曝氣生物濾池在污水深度處理中的研究進展
引言
曝氣生物濾池(BAF)是一種集物理過濾,、化學(xué)吸附和生物氧化為一體,，環(huán)保、經(jīng)濟,、高效,、節(jié)能的新型生物膜污水處理技術(shù)。它能實現(xiàn)水資源再生及持續(xù)利用,，非常適合于我國污水處理方面所面臨的水資源短缺,、資金不足和技術(shù)相對落后的現(xiàn)狀。在我國現(xiàn)階段建設(shè)資源節(jié)約型,、環(huán)境友好型的社會大背景下,，不失為一種理想的處理工藝，是一種非常適合于我國國情的污水處理技術(shù),。它作為一種新型高效的生物處理技術(shù) ,，既可以用于污水的二級處理，也可用于深度處理,，因而在污水除磷脫氮,、有機物、色度和濁度的去除等方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景,。近年來BAF發(fā)展迅速,，工藝形式不斷推陳出新,，曾先后出現(xiàn)過BIOCARBONE、BIOFOR,、BIOSTYR,、BIOSMEDI、BIOPUR,、COLOX,、DeepBed等形式，其中BIOCARBONE,、BIOFOR、BIOSTYR,、BIOSMEDI,、BIOPUR是現(xiàn)代BAF幾種典型的運行工藝，在世界范圍內(nèi)都有應(yīng)用,。
1 BAF及組合工藝在污水深度處理的研究進展
1.1 BAF中填料的研究進展填料是BAF的核心組成部分,。
填料粒徑對BAF的處理效能和運行周期都有重要影響，填料粒徑越小,，處理效果越好,，但填料粒徑較小時，濾池容易堵塞,，運行周期相對較短,，需頻繁反沖洗，且不易發(fā)揮填料深層的作用,。填料的密度大小關(guān)系到生物濾池反沖洗強度的大小,，密度越大，反沖洗強度越大,，則需要的能量消耗越大,。在國外，Kent和Williams等[1]人依據(jù)BEWA(the British Effluent and Water Association)標(biāo)準(zhǔn),，對常見的7種可用作BAF的填料進行了系統(tǒng)試驗分析,，認(rèn)為Arlita(膨脹球形粘土)最適合作為BAF的填料。在國內(nèi),，對BAF填料的研究主要以陶粒為主,。曹春艷等[2]通過實驗對沸石、活性炭,、建筑陶粒,、工程陶粒四種填料的研究，表明在水力停留時間為1.5h,，進水COD為150mg/L,，有機負(fù)荷為0.74kgCOD/(m3·d)時,，工程陶粒是BAF的最佳濾料。其他研究人員對一些新型的陶粒填料如粘土陶粒,、納米改性陶粒,、陶土(高嶺土)陶粒、粉煤灰陶粒等進行BAF試驗發(fā)現(xiàn),，陶粒填料與具有規(guī)則形狀的有機填料相比,，具有強度大、空隙率大,、比表面積大,、化學(xué)穩(wěn)定性好、生物附著性強,、截污能力強等優(yōu)點,。在實際工程中，應(yīng)用球形輕質(zhì)多孔生物陶粒取得了良好的效果,，目前國內(nèi)有數(shù)10個BAF采用其作為填料,，從實際運行的效果分析，都能滿足設(shè)計的要求,。
1.2 BAF及組合工藝在污水深度處理中的研究進展
國外對BAF的研究始于20世紀(jì)80年代末期,，比國內(nèi)早十幾年，為BAF技術(shù)的發(fā)展和成熟積累了許多寶貴的經(jīng)驗,，目前國內(nèi)正處于研究推廣階段,。在去除有機物、SS等方面,，孫志國等[3]以升流式曝氣生物濾池(UBAF)深度處理某污水處理廠的二級生化出水,，經(jīng)試驗，CODCr,、NH3-N,、SS的去除率分別為77%、90%和92%左右,，出水水質(zhì)達到生活雜用水標(biāo)準(zhǔn),。王樹濤等[4]研究了O3/BAF聯(lián)合工藝深度處理生活污水二級出水的效能及其影響因素。在O3投量為10mg/L(0.17～0.25 mgO3/mgCOD,、0.77～1.25mgO3/mgTOC),，接觸時間為4min，BAF水力負(fù)荷為1m3/(m2·h)條件下,，考察O3/BAF凈化有機物的長期運行效果,，發(fā)現(xiàn)O3預(yù)氧化與BAF具有協(xié)同作用，其對有機物的去除效率大于二者之和,。O3/BAF聯(lián)合工藝對TOC,、UV254,、色度的去除效率分別為20%～27%、65%～75%和85%～95%,。水力負(fù)荷為0.4～6m3/(m2·h)時,，有機物的去除率從59%～65%減小到49%～53%;pH為5.7～8.9 時，COD的去除率沒有受到明顯影響;隨著溫度的升高,，BAF生物降解有機物的能力也隨之提高,，20℃、25℃時的COD平均去除率分別比 9℃時高11.5%,、12.7%,。
整體來說，BAF對水力負(fù)荷,、pH等具有較強的適應(yīng)性,。反沖洗對 BAF 的凈化效能沒有明顯影響。劉轉(zhuǎn)年等[5]采用上流式曝氣生物濾池與超濾(BAF/UF)組合工藝對西安市鄧家村污水處理廠的二級出水進行深度處理,，考察了對COD、NH3-N,、色度,、濁度的去除效果。結(jié)果表明,，在進水流量為1L/h,、氣水比為3∶l、溫度為20～25 ℃,、pH值為7.83～7.99的條件下,，當(dāng)進水COD、NH3-N,、色度,、濁度分別為41.83mg/L、23.12mg/L,、12倍,、9NTU時，BAF出水COD,、NH3-N,、色度和濁度分別為25.67～31.87mg/L、1.41～2.56mg/L,、9～11倍和2.01～3.25NTU,，平均去除率分別為35%、90%,、16%和69%;再經(jīng)UF工藝處理后,，分別降至15.31～17.85mg/L,、1.38～2.44mg/L、5～7倍和0.03～0.1NTU,，平均去除率分別為4l%,、4%、40%,、98%,。BAF/UF組合工藝對COD、NH3-N,、色度和濁度的平均去除率分別為60%,、92%、50%和99%,，且將BAF作為超濾的預(yù)處理工藝可大大提高超濾膜的性能,，有效降低了膜污染。李魁曉等[6]采用BAF工藝對某城市污水處理廠二級生化處理出水進行深度處理,。結(jié)果表明,，在進水COD為25～35mg/L、色度為15～30,、濁度約為8NTU的條件下,，當(dāng)O3投加量為5～6mg/L、BAF的水力停留時間為1～1.5h時,，出水COD<30mg/L,、色度<5、濁度<1NTU,，出水水質(zhì)可滿足生產(chǎn)工藝對回用水的水質(zhì)要求,。
在硝化性能及其影響因素方面，研究者發(fā)現(xiàn)硝化菌生長速度要比異養(yǎng)菌慢,，對環(huán)境條件敏感,，主要研究的影響因素有：鹽度、NH3-N容積負(fù)荷和水力負(fù)荷,。Morsyleide F.Rosa等[7]研究了NaCl鹽度對BAF硝化作用的影響,，并發(fā)現(xiàn)高濃度自由氨對硝化菌也有抑制作用。G.Dillon等[8]用BAF處理二級出水的試驗結(jié)果表明,，當(dāng)NH3-N容積負(fù)荷為0.63kgN/(m3•d)時,，可達到90%以上的NH3-N去除率，出水平均NH3-N濃度保持在0～4mg/L,，出水SS和BOD分別在4～15mg/L和3～7mg/L,，NH3-N去除率和容積負(fù)荷呈線性相關(guān)關(guān)系，當(dāng)容積負(fù)荷增大時，NH3-N去除率急劇降低,。張守彬等[9]采用3種填料探討水力負(fù)荷及pH值對BAF硝化效率的影響,，結(jié)果表明，當(dāng)進水pH>6.5時,，沸石BAF的NH3-N去除能力優(yōu)于石灰?guī)rBAF和陶粒BAF,，提高進水有機物負(fù)荷、NH3-N負(fù)荷到一定程度將抑制BAF的硝化效率,，增加進水pH值可有效提高3種填料BAF的NH3-N去除率,，沸石、陶粒和石灰?guī)rBAF均具有較好的有機物和懸浮物去除能力,，沸石BAF和石灰?guī)rBAF的硝化除氨效率優(yōu)于陶粒BAF,，石灰?guī)rBAF能夠很好地適應(yīng)進水pH的變化，具有穩(wěn)定的硝化效率,，比較適于處理低pH和高NH3-N負(fù)荷的污水,。
在工業(yè)廢水深度處理方面，BAF中高濃度的微生物,、復(fù)雜的生物種類與結(jié)構(gòu)以及良好的截污過濾能力,，使其被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)有機廢水深度處理中。工業(yè)廢水中COD濃度高,，經(jīng)二級處理后直接排入水體或進入污水處理廠,，將造成接納水體有機物濃度升高，高濃度的有毒物和難降解物質(zhì)抑制微生物和水生動植物的生長,，最終危及水環(huán)境自凈能力和污水處理廠的正常運行。張安龍等[10]以升流式曝氣生物濾池(UBAF)深度處理堿法草漿中段廢水,，實驗結(jié)果表明,，在HRT為1.5h，氣水比為3∶1的條件下,，CODCr,、SS的平均去除率分別為31%、85%;進水的水力負(fù)荷對UBAF的處理效率有一定的影響;反應(yīng)器運行一段時間以后要進行反沖洗以恢復(fù)其處理能力,，反沖洗周期為6～7d,。朱樂輝等[11]采用混凝+BAF+納米材料復(fù)合膜工藝處理印染廢水，采用混凝和BAF作為預(yù)處理去除廢水中大部分的COD,、懸浮物,，其中BAF采用輕質(zhì)陶粒作為填料，直接采用穿孔管曝氣,，該工藝可有效去除印染廢水中的濁度,、色度、COD和SS，系統(tǒng)出水COD<10mg/L,，濁度<1NTU,，色度<5倍，達到中水回用標(biāo)準(zhǔn),。
Wang等[12] 采用O3/BAF聯(lián)合處理含酸性玫瑰紅染料的印染廢水,，試驗結(jié)果表明，經(jīng)O3氧化處理后,，一方面達到了廢水脫色效果,，另一方面，氧化一部分 COD的同時,，還提高了廢水的可生化性,，為后續(xù)BAF創(chuàng)造可生物處理的條件，在溫度18～25℃,，水力停留時間為3h,，氣水比為4∶1 的條件下，經(jīng) BAF處理后最終出水COD,、SS,、色度分別小于40、50mg/L和20度,，達到了工業(yè)冷卻水回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),。Zhu等[13] 采用 UBF+BAF組合工藝處理煉焦廢水，結(jié)果表明,，在總停留時間為46.7h(UBF為15.4h,，BAF為31.3h)條件下，系統(tǒng)對 COD,、NH3-N總?cè)コ史謩e達81.5%,、96.4%。Su等[14] 采用了厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)和BAF聯(lián)合處理石油采出廢水,，組合工藝對油,、COD、BOD,、SS總?cè)コ史謩e為84.5%～96.7%,、58.2%～75.1%、80.0%～93.1%,、80.7%～87.1%,。Lu等[15]采用O3+UBAF處理偶氮染料廢水。在O3濃度為34.08mg/L,，反應(yīng)120min 后,，廢水幾乎完全被脫色。
廢水的可生化性(BOD/COD值)由原來的0.102到0.406，之后采用BAF 處理殘余COD,，在溫度為20～25℃,，水力負(fù)荷為4.8m3/(m2·d)，氣水比為3︰1條件下,，最終出水COD<40mg/L ,，色度<20度，去除效率分別達90%,、97%,。胡天媛等[16] 先將皮革廢水中含Cr廢水、含S廢水進行單獨處理后,，再與部分鍋爐排污水和廠區(qū)生活污水等綜合廢水混合,，隨后采用了水解酸化+氧化溝+BAF+氣浮+活性炭濾池聯(lián)合工藝進行處理經(jīng)二沉池出水后的COD為227mg/L，經(jīng)BAF處理后出水濃度為102mg/L,，去除效率達50%以上,。系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試后正常運行，出水穩(wěn)定可靠,，并優(yōu)于《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 8978—1996)一級標(biāo)準(zhǔn)排放,。
2 結(jié)束語
通過以上論述，可以看出當(dāng)所處理的出水中COD,、NH3-N濃度,、色度、濁度等都不是很高時,，單用BAF就可以達到很好的處理效果;當(dāng)處理水成分比較復(fù)雜,，污染物濃度較高時，BAF與其他工藝組合,，可達到令人滿意的處理效果,。因此，加大開發(fā)規(guī)?；疊AF及拓寬BAF組合工藝應(yīng)用范圍將是解決我國水資源短缺的一條有效途徑。這將對處理用水量大的造紙,、印染,、制革等行業(yè)的廢水，實現(xiàn)企業(yè)污水的閉路循環(huán)和零排放創(chuàng)造良好的社會經(jīng)濟效益和環(huán)境效益,。同時,，它也可廣泛應(yīng)用于城市污水的深度處理，使之達到城市雜用水,、景觀回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),，實現(xiàn)水資源的可再生及持續(xù)利用的目的。通過研發(fā)具有高效性能的生物填料，加強預(yù)處理及高級氧化等組合工藝,，可以強化BAF的處理性能以及對某些難降解污染物的去除能力,，從而使BAF在污水深度處理上發(fā)揮更大的作用。
近幾年來,，國內(nèi)外許多研究單位和環(huán)保企業(yè)對BAF的填料,、去除機理、處理效果,、運行控制和影響因素等方面進行了大量地探索研究,，積累了許多關(guān)于BAF在污水深度處理方面的寶貴經(jīng)驗，為BAF的發(fā)展和推廣應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ),，同時也充分肯定了BAF技術(shù)的一些重要優(yōu)勢,，如基建投資省、占地面積小,、流程簡單,、臭氣產(chǎn)生少、模塊化布置,、自動化控制等,。然而，對于任何一種處理工藝,，總會存在一些缺陷,，BAF也不例外，如對進水負(fù)荷敏感,、對進水濁度要求較高,、反沖洗能耗較大、水面容易起泡沫,、生物除P效果差等,。因此，對BAF開展進一步的研究是必要的,。
筆者認(rèn)為,，BAF今后應(yīng)重點研究以下相關(guān)問題：(1)BAF的生物膜生長規(guī)律、影響因素,、反應(yīng)機理與反應(yīng)動力學(xué)的理論研究還有待完善;(2)BAF啟動周期長,，如何快速啟動成為今后的研究重點;(3)BAF并不能有效地去除污水中的P，應(yīng)研究合適的工藝技術(shù)與BAF組成新型一體化反應(yīng)器,，能同時去除污水中的N和P;(4)研究BAF反沖洗過程中生物膜的脫落規(guī)律,，實現(xiàn)更高效的反沖洗控制方式，進一步減少反沖洗能耗;(5)為了更好地發(fā)揮BAF的除污效能,，需研究開發(fā)高性能,、低價位,、截污能力強的填料。
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