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曝气生物滤池效能关键影响因素研究进展
Advances in Research on Critical Parameters Affecting Performances of Biological Aerated Filters
Abstract: Biological aerated filters (BAFs) are a new kind of biological oxidation process applied widely in wastewater treatment. On the basis of domestic and international studies on BAFs, this paper analyzed the advances in research on the key factors affecting performances of BAFs, including media, hydraulic retention time, temperature, dissolved oxygen concentration, backwashing, chemical reagents for dephosphorization. Important fields for research and development of BAFs in the future were proposed. This review can be referred for the research on BAFs and design and management of BAFs.
Key words: biological aerated filter; biological oxidation ; wastewater treatment
曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，BAF）是20世纪80年代末在欧美发展起来的新型废水处理技术。该技术的突出特点是采用粒状填料，具有处理效率高、占地面积小、基建费用低、流程简单、可靠性好等优点，现已广泛应用于城市废水处理、中水回用及微污染源水的预处理[1，2]。它通过反应器内填料上生长的生物膜中微生物的氧化分解作用、填料及生物膜中微生物的物理吸附作用、沿水流方向形成的食物链的分解捕食作用及生物膜内部环境和厌氧区的反硝化作用，来去除有机物、悬浮物、NH3-N等。BAF集废水生物处理与深层过滤于一体，充分体现了现代水处理工艺向复合、集成化方向发展的趋势[3]。
BAF处理效能的关键影响因素有填料、水力停留时间、进水底物、水温、溶解氧浓度、反冲洗工艺、化学除磷药剂等。本文综述了目前国内外对上述影响BAF处理效能的关键因素的研究进展。
1 填料
1.1 填料种类
BAF中的填料，根据密度的不同，可分为悬浮填料和沉没填料；根据其原料的不同可分为无机填料和有机高分子填料。悬浮填料一般为有机高分子填料，如聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等；沉没填料一般为无机或天然填料，如石英砂、膨胀页岩、焦炭、陶粒和沸石等。
Allan等[4]采用聚丙烯悬浮填料和碳酸钙（质量分数40%）与聚丙烯（质量分数60%）合成的沉没填料进行上向流BAF废水处理实验，发现在去除SS，COD，NH3-N等方面，悬浮填料较沉没填料性能好。Hirai等[5]研究了多孔陶瓷、烧结方英石、烧结黑石、粒状烧结粘土4种无机填料的生物除氮效果，发现多孔陶瓷、烧结黑石具有较高的空隙率和合适的孔径，因此具有较强的除氮能力。Hwang等[6]研究了聚苯乙烯颗粒和聚亚安酯泡沫管2种填料的异养反硝化性能,实验发现聚苯乙烯颗粒的反硝化性能更为理想。Chang等[7]以天然沸石和砂粒为填料研究BAF对纺织废水的处理效果，发现天然沸石的处理效果优于砂粒，这是因为，天然沸石具有更强的阳离子交换能力和更大的比表面积。刘旭阳等[8]研究了6种填料对有机物、NH3-N、浊度等的去除效果，结果表明，阶梯环和多面空心球的处理效果较好。
1.2 填料粒径
填料粒径是影响BAF处理效能的重要参数。Kent等[9，10]的实验结果表明，小粒径填料比大粒径填料对BAF的硝化性能好，因为小粒径填料的比表面积大。Moore等[11]比较了粒径为3.5～5.0 mm与2.5～4.5 mm的填料对BAF性能的影响, 发现填料粒径小时，BAF脱氮效果好,但粒径小的填料不适应高的水力负荷,会使BAF的工作周期缩短；而粒径较大的填料虽然改善了BAF的操作条件,减少了反冲洗的次数,但不利于脱氮和磷的去除。综合考虑， BAF普遍采用的填料粒径为3～8 mm。不同粒径的填料应用于不同的处理环境,粒径大于6 mm的填料可用于二级处理的前段, 粒径为3～6 mm的填料适用于二级处理，三级处理则需要用粒径小于3 mm的填料[12]。
1.3 填料层高度
填料层高度对BAF的去除效果和基建投资有很大影响。BAF属于推流式反应器，微生物沿填料层高度分布不一样，使得在填料层内不同高度处去除有机物和NH3-N的效果也不一样。李汝琪等[13]研究上向流BAF去除污染物时发现，污染物去除率与填料层高度成正相关，最上层37 cm厚填料层去除污染物的效果最好。Hu[14]等研究了填料层高度对下向流BAF工作性能的影响，发现去除SS，COD，NH3-N的最佳填料层高度分别为40，60，80 cm，对应的去除率分别为79.1%，63.9%，96.4%。一般而言：随填料层高度的增加，BAF对有机物、NH3-N、SS的去除率提高；填料层达到一定高度后，去除率变化不明显。但也有研究[15]表明，填料层为1.2 m时，出口BOD5的浓度低于填料层为1.5 m的出口BOD5浓度。
2 水力停留时间
水力停留时间（HRT）是BAF的主要工艺参数，直接影响滤池的水力负荷和污染物负荷，从而影响滤池的除污效能。在填料层高度不变的条件下，HRT与水力负荷成反比。对于单级BAF而言，HRT越长，相应地减少了有机负荷，水处理效果越好。邱立平等[16]研究发现：当HRT大于0.6 h时，BAF具有良好的有机物和浊度去除效果；当HRT为0.4 h时，BAF的处理效果显著变差。缩短HRT将使NH3-N和总氮去除率迅速下降，并在一定程度上促进亚硝酸盐的积累；而在硝化BAF中适当提高水力负荷可促进NH3-N，SS的去除，因为高水力负荷强化了滤池中底物与微生物的接触，加快了硝化反应速率。Pujol等[17]研究发现，在温度、曝气等外界条件未受限制的条件下，NH3-N，SS的去除率随水力负荷的增加而提高，甚至在HRT小于10 min时，HRT效能也未受到影响。
3 进水底物
在废水中，微生物利用酶的催化作用将大部分有机物和部分无机物进行生物化学转化，这些被微生物利用为营养源的有机物和无机物称为底物。若BAF主要用于去除废水中的有机污染物, 底物就是可生物降解的有机污染物；若BAF主要用于去除氮，则底物就是可生物降解的NH3-N。
3.1 进水底物浓度
进水底物浓度与BAF去除底物效能的关系较复杂，王立立等[18]研究发现：在进水有机物质量浓度（ρ）为40～128 mg/L时，COD去除率和滤池的COD容积负荷随ρ的增加而增大；ρ为128～160 mg/L时，随ρ的增加，滤池的COD容积负荷增大, 但COD去除率略有下降。江萍等[19]研究发现，随进水COD提高，COD去除率降低，COD容积负荷升高。Gilmore等[20]研究发现：NH3-N负荷小于0.6 kg/(m3·d)时, NH3-N去除率接近100%; NH3-N负荷大于0.6 kg/(m3·d)时，NH3-N去除率开始下降。
3.2 底物的碳氮质量比
底物的碳氮质量比是影响BAF硝化作用的重要因素。Gilmore等[20]研究发现，在碳化-硝化BAF中，增加进水有机负荷使硝化作用的效率显著降低。Fdz-polanco等[21]研究发现：碳氮质量比小于4时, 进水COD高于200 mg/L也不会使硝化效率降低；碳氮质量比大于4时, 滤柱进水段的NH3-N去除率明显低于出水段。但也有研究[22]发现，增加COD负荷并未影响硝化作用的效率。
3.3 底物的类别
废水中底物按照粒径不同可分为溶解态、颗粒态和胶体态三类。Fdz-polanco等[21]探讨了溶解态有机物对BAF硝化过程的影响。Figueroa 等[23]的研究结果表明，废水中BOD5浓度相同时，颗粒态有机物与溶解态有机物导致硝化作用降低的程度相当。Li等[24] 研究发现，胶体态有机物对BAF硝化过程的抑制作用比同样浓度的溶解态有机物略大。
4 水温
水温是影响微生物生长和生命代谢活动的主要因素。大多数微生物的新陈代谢会随温度的升高而增强。由于硝化细菌对温度较敏感，研究人员探讨了水温对BAF中硝化作用的影响。Payraudeau等[22]研究了在Biostyr型BAF中水温对三级硝化作用的影响，实验结果表明：水温高于14 ℃时，硝化作用对温度不甚敏感；水温低于14 ℃和废水中总凯式氮负荷高于1.5 kg/（m3·d）时，温度对硝化作用影响很大。王春荣等[25]研究发现：水温低于20 ℃时, BAF中的NH3-N去除率较低；当水温为20 ℃时, NH3-N去除率上升至68%左右；随水温进一步提高，NH3-N去除率缓慢提高，说明BAF中硝化作用主要受溶质的传递、扩散速率控制而不受与温度有关的动力学参数控制。Xie等[26]考察了水温对处理NH3-N含量较高的河水的BAF系统中硝化反应的影响。实验结果表明：低温时随水温快速升高（从0.5 ℃升高至3 ℃），NH3-N去除率降低；当水温不低于5 ℃时，水温升高对硝化反应没有负面影响。短期温度升高对长期适应低温（0.5 ℃）的硝化生物膜活性影响很大，但对适应常温（15 ℃）的硝化生物膜并没有表现出热不稳定性效应。
5 曝气量与进水量体积比
对于单级BAF碳氧化、硝化与部分反硝化处于同一反应器中，氧化有机物的异氧菌和硝化NH3-N的自养菌之间存在着对溶解氧的竞争，而溶解氧对反硝化菌又具有抑制作用。为了充分发挥BAF的效能，控制好溶解氧浓度(DO)是关键因素之一。在一定范围内增大DO，可提高好氧微生物的活性，减少碳化菌与硝化菌对溶解氧的竞争及增强传质效果，对废水处理效能起积极作用；当DO达到一定值时，可完全满足碳化和硝化反应的需氧量，剩余的溶解氧反而对反硝化作用不利。徐亚明等[27]研究发现：当曝气量与进水量体积比（气水比）从1∶1（DO为3.92 mg/L）增加到3∶1（DO为5.20 mg/L）时，COD，NH3-N去除率明显提高；当气水比增加到4∶1（DO为6.20 mg/L）时，COD，NH3-N去除率没有明显变化，而总氮去除率呈下降趋势。另外，由于异氧菌占优势，改变气水比对BOD5、COD和浊度去除率影响不大，但对NH3-N去除率影响较大[28]。通常单级BAF气水比应控制在5～10。
6 反冲洗工艺
反冲洗是BAF区别于普通给水滤池的一个重要特征，也是保证其运行效能的关键步骤。对BAF进行反冲洗的目的是释放截留的悬浮物，更新生物膜, 以维持BAF的稳定运行。Yoo等[29]研究发现，反冲洗后BAF的出水水质暂时性变差，特别是SS会出现很大波动，经过一段时间后才能达到稳定。李亚新等[30]发现反冲洗后可溶性COD的去除率不受影响,但不溶性COD去除率降低,导致出水COD上升。马军等[31]初步确定反冲洗是BAF中亚硝酸盐积累最主要的影响因素。
反冲洗所采用的方式、强度、时间均对反冲洗效果及BAF的效能有重要影响。目前普遍认为最佳的BAF反冲洗方式为气水联合反冲洗。气水联合反冲洗又可分为气水连续反冲洗和脉冲反冲洗。张杰等[32]研究发现，在BAF中脉冲反冲洗比气水连续反冲洗效果好。气水联合反冲洗的强度控制极为重要，过高或过低的反冲洗强度都会降低BAF的去除效能。一般认为，在应用气水反冲洗的过程中，应使填料层有轻微的膨胀(膨胀率控制在8%～10%)，保持生物膜厚度在300～400 µm。法国OTV公司报道[33]：气水同时反冲洗时，气、水反冲洗强度分别为0.43～0.52 m3/ ( m3·min)和0.33～0.35 m3/ ( m3·min)为宜。
7 化学除磷药剂
BAF中生物方法除磷效果不甚理想，须采取化学方法辅助除磷。BAF化学除磷有两种方式：前置沉淀和同步沉淀。由于同步沉淀药剂消耗量和剩余污泥量均少于前置沉淀，当前在BAF中应用较多。然而，在BAF中使用同步沉淀时，化学除磷与生物除磷在同一个反应器中进行，化学除磷药剂（铝盐、铁盐）是否对BAF去除其它污染物造成影响引起国内外研究人员的关注。Clark等[34]的实验结果表明：加入铁盐对BOD5、COD、凯氏氮和SS的去除效果未产生影响，磷去除率随铁盐加入量的增加而提高。这与凌宵等[35]使用铝盐强化BAF生物除磷的实验结果相吻合。 Rogalla等[36]报道铝盐会抑制BAF的硝化作用。Clark等[34]发现使用铁盐时硝化作用明显减弱，可能是增加BOD5和NH3-N负荷所致。
8 结语与展望
近年来，BAF的应用研究较多，但由于其发展时间短，仍需进一步进行深入的研究。笔者认为可从以下几方面拓宽其研究领域：（1）深入研究运行方式对BAF效能的影响；（2）针对我国对BAF填料还未制定严格的规范和标准，进一步开发优良的新型填料并探讨各种填料对去除污染物的影响机制；（3）研究BAF中pH的变化及其对BAF效能的影响；（4）针对BAF除磷效果较差，深入研究其除磷机理，减少或避免化学除磷药剂的使用；（5）对BAF各影响因素进行最优化研究，找出其最佳组合；（6）进一步开展BAF反冲洗机理研究，并确定其最佳参数。总之， BAF具有广阔的应用前景，是适合我国国情的废水处理技术，应加大力量进行深入研究，加速该技术的国产化进程。
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