卫生标准》的限值要求。

3.3 曝气生物滤池运行影响因素

3.3.1 水温的影响 800 mm厚度滤料对CODMn的去除率随水温降低呈下降趋势，水温低于15 ℃时下降较为明显。在水温低于5 ℃时，平均去除率仅为9.89%；1500 mm厚度滤料在10～30 ℃范围内的CODMn去除率变化幅度不大，当水温介于5～10 ℃之间时，平均去除率为14.60%，相比15～30 ℃高温时下降至少7.18%。低温对CODMn的去除有较大影响。

低温对氨氮的去除有一定影响但不大，曝气生物滤池在个别低温条件下的氨氮去除率甚至高于高温条件。

3.3.2 停留时间的影响试验期间采用了800 mm与1500 mm两种滤料高度，相应的空床停留时间（EBCT）分别6 min～12 min、11 min～22 min，进水COD负荷分别为5.27～14.04 kg/(m3‧d)、2.37‧4.73 kg/(m3‧d)。

图10 滤料厚度对CODMn去除的影响

图11 滤料厚度对氨氮去除的影响

试验结果显示，1500 mm厚滤料对CODMn与氨氮的去除率均高于800 mm滤料，其中10～30 ℃范围内尤为明显，CODMn平均去除率高出10%左右。可以看出，滤料厚度的增加，延长了EBCT，降低了进水COD负荷，有助于CODMn与氨氮的去除率提高。滤层厚度的增加，更有利于微生物群落的合理分布。

3.3.3 水力负荷的影响在相同的水质条件下，以1500 mm滤料为测试对象，分别按水力负荷3 m3/(m2·h)、6 m3/(m2·h)、8 m3/(m2·h)进行测试试验，考察水力负荷对浊度、色度、CODMn与UV254去除率的影响及对曝气生物滤池沿程去除污染物的影响。

在3 m3/(m2·h)～6 m3/(m2·h)的水力负荷下，曝气生物滤池对浊度、色度、CODMn与UV254去除率分别为60.06%～61.10%、41.09%～41.65%、23.88%～24.69%、9.47%～13.27%，无明显变化；当水力负荷达到8 m3/(m2·h)时，CODMn的去除率为21.64%，略有下降；浊度、色度的去除率分别下降为45.24%和30.92%，较为明显。从后续沿程CODMn去除率的测定来看，在水力负荷为3 m3/(m2·h)时，生物降解作用主要发生在滤料前部，前部500 mm滤料的去除率占总去除率的71.44%。当水力负荷达到8 m3/(m2·h)时，前部500 mm滤料对CODMn的去除率占比下降为45.93%；滤层前后部对CODMn的去除分布更为均匀。

图12 曝气生物滤池沿滤层对CODMn的去除

图13 曝气生物滤池沿滤层对浊度的去除

3.3.4 溶解氧的影响在25～30 ℃的相同温度范围内，对停止曝气前后CODMn与氨氮的去除率进行了统计比较，如图14所示，发现二者的去除率没有随曝气的停止受到影响。曝气停止后，出水溶解氧的浓度均保持在6 mg/L以上。

图14 曝气对污染物去除率的影响

3.4 曝气生物滤池对后续处理工段的影响

3.4.1 曝气生物滤池对原水pH的影响在试验前期，曝气生物滤池出水pH值高于原水，经浸泡试验证明系火山岩滤料释放碱度所致，碱度的释放可以缓冲有机物降解与硝化反应产生的pH下降[21]。随着运行时间的延长，曝气生物滤池出水pH明显低于原水。这是因为原水经过曝气生物滤池预处理后，微生物在分解有机物过程中产生的有机酸以及氨氮的硝化过程产酸使得pH有所下降。原水的pH降低，有利于降低胶体颗粒的电位，提高后续混凝对有机物的去处效果。

图15 曝气生物滤池对pH的影响

3.4.2 曝气生物滤池对混凝的影响在同一时间分别取曝气生物滤池进水（即原水）和出水进行混凝搅拌试验，分析不同药剂投加量对污染物的去除效果。

在原水浊度为8.52 NTU，CODMn为5.54 mg/L，水温26 ℃的条件下，原水经过曝气生物滤池预处理之后再进行混凝与直接混凝相比，浊度去除率提高了17.37%～28.40%（见图16），CODMn去除率提高了10.65%～28.34%（见图17）。

图16 曝气生物滤池预处理对浊度去除的影响

图17 曝气生物滤池预处理对CODMn去除的影响

4 结论

（1）火山岩滤料曝气生物滤池采用上向流运行，在水温22.5～29.4 ℃、进水CODMn7.0～9.2 mg/L条件下的条件下，经过25 d的连续运行，自然挂膜成功；

（2）曝气生物滤池预处理微污染水效果显著，在4～8 m3/(m2‧h)的水力负荷下，1500 mm滤料对浊度、色度、CODMn、UV254、藻类和氨氮的日均去除率分别达到63.31%、49.49%、20.21%、6.23%、55.07%和27.05%；1500 mm滤层对有机物的去除效率明显高于800 mm滤层。

（3）该曝气生物滤池较为合理的水力负荷为3～6 m3/(m2‧h)；当水温低于10 ℃时，CODMn去除率下降明显；原水的溶解氧浓度高于6 mg/L，停止曝气未对CODMn去除效果产生影响；

（4）曝气生物滤池出水pH低于原水；经过曝气生物滤池预处理后的原水经过混凝沉淀试验，与原水直接混凝相比，浊度去除率提高了17.37%～28.40%，CODMn去除率提高了10.65%～28.34%，提高了出厂水CODMn达标率。

[1] 马军,邱立平.曝气生物滤池及其研究进展[J].环境工程,2002(3):7-11,2

[2] 罗伟,田秋宜.轻质滤料曝气生物滤池在珠江微污染原水处理中的应用[J].城镇供水,2019(5):26-30

[3] Falkentoft CM, Harremos P, Mosbk H. The significance of zonation in a denitrifying, phosphorus removing biofilm [J]. Water Research, 1999,33(15):3303-3310

[4] Sy A, Degaard H, Bach K,. Denitrification in a packed bed biofilm reactor (BIOFOR) — Experiments with different carbon sources [J]. Water Research, 1998,32(5):1463-1470

[5] 邹伟国,孙群,王国华,等.新型BIOSMEDI滤池的开发研究[J].中国给水排水,2001(1):1-4

[6] Han M, Zhao ZW, Cui FY,. Pretreatment of contaminated raw water by a novel double-layer biological aerated filter for drinking water treatment [J]. Desalination and Water Treatment, 2012,37(1-3):308-314

[7] Yang KL, Yue QY, Han W,. Effect of novel sludge and coal cinder ceramic media in combined anaerobic–aerobic bio-filter for tetracycline wastewater treatment at low temperature [J]. Chemical Engineering Journal, 2015,277:130-139

[8] Kent TD, Williams SC, Fitzpatrick CSB. Ammoniacal nitrogen removal in biological aerated filters:The effect of media size [J]. Water and Environment Journal, 2000,14(6):409-414

[9] Moore R, Quarmby J, Stephenson T. The effects of media size on the performance of biological aerated filters [J]. Water Research, 2001,35(10):2514-2522

[10] Ha JH, Ong SK, Surampalli R,Temperature effects on nitrification in polishing biological aerated filters (BAFs) [J]. Environmental Technology, 2010,31(6):671-680

[11] Xie K, Wang B, Qiu LP,. Performance and bacterial community composition of volcanic scoria particles (VSP) in a biological aerated filter (BAF) for micro‐polluted source water treatment [J]. Water Environment Research, 2019,91(9):1-14

[12] 韩梅,高伟,赵志伟,等.低温下BAF处理受氨氮污染源水的菌群特性[J].中国给水排水,2016,32(19):1-5

[13] Liu F, Zhao CC, Zhao DF,Tertiary treatment of textile wastewater with combined media biological aerated filter (CMBAF) at different hydraulic loadings and dissolved oxygen concentrations [J]. Journal of Hazardous Materials, 2008,160(1):161-167

[14] Yang B, Wang JZ, Wang JF,. Correlating microbial community structure with operational conditions in biological aerated filter reactor for efficient nitrogen removal of municipal wastewater [J]. Bioresource Technology, 2017,250:374-381

[15] Liu B, Yan DD, Wang Q,. Feasibility of a two-stage biological aerated filter for depth processing of electroplating-wastewater [J]. Bioresource Technology, 2009,100(17):3891-3896

[16] Sun Y, Vaidya R, Khunjar WO,. Mathematical modeling of biologically active filtration (BAF) for potable water production applications [J]. Water Research, 2019,167(Dec.15):115128.1-115128.9

[17] 陆少鸣,杨立,陈艺韵,等.高速给水曝气生物滤池预处理微污染原水[J].中国给水排水,2009(18):71-76

[18] Chen YH, Lin T, Chen W. Enhanced removal of organic matter and typical disinfection byproduct precursors in combined iron–carbon micro electrolysis-UBAF process for drinking water pre-treatment [J]. Journal of Environmental Sciences, 2019,78(4):315-327

[19] 王如华.现有城镇水厂技术升级改造面临的主要问题及对策[J].净水技术,2012,31(4):4-6,83

[20] 吴为中,王占生.水库水源水生物陶粒滤池预处理中试研究[J].环境科学研究,1999(1):13-17

[21] 叶志隆,熊小京,芦敏.贝壳填料曝气生物滤池的硝化特性研究[J].中国给水排水,2006(3):1-3,8

Experimental Study on Treatment of Micro-polluted Water from Mixed Water Source with Biological Aerated Filter

WANG Peng1,2, ZHAO Xing-zhong1, ZHAO Xing-ming1, ZHOU Zhong-bo3, XU Zhi4, LIU Jing-qiang1*

1.271018,2.261500,3.250102,4.261500,

In this paper, the reservoir micro-polluted water is taken as the research object, and the biological aerated filter (BAF) process is used for the water source pretreatment test to test the removal effect of various pollutants, with The effect of temperature, contact time, hydraulic load and dissolved oxygen on the BAF treatment and the effect of BAF on the subsequent process studied. The result showed that BAF pretreatment is well suitable for the source water. The removal rates of turbidity, chroma, CODMn, UV254, algae and ammonia reached 63.31%, 49.49%, 20.21%, 6.23%, 55.07%, and 27.05%, respectively, at a hydraulic load of 4～8 m3/ (m2‧h); Compared with the conventional coagulation and sedimentation, the removal rate of turbidity by the combined process of "BAF-coagulation and sedimentation" increased by 17.37%～28.40%, and the removal rate of CODMnincreased by 10.65%～28.34%.

Micro-polluted water; biological aerated filter; organic matter

TU991.2

A

1000-2324(2021)03-0475-08

2020-05-21

2020-08-31

王 朋(1978-),男,硕士研究生,研究方向为市政工程. E-mail:24020131@qq.com

Author for correspondence. E-mail:jqliu@sdau.edu.cn