張小玲，李強(qiáng)，王靖楠，王欣澤，林燕

（1 長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2 上海交通大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200240）

曝氣生物濾池（biological aerated filter，BAF）是20 世紀(jì)80年代末在歐美國(guó)家興起的一種新型生物膜法污水處理技術(shù)。該技術(shù)集濾層的截留過(guò)濾效能和生物膜的強(qiáng)氧化降解能力于一體，既可以有效去除污水中的懸浮物和有機(jī)物，也可實(shí)現(xiàn)硝化、脫氮、除磷以及有害物質(zhì)的去除。目前，BAF 工藝在世界各地都有著十分廣泛的應(yīng)用，我國(guó)第一座曝氣生物濾池于2001年在大連市馬欄河污水處理廠正式投產(chǎn)運(yùn)行，處理規(guī)模為12×104m3/d，服務(wù)人口約35 萬(wàn)人[1]。作為一種易于管理、經(jīng)濟(jì)高效、技術(shù)成熟的水處理工藝，BAF 在我國(guó)的城市污水處理、工業(yè)廢水處理以及微污染水源水預(yù)處理等領(lǐng)域均有很好的應(yīng)用前景。

隨著曝氣生物濾池技術(shù)在世界范圍內(nèi)不斷普及和推廣，諸多學(xué)者在BAF 的濾料選擇、啟動(dòng)掛膜、處理效能、工藝參數(shù)影響以及反沖洗等方面做了大量研究，也取得了較多成果，然而傳統(tǒng)的BAF 工藝也存在技術(shù)瓶頸和不足之處，因此需要在深入了解BAF 的去污機(jī)理、特點(diǎn)、運(yùn)行參數(shù)影響以及研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)曝氣生物濾池進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝改良，不斷發(fā)展和完善BAF 技術(shù)，強(qiáng)化其處理效能，以拓展BAF 工藝的應(yīng)用領(lǐng)域，使其在今后的廢水處理中發(fā)揮更大的作用。本文對(duì)BAF的工作原理、影響因素以及優(yōu)化改良等內(nèi)容的總結(jié)評(píng)述將有助于提高人們對(duì)該工藝的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用水平，也為BAF 技術(shù)的革新和研究提出了新的思路。

1 曝氣生物濾池的原理、形式及特點(diǎn)

曝氣生物濾池主要是由濾料、布水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、出水系統(tǒng)以及反沖洗系統(tǒng)組成。其基本原理是在濾池內(nèi)填裝一定量比表面積大、生化性質(zhì)穩(wěn)定的顆粒狀濾料，啟動(dòng)時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行曝氣，經(jīng)馴化培養(yǎng)使濾料掛膜，當(dāng)廢水穿過(guò)濾層時(shí)，附著在濾料上的微生物充分吸附進(jìn)水中的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物和鹽類等，并利用曝氣所產(chǎn)生的溶解氧將其氧化分解，最終轉(zhuǎn)化成CO2和H2O 等代謝產(chǎn)物。隨著濾層內(nèi)微生物的大量生長(zhǎng)繁殖，生物膜厚度不斷增加，外層的異養(yǎng)菌對(duì)溶解氧的消耗量逐漸增大，此時(shí)在生物膜由外而內(nèi)的區(qū)域便形成了好氧、缺氧及厭氧環(huán)境，由于生物膜系統(tǒng)內(nèi)好氧、缺氧及厭氧區(qū)的存在，濾池可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮過(guò)程，若在工藝運(yùn)行的相應(yīng)階段投加適量除磷劑，則還能達(dá)到較好的除磷效果。濾料的物理吸附和截留過(guò)濾作用是BAF的另一個(gè)除污機(jī)制，在運(yùn)行中，表面粗糙且粒徑較小的濾料可有效吸附和阻截進(jìn)水中的有機(jī)顆粒與懸浮物，被截留的懸浮顆粒與濾料表面微生物新陳代謝所產(chǎn)生的黏性膠體物質(zhì)黏結(jié)形成絮體，并通過(guò)絮凝沉降或反沖洗的方式被去除。BAF 運(yùn)行一段時(shí)間后，由于濾層內(nèi)生物膜和懸浮物的過(guò)量積累，導(dǎo)致系統(tǒng)的過(guò)濾阻力增大，處理效率降低，此時(shí)需對(duì)BAF 進(jìn)行反沖洗以清除濾層內(nèi)截留的懸浮物與過(guò)量的生物膜，從而恢復(fù)濾池的納污能力和處理效率。

BAF 的形式可根據(jù)濾料選取、濾池功能和水流方向進(jìn)行分類。按照濾料選擇可分為懸浮濾料BAF和沉沒(méi)濾料BAF；按照功能可分為去碳BAF、硝化BAF、反硝化BAF 和預(yù)處理BAF 等；根據(jù)水流方向又可分為上向流BAF 和下向流BAF。BAF 工藝的優(yōu)點(diǎn)有：①同步發(fā)揮生物氧化作用、生物絮凝作用以及濾料的物理吸附與截留過(guò)濾作用，處理效率高；②以具有較大比表面積的多孔顆粒狀濾料作為載體，能為微生物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，使濾池內(nèi)部具有較高的生物量；③占地面積小，工藝流程短，不需設(shè)置二沉池，節(jié)省基建和運(yùn)行成本；④系統(tǒng)掛膜啟動(dòng)快，在適宜的培養(yǎng)條件下，2～3 周即可完成掛膜過(guò)程；⑤自動(dòng)化程度高，管理維護(hù)方便，不存在污泥膨脹的問(wèn)題，微生物不易流失。BAF 工藝的不足有：①系統(tǒng)對(duì)懸浮物含量要求較為苛刻，進(jìn)水SS 濃度通常應(yīng)低于60mg/L，因此，需要進(jìn)行混凝沉淀預(yù)處理；② BAF 的除磷效果不佳，需采用組合工藝或在預(yù)處理階段投加化學(xué)除磷劑，從而增加了處理設(shè)施和運(yùn)行費(fèi)用；③傳統(tǒng)BAF 工藝對(duì)進(jìn)水水質(zhì)變化波動(dòng)的適應(yīng)性相對(duì)較差，處理效果不穩(wěn)定，且在較高的有機(jī)負(fù)荷條件下，系統(tǒng)的硝化過(guò)程會(huì)因異養(yǎng)菌的大量生長(zhǎng)繁殖而受到不利影響，導(dǎo)致氨氮的去除率明顯降低。因此，通過(guò)對(duì)濾池結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式的改良以提升系統(tǒng)對(duì)高濃度污水的處理能力，特別是強(qiáng)化濾池在高有機(jī)負(fù)荷下的硝化性能將是BAF 技術(shù)在今后的重要研究方向。

2 曝氣生物濾池運(yùn)行的影響因素

2.1 濾料的選擇

不同種類的濾料，其表面結(jié)構(gòu)和物化特征均有所不同，因而會(huì)影響B(tài)AF 的處理效果。Feng 等[2]用BAF 工藝對(duì)比了高爐水渣和陶粒濾料的處理效果，結(jié)果表明，高爐水渣中的CaCO3可以起到調(diào)節(jié)pH 值的作用，更有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，其脫氮效果要優(yōu)于陶粒。Qiu 等[3]的研究表明，沸石濾料對(duì)氨氮的去除效果優(yōu)于陶粒和石灰?guī)r；而對(duì)于低pH 值的進(jìn)水，石灰?guī)r的除氨效果則要高于另外兩種濾料，這是由于沸石具有較好的離子交換和吸附性能，對(duì)氨氮的去除效果要優(yōu)于其他無(wú)機(jī)濾料，而具有緩沖能力的石灰?guī)r能夠很好地適應(yīng)進(jìn)水pH 值的變化，在處理低pH 值或者pH 值不斷變化的進(jìn)水中氨氮時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)[4]。

濾料的粒徑會(huì)影響到BAF 的處理效能的運(yùn)行周期。有報(bào)道顯示，在氨氮負(fù)荷為0.3kg/(m3·d)條件下，填裝濾料粒徑分別為2～4mm、4～8mm 和5.6～11.2mm 的3 個(gè)BAF 對(duì)氨氮的去除率依次為98.2%、80.5%以及62.7%，這表明濾料粒徑越小，BAF 的硝化性能越強(qiáng)[5]。此外，Moore 等[6]也認(rèn)為濾料粒徑小的BAF 處理效果較好，但小粒徑濾料的納污能力有限，容易堵塞，會(huì)使濾池工作周期變短；而粒徑較大的濾料雖然使濾層納污能力增強(qiáng)，延長(zhǎng)了BAF的運(yùn)行周期，但采用較大粒徑濾料的BAF 對(duì)固體懸浮物（SS）和氨氮的去除效率會(huì)有所降低。

濾料的密度對(duì)BAF 的形式、反沖洗強(qiáng)度和處理效果均有影響。下向流的BAF 一般采用密度較大的濾料，而上向流的BAF一般采用密度較小的濾料[7]。Mann 等[8]認(rèn)為上浮式濾料對(duì)SS 和有機(jī)物的去除效果優(yōu)于沉沒(méi)式濾料，且抗沖擊負(fù)荷能力更強(qiáng)。此外，BAF 的濾料密度越大，其反沖洗強(qiáng)度及所需能耗越大，而填裝的濾料密度越小，則用于反沖洗的能耗也就越小[9]。綜上所述，在選擇濾料時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮BAF 的處理效能和運(yùn)行周期，根據(jù)濾處理要求和進(jìn)水水質(zhì)對(duì)濾料進(jìn)行優(yōu)化篩選。

2.2 有機(jī)負(fù)荷

對(duì)于傳統(tǒng)BAF 工藝而言，過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷會(huì)引起濾池內(nèi)異養(yǎng)菌的大量生長(zhǎng)繁殖，硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)受到抑制，活性降低，氨氮去除率也隨之下降。此外，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物負(fù)荷遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該工藝的設(shè)計(jì)負(fù)荷時(shí)，COD 去除率會(huì)隨有機(jī)負(fù)荷的增加而升高，而當(dāng)系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷超過(guò)某一特定值時(shí)，COD 去除率則開(kāi)始下降。Qiu 等[3]研究了進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷對(duì)BAF 硝化性能的影響，結(jié)果表明，在有機(jī)負(fù)荷低于6kg/(m3·d)時(shí)，氨氮去除率保持在50%以上，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷超過(guò)6kg/(m3·d)時(shí)，氨氮去除率僅在20%～40%之間，呈明顯下降趨勢(shì)。Ji 等[10]的研究表明，在較低的有機(jī)負(fù)荷條件下[≤0.2kgCOD/(m3·d)]，BAF 系統(tǒng)中微生物會(huì)因營(yíng)養(yǎng)不足導(dǎo)致生長(zhǎng)受到限制活性降低，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷從0.39kg/(m3·d)增至1.56kg/(m3·d)時(shí)，系統(tǒng)的COD 去除率則由81%升高至93%，氨氮去除率則從94%下降至91%，這說(shuō)明在一定范圍內(nèi)有機(jī)負(fù)荷的增加對(duì)系統(tǒng)的COD 去除效果有積極促進(jìn)作用，而氨氮去除效果則隨有機(jī)負(fù)荷的增加而減弱，導(dǎo)致氨氮去除率下降的主要原因是有機(jī)負(fù)荷的升高增加了異養(yǎng)菌對(duì)溶解氧的消耗，致使自養(yǎng)硝化細(xì)菌在與異養(yǎng)菌對(duì)氧和生長(zhǎng)空間的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，硝化過(guò)程受到抑制[11]。Jiang 等[12]認(rèn)為，當(dāng)BAF系統(tǒng)的進(jìn)水COD 濃度低于30mg/L 時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的異養(yǎng)菌對(duì)硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)沒(méi)有抑制作用。Dou 等[13]的研究表明，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷從1.9kg/(m3·d)增加至3.4kg/(m3·d)時(shí)，BAF 對(duì)氨氮的去除率始終保持在50%以上，呈緩慢下降趨勢(shì)；當(dāng)有機(jī)負(fù)荷超過(guò)3.4kg/(m3·d)時(shí)，氨氮去除率開(kāi)始明顯下降，在有機(jī)負(fù)荷為4.0kg/(m3·d)時(shí)，氨氮去除率不足30%。由此可見(jiàn)，有機(jī)負(fù)荷對(duì)傳統(tǒng)BAF 工藝的處理效能特別是系統(tǒng)的硝化性能存在顯著影響，過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷對(duì)硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用，因此需要對(duì)BAF 的結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式進(jìn)行改良，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的有效削減，從而提升濾池的硝化性能與抗沖擊負(fù)荷能力。

2.3 水力負(fù)荷

水力負(fù)荷也是影響B(tài)AF 處理效能的重要參數(shù)。Jian 等[14]的試驗(yàn)結(jié)果表明，在水力負(fù)荷為1.57m3/(m2·h)、2.24m3/(m2·h)及2.52m3/(m2·h)條件下，前置反硝化BAF 對(duì)氨氮的去除率分別為82%、90%及80%，這說(shuō)明當(dāng)水力負(fù)荷從1.57m3/(m2·h)升高至2.24m3/(m2·h)時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)分布逐漸均勻，微生物與液相間的傳質(zhì)效率提升，硝化細(xì)菌活性增強(qiáng)，氨氮的去除率也隨之升高；當(dāng)水力負(fù)荷從2.24m3/(m2·h)增大到2.52m3/(m2·h)時(shí)，系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷也隨之升高，此時(shí)由于異養(yǎng)菌的大量生長(zhǎng)繁殖導(dǎo)致硝化細(xì)菌在對(duì)溶解氧和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)受到抑制，從而使氨氮的去除率也迅速下降。Wei 等[15]認(rèn)為，當(dāng)系統(tǒng)水力負(fù)荷從1.45m3/(m2·h)增加到2.8m3/(m2·h)時(shí)，BAF 對(duì)氨氮和COD 的去除率也逐步增高，但當(dāng)水力負(fù)荷由2.8m3/(m2·h)增至5.95m3/(m2·h)時(shí)，氨氮和COD 的去除率反而開(kāi)始降低；在水力負(fù)荷很小的條件下，BAF 內(nèi)的傳質(zhì)阻力較大，氣、水分布不均，且易出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)不足的情況，因而會(huì)導(dǎo)致濾池的處理效率相對(duì)較低，這與Wang 等[16]的研究結(jié)果一致；隨著水力負(fù)荷的逐步增大，系統(tǒng)內(nèi)的傳質(zhì)速率提高，微生物得到充足的營(yíng)養(yǎng)，生長(zhǎng)和繁殖速率加快，活性增強(qiáng)，COD 和氨氮的去除率也隨之升高；然而隨著水力負(fù)荷的進(jìn)一步增大，反應(yīng)器濾速加快，導(dǎo)致進(jìn)水對(duì)濾料的沖刷效果增強(qiáng)，生物膜易脫落，出水會(huì)將脫落的生物膜和截留在濾料間隙的懸浮物帶出，導(dǎo)致系統(tǒng)的處理效率降低。Su 等[17]研究了BAF 的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特性，認(rèn)為BOD5去除率與水力負(fù)荷的關(guān)系可用cr/ci＝1-exp(-2.44/L0.59)表示，該方程也可用來(lái)預(yù)測(cè)BAF 在不同水力負(fù)荷下對(duì)BOD5的去除率。Zhang等[18]研究了不同水力負(fù)荷對(duì)BAF系統(tǒng)內(nèi)亞硝酸鹽積累的影響，結(jié)果表明，在進(jìn)水氨氮濃度為28～34mg/L、pH 值為7.8～8.0、水溫12～17℃條件下，水力負(fù)荷從1m3/(m2·h)增加至10m3/(m2·h)時(shí)，亞硝酸鹽累積率從0.72%升高至37.8%，增大了51.5倍，這是由于在曝氣量不變的條件下，增加水力負(fù)荷導(dǎo)致異養(yǎng)菌的大量生長(zhǎng)，使硝化反應(yīng)受到抑制，另一方面則是由于水力停留時(shí)間縮短，導(dǎo)致進(jìn)水中的氨氮沒(méi)有被充分氧化便隨出水外排，從而使出水的亞硝酸鹽濃度升高。因此，在BAF 工藝的實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)根據(jù)濾池對(duì)污染物的去除效果和處理要求以及工藝的運(yùn)行費(fèi)用確定出最佳的水力負(fù)荷。

2.4 氣水比

氣水比是指曝氣量與進(jìn)水流量之比，氣水比的大小直接影響著反應(yīng)器中的溶解氧含量，是影響B(tài)AF 運(yùn)行的關(guān)鍵因素。李婷等[19]的研究表明，氣水比過(guò)低，因?yàn)槿芙庋醪蛔悖⑸锪可?，?dǎo)致污染物的去除率較低；當(dāng)氣水比逐漸增大時(shí)，水中的溶解氧含量升高，微生物活性增強(qiáng)，對(duì)污染物的去除效率也逐步提高，這與文獻(xiàn)[20-21]中的結(jié)論一致；而當(dāng)氣水比過(guò)高時(shí)，不但會(huì)增加能耗，而且氣流和水流對(duì)濾料的沖刷作用會(huì)增大，使生物膜外層的好氧菌容易脫落，且不利于在生物膜內(nèi)層形成厭氧環(huán)境，導(dǎo)致污染物的去除率降低。李志峰等[22]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)氣水比分別為1∶1、2∶1、3∶1 及5∶1 時(shí)，采用組合濾料的下向流BAF 對(duì)COD 的去除率分別為48%、53%、56%和53%，對(duì)氨氮的去除率分別為54%、72%、70%和69%，表明氣水比對(duì)氨氮去除率的影響更為顯著，且最佳氣水比為(2～3)∶1。傳統(tǒng)BAF 的氣水比通常小于3∶1 以內(nèi)，最大不超過(guò)10∶1，僅用于去除有機(jī)物的濾池一般采用較小的氣水比，用于硝化除氨的濾池，氣水應(yīng)適當(dāng)增大。

2.5 反沖洗

BAF 在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于生物膜厚度和濾床內(nèi)截留懸浮物的增加，過(guò)濾阻力和水頭損失增大，影響了反應(yīng)器的傳質(zhì)效果，導(dǎo)致濾池處理效率明顯降低，因此，需要定期對(duì)濾池進(jìn)行反沖洗，以恢復(fù)濾池的處理能力。BAF 的反沖洗效果對(duì)其運(yùn)行周期和出水水質(zhì)都有影響：若沖洗不充分，濾池運(yùn)行周期將會(huì)縮短，處理效能無(wú)法充分發(fā)揮；若反沖洗過(guò)量，則會(huì)導(dǎo)致濾料表面的生物膜大量脫落，生物量不足，濾池處理效果下降，出水水質(zhì)變差[23]。因此，選擇合適的反沖洗方式、反沖洗強(qiáng)度及反沖洗時(shí)間對(duì)BAF 的運(yùn)行至關(guān)重要。邱立平等[24]對(duì)上向流BAF的反沖洗過(guò)程進(jìn)行了研究，推薦先以沖洗強(qiáng)度10L/(m2·s)氣沖2～3min，再以沖洗強(qiáng)度10L/(m2·s)氣水聯(lián)合沖洗3～5min，最后以沖洗強(qiáng)度10L/(m2·s)水沖9～11min。這種水氣聯(lián)合反沖洗方式能夠有效使BAF 在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)處理能力，是目前BAF 普遍采用的反沖洗方式。

3 曝氣生物濾池技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展

3.1 有機(jī)物和SS 的去除

BAF 對(duì)廢水中有機(jī)物和SS 有著良好的去除效果，國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究成果也充分證明了上述觀點(diǎn)。Desbos 等[25]認(rèn)為，在高濾速和低停留時(shí)間條件下，SS 的去除率是相當(dāng)穩(wěn)定的，總的SS 去除率保持在80%以上，而COD 的去除率也可達(dá)70%以上。Su 等[17]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)水力負(fù)荷在0.6～1.4m/h 變化時(shí)，BAF 對(duì)COD 和SS 的去除率分別穩(wěn)定在76.3%～80.3%和86.3%～90%。Liu 等[26]采用兩級(jí)BAF 處理電鍍廢水的試驗(yàn)結(jié)果表明，在氣水比4∶1、濾速為1.2m/h 條件下，COD 去除率可達(dá)90%以上。邱珊[27]采用上向流BAF 處理城市生活污水的研究表明，隨著氣水比的提高，SS 的去除率呈下降趨勢(shì)，而COD 的去除率則呈先升高后降低的趨勢(shì)；在0.6m 處的濾層中，SS 的去除率可達(dá)90%，COD 的去除則主要是在濾層的1.2m 以前完成，去除率超過(guò)75%。以上國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明，BAF 工藝依靠其填料的物理吸附和過(guò)濾截留作用以及生物膜的生物氧化作用對(duì)COD 和懸浮物的去除效果明顯，處理技術(shù)成熟。

3.2 氨氮的硝化去除

濾池硝化性能的研究一直是BAF 技術(shù)的核心課題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也對(duì)此進(jìn)行了深入研究。盧楠等[28]的研究結(jié)果顯示，在氣水比為3∶1、水力負(fù)荷為5m3/(m2·h)、氨氮容積負(fù)荷小于1.65kg/(m3·d)的條件下，兩級(jí)串聯(lián)BAF 對(duì)氨氮的平均去除率可達(dá)到93%，這與Dillon 等[29]的結(jié)論一致。Pujol[30]的研究表明，在氨氮容積負(fù)荷為1.5kg/(m3·d)、濾速分別為4～6m/h、6～8m/h 及8～10m/h 的條件下，BAF對(duì)氨氮的去除率保持在80%～100%，提高濾速可促進(jìn)系統(tǒng)的硝化過(guò)程。Tschui 等[31]的研究結(jié)果也證明了BAF 的硝化能力會(huì)因?yàn)V速的提高而得到一定增強(qiáng)，這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，隨著水力負(fù)荷的增加，反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)分布更加均勻，生物膜與液相間的傳質(zhì)效率得到提高，促進(jìn)了硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而增強(qiáng)了濾池的硝化性能。張連科[32]的研究表明，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷對(duì)濾池的硝化性能有較大影響，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷超過(guò)2.96kg/(m3·d)時(shí)，氨氮去除率迅速下降，有機(jī)負(fù)荷的增加對(duì)BAF 的硝化過(guò)程產(chǎn)生了不利影響。Fdz-Polanco 等[33]認(rèn)為當(dāng)進(jìn)水COD 濃度高于200mg/L 時(shí)，BAF 的硝化過(guò)程將受到抑制；當(dāng)進(jìn)水COD 與氨氮濃度比大于4 時(shí)，生物膜內(nèi)部則會(huì)形成不同的功能分區(qū)；此外，BAF 系統(tǒng)內(nèi)異養(yǎng)菌、硝化細(xì)菌及亞硝化細(xì)菌的空間分布也和進(jìn)水COD 濃度有關(guān)。

3.3 脫氮除磷

有關(guān)BAF 脫氮除磷方面的研究也是一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域，由于生物膜系統(tǒng)內(nèi)好氧、缺氧及厭氧區(qū)的存在，因此BAF 可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化的脫氮過(guò)程，而單獨(dú)利用BAF 的生物作用是很難達(dá)到理想的除磷效果，通常要投加化學(xué)除磷劑或者采用組合工藝。有報(bào)道稱，反硝化脫氮最好采用外加碳源的方法，在水力負(fù)荷為10～15m3/(m2·h)的條件下，脫氮效果最佳[30]。王新等[34]采用固定化BAF 工藝處理豬場(chǎng)廢水的試驗(yàn)結(jié)果顯示，用新鮮廢水作為反硝化段的碳源時(shí)，系統(tǒng)的總氮去除率可達(dá)93%。Chen 等[35]針對(duì)硝化細(xì)菌和聚磷菌對(duì)污泥停留時(shí)間要求的矛盾，采用A2O-BAF 聯(lián)合工藝處理低C/N 的城市污水，在回流比為100%～400%的條件下，總氮（TN）的去除率分別為64.9%、77.0%、82.0%和87.0%，試驗(yàn)期間出水的COD、氨氮、總磷（TP）低于50.0mg/L、0.5mg/L 和0.5mg/L。邱立平等[36]認(rèn)為，投加鐵鹽（FeCl3）和鋁鹽（AlCl3）可以有效強(qiáng)化單級(jí)BAF 的除磷效果，同時(shí)對(duì)其他指標(biāo)的去除沒(méi)有太大影響。Pak 等[37]認(rèn)為，COD/TP 值和水力停留時(shí)間（HRT）是影響B(tài)AF 除磷效果的主要因素，而聚磷菌釋放磷的過(guò)程則會(huì)受到硝酸鹽和亞硝酸鹽的影響。Ding 等[38]采用A2O-BAF 聯(lián)合工藝處理低C/N、低C/P 污水，BAF 部分出水回流至A2O 工藝的缺氧區(qū)為反硝化和缺氧吸磷提供了電子受體，也為反硝化聚磷菌提供了適宜生存環(huán)境，結(jié)果表明，通過(guò)BAF 回流水量控制缺氧區(qū)的硝酸鹽含量在1～4mg/L 時(shí)，組合工藝可達(dá)到最佳的脫氮除磷效果。

4 曝氣生物濾池的工藝改良

曝氣生物濾池工藝作為一項(xiàng)發(fā)展較快的新型污水生物處理技術(shù)，其工藝形式與應(yīng)用研究也在不斷的發(fā)展和完善中，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)BAF 工藝研究的不斷深入，在實(shí)際應(yīng)用中也出現(xiàn)了多種形式的BAF改良工藝，而采用新型隔離曝氣技術(shù)以優(yōu)化反應(yīng)器運(yùn)行方式的高效內(nèi)循環(huán)BAF 工藝就是其中之一。

4.1 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池工藝簡(jiǎn)介

內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該工藝是對(duì)傳統(tǒng)BAF 的曝氣方式進(jìn)行改良，采用導(dǎo)流筒(或稱曝氣筒)將濾池分成兩個(gè)功能區(qū)，筒內(nèi)為曝氣區(qū)，筒外的環(huán)形部分則是濾料區(qū)(即生物氧化區(qū))。導(dǎo)流筒底部開(kāi)有液體回流孔，曝氣裝置設(shè)在導(dǎo)流筒內(nèi)部，通過(guò)曝氣使廢水在筒內(nèi)充氧，利用曝氣動(dòng)力以及充氧后導(dǎo)流筒內(nèi)、外形成的壓力差作為循環(huán)液流的推動(dòng)力，使混合流體得到提升而向上流動(dòng)，在導(dǎo)流筒上緣氣水分離后，經(jīng)過(guò)充氧的廢水則落入環(huán)形濾料區(qū)，附著在濾料上的微生物與向下穿過(guò)濾層的廢水在該區(qū)域充分接觸，廢水中的污染物則通過(guò)濾料的吸附截留作用以及微生物的新陳代謝作用而得以去除[39]。經(jīng)過(guò)處理的廢水從濾池底部的回流孔重新進(jìn)入導(dǎo)流筒而再次被提升至反應(yīng)器頂部，一部分水從出水口排出，另一部分則繼續(xù)落入濾料區(qū)形成循環(huán)液流。內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池結(jié)合了氣升式環(huán)流反應(yīng)器與傳統(tǒng)BAF 工藝的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)隔離曝氣形成的循環(huán)液流可使進(jìn)水在濾池內(nèi)得到充分稀釋，從而有效削減了系統(tǒng)的污染負(fù)荷，特別是將系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)物濃度控制在較低水平，這在很大程度上減弱了過(guò)高的有機(jī)負(fù)荷對(duì)硝化細(xì)菌的抑制作用，使濾池的硝化性能得到明顯增強(qiáng)。

圖1 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)示意圖[40]

4.2 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池工藝特點(diǎn)

內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池技術(shù)是在改進(jìn)傳統(tǒng)BAF工藝的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的，該反應(yīng)器克服了原有BAF 技術(shù)中的多種瓶頸因素，與普通BAF 相比，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[40-41]：① 反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán)水量能達(dá)到進(jìn)水流量的30 倍以上，大量的循環(huán)液流可將進(jìn)水的污染物濃度迅速稀釋，從而提高了系統(tǒng)的容積負(fù)荷和抗沖擊能力，反應(yīng)器可直接處理高濃度污水；②采用獨(dú)特的隔離式曝氣提升技術(shù)，將曝氣區(qū)與濾料區(qū)分開(kāi)，有效避免了傳統(tǒng)曝氣方式對(duì)生物膜的沖刷影響，防止了微生物的流失，保護(hù)了系統(tǒng)內(nèi)的生物多樣性；③ 通過(guò)隔離曝氣使氣水均勻混合，可消除曝氣死角，避免了直接曝氣形成的溝流及氣水短路現(xiàn)象的出現(xiàn)；④反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的高速循環(huán)水流提高了污水與生物膜之間的傳質(zhì)速率以及氧的轉(zhuǎn)移、利用效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的廢水處理能力特別是強(qiáng)化了濾池的硝化性能。

4.3 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池處理廢水應(yīng)用實(shí)例

4.3.1 廢水來(lái)源及水質(zhì)

廣東佛山市某煉油廠廢水主要含COD、石油類、氨氮、硫化物及揮發(fā)酚等污染物，煉油廢水經(jīng)隔油池與渦凹?xì)飧∠到y(tǒng)的預(yù)處理后，水質(zhì)如下[42]：COD，342～555mg/L，均值460mg/L；石油類，14～37mg/L，均值26mg/L；氨氮，26～50mg/L，均值37mg/L；硫化物9.7～36mg/L，均值20mg/L；揮發(fā)酚，10～21mg/L，均值15mg/L。

4.3.2 工藝流程

該廠設(shè)計(jì)廢水處理規(guī)模約1440m3/d，經(jīng)預(yù)處理后，廢水進(jìn)入三級(jí)內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池生化處理單元，總HRT 為6h。處理工藝流程如圖2 所示。

4.3.3 處理效果及分析

圖2 煉油廢水處理流程

內(nèi)循環(huán)BAF生化處理單元3個(gè)月的平均出水水 質(zhì)見(jiàn)表1。由表1 可知，煉油廢水經(jīng)過(guò)3 級(jí)內(nèi)循環(huán)BAF 處理后，系統(tǒng)對(duì)COD、石油類、氨氮、硫化物及揮發(fā)酚的去除率分別達(dá)到83%、88.5%、79.2%、98.5%和99.3%，出水水質(zhì)達(dá)到了廣東省《水污染物排放限值》(DB44/26—2001)的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

表1 內(nèi)循環(huán)BAF 出水水質(zhì) （單位：mg/L）

4.4 內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池處理廢水研究現(xiàn)狀

內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池在處理高濃度煉油廢水和石化廢水中具有處理效果好、性能優(yōu)越、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，因此，許多學(xué)者也對(duì)內(nèi)循環(huán)BAF工藝進(jìn)行了深入研究。程麗華等[43]的研究結(jié)果表明，在進(jìn)水各污染物質(zhì)量濃度波動(dòng)較大的情況下，經(jīng)內(nèi)循環(huán)BAF 處理后的出水水質(zhì)穩(wěn)定，反應(yīng)器具有較高的容積負(fù)荷和很強(qiáng)的耐沖擊能力；在HRT=1.9h、氣水比為5∶1、pH 值為6.5～8.5、反沖洗周期為6 天的條件下，系統(tǒng)的COD、石油類、氨氮及SS 去除率可分別達(dá)到42.%、47.5%、69.4%及96.1%，出水中以上4 種污染物平均濃度分別為52mg/L、1.1mg/L、21mg/L 及1.6mg/L。鐘理等[44]的中試結(jié)果顯示，對(duì)于COD、硫化物、揮發(fā)酚和石油類濃度范圍分別為 1000～2800mg/L、100～550mg/L、50～250mg/L 及100～800mg/L 的高濃度煉油廢水，采用三級(jí)內(nèi)循環(huán)BAF 工藝進(jìn)行預(yù)處理，在適宜條件下，可對(duì)COD、硫化物、石油類及酚類的平均去除率分別達(dá)到82%、99%、95%和90%以上。陳英等[45]的中試結(jié)果顯示，對(duì)于硫化物濃度為50～115mg/L、氨氮濃度為50～110mg/L、COD 為1900～3500mg/L 的煉廠廢水，在進(jìn)水流量為5L/h、pH 值為7.5～9、單級(jí)反應(yīng)器水力停留時(shí)間為24h、單級(jí)曝氣量為0.45m3/h 的條件下，經(jīng)兩級(jí)處理后，硫化物、氨氮、COD 平均去除率分別達(dá)到95.5%、63.6%及81.8%，出水硫化物、氨氮、COD 的平均濃度為1.6mg/L、10mg/L 和226mg/L。此外， 蘇兵等[46]采用牡蠣殼為填料的內(nèi)循環(huán)BAF 工藝對(duì)模擬水源水中的氨氮進(jìn)行處理，結(jié)果表明，在水力停留時(shí)間為4h、曝氣量為2.0L/min、pH 值為7.5～8.0的最佳條件下，內(nèi)循環(huán)BAF 對(duì)氨氮的去除率可達(dá)90%以上。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

作為一種高效且經(jīng)濟(jì)適用的污水處理新工藝，曝氣生物濾池技術(shù)正在不斷地發(fā)展和推廣中。就目前的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀來(lái)看，曝氣生物濾池在廢水的SS 和有機(jī)物去除、硝化除氨以及反硝化脫氮等方面均表現(xiàn)出穩(wěn)定且良好的處理效能，但是，該工藝也存在對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求苛刻、硝化性能易受有機(jī)負(fù)荷影響以及除磷效果不佳等諸多不足。因此，今后需在深入研究BAF 的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)以及混合傳質(zhì)特性基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化濾池的結(jié)構(gòu)形式，改善系統(tǒng)內(nèi)微生物的生長(zhǎng)環(huán)境，以強(qiáng)化濾池的除污性能，使該工藝在污水處理中發(fā)揮更大的作用。

內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池作為BAF 的一種改良工藝，采用獨(dú)特的隔離式曝氣提升技術(shù)，在反應(yīng)器內(nèi)部形成了循環(huán)液流，這種運(yùn)行方式能夠有效提高濾池的處理能力，特別是增強(qiáng)了系統(tǒng)的硝化性能，該工藝在處理高有機(jī)負(fù)荷污水時(shí)，較普通BAF 具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，內(nèi)循環(huán)BAF 較多應(yīng)用在煉油廢水和石化廢水的預(yù)處理中，然而在處理生活污水中的運(yùn)用尚不多見(jiàn)，從現(xiàn)有的應(yīng)用實(shí)例和研究成果可以看出，內(nèi)循環(huán)BAF 是一種先進(jìn)且成熟的污水處理技術(shù)，適合處理高濃度污水。因此，采用內(nèi)循環(huán)BAF工藝處理我國(guó)某些地區(qū)的高濃度生活污水，將具有很好的研究前景和實(shí)際意義。

[1] Qiao Xiaoshi，Xu Yunhong，Quan Xie. BIOFOR aerated bio-filter process for municipal wastewater treatment[J]. China Water & Wastewater，2004，20（7）：83-85.

[2] Feng Y，Yu Y，Duan Q，et al. The characteristic research of ammonium removal in grain-slag biological aerated filter(BAF)[J]. Desalination，2010，263（1）：146-150.

[3] Qiu L，Zhang S，Wang G，et al. Performances and nitrification properties of biological aerated filters with zeolite ceramic particle and carbonate media[J]. Bioresource Technology，2010，101（19）：7245-7251.

[4] Chang W S，Tran H T，Park D H，et al. Ammonium nitrogen removal characteristics of zeolite media in a Biological Aerated Filter （BAF） for the treatment of textile wastewater[J].Journal of Industrial and Engineering Chemistry，2009，15（4）：524-528.

[5] Kent T D，Williams S C，F(xiàn)itzpatrick C S B. Ammoniacal nitrogen removal in biological aerated filters：The effect of media size[J].

Water and Environment Journal，2000，14（6）：409-414.

[6] 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.

[7] 唐少宇，周如金，鐘華文，等. 曝氣生物濾池技術(shù)的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2013，33（2）：24-27.

[8] Mann A T，Mendoza-Espinosa L，Stephenson T. Performance of floating and sunken media biological aerated filters under unsteady state conditions[J]. Water Research，1999，33（4）：1108-1113.

[9] 付丹，劉柳. 填料對(duì)曝氣生物濾池影響的概述[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2008，33（3）：101-103.

[10] Ji Guodong，Liao Bo，Tao Huchun，et al. Analysis of bacteria communities in an upflow fixed-bed (UFB) bioreactor for treating sulfide in hydrocarbon wastewater[J]. Bioresource Technology，2009，100 （21）：50-56.

[11] Ji Guodong，Tong Jingjing，Tan Yufei. Wastewater treatment efficiency of a multi-media biological aerated filter(MBAF) containing clinoptilolite and bioceramsite in a brick-wall embedded design[J]. Bioresource Technology，2011，102（2）：550–557.

[12] Jiang T，He J，Yang X，et al. Effects of operation parameters on nitrification in up-flow biological aerated filter coupled with zeolite media at low temperature[C]//Energy and Environment Technology，2009. ICEET'09. International Conference on IEEE. 2009：524-526.

[13] Dou Nasha，Wang Lin，Huang Xuda. Effect of operation parameters on the performance of biological aerated filter in a full-scale wastewater treatment plant[C]//Bioinformatics and Biomedical Engineering，(iCBBE)2011 5th International Conference on IEEE. 2011：1-4.

[14] Jian Zhengrong，Zhou Lili，Yin Cuixia. Study on municipal wastewater treatment using biological aerated filter with pre-denitrification[C]//Bioinformatics and Biomedical Engineering，(iCBBE) 2011 5th International Conference on IEEE. Wuhan，China，2011：1-4.

[15] Wei Yanfei，Zhang Gang，Zhou Tong，et al. Impact of hydraulic load and HRT on treatment efficiency of pre-denitrification BAF process[J]. China Water & Wastewater，2011，27（3）：94-97.

[16] Wang Lili，Hu Yongyou. Study on the effect of organic removal and ammonia nitrogen nitrified by biological aerated filter[J]. Environmental Pollution & Control，2006，28（4）：257-260.

[17] Su D，Wang J，Liu K，et al. Kinetic performance of oil-field produced water treatment by biological aerated filter[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering，2007，15（4）：591-594.

[18] Zhang S，Du M，Zhai X，et al. Study on stability and influencing factors of nitrite accumulation in biological aerated filter[C]//Computer Distributed Control and Intelligent Environmental Monitoring (CDCIEM)，2011 International Conference on. IEEE. Changsha，China，2011：1793-1796.

[19] 李婷，董文藝，王宏杰，等. 氣水比對(duì)曝氣生物濾池處理城市生活污水的影響[J]. 給水排水，2011，37（s1）：50-54.

[20] Li S，Cui J，Zhang Q，et al. Performance of blast furnace dust clay sodium silicate ceramic particles （BCSCP） for brewery wastewater treatment in a biological aerated filter[J]. Desalination，2010，258（1）：12-18.

[21] Wu S，Qi Y，Yue Q，et al. Preparation of ceramic filler from reusing sewage sludge and application in biological aerated filter for soy protein secondary wastewater treatment[J]. Journal of HazardousMaterials，2014，238：608-616.

[22] 李志峰，張志宏，李宏，等. 氣水比對(duì)曝氣生物濾池處理生活污水的影響研究[J]. 廣州化工，2013，41（16）：156-157.

[23] 朱宏，孟玉. 曝氣生物濾池中反沖洗參數(shù)的控制[J]. 中國(guó)資源綜合利用，2010，28（5）：48-49.

[24] 邱立平，王廣偉，張守彬，等. 上向流曝氣生物濾池反沖洗實(shí)驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011，5（7）：1522-1526.

[25] Desbos G，Rogalla F，Sibony J，et al. Biofiltration as a compact technique for small waste water treatment plants[J]. Water Science & Technology，1990，22（3-4）：145-152.

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

[27] 邱珊. 曝氣生物濾池處理城市生活污水的特性研究及工藝改良[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[28] 盧楠，楊永哲，李寧. 曝氣生物濾池用于城市污水深度處理的最佳工藝條件研究[J]. 中國(guó)科技論文，2013，8（9）：865-868.

[29] Dillon G R，Thomas V K. A pilot-scale evaluation of the “BIOCARBONE Process” for the treatment of settled sewage and for tertiary nitrification of secondary effluent[J]. Water Science and Technology，1990，22（1-2）：305-316.

[30] Pujol R. Process improvements for upflow submerged biofilters[J]. Water，2000，32（1）：25-29.

[31] Tschui M，Boller M，Gujer W，et al. Tertiary nitrification in aerated pilot biofilters[J]. Water Science and Technology，1994，29（10-11）：53-60.

[32] 張連科. 曝氣生物濾池處理性能影響因素實(shí)驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)導(dǎo)刊，2013，32（6）：54-56.

[33] Fdz-Polanco F，Mendez E，Uruena M A，et al. Spatial distribution of heterotrophs and nitrifiers in a submerged biofilter for nitrification[J]. Water Research，2000，34（16）：4081-4089.

[34] 王新，倪晉仁，翟風(fēng)敏. 豬場(chǎng)穩(wěn)定塘廢水的 IBAF 脫氮影響因素研究[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，14（1）：10-15.

[35] Chen Y，Peng C，Wang J，et al. Effect of nitrate recycling ratio on simultaneous biological nutrient removal in a novel anaerobic / anoxic/oxic (A2/O)-biological aerated filter (BAF) system[J]. Bioresource Technology，2011，102（10）：5722-5727.

[36] 邱立平，馬軍. 曝氣生物濾池鐵鹽及鋁鹽化學(xué)強(qiáng)化除磷的對(duì)比研究[J]. 現(xiàn)代化工，2007，27（1）：159-162.

[37] Pak D，Chang W. Simultaneous removal of nitrogen and phosphorus in a two-biofilter system[J]. Water Science & Technology，2000，41（12）：101-106.

[38] Ding Y，Wang L，Wang B，et al. Removal of nitrogen and phosphorus in a combined A2/O-BAF system with a short aerobic SRT[J]. Journal of Environmental Sciences，2006，18（6）：1082-1087.

[39] 陳英，陳榮市，陳新，等. 循環(huán)曝氣生物反應(yīng)器的流體力學(xué)和傳質(zhì)特性[J]. 化工學(xué)報(bào)，2012，63（10）：3284-3290.

[40] 黃健光，鐘理. 三級(jí)隔離曝氣生物濾池預(yù)處理煉油廢水中試研究[J]. 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，10（3）：5-7.

[41] 陳建軍，唐新亮，張柯. 內(nèi)循環(huán)BAF 在高濃度含甲醛廢水預(yù)處理中的應(yīng)用研究[J]. 石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2012，28（1）：58-60.

[42] 鐘華文，林培喜，曾書祥. 渦凹?xì)飧∨c內(nèi)循環(huán)BAF 組合工藝處理煉油廢水[J]. 中國(guó)給水排水，2011，27（14）：81-83.

[43] 程麗華，陳建軍，何東升，等. 隔離曝氣生物反應(yīng)器在煉油污水回用中的研究[J]. 化學(xué)工程，2010，38（2）：79-82.

[44] 鐘理，彭少洪，陳建軍. 曝氣生物氧化法預(yù)處理煉油廠高濃度污水[J]. 化工進(jìn)展，2005，24（9）：1050-1053.

[45] 陳英，陳東，楊賀群，等. 循環(huán)曝氣生物氧化反應(yīng)器處理煉廠重油裂解廢水[J]. 浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013（1）：43-48.

[46] 蘇兵，段金明，方宏達(dá)，等. 牡蠣殼填料曝氣生物濾池去除水源水中的氨氮[J]. 集美大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，19（2）：95-99.