喬勇 QIAO Yong

（中鐵國(guó)際集團(tuán)有限公司，北京 100036）

0 引言

2000 年，我國(guó)被聯(lián)合國(guó)評(píng)為十三個(gè)貧水國(guó)之一，人均水資源量?jī)H為全世界人均量的1/4，每年人均擁有的水資源只有約2150-2300m3左右[1，2]。根據(jù)水利部下發(fā)的《21 世紀(jì)中國(guó)水供求》，2030 年我國(guó)供水總需求量將達(dá)到10000億m3，供水缺口將達(dá)到4000-5000m3。與此同時(shí)，隨著城鎮(zhèn)化急速擴(kuò)張、人口數(shù)量增加、經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水資源短缺和水環(huán)境污染問(wèn)題會(huì)日益凸顯，水資源短缺將成為制約我國(guó)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)問(wèn)題[3-5]。對(duì)此，尋找高效、易操作的水污染處理技術(shù)成為重中之重。

常見(jiàn)的生活污水處理方法有A2/O、氧化溝等，但都存在一定的不足之處。在A2/O 工藝中，如果進(jìn)入二沉池的污水含氧量較低，一方面二沉池會(huì)因缺氧反硝化而產(chǎn)生N2，從而使污泥上浮、流出，另一方面會(huì)使聚磷菌釋磷，出水總磷升高[6，7]；而在氧化溝工藝中，也存在污泥膨脹、油脂經(jīng)轉(zhuǎn)刷攪拌產(chǎn)生泡沫、污泥上浮以及流速不均使污泥沉積等問(wèn)題[8，9]。而曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter，簡(jiǎn)稱BAF）于上世紀(jì)80 年代產(chǎn)生于歐洲，此后在歐美和日本廣為傳播，是一種集過(guò)濾、生物吸附、生物氧化于一體的水處理技術(shù)，具有占地小、出水水質(zhì)高、污泥量小、水力負(fù)荷高等優(yōu)點(diǎn)，可維持高的水力負(fù)荷和保留高的生物量濃度以減少環(huán)境沖擊，能促進(jìn)微生物生長(zhǎng)且產(chǎn)泥量少。上世紀(jì)90 年代初受到了廣泛關(guān)注[10-12]。

對(duì)此，本文采用曝氣生物濾池處理化工廢水及濾池反洗水，考察了其在中試工程中對(duì)廢水中CODCr的去除效果，探究了水力負(fù)荷、氣水比、電導(dǎo)率、反洗時(shí)間等因素對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr的影響及最佳試驗(yàn)條件，以求對(duì)實(shí)際過(guò)程中曝氣生物濾池去除污水中CODCr做出指導(dǎo)。

1 曝氣生物濾池概述

1.1 曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)

本中試工程所采用的中試設(shè)備材質(zhì)為碳鋼防腐。其結(jié)構(gòu)尺寸為1.2×0.7×4.6（H），共3 座共壁，并聯(lián)使用，運(yùn)行方式為下向流，氣水逆向流，曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，主要由生物反應(yīng)過(guò)濾區(qū)、曝氣裝置、反沖洗裝置等三部分組成，生物反應(yīng)過(guò)濾區(qū)由生物濾料層和碎石墊層組成，濾料層采用粒徑4-6mm 的輕質(zhì)生物陶粒，高度為2.0-2.8m，其中一座濾料高度2.8m，其他兩座濾料高度2.0m。墊層采用10-20mm 的碎石，厚度0.2m，濾池有效容積2.6m3；曝氣生物濾池所需空氣通過(guò)布置碎石墊層內(nèi)的穿孔曝氣管直接進(jìn)入生物濾料層；反沖洗裝置采用配水和配氣聯(lián)合系統(tǒng)，其中配氣設(shè)備為HC-15 型羅茨風(fēng)機(jī)。試驗(yàn)裝置中閥門(mén)采用手動(dòng)控制，進(jìn)水及進(jìn)氣管道上均裝有玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)，可隨時(shí)讀取進(jìn)水、進(jìn)氣量。具體如圖1 所示。

圖1 曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工藝流程原理

曝氣生物濾池基本原理是通過(guò)馴化培養(yǎng)使得濾池內(nèi)濾料生長(zhǎng)微生物生物膜，通過(guò)生物膜進(jìn)行生物氧化分解作用對(duì)水質(zhì)進(jìn)行凈化。濾池底部通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行曝氣，空氣與污水同向或者逆向接觸。同時(shí)通過(guò)濾料及生物膜微生物產(chǎn)生的胞外聚合物（EPS）對(duì)水中的懸浮顆粒物進(jìn)行過(guò)濾截留，沿水流方向形成的食物鏈分級(jí)捕食作用以及生物膜內(nèi)部微環(huán)境和厭氧段的反硝化作用，達(dá)到水質(zhì)凈化的目的。圖2 為曝氣生物濾池的工藝流程圖。

圖2 曝氣生物濾池工藝流程圖

1.3 曝氣生物濾池的特點(diǎn)

②曝氣生物濾池具有技術(shù)簡(jiǎn)單、投資費(fèi)用低、運(yùn)營(yíng)成本低的特點(diǎn)，能以較低的費(fèi)用去除較多的SS。

③可有效提高反應(yīng)池中微生物濃度，提高生物組成的復(fù)雜性，增強(qiáng)菌落的惡略環(huán)境生存能力。

1.4 曝氣生物濾池的功能

1.4.1 有效去除污水中的有機(jī)物

曝氣生物濾池微生物濃度高、生物組成復(fù)雜的特點(diǎn)，使其對(duì)污水中的有機(jī)物的吸附效果大大增強(qiáng)。雷曉玲等人[13]探究了以曝氣生物濾池去除高有機(jī)物廢水中的污染物，結(jié)果表明：曝氣生物濾池高生物濃度、高生物種類有利于污染物的去除，此外，填料的阻攔、生物的吸收、處理作用使廢水中有機(jī)物得到較好的去除；孫漓青[14]等人在高碑店污水處理廠中試研究時(shí)利用曝氣生物濾池進(jìn)行生活污水處理，結(jié)果表明，廢水中COD 的去除率達(dá)86%；OTV 公司[15]研發(fā)的曝氣生物濾池對(duì)COD、BOD 的去除率分別為80%及93.8%；大連市馬欄河污水處理廠[16]的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)顯示，曝氣生物濾池對(duì)COD、BOD 和NH3-N 的去除效果穩(wěn)定。研究結(jié)果顯示，曝氣生物濾池高微生物濃度、高生物相的特點(diǎn)，使其對(duì)污水中有機(jī)物具有較好的去除效果。

1.4.2 氮的去除

曝氣生物濾池為懸浮和附著兩類工藝的組合，浸泡在污水中的填料表面和間隙存在生物膜及活性污泥，包含好氧、兼性和厭氧微生物，可以同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化反應(yīng)，為脫氮提供了較好環(huán)境。生物膜層附著在填料的外表面，外部由硝化細(xì)菌、好氧微生物等組成，內(nèi)部以兼性厭氧菌為主，污染物被生物膜吸附，在由外向內(nèi)的過(guò)程中，經(jīng)歷好氧、厭氧環(huán)境，硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的進(jìn)行就得以實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)脫氮的效果[17，18]。針對(duì)曝氣生物濾池的脫氮效果，王春榮[19]等研究表明兩段曝氣生物濾池可將污水中91.54%-93.96%的氨氮去除，去除效果較好，可以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)；李汝琪等[20]的研究結(jié)果表明，在水力負(fù)荷為0.53m/h 的條件下，曝氣生物濾池對(duì)生活污水中NH3-N 的去除率為91.85%，出水口濃度為l.7mg/L，對(duì)TN 的去除率為85.1%，出水口濃度為4.3mg/L；鄭州某污水處理廠[21]在NH3-N 負(fù)荷為0.99kg/（m3·d）的條件下，探究了曝氣生物濾池對(duì)氨氮的去除效果，結(jié)果表明，氨氮去除率為96.1%；王樹(shù)濤[22]以曝氣生物濾池處理含氨氮的污水，結(jié)果顯示，隨著溫度的提高，曝氣生物濾池的硝化率可提高到100%，隨著溫度的下降，硝化速率隨之下降。研究表明，曝氣生物濾池可有效去除污水中的氮，并且去除效果同有機(jī)物濃度、溫度、停留時(shí)間等因素有關(guān)。

1.4.3 磷的去除

在不投加化學(xué)藥劑的前提下，通過(guò)曝氣生物濾池難以將污水中磷的含量控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)[23]。研究表明，曝氣生物濾池中生物的同化作用、吸附作用及生物積累作用可對(duì)污水中磷的去除產(chǎn)生一定的作用，但效果不佳。針對(duì)曝氣生物濾池除磷的效果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多探究，Goncalves 等研究顯示進(jìn)水方式對(duì)曝氣生物濾池脫氮除磷的影響較??；德國(guó)的研究表明，通過(guò)同步硝化除磷，曝氣生物濾池可去除污水中70%的磷，去除效果較優(yōu)；此外，有研究探索了在交替好氧、厭氧條件下，曝氣生物濾池對(duì)污水中磷的去除能力，結(jié)果顯示，碳磷比、水力停留時(shí)間、硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量以及反沖洗過(guò)程均會(huì)對(duì)曝氣生物除磷產(chǎn)生影響。綜合來(lái)看，曝氣生物濾池對(duì)污水中磷的去除能力有限，需協(xié)同化學(xué)藥劑進(jìn)行處理才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入新時(shí)代，對(duì)服務(wù)“三農(nóng)”工作提出新要求。鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電所是國(guó)家電網(wǎng)公司服務(wù)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、新時(shí)代“三農(nóng)”的前沿陣地。近幾年國(guó)家電網(wǎng)公司全面推進(jìn)“全能型”鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電所建設(shè)并實(shí)現(xiàn)全覆蓋，農(nóng)村供電服務(wù)質(zhì)效得到充分提升。在建設(shè)過(guò)程中，我們公司積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，取得了一定成績(jī)，但仍存在著一些不容忽視的問(wèn)題，必須引起我們的重視。例如設(shè)計(jì)的合理性、完整性、統(tǒng)一性和精確性還存在很大問(wèn)題；工程組織方式落后，管理能力參差不齊，企業(yè)信息化水平較低；工藝水平和工程質(zhì)量完成度還有很大的改進(jìn)空間（見(jiàn)圖1）。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 進(jìn)出水水質(zhì)情況

根據(jù)乙烯公司外排水水源的實(shí)際水量情況，將濾池反洗水、生活污水、雨水及清凈下水按照一定比例提升到調(diào)節(jié)池內(nèi)混合，將混合后的水通過(guò)提升泵提升進(jìn)入曝氣生物濾池進(jìn)行處理，其進(jìn)、出水的水質(zhì)如表1 所示。

表1 進(jìn)出水水質(zhì)情況

2.2 運(yùn)行參數(shù)

處理水量：3m3/h；水力負(fù)荷：0.5-1.4m3/m3·h；氣水比：1～4；反洗時(shí)間：10-90min；進(jìn)水電導(dǎo)率：800-2000μs/cm。

2.3 試驗(yàn)方法

反沖洗采用氣水交替反沖，①關(guān)閉進(jìn)水和工藝用空氣；②水單獨(dú)沖洗5min；③空氣單獨(dú)沖洗5min；繼而②、③步驟交替進(jìn)行并重復(fù)幾次；④最后用水漂洗一次。反沖洗水自下而上，填料層在單獨(dú)水沖或氣沖過(guò)程中，不斷膨脹和被壓縮，同時(shí)，在水、氣對(duì)填料的流體沖刷和填料顆粒間互相摩擦的雙重作用下，生物膜、被截留吸附的SS 與填料分離，沖洗下來(lái)的生物膜及SS 在漂洗中被沖出濾池。再生后的濾池進(jìn)入下一周期運(yùn)行。期間，利用溶解氧測(cè)定儀每天1～4 次監(jiān)測(cè)進(jìn)出水溶解氧；采用美國(guó)哈希公司2100 型濁度測(cè)定儀，每2 個(gè)小時(shí)監(jiān)測(cè)出水濁度；隨時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)出水水溫和電導(dǎo)率；定期監(jiān)測(cè)進(jìn)出水CODCr水質(zhì)指標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 進(jìn)、出水CODCr 變化曲線圖

圖3 為5 月上旬至9 月上旬曝氣生物濾池進(jìn)出水CODCr濃度變化曲線。

圖3 進(jìn)出水CODCr 變化曲線圖

由圖3 顯示，5 月上旬至8 月下旬，進(jìn)水CODCr濃度在45-65mg/L 的范圍內(nèi)變化，而出水CODCr濃度在20-35mg/L 的范圍內(nèi)變化?？梢钥闯觯M(jìn)水CODCr濃度整體偏低，這是由于該地區(qū)從5 月下旬開(kāi)始至8 月下旬期間雨水量較大，對(duì)乙烯公司外排水起到了稀釋作用，同時(shí)廠區(qū)路面上的一些雜質(zhì)隨雨水進(jìn)入中試工程取水井內(nèi)，致使進(jìn)水的CODCr偏低。其中，6 月下旬的去除率最大，為63.63%；7 月下旬去除率最小，為48.00%，但出水CODCr整體達(dá)到了進(jìn)入后續(xù)處理工段的條件。

3.2 水力負(fù)荷對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

為探究水力負(fù)荷對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr的影響，分別在水力負(fù)荷為0.5、0.7、0.9、1.0、1.2、1.4m3/m2·h 的條件下，計(jì)算CODCr的去除率，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 水力負(fù)荷對(duì)BAF 池去除CODCr 的影響

圖4 表明，當(dāng)水力負(fù)荷由0.5m3/m2·h 上升至1.4m3/m2·h時(shí)，曝氣生物濾池對(duì)CODCr的去除率由55%降低至25%，即表明，水力負(fù)荷與CODCr的去除率呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)水力負(fù)荷小于1.0m3/m2·h 時(shí)，CODCr的去除率較高，但隨著水力負(fù)荷持續(xù)減小，CODCr的去除率并未得到大幅度提升，因此考慮實(shí)際工程占地因素，運(yùn)行過(guò)程中采用1.0m3/m2·h 比較合理。

3.3 不同氣水比對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

為探究氣水比對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr的影響，分別在氣水比為，1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 的條件下，測(cè)量COD的去除率，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同氣水比對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

由圖5 可知，當(dāng)氣水比小于1.5 時(shí)，CODCr去除率隨氣水比的增加而增加，而當(dāng)氣水比大于1.5 時(shí)，CODCr去除率隨氣水比的增加而降低。這是由于，當(dāng)曝氣量增大時(shí)，會(huì)使微生物自身氧化，造成有機(jī)物分級(jí)形成部分CODCr；同時(shí)，風(fēng)量過(guò)大會(huì)使微生物處于松散狀態(tài)，不能很好地粘附于填料上形成微小的生物環(huán)境，降低了COD 的去除率。此外，中試設(shè)備運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣水比1.5 時(shí)，BAF 池出水溶解氧均不低于3.5mg/L，滿足BAF 池對(duì)溶解氧濃度的要求。即考慮到曝氣生物濾池對(duì)CODCr的去除效果以及經(jīng)濟(jì)性原因，采取氣水比為1.5 較為合理。

3.4 來(lái)水導(dǎo)電性對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

為探究來(lái)水導(dǎo)電性對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr的影響，分別在電導(dǎo)率為，800、1000、1200、1400、1500、1700、2000μs/cm 的條件下，測(cè)量進(jìn)出水COD 的濃度及去除率，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 不同氣水比對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

由圖6 可以看出，當(dāng)進(jìn)水電導(dǎo)率在800-1400μs/cm 的條件下，曝氣生物濾池對(duì)CODCr的去除率在45%以上；當(dāng)進(jìn)水電導(dǎo)率大于1400μs/cm 時(shí)，曝氣生物濾池對(duì)CODCr的去除率隨著電導(dǎo)率的增大而降低。即表明，當(dāng)BAF 池進(jìn)水電導(dǎo)高于1400μs/cm 時(shí)，對(duì)CODCr的去除影響較大，所以在工程運(yùn)行過(guò)程中，須保證BAF 池進(jìn)水電導(dǎo)不高于1400μs/cm 才能維持對(duì)有機(jī)物的去除效果。

3.5 反沖洗時(shí)間對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

為探究反沖洗時(shí)間對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr的影響，分別在反沖洗時(shí)間為，10、20、30、45、60、90min 及進(jìn)水CODCr濃度為50mg/L 的條件下，測(cè)量出水COD 的濃度及去除率，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 反洗時(shí)間對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

圖7 顯示，隨著反洗時(shí)間的延長(zhǎng)，曝氣生物濾池出水CODCr濃度逐漸降低，在反洗時(shí)間為45min 及以上的條件下，出水CODCr濃度降至最低并逐步趨于穩(wěn)定。圖8 表明，隨著反洗時(shí)間由10min 延長(zhǎng)至45min，曝氣生物濾池對(duì)CODCr的去除率由20%提升至50%。由此可知，至少需要進(jìn)行45min 以上的反洗才能使曝氣生物濾池回復(fù)正常的去除效果。

圖8 不同反洗時(shí)間下曝氣生物濾池對(duì)CODCr 的去除率

4 結(jié)語(yǔ)

曝氣生物濾池具有占地小、出水水質(zhì)好、流程簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文選取乙烯公司外排水為研究對(duì)象，探究了曝氣生物濾池在化工廢水中水回用工程中對(duì)COD 的處理效果，并針對(duì)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)水CODCr濃度、水力負(fù)荷、氣水比、進(jìn)水電導(dǎo)率以及反洗時(shí)間等因素對(duì)曝氣生物濾池去除CODCr效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：①進(jìn)水CODCr濃度在45-65mg/L 時(shí)，曝氣生物濾池對(duì)污水中CODCr的去除率在48.00%-63.63%的范圍內(nèi)。②隨著水力負(fù)荷增大，曝氣生物濾池對(duì)CODCr的去除效果減小，考慮實(shí)際工程占地因素，運(yùn)行過(guò)程中采用1.0m3/m2·h 比較合理。③當(dāng)氣水比小于1.5 時(shí)，CODCr去除率隨氣水比的增加而增加，而當(dāng)氣水比大于1.5 時(shí)，CODCr去除率隨氣水比的增加而降低，因此，考慮到曝氣生物濾池對(duì)CODCr的去除效果以及經(jīng)濟(jì)性原因，采取氣水比為1.5 較為合理。④進(jìn)水電導(dǎo)率大于1400μs/cm 時(shí)，曝氣生物濾池對(duì)CODCr的去除率隨著電導(dǎo)率的增大而降低，因此必須保證BAF 池進(jìn)水電導(dǎo)不高于1400μs/cm 才能維持對(duì)有機(jī)物的去除效果。⑤至少需要進(jìn)行45min 以上的反洗才能使曝氣生物濾池回復(fù)正常的去除效果。