曝气生物滤池工艺及运行控制

第 ３１ 卷 第 ７ 期 ２００５ 年 ７ 月
Ｖｏｌ．３１ Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ，２００５
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沈耀良
（ 苏州科技学院环境科学与工程省重点实验室， 江苏 苏州 ２１５０１１）
根据曝气生物滤池的原理、 工艺运行方式及工艺构造型式， 介绍了不同工艺组成、 主要特性及适用场合， 介绍了实现不同处理目标并获得稳定运行所需的控制条件， 指出了该工艺应用中应注意的问题及改进措施。 曝气生物滤池； 工艺原理； 运行控制 Ｘ７０３．１ Ａ １０００－３７７０ （２００５） ０７－０００７－０４
收稿日期： ２００４－０７－１２ 作者简介： 沈耀良（１９６１－）， 男， 教授， 博士，研究方向为废水处理理论与技术研究 联系电话： ０５１２－６８２５５３２５， １３７０６２１６７４６； Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｌｓｈｅｎ１２０３＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｓ．ｅｄｕ．ｃｎ。
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第 ３１ 卷 第 ７ 期 借助于 ＢＡＦ 中生长在填料表面并保持在好氧条件下 的生物膜的作用， 实现有机物和氨氮的硝化。当对废 根据原水水质和处理目的与要求，选择合适的 水的氨氮排放有要求时可采用此工艺。需要注意的 是，当原水中 ＳＳ 的含量较高时，其预处理以水解为 宜， 以减少预处理的产泥量。图 ２ （ｂ） 为基于 Ａｎ／Ｏ 原 其中预处理采用水解 理、 具有脱氮功能的 ＢＡＦ 工艺。 工艺， 将 ＢＡＦ－Ｃ／Ｎ 的出水按 １００％￣３００％的回流比回 流至水解工艺， 充分利用水解工艺的缺氧条件和进水 中的碳源进行反硝化而实现脱氮。图 ２ （ｃ） 为单独设 （ｂ） 所 置前置脱氮 ＢＡＦ 的工艺流程。该工艺较图 ２ 示工艺运行更稳定可靠。 与传统脱氮工艺的不同之处 在于，该工艺中 ＢＡＦ－ＤＮ 段除具有反硝化脱氮能力 外， 还具有明显的去碳功能， 而 ＢＡＦ－Ｃ／Ｎ 池则用于硝 化和对 ＢＡＦ－ＤＮ 池出水中残留的有机物进一步去 除， 提高出水水质。该工艺中， ＢＡＦ－ＤＮ 和 ＢＡＦ－Ｃ／Ｎ 均需曝气， 由于曝气作用， 在 ＢＡＦ－ＤＮ 的底部实现碳 的去除， 同时利用该池滤料层中 ＤＯ 底部多上部少的 分布规律， 在其顶部实现反硝化。
目前， 国内外对曝气生物滤池 （ＢＡＦ） 工艺的结 构形式、 除污功能、 运行启动和填料介质等进行了日 趋深入的研究，取得了良好的进展。国内有关科研 院校也开展了运行方式、填料类型和除污机理等方 面的研究， 北京已建立 ５ 个示范工程， 大连市日处理 规模为 １２ 万 ｍ３／ｄ 的马栏河污水处理厂在国内首次 应用了该工艺［１，２］。但就总体而言， ＢＡＦ 在国内的应 用尚处于起步阶段。因而如何根据该工艺的特点， 分析研究其适合国内废水特点、技术水平及处理要 求的工艺运行方式， 并提出合理的工艺设计方法和 运行控制条件， 对于工艺优化和促进应用很有必要。 本文结合 ＢＡＦ 的工艺原理， 通过对其操作运行影响 因素的分析， 介绍了工艺优化设计的关键参数和主 要方法，提出了该工艺实现不同处理目标并获得稳 定运行所需的控制条件。
指标 数值
４．１１
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的滤料及生物膜的生物絮凝作用， 截留污水中的 ＳＳ 及脱落的生物膜； 随着滤料层截留 ＳＳ 等增加， 其水 头损失亦增加， 因而运行一定时间后， 为维持 ＢＡＦ 的处理能力和出水水质，需要进行反冲洗以去除其 中截留的 ＳＳ、 脱落的生物膜， 同时使滤料表面的生 物膜得到更新。 与传统的生物处理工艺相比， ＢＡＦ 具有以下方 面的特点： （１） 有机负荷高， 处理能力大。ＢＡＦ 通过 采用高比表面积、易挂膜的细颗粒滤料及曝气为微 生物的生长提供了更好的条件，其单位体积内的生 物量可高达 １０! １５ｇ／Ｌ，因而其容积负荷远高于传 统工艺，处理能力更大，同时由于其填料对污水中 ＳＳ 及脱落生物膜的高效截留作用，无需二沉池， 因 而减少了池容和占地， 降低了造价。一般而言， ＢＡＦ 的占地和一次性直接投资通常分别为传统工艺的 １０％! ５０％和 ７５％左右［４，５］； （２） 除污功能强， 出水质 量高。由于 ＢＡＦ 特殊的构造和运行方式， 其中生物 膜将呈现出优势菌种在不同空间位置上的 “生态分 布” 特征， 使其同时具有有机物去除、 硝化和反硝化 等多种功能， 且其出水一般可满足回用要求； （３） 工 艺流程短， 氧利用率高， 维护管理方便， 处理成本低， ［５］ 一般为传统工艺的 ８０％ ； （４） 对进水的预处理要 求较高， 尤其是对进水中 ＢＯＤ 浓度和 ＳＳ 浓度有较 严格的要求， 多适用于处理 ＳＳ≤６０! １００ｍｇ／Ｌ 的低 进水浓度污水的处理。但其产泥量较传统工艺大， 且污泥的稳定性较差。
沈耀良， 曝气生物滤池工艺及运行控制 因此其运行负荷不宜过高，且对进水中的 ＳＳ 有严 格的要求。与此相反， 轻质陶粒滤料和聚苯乙烯球 形颗粒滤料的粒度、 比表面积及空隙率均较大， 其生 物量亦大， 运行时负荷高， 水头损失较小。Ｋｅｎｔ 等对 ７ 种常用的 ＢＡＦ 滤料的研究表明， 由膨胀页岩加工 生产的陶粒滤料是最适于 ＢＡＦ 的生物滤料。 滤料的粒径主要与 ＢＡＦ 的功能和运行方式有 关。不同粒径滤料对 ＢＡＦ 处理效果影响的研究表 明， 小粒径滤料 （１．５ ! ３．５ｍｍ） 利于提高处理效果和 脱氮， 但不适应高水力负荷， 容易堵塞， 运行周期较 短， 滤料不易清洗， 所需反冲洗水量较大； 大颗粒滤 但其脱氮效能和 料 （２．５ ! ４．５ｍｍ） 可克服上述问题， 对 ＳＳ 的去除能力有所下降［３］。目前， 根据 ＢＡＦ 的处 理功能， 所采用的滤料粒径普遍为 ２．０! ６．０ｍｍ。 轻质陶粒滤料是目前国内研究较多的一种， 其 材料低廉易得， 尤其是以粘土为材料加工生产的球 形陶粒滤料（其主要性能参数见表 １）， 具有一些列优 良的特性 ［７］， 而且形状规则， 粒径可大可小， 克服了 不规则粒状滤料阻力大、易引起堵塞及所需反冲洗 强度大的问题。 以球形陶粒作为 ＢＡＦ 的滤料处理生 活污水的研究表明，在滤速达 ６．５! ８．０ｍ／ｈ 时不仅 仍可获得高质量的处理出水 （满足国家生活杂用水 而且所需气水比仅为 ３．３：１， 水头损失增 水质标准）， ［８］ 加缓慢， 运行周期长达 ４８ｈ 至 １ 周 。
ＢＡＦ 充分借鉴了污水处理中的生物接触氧化 法和给水处理中快滤池的设计思路，集曝气、高滤 速、 截留 ＳＳ、 定期反冲洗等特点于一体， 并通过过 ［３］ 滤、 吸附和生物代谢实现对废水的净化 。 ＢＡＦ 中装 填一定量粒径较小的粒状滤料，滤料表面生长着生 物膜，滤池内部曝气。其运行分过滤和反冲洗两个 阶段，每完成两个阶段为一个运行周期。过滤过程 中， 进入 ＢＡＦ 的污水利用滤料上高浓度的生物量实 现对有机物的生物氧化降解， 同时借助于较小粒径
负荷类型
２ 水力负荷 %（ｍ３／ｍ・ ｈ） ３ 容积负荷 !ｖ （ｋｇＸ／ｍ・ ｄ）
碳化 （ＢＡＦ－Ｃ） ３! １６ ２．０! ６．０
硝化 （ＢＡＦ－Ｃ／Ｎ） ３! １６ ０．５! ２．０
反硝化 （ＢＡＦ－ＤＮ） １０! ２５ ０．８! ５．０
注： Ｘ 分别为 ＢＯＤ（碳化） 、 ＮＨ３－Ｎ （硝化） 、 ＮＯ３－－Ｎ （反硝化） 。 ５
图１

图２ （ｂ）



图２ （ｃ） 图 ２ ＢＡＦ 的典型处理工艺
ＢＩＯＦＯＲ 型 ＢＡＦ 成部 分 ， 其 对 ＢＡＦ 的功效有直接影响，同时也与 ＢＡＦ 的构造形 式密切相关。 目前， 常用的 ＢＡＦ 滤料主要有石英砂、 轻质陶粒及塑料颗粒等。运行方式不同， 则 ＢＡＦ 所 使用的滤料有所不同。降流式 ＢＡＦ （ 如 ＢＩＯＣＡＲ－ ＢＯＮＮＥ）一般使用大比重颗粒滤料（如石英砂）； 而升 流式（如 ＢＩＯＦＯＲ 和 ＢＩＯＳＴＹＲ 等）则采用轻质滤料， 其中 ＢＩＯＦＯＲ 采用轻质陶粒滤料， ＢＩＯＳＴＹＲ 则使 用比重小于水的聚苯乙烯球形颗粒。 石英砂比重大， 机械强度好， 但粒度小， 其比表面积及空隙率均小， 因而其滤料层中的生物量较少、 滤料层的阻力较大，
由于 ＢＡＦ 采用连续鼓泡曝气，其氧气的主要以 界面转移方式传输， 气泡中的氧气与生物膜表面接触 而被微生物直接利用［１１］。同时， ＢＡＦ 使用小粒径的滤 料， 其比表面积大， 气泡在填料孔隙内滞留时间长且 与生物膜有良好而充分的接触， 具有比传统工艺高得 多的氧利用率， 因而采用较低的气水比（&）即可获得良 好的处理效果。对研究数据的统计表明， ＢＡＦ 中去除 单位重量的有机物 （ 以 ＴＢＯＤ 表示 ） 所需的氧为 ０．４２! ０．８ｋｇＯ２／ｋｇＴＢＯＤ，平均为 ０．５１ｋｇＯ２／ｋｇＴＢＯＤ， 低于传统活性污泥法的 １．０! １．２ｋｇＯ２／ｋｇＴＢＯＤ。 但与此同时， ＢＡＦ 所需的 & 与其进水水质、 处理目 标、 滤料粒径和滤料层的厚度等因素有关。通常， 用于 硝化的 ＢＡＦ－Ｃ／Ｎ 需要较高的气水比， 而仅需实现碳化 的 ＢＡＦ－Ｃ 可采用较低的比值。 应用 ＢＩＯＳＴＹＲ 进行硝
由于 ＢＡＦ 中丰富的生物相及其类似于快滤池 的对进水中 ＳＳ 的良好截留功能，因而具有良好而 稳定的处理效果。与传统生物处理工艺相比，其实 现不同处理要求的工艺流程较为简单， 主要由预处 理（沉淀或水解）和 ＢＡＦ 两部分组成。同时， 根据废 水的水质和具体处理要求， ＢＡＦ 有 Ｃ／Ｎ、 Ｃ／Ｎ／ＤＮ 和 Ｃ／Ｐ／ＤＮ 等不同工艺流程。 具有去碳和硝化 图 ２（ａ）为 ＢＡＦ－Ｃ／Ｎ 工艺流程， 的功能。 原废水经沉淀或水解预处理后， 进入 ＢＡＦ 并
图２ （ａ）
运行方式， 是工艺设计的关键。ＢＡＦ 有多种不同的 运行方式， 各有特点。一般按水流的方向， 可将其分 为降流式和升流式两种。 早期的 ＢＡＦ 多采用降流式运行方式，以法国 ＯＴＶ 公司的 ＢＩＯＣＡＲＢＯＮＥ 工艺为代表。 该工艺多 以石英砂作滤料， 以气、 水逆流的方式运行， 运行过 程类似于快滤池的正粒度过滤，但其所截留的 ＳＳ 主要集中在滤料层的顶层（对以轻质陶粒作滤料、 滤 床高为 ２．０ｍ 的 ＢＡＦ 的研究表明， 进水中近 ８０％ 的 ＳＳ 被截留在滤床顶部的 ４０ｃｍ 以内［６］）， 难以充分发 挥滤料层有效的纳污能力， 易堵塞， 并导致较大的水 头损失，同时其中下部滤料层中脱落的生物膜较易 穿透， 其运行周期较短。 因而， 降流式多适用于低 ＳＳ 废水及受污染地表水的处理， 当原水中含有较多 ＳＳ 时， 则需要较严格的预处理。 目前，以 ＢＩＯＦＯＲ、 ＢＩＯＳＴＹＲ 和 ＢＩＯＰＵＲ 等为 代表的升流式 ＢＡＦ 正得到越来越多的应用。 其中以 ［６］ 轻质陶粒为滤料的 ＢＩＯＦＯＲ 应用最为广泛 。图 １ 所示为该工艺的典型工艺构造。升流式 ＢＡＦ 以气、 水同向流的方式运行， 运行过程类似于快滤池的反 粒度过滤， 具有更强的纳污能力， 气、 水分布更为均 匀， 工作周期较长， 对进水 ＳＳ 的适应性也强于降流 式。因而升流式 ＢＡＦ 具有比降流式更广的适用性。