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曝气生物滤池的原理及工艺
Preparedon24November2020
曝气生物滤池的原理及工艺
曝气生物滤池的原理及工艺
摘要：
曝气生物滤池（BAF）是近年发展起来的一项废水好氧生物处理的新工艺。
介绍了上向流和下向流曝气生物滤池的基本工作原理。
相比较传统的活性污泥法，曝气生物滤池具有处理能力强、处理效果好、受气温影响小、耐冲击负荷、不需二沉、工艺流程简单和菌群结构合理等优点。
分析了国内外典型曝气生物滤池处理工艺的特点及应用。
并讨论了曝气生物滤池工艺运用中的预处理及除P脱N等关键技术。
该工艺在我国具有广阔的应用前景。
关键词：
曝气生物滤池；除磷脱氮；生物膜；预处理
WorkingprincipleandtechnologyofBAF
Wangxin，
Abstract:
TheBiologicalAeratedFilter（BAF）inrecentyearsdevelopedanaerobicbiologicaltreatmentofwastewaterofthenewtechnology.IntroducedtothestreamandflowtotheBAF'sbasicworkingprinciple.Comparedtoconventionalactivatedsludge,BAFhasastrongcapacitytodealwithgoodresults,theeffectsofsmalltemperatureresistance,impactload,notwoShen,asimpleprocessandthefloraareasonablestructureoftheadvantages.AnalysisofatypicalhomeandabroadBAFprocessandthecharacteristicsoftheapplication.AnddiscussedtheBAFtechnologyandtheuseofpre-NinadditiontoPfromthekeytechnology.Theprocessinourcountrywillbewidelyapplied.
Keywords:
biologicalaeratedfilter;removelofPandN;biofilm；pretreatment
我国执行的《污水综合排放标准》（GB8978---1996），对除P脱N提出了较高要求。
而现有城市污水处理中的活性污泥法难以达到该目标。
为此，必须建立新的污水厂或对现有污水厂进行改造，使之具有除P脱N功能。
同时，随着城市发展步伐的加快及城市区域的拓展，污水处理设施离城区越来越近，有的甚至建在城区，因此，污水厂的土地使用受到严格的限制。
传统的污水处理厂不可避免地要产生异味和噪音。
由于以上诸多客观需求，必须寻找新的污水处理技术。
实践表明，淹没式曝气生物滤池（BAF）工艺是最为经济有效的除P脱N处理方法之一。
BAF（BiologicalAeratedFiler）技术最早由法国CGE（CompaguineGenereledesEanx）公司所属的OTV（L’OmniumdeFraitementsetdeValorisation）公司开发。
目前，在欧美、日本等地已有数百座大小各异的污水处理厂采用了BAF技术。
我国已经有多个示范工程，从BAF工艺的开发到日趋成熟，国内外出现了多种基于BAF技术的水处理工艺。
我们针对国家《污水综合排放标准》（GB8978---1996）就如何运用BAF水处理方案进行了探讨。
1BAF技术的基本工作原理和工艺特点
1.1BAF基本工作原理
BAF工艺类型和操作方式有多种，各具特点，但其基本原理是一致的。
曝气生物滤池处理污水的原理是反应器内填料上所附生物膜中微生物氧化分解作用，填料及生物膜的吸附阻留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用。
BAF水流流向主要分为下向流和上向流，其中下向流以OTV公司的BIOCARBONE工艺为代表；上向流以OTV公司的BIOSTYR工艺为代表。
BIOSTYR和BIOCARBONE工艺示意图见图1。
图1 BIOSTYR和BIOCARBONE工艺
BAF反应器为周期运行，从开始过滤到反冲洗完毕为一个完整的周期。
具体过程如下：
在BIOCARBON工艺中，经预处理的污水从滤池顶部进入，在滤池底部进行曝气，气水处于逆流。
在反映其中，有机物被微生物氧化分解，NH3-N被氧化成NO3-N，另外由于在生物膜的内部存在厌氧/兼氧环境，在硝化的同时实现部分反硝化。
在无脱N要求的情况下，从滤池底部的出水口直接排出系统，一部分留做反冲洗之用，如果有脱N的要求，出水需进入下一级后置反硝化柱，同时需外加碳源，因为内环境反硝化不能使出水TN达到排放要求。
随着过滤的进行，由于填料表面新产生的生物量越来越多，截留的SS不断增加，在开始阶段水头损失增加缓慢，当固体物质积累达到一定程度，堵塞滤层的上表面，并且阻止气泡的释放，将会导致水头损失很快到达极限，此时应立即进入反冲洗再生，以去除滤床内过量的生物膜及SS，恢复处理能力。
反冲洗采用气水联合反冲，反冲洗水为经处理后达标水，反冲空气来自于地部单独的反冲气管。
反冲时关闭进水和工艺空气，水气交替单独反冲，最后用水漂洗。
滤层有轻微的膨胀，在气水对填料的流体冲刷和填料间相互摩擦下，老化的生物膜和被截留的SS与填料分离，冲洗下来的生物膜及SS在漂洗中被冲出滤池，反冲洗污泥回流至预处理部分。
由于正常过滤和反冲时水流方向相反，使填料层顶部的高浓度污泥不经过整个滤床，而是以最快的速度离开滤池，这对保证滤池的出水是有利的。
在BIOSTYR工艺中，经预处理的污水与经硝化的滤池出水按一定回流比混合后进入滤池底部。
在滤层中进行曝气，曝气系统将滤池分为好氧和缺氧两部分。
在缺氧区，一方面反硝化菌利用进水中的有机物作为碳源，将滤池中的NO3-N转化为N2,实现反硝化。
另一方面，填料上的微生物利用进水中的溶解氧和反硝化产生的氧降解BOD，同时，一部分SS被吸附截留在滤床内，这样便减轻了好氧段的固体负荷。
经过缺氧段处理的污水然后进入好氧段，好氧段的微生物利用从气泡转移到水中的溶解氧进一步降解BOD，硝化菌将NH3-N氧化为NO3-N，滤床继续截留在缺氧段没有被除去的SS。
流出滤层的水经上部滤头排除滤池，出水按需求分为：
（1）排出处理系统；
（2）按回流比与原水混合进行反硝化；（3）用作反冲洗水。
随着过滤的进行，滤层中新产生的生物膜和SS积累不断增加，水头损失与时间呈线性正相关。
当水头损失达到极限水头损失时，应及时进入反冲洗以恢复滤池的处理能力。
由于在BIOSTYR工艺中没有形成表面堵塞层，使得BIOSTYR工艺比BIOCARBONE工艺运行时间要长。
反冲时也为气水交替反冲，反冲洗水即为贮存在滤池顶部的达标排放水，反冲空气来自底部的反冲洗气管，反冲水自上而下。
其反冲过程基本类似于BIOCARBONE工艺。
两者的反冲过程没有太多的理论依据，但必须把握以下原则：
既要恢复过滤能力，又要保证填料表面仍附着有足够的生物体，使滤池满足下一周期净化处理要求。
从BIOCARBONE到BIOSTYR工艺的运用是一个逐步发展的过程，该技术的关键是采用了一种特殊的填料（密度为cm3左右的有机填料）。
相比而言，BIOSTYR工艺有如下优点：
（1）重力流反冲洗无需反冲泵，节省了动力；
（2）滤头布置在滤池顶部，与处理水接触不易堵塞，便于更换；（3）硝化/反硝化在同一池内完成。
1.2BAF的工艺特点
与活性污泥法相比，具有以下特点：
（1）具有更高的生物浓度和更高的有机负荷。
BAF中采用的粗糙多孔的粒状填料为微生物提供了更佳的生长环境，易于挂膜及稳定运行，可在填料表面保持较多的生物量，单位体积内微生物量远远大于活性污泥中的微生物量（可达10~15g/L）。
高浓度的微生物量使得BAF的容积负荷增大，进而减少了池容积和占地面积，使基建费用大大降低。
（2）占地面积小。
由于在BAF反应器中，处理效果与填料高度成正相关，因此可以通过增加填料高度来减少占地面积。
（3）工艺简单，基建费用低。
由于填料的机械截留作用以及滤料表面的微生物和代谢中产生的粘性物质形成的吸附架桥作用，因此，可省去二沉池，进而降低基建费用，在稳定运行情况下，去除SS的机理类似于普通快滤池，只要没有发生穿透，出水SS均较为理想。
（4）受气温影响小。
由于BAF滤池为半封闭或全封闭构筑物，其生化反应受外界温度影响较小，因此适合于寒冷地区进行污水处理。
（5）菌群结构合理。
传统的活性污泥法，微生物的分布相对均匀，而在BAF中从上到下形成了不同的优势生物菌种，因此使得除C、硝化/反硝化能在同一个池子中发生，简化了工艺流程。
（6）耐冲击力强。
BAF滤池对有机负荷、水力负荷、温度的变化不像活性污泥法那么敏感。
2国内外典型的BAF组合工艺及特点
按照污水处理要求不同，可将BAF工艺分为以下几类：
除C/硝化工艺；C/硝化/反硝化工艺；除C/除P/脱N工艺。
除C/硝化工艺
图2为某设计院设计的试验工程，原水经过预处理，进入BAF滤池实现除C和硝化，在该工艺中，由于生物膜厌氧内环境的存在，对TN有一定的去除率，但TN不是控制指标，适用于对NH3-N排放有要求的工艺。
当进水固体杂质较多时，初级处理建议采用水解，这样可减少初级处理的产泥量。
图2水解-BAF工艺
除C/硝化/反硝化工艺
图3的工艺为基于A/O的原理对图2工艺的改进。
因为在图2工艺中未涉及对TN的要求，如果对TN排放有限制，只需将出水的一部分回流到前段水解池便可以实现反硝化，实现脱N目的，通常回流比R为100%~300%。
图4的工艺将硝化和反硝化分别在两个滤池中进行，该工艺操作方便运行可靠，但必须外补充碳源供反硝化之用，并且外加碳源的量必须严格控制，外加碳源过少，反硝化不彻底，TN排放不能达标；外加碳源过多，出水COD难以达标。
因此建议适当多加碳源，但必须再出水中将DO质量浓度维持在2~4mg/L，以防止出水COD超标。
图5的工艺中将BAF作为三级处理，实现脱N的目的，该工艺采用BIOSTYR工艺，代表性的有法国GERGY污水厂。
该厂处理流量为40，000m3/d，进出水水质见表1。
图3水解-BAF硝化工艺
图4两端后置脱N工艺
图5BAF三级处理工艺
表1GERGY污水厂进出水水质mg/L
项目
进水
出水
COD
SS
BOD5
TKN
670
350
350
350
<60
<20
<25
<10
运行时，对曝气池出水水质需加控制以确保有充足的反硝化碳源。
如果要实现出水P排放达标，可在斜沉池前加入化学除P剂便可。
该工艺可作为我国部分污水处理厂的扩建工艺，使出水TN达标排放。
除C/除P/脱N工艺
图6的工艺适用于进水杂质SS浓度很高的原水。
BAF为中间曝气，利用进水的碳作为反硝化碳源，减轻了好氧段的负荷，节省了用地面积，同时后处理除P可保证BAF池中有充足的P营养源。
该工艺中BAF为上向流，国外用得较多的为BIOSTYR工艺。
图7的工艺将硝化和反硝化分别在两个不同滤池中进行，仍具有单段前置脱N的许多优点，同时，操作比单池脱N稳定可靠，但该工艺投资及占地面积较大。
在混沉池中加入化学出P剂，实现除P目标。
该工艺进水杂质、SS浓度不宜过大，否则混沉池的排泥将成为问题。
同时要保证BAF池生化反应所需的P营养源。
图8的工艺中在预沉池中投加化学除P剂实现化学除P，除C、硝化、反硝化分别在三个滤池中进行，BAF池均为BIOSTYR工艺，外加碳源进行后置脱N。
由于各滤池相对独立，各自的处理目的明确，因此运行稳定性和处理效果好。
虽然池数较多，但可以将大部分的池容埋于地面以下。
只要设计合理仍可做到节约用地，特别是该工艺的雨水处理技术值得在设计中进行借鉴。
法国塞纳中心COLOMBES污水厂为该工艺的典型代表。
该厂的设计流量为240，000m3/d，进出水水质见表2。
图6前置脱N-后续化学除P工艺
图7两段前置脱N工艺
图8三阶段除P脱N工艺
表2COLOMBES污水厂进出水水质mg/L
项目
进水
旱季排放
雨季排放
COD
SS
BOD5
NH3-N
TKN
TP
600
360
240
40
60
16
<60
20
25
<8
10
1
<80
30
30
<12
15
该工艺适用于大水量、运行稳定要求高的生活污水处理。
图9两段曝气BAF工艺
图9的工艺与常规两段曝气生物滤池的最大不同在于，一般除C在硝化池，而在这里除C与反硝化同处一池，硝化池只是作为除C的可靠保证。
在该工艺中硝化池和反硝化池均需进行曝气。
进水从BAFDN池上部经填料后进入BAFN池的底部，然后从BAFN池上部出水。
空气从BAFDN的底部通入形成逆流，增大了气水接触面积，有利于氧的转移，有利于发挥表面生物膜的氧化降解作用。
反硝化作用主要利用BAFDN池中氧下多上少的分布在顶部实现反硝化。
BAFN池中进行曝气为出水COD达标提供了更可靠的保证。
如对P有更高的要求，可在BAFN池进水端投加Fecl3。
该工艺可以处理生活污水、含高浓度COD的有机工业废水，也可用于废水的深度处理。
其运行参数见表3。
表3两段曝气BAF运行参数
参数
BOD处理负荷/（kg·d-1·m-3）
HRT/h
气、水比
指标
2~10
~1
（2~3）：
1
参数
除P脱N
生物反应器体积
污泥量/（kg·m-3）
指标
强
活性污泥法的1/20
3~10
工艺的技术评价
纵观以上工艺，流程非常简单，但能使出水达到处理要求，这是由BAF滤池本身固有的性质决定的。
每个工艺主要有以下两部分构成：
预处理（沉淀或水解）+BAF。
根据出水是否有脱N的污水，如果有进水碳源充足可考虑选择上向流前置脱N，这样既可以缩短流程（减少占地面积），同时又可以节省投资。
如果进水碳源不充分，最好将硝化/反硝化单独进行，考虑后置脱n，其最为不利的一面是需要外加碳源，运行成本相对较高。
另一个最大的问题是如何投加适当剂量的碳源，这需要可靠的自动控制、稳定的进水浓度，同时，出水需要进行曝气用于去除过量的碳。
但后置脱N一旦进入正常运行，出水水质稳定，同时操作也较为简单。
BAF除P工艺主要有两种：
前置除P和后置除P。
如果进水固体杂质较少，可选前置除P。
如果进水固体杂质较多则最好选择后置除P，除P剂一般用Fecl3较为经济合理。
表4为同时进行硝化/反硝化的BIOSTYR滤池常用设计参数。
表4BIOSTYR常用设计参数
处理目的
污水性质
滤速/（m·h-1）
COD负荷/（kg·m-3·d-1）
NH3-N负荷/（kg·m-3·d-1）
硝化/反硝化
城市污水为主
1~
2~
<
单池面积/m2
好氧区高度/缺氧区高度
回流比/%
气水比
<100
~
100~300
（1~3）：
1
3BAF运行控制的影响因素
滤料
滤料是生物膜的载体，兼有截留悬浮物质的作用。
同时滤料作为曝气生物滤池的核心组成部分，影响着曝气生物滤池的发展。
曝气生物滤池发展过程一次形成的3种不同的形式，采用的滤料各不相同：
BIOCARBONE采用的是石英砂粒；BIOFOR采用的是轻质陶粒；BIOSTYR采用的则是密度比水小的聚苯乙烯球形颗粒。
国外的实际运行表明，BIOFOR和BIOSTYR明显优于BIOCARBONE。
因此，曝气生物滤池的性能优劣很大程度上取决于滤料的特性，滤料的研究和开发在曝气生物滤池工艺中至关重要。
滤料的粒径对曝气生物滤池的运行有重要的影响。
Moore等研究发现随着曝气生物滤池内滤料尺寸的减小，可以提高反应器对底物的去除效率，但会增加反冲洗的需求。
肖文胜在单级BIOFOR中，使用不规则形状页岩及球形粘土陶粒作填料处理生活污水，试验结果表明，它们对CODcr、SS的去处均能达到满意效果，对CODcr,二者处理效果接近，对NH3-N和SS的去除，不规则页岩比陶粒效果略好一点，但差别不大。
反冲洗
随着悬浮物的截留和生物膜的增长，对曝气生物滤池进行反冲洗是必须的，以便将老化的生物膜和截留的悬浮物冲洗除去。
张杰等对小规模的曝气生物滤池的研究表明，脉冲反冲洗的效率远大于气-水连续反冲洗；扩展流池型曝气生物滤池比均匀流池型曝气生物滤池易于洗净和生物滤层的恢复。
扩展流曝气生物滤池脉冲气流强度为8~10L/（m2·s），连续水冲强度为2~4L/（m2·s），反冲洗时间为5min。
李玉华等采用气浮-曝气生物滤池工艺处理哈尔滨某棉纺厂印染废水的试验结果表明曝气生物滤池采用气-水联合反冲的效果较好，得出最佳水冲强度为5~7L/（m2·s）、气冲强度为13~17L/（m2·s），反冲洗时间为15min，反冲洗周期为24h。
气水比
气水比是影响生物膜生长和出水效果的重要因素。
在好氧处理工艺中需氧量是工业控制的主要指标。
生物膜的量，微生物的代谢能力和代谢过程，有机物的去处动力，出水有机物的浓度，均与氧的供给密度相关。
通常，用于硝化的BAF-C/N需要较高的气水比，而仅需碳化的BAF-C可采用较低的比值。
应用BIOSTYR进行硝化的研究表明，去除1kgNH3-N所需的供气量为70m3。
刘金香等在对沸石-陶粒曝气生物滤池处理微污染水源水的试验研究中指出：
当气水比为时，出水中溶解氧的质量浓度为2~3mg/L，CODMn的平均去除率为%，氨氮的平均去除率为%；当气水比增大为1时，出水中DO的质量浓度为5~7mg/L，CODMn的平均去除率上升为%，氨氮的去除率上升为%；而气水比增大为2时，CODMn、氨氮的去除率没有明显增加。
水力负荷
水力负荷的大小以多种方式影响曝气生物滤池的净化效果。
水力负荷的大小直接关系到水在曝气生物滤池中与滤料上生物膜的接触时间。
从水力停留时间（HRT）来考虑，微生物对基质的降解需要一定的接触反应时间作保证。
水力负荷愈小，水与滤料接触时间愈长，处理效果愈好，反之亦然。
但是HRT与工程造价密切相关，在满足处理要求的前提下，应尽可能减少HRT。
王立立等采用以球形轻质陶粒作为填料的曝气生物滤池对南方特有的低浓度生活污水进行试验，研究发现在低曝气条件下，当水力负荷在~（m2·h）范围变化时，CODcr的去除率呈现先增加后降低的趋势，而氨氮的去除率则受水力负荷的变化影响较小。
4讨论
预处理
为了使滤池能有较长的运行周期，减少反冲次数降低能耗，运用BAF的工艺都需对水进行预处理，否则原水中的大量杂质和SS将进入曝气滤池，将会堵塞曝气、布水系统，给系统的运行带来严重的后果。
尤其是滤池用于二级处理时，往往需投加药剂才能达到这一要求，药剂的使用不仅增加了运行费用，部分药剂还降低碱度，进而影响反硝化，这是运用BAF工艺时需要考虑的问题。
除P脱N
在生物除P技术中，将脱N和除P相结合的系统对除P不利，因为除P脱N本身是一对不可调和的矛盾，如果DO太低，除P率会下降，硝化反应受到限制，污泥沉降性能差，如果DO太高，则由于回流厌氧区DO增加，反硝化受到限制，同时NO3-N的浓度可影响厌氧区P的释放。
因为，P的释放最好为厌氧环境，如果有NO3-N存在就表明只能为兼氧环境。
从目前的BAF运行工艺看，完全用生物除P是很难达到排放标准的。
用生物除P就失去了生物滤池高负荷的特点，造成投资过大，因此最好用加Fecl3药剂的方法除P，而生物滤池由于耐水力冲击负荷，可使处理后的水超量回流，并在运行中加化学药剂，将化学处理和生物处理同时应用于系统中，达到除P脱N的目的，使化学药剂的用量相对减少，从而降低运行费用。
BAF的发展趋势
从国外来看，上向流有逐步取代下向流的发展趋势。
从OTV公司产品开发演变也可以看出这一点由于BIOSTYR工艺有较多优点，国内研究开发的工艺也以上向流居多。
研发出基于我国技术现状的上向流BAF工艺，应是国内BAF发展的方向。
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