曝气生物滤池脱氮研究进展

曝气生物滤池脱氮技术的研究进展

引言

曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，简称BAF）是20世纪80年代末90年代初在生物接触氧化理论的基础上引入过滤理论，借鉴给水滤池工艺而开发的污水处理新工艺。BAF作为污水生化处理单元时，不需要后续沉淀池，工艺更为简单。在有机物去除，尤其是在硝化、反硝化脱氮等方面有着良好的效果。此外，BAF还具有处理效率高、占地面积小、基建及运行费用低、管理方便和抗冲击负荷能力强等优点。

近年来，新型脱氮理论与BAF相结合成为研究的热点。本文详细阐述了传统脱氮与新型脱氮技术在BAF中的应用，并介绍其影响因素。

1 基于传统脱氮理论的BAF技术研究

1.1 BAF传统脱氮原理

BAF是一种新型污水处理反应装置，其特点在于将生物氧化这一生物反应过程与固液分离这一物理过程合二为一[1,2]。其作用机理是在一级强化基础上，以颗粒状填料为主要基体，利用填料本身以及其附着生长的生物膜，经过物理过滤和吸附作用、生物代谢作用以及反应器内食物链的分级捕食作用，达到去除污染物的目的[3]。

在传统的生物脱氮工艺中，脱氮过程往往在好氧区和缺氧区两部分进行。曝气生物滤池根据功能分为硝化曝气生物滤池和反硝化曝气生物滤池、去碳曝气生物滤池等。硝化曝气生物滤池内，硝化细菌在好氧环境下完成硝化反应；反硝化曝气生物滤池内，营造的缺氧环境使得反硝化细菌活跃并参与完成反硝化反应。这两种曝气生物滤池连用时往往具有较好的脱氮效果，即组成前置反硝化或者后置反硝化工艺[4]。

1.2 脱氮的影响因素

1.2.1 滤料

滤料是BAF的核心部分，对脱氮效率有直接的影响，同时也影响到BAF的结构形式和成本[5]。目前国内外对滤料研究的重点是开发天然无机滤料[6]。桑军强等[7]对BIOSTYRENE 轻质滤料滤池和陶粒滤池的运行效果进行对比，结果表明：运用轻质滤料可明显地改善原水水质，对NH4+-N的去除率达到80％～95％。田文华等[8]为研究滤料粒径对硝化性能的影响，分别采用粒径为2~3 mm和4~5 mm的沸石滤料进行了试验。结果表明：20℃时前者的硝化速率常数比后者高63.1％，硝化强度高39.7％。目前，BAF普遍采用的滤料粒径为3~6mm，

滤层厚度为3~4m。

1.2.2 有机物

近年来，有机物对硝化过程的影响已越来越受到人们的重视。R.Camiani等人[9]对带回流的两段式生物滤池的脱氮效果进行研究，发现当机负荷超过2.5gCOD/m2·d时，硝化率将减少50％。仇付国[10]等通过试验得出，随着COD负荷增加，出水NH4+-N浓度增大，氨氮去除率显著下降。他认为进水有机负荷应控制在1.5 kgCOD/m3·d以内较为合适。Pujol[11]研究认为，反硝化最好采用外加碳源的办法，在最佳滤速为10～15 m /h时，脱氮能力可达到100%。Songming Zhu[12]研究发现，相较于C/N=0，C/N=1或2时氨氮去除率降低了70％。这说明了有机物浓度的增加使得硝化率降低，但当有机物浓度很高时，其对硝化率的影响将不再明显。

1.2.3 水力停留时间（HRT）

HRT对氨氮的去除效果有着较大影响。仇付国等[10]的研究表明，HRT缩短会抑制BAF 的硝化性能。因为缩短HRT会增加COD负荷，造成异养菌大量繁殖，明显抑制硝化菌的增长，故硝化性能降低。再者，水力及气流剪切力的增大会加快生物膜更新速度，使硝化细菌在生物膜中很难富集到较大数量。申颖洁[13]等人的试验结果也表明，HRT越长则氨氮去除效果越好。综合考虑对氨氮的去除率和处理水量，可以将HRT控制在8 h左右(此时的流量为6L/h)。李菊等[14]研究表明，HRT对前置反硝化BAF的处理效果有较明显的影响，当HRT 由2h缩短至1h时，NH4+-N、TN平均去除率分别下降34%和20%。

1.2.4 气水比

气水比的大小直接影响BAF内溶解氧浓度，对脱氮效果有着重要影响。杨林等[15]考察气水比分别为0.5、1.0和1.5时对氨氮去除效果的影响，随着气水比的增大，氨氮平均去除率略有上升。当气水比为0.5、1.0和1.5时，氨氮平均去除率分别为81.8％、85.3％和86.7％。当气水比从0.5增大到1.0时，氨氮去除率增加显著；但当气水比从1.0升至1.5时，氨氮去除率增长缓慢。刘金香等[16]研究表明，气水比增加，有利于微污染水中污染物的去除。当气水比由0.5增为1时，氨氮的平均去除率由78.15％增为94.4％。当气水比增大到2时，氨氮的去除率增加很少。这是因为反应器内溶解氧浓度的提高对硝化反应的进行非常有利，但由于氧气的溶解度有限，超过一定范围后，过大的曝气量并不能再提高水体内溶解氧的质量浓度。另一方面，在曝气量增加的同时，反应器内生物膜所受到的冲刷作用也同步增大，抑制了反应器对污染物的拦截以及微生物的增长。所以当溶解氧提高到一定程度后，硝化作用不会有大幅度提高。

王岽[17]等人降低系统的气水比（2:1）后，系统的出水NH3-N浓度上升，说明较低的气水比不能使系统具有良好的好氧状态。崔康平等[18]研究表明，增大气水比，NH3 - N的去除率增加，但TN的去除率降低。

1.2.5 温度

硝化菌作用的适宜温度是20~30℃，桑军强等[19]发现温度降低时，生物活性也随温度的降低而下降，导致反应器去除氨氮效率降低；生物量同样也随温度的降低而减少，但是受影响的程度比活性的影响小得多。刘冰等[20]研究也表明生物活性随着温度的下降而降低，28℃时的生物活性是6℃时的三倍。

1.2.6 反冲洗

反冲洗强度也对氨氮的去除有着较大影响。杨艳玲[21]等试验发现生物膜在反冲洗1 ~ 2 h 后内能恢复到反冲洗前的水平。生物滤池反冲洗0.5 h后，氨氮的去除率达到63%，1h后可达到90%以上。刘建广等[22]试验发现，小强度反冲洗可使BAF对NH4+-N的去除率上升到60％，而利用正常强度进行反冲洗后对NH4+-N的去除率可上升到80％。若反冲洗强度较小，则反冲洗不完全，生物膜只能恢复部分活性。

2基于新型脱氮理论的BAF技术研究

2.1 同步硝化反硝化

2.1.1同步硝化反硝化脱氮原理

在传统的生物脱氮工艺中，氮的去除过程往往将好氧区和缺氧区隔开，形成前置反硝化或者后置反硝化工艺[4]。硝化过程需要在好氧、低有机物浓度的条件下进行，而反硝化过程则需要在缺氧、高有机物浓度的条件下进行。因此，这两种相反条件下进行的反应，往往不会在同一反应器内同时发生。然而，国内外多种试验研究证明硝化和反硝化可以在同一操作环境、同一反应器内进行，实现同步硝化反硝化（Simultaneous nitrification and denitrificaition :SND）。通过控制曝气强度，可以在滤池内部同时形成好氧、厌氧和缺氧区域，就可实现同步完成硝化和反硝化脱氮的目的[23]。

BAF滤料表面的生物膜上存在基质和DO的浓度梯度，DO浓度在生物膜上由外向内呈递减趋势，因而生物膜上由外到内形成了好氧、缺氧、厌氧的微环境，为异养菌、自养菌和厌氧菌等提供生存条件，也为微生物进行SND提供了场所。

2.1.2 曝气生物滤池SND脱氮影响因素

（1）DO浓度

适宜的DO浓度是发生SND的保证。Puzava等[24]通过调整BAF的曝气量，将DO浓度控制在0.5～3 mg/L，成功地实现了SND。他们还发现，即使曝气量降低50%，采用实时曝气也有同样的效果。Munch[25]的研究表明，DO浓度在0.5mg/L左右时发生了完全的同步硝化反硝化，此时硝化速率等于反硝化速率。

吕鑑等[26]的试验表明，好氧段的气水比为20：1时SND最彻底，此时反硝化最完全，总氮去除率保持在80%以上。章胜红等[27]在4个不同DO浓度段（5.7～6.4 mg/L，2.8～3.4 mg/L，0.8～1.5 mg/L和0.4～0.7 mg/L）考察SND的表现。结果显示，DO浓度为5.7～6.4mg/L 时，NH4+-N去除效果很好，但TN去除效果较差。出水中的硝酸盐氮浓度甚至大于进水的，这说明NH4+-N大部分转化为硝酸盐氮；DO浓度为2.8～3.4 mg/L和0.8～1.5 mg/L时，NH4+-N去除率降低，TN去除效果有所改善，此时反硝化菌活性较好，不仅NH4+-N经硝化反硝化生成N2去除外，进水中的硝酸盐也部分反硝化转化为N2从水中去除。DO浓度为0.4～0.7mg/L时，NH4+-N硝化作用较差，这时TN去除率也没有DO浓度为0.8～1.5 mg/L时的高。因此，DO浓度为0.8～1.5 mg/L时，SND作用最好。

（2）C/N与回流比

C/N与回流比对SND现象有着重要影响。章胜红等人[27]在C/N比值为18.1～20、6.9~9.2和3.6～4.时考察C/N对SND的影响。结果发现，当C/N比为18.1～20时，硝化作用较弱，因为在高的C/N条件下，异养菌更占优势，因此自养型的硝化菌的活性受到抑制；C/N比在6.9～9.2时，SND作用最强；C/N比在3.6～4.3时，反硝化效果较差且出水硝酸盐氮略高于进水。也就是说，低C/N对硝化作用有利但是对反硝化作用不利，高C/N比对反硝化作用有利但对硝化作用不利。

吕鑑等[26]发现当回流比为0.5：1时，好氧池脱氮率高于缺氧池，虽然此时好氧池的脱氮效果较好，但缺氧池因有机物消耗小会造成好氧池负荷过大；当回流比为1:1时，此时两池的脱氮率接近，分担了好氧池的负荷，使得同步硝化作用稳定保持，脱氮效果显著；回流比为2:1时，此时缺氧池完成脱氮作用，为传统的前置反硝化脱氮工艺。根据脱氮效果与经济节约的综合分析，确定1：1为最佳回流比。

（3）填料

从滤料种类上看，对于粒状填料，粒径越小，比表面积越大，生物量就大，越易形成DO梯度。Rebecca Moore等[28]研究发现小颗粒(1.5~3.5)mm虽然有利于脱氮，但不适应高水力负荷：大颗粒(2.5~4.5)mm减小了反洗频率，但不利于脱氮和SS去除。

2.2 短程硝化反硝化

2.2.1 短程硝化反硝化原理

在硝化过程中，把反应控制在亚硝酸盐阶段，然后由亚硝酸盐直接进行反硝化，或是在厌氧及低氧条件下由亚硝酸盐作为电子受体，将氨转化为氮气，以达到缩短反应过程的目的，这两种方式均为短程脱氮。短程脱氮具有很多的优点：硝化段可减少约25％的能耗、在反硝化段可降低约40％对碳的需求、具有较高的硝化反硝化能力、以及产生较少的生物量等。

2.2.2 曝气生物滤池中短程硝化反硝化的影响因素

（1）DO浓度

合适的DO浓度对完成短程硝化反硝化作用至关重要。王春荣[29]等通过两段BAF试验，发现在DO为（0.3~0.5）mg/L时，亚硝酸盐直接进行反硝化。即气水比较低时，主要进行短程硝化反硝化，其反硝化速率要比正常反硝化快1.15倍。

（2）C/N比

C/N比孙迎雪等[30]试验表明，短程硝化反硝化生物滤池对NH4+-N有90%以上的去除率；当反硝化生物滤池进水的C/N为3. 0时，出水TN浓度可降低到8～9 mg/L，且去除率稳定在79%～81%。

（3）FA（游离氨）

孟繁丽等[31]研究发现，在低氨负荷情况下，NO2--N的积累主要受DO的影响；高氨负荷情况下，NO2--N的积累主要受FA的影响。当FA > 0.6 mg/L时，硝酸菌的活性受抑制，FA > 4 mg/L时亚硝酸菌的活性被抑制，FA > 50 mg/L时完全抑制了硝酸菌和亚硝酸菌的活性。Sutherson[32]在研究短程硝化反硝化技术时指出，由于硝酸菌对游离氨会产生不可逆转的适应性，所以NO2--N不可能在系统中长期稳定存在。QIAO S等人[33]发现，调整进水氨氮负荷、温度和pH值可调控FA的浓度，进而实现NO2--N的积累。

（4）pH

陶俊杰等[34]指出pH值是控制短程硝化的重要因素，其影响效果甚至要强于DO。在常温、进水氨氮负荷为0.5 kg/m3·d条件下控制pH值在8.0以上，发现BAF即使在DO浓度为4.5 mg/L时也能使NO2--N积累率达到80%以上。孟繁丽[31]也指出，pH在8~8.5 时，NO2--N 有70%积累率，同时NH4+-N的去除率也较高，可达70 %。

3 研究前景及现存问题

3.1 研究前景

BAF中新型脱氮理论的发现与研究，可进一步改进与完善生物滤池工艺，提高脱氮处

理效果，减少成本与能耗，对于开发新型低耗高效污水深度处理与回用技术提供了非常好的思路，具有非常广阔的发展前景。

3.2 现存问题

目前，有关新型脱氮工艺与BAF相结合的研究较少，很多试验结果仍存在差异，导致无法指导工程实践，而且BAF难以灵活控制较低的DO浓度、反应时间、pH等环境条件，增大了其运用新脱氮理论的难度。所以此方面的技术和工艺还需要进一步的研究和开发。