曝氣生物濾池的研究進(jìn)展

摘　要：闡述了曝氣生物濾池的工藝原理和特點，對曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)形式、功能、啟動和濾料等方面的最新研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢進(jìn)行了綜述，同時提出了曝氣生物濾池今后的研究方向。
　　曝氣生物濾池(biological aerated filter)與普通活性污泥法相比，具有有機負(fù)荷高、占地面積小(是普通活性污泥法的1/3 )、投資少(節(jié)約30%)、不會產(chǎn)生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質(zhì)好等優(yōu)點，但它對進(jìn)水SS要求較嚴(yán)(一般要求SS≤100 mg/L，最好SS≤60mg/L)，因此對進(jìn)水需要進(jìn)行預(yù)處理。同時，它的反沖洗水量、水頭損失都較大。
　　世界上首座曝氣生物濾池于1981年在法國投產(chǎn)，隨后在歐洲各國得到廣泛應(yīng)用。美國和加拿大等美洲國家在20世紀(jì)80年代末引進(jìn)此工藝，日本、韓國和中國臺灣也先后引進(jìn)了此項技術(shù)。目前世界上較大的環(huán)保公司如法國得利滿公司、德國菲力普穆勒公司、法國OTV公司均把它作為拳頭產(chǎn)品在全世界推廣。在中國內(nèi)地，曝氣生物濾池正處于推廣階段。大連市馬欄河污水處理廠是我國第一個采用曝氣生物濾池工藝的城市污水處理廠，目前正處于試運行階段。另外，我國一部分工業(yè)廢水的處理也采用了此項技術(shù)。清華大學(xué)、太原理工大學(xué)等科研單位對曝氣生物濾池也進(jìn)行了試驗研究。隨著曝氣生物濾池在世界范圍內(nèi)不斷推廣和普及，很多學(xué)者在其結(jié)構(gòu)形式、功能、啟動和濾料等方面進(jìn)行了詳細(xì)的研究，取得了很多成果。

1、結(jié)構(gòu)形式
　　曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)與普通快濾池基本相同，不同之處在于曝氣生物濾池下部或底部增加了曝氣系統(tǒng)。根據(jù)水流方向其可分為上向流和下向流兩種，早期的曝氣生物濾池多采用下向流，如BIOCARBON。由于下向流曝氣生物濾池的納污效率不高、易堵塞 、運行周期短，因此現(xiàn)在多采用上向流方式(即采用氣水同向流)，使布水、布?xì)飧泳鶆?。同時，在水氣上升過程中可把底部截留的SS帶入濾池中上部，增加了濾池的納污能力，延長了工作周期。目前，上向流曝氣生物濾池有BIOFOR®、BIOSTY®、COLOX®、DeepBedTM、BIOPUR®R等多種形式，其中BIOFOR&R應(yīng)用最為廣泛，圖1是BIOFOR®的結(jié)構(gòu)示意圖。

　　為了適應(yīng)不同的水質(zhì)和拓寬應(yīng)用范圍，很多科研、工程技術(shù)人員對曝氣生物濾池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究改造。鄒偉國等開發(fā)了一種名為BIOSMEDI的曝氣生物濾池，它采用了脈沖反沖洗、氣水同向流的形式，可用于微污染源水預(yù)處理或污水深度處理。孫力平等為了解決BIOFOR®R的濾頭堵塞問題把濾頭改成穿孔管并降低了空氣擴散管的位置，該工藝用于造紙和印染廢水的處理取得了良好的效果。

2、功能
　　單個曝氣生物濾池可完成碳化、硝化、反硝化、除磷等功能，與其他工藝組合可進(jìn)行一般城市污水或工業(yè)廢水的二級或三級處理。表1是采用曝氣生物濾池處理污水的典型流程。

　　由于各功能的實現(xiàn)對濾料粒徑大小和濾層厚度、負(fù)荷、曝氣等參數(shù)的要求不盡相同，一般認(rèn)為不宜把各種功能放在同一個曝氣生物濾池中完成。但最近有研究者對在一個曝氣生物濾池中完成碳化+硝化、硝化+反硝化、硝化+生物除磷、硝化+化學(xué)除磷和反硝化+生物除磷等組合功能進(jìn)行了嘗試和探討，均取得了一定的研究成果。

3、啟動
　　曝氣生物濾池的啟動與一般生物膜法的啟動方式相同。國外一般采用三種方式：①間歇培養(yǎng)并逐步增加流速；②在設(shè)計流速下或逐漸增加流速進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)；③用活性污泥接種，穩(wěn)態(tài)運行。三種啟動方式中生物膜的生長速率、分布和對污染物的去除率等變化規(guī)律各不相同，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間卻大致相同。Allan等根據(jù)自己的試驗結(jié)果建議采用設(shè)計流速進(jìn)行連續(xù)培 養(yǎng)以期得到更加穩(wěn)定的生物量。國內(nèi)很多生物膜裝置采用了快速排泥法，這種方法一般是采用活性污泥接種，通氣悶曝一段時間后排出上清液，再加入待處理污水繼續(xù)悶曝一段時間，然后連續(xù)進(jìn)水、進(jìn)氣直至穩(wěn)態(tài)運行為止。根據(jù)一些資料的報道，這種方法具有掛膜迅速的特點。

4、幾個關(guān)鍵問題 
4.1 濾料
　　濾料是曝氣生物濾池的關(guān)鍵部分，對曝氣生物濾池的功效有直接的影響，同時也影響到曝氣生物濾池的結(jié)構(gòu)形式和成本。目前，濾料多為專利產(chǎn)品或處于保密狀態(tài)，常用的濾料有石英砂、陶粒及塑料制品(合成纖維、聚苯乙烯小球、波紋板等)。Kent等對濾料進(jìn)行了詳細(xì)的研究，他參照BEWA的標(biāo)準(zhǔn)對曝氣生物濾池常用的7種濾料進(jìn)行了對比研究，認(rèn)為Arlita和膨脹頁巖最適合用作曝氣生物濾池的濾料。但是，由于BEWA標(biāo)準(zhǔn)是處理飲用水所用快濾池的濾料標(biāo)準(zhǔn)，并且Kent只是對濾料的物理化學(xué)性能進(jìn)行了對比，并沒有對其做污水處理試驗，因此對Kent等人的結(jié)論應(yīng)進(jìn)一步試驗論證。
　　濾料的粒徑主要取決于曝氣生物濾池的功能。Stensel等就濾料粒徑對具有碳化或碳化+硝化功能的曝氣生物濾池的影響進(jìn)行了試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)濾料粒徑越小曝氣生物濾池的效果越好，但小粒徑會使其工作周期變短，濾料也不易清洗，相應(yīng)的反沖洗水量也會增加，因此應(yīng)綜合考慮各種因素以選定合適的濾料粒徑。Kent等人也做了類似試驗，結(jié)果表明濾料粒徑為2～4mm時，曝氣生物濾池的硝化功能比濾料粒徑為4～8mm和5.6～11.2mm時的要好得多。目前，曝氣生物濾池普遍采用的濾料粒徑為3～6mm，濾層厚度為3～4m。
4.2 負(fù)荷
　　曝氣生物濾池一般采用兩種負(fù)荷：容積負(fù)荷［kg/(m3·d)］和水力負(fù)荷［m3/(m2·h )，也稱濾速］。早期的曝氣生物濾池均采用了較低的負(fù)荷值，但隨著對曝氣生物濾池研究的深入和認(rèn)識水平的提高，負(fù)荷值近幾年有逐漸加大的趨勢。表2是較為典型的負(fù)荷值。

　　對以碳化為目的的曝氣生物濾池，一些研究結(jié)果認(rèn)為在一定的范圍內(nèi)出水COD值與COD容積負(fù)荷呈線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，一些研究者給出了COD去除率與進(jìn)水BOD、COD的函數(shù)關(guān)系式。同時，很多學(xué)者就水力負(fù)荷對出水水質(zhì)的影響也做了探討，普遍認(rèn)為 水力負(fù)荷對BOD5的去除效率影響甚微，只要溫度、曝氣量、反沖洗等因素在不受制約的條件下應(yīng)盡量加大水力負(fù)荷以獲得盡可能大的處理能力。如Pujol等的試驗證實了濾速在6m/h、13m/h時BOD5的去除率基本不變。Canler的試驗也證實增加濾速對出水水質(zhì)影響很小。Pujol等人認(rèn)為低濾速使傳質(zhì)不均勻，從而造成底部堵塞(上向流)，影響曝氣生物濾池功能，提高濾速有利于傳質(zhì)。對于用于硝化或反硝化的曝氣生物濾池也有類似的結(jié)論。如Pujol等認(rèn)為曝氣生物濾池的硝化功能與濾速無關(guān)，在COD負(fù)荷＜5kgCOD/(m3·d)、濾速為4～9m/h時硝化率穩(wěn)定在80%～100%。對于反硝化曝氣生物濾池，在其他因素不受制約的條件下濾速越高越好，濾速為32m/h、負(fù)荷為5.1kgNO3--N/(m3·d)時NO3--N平均去除率達(dá)到89%，NO-x-N的平均去除率達(dá)到86%。
4.3 反沖洗 
　　目前，普遍采用的反沖洗方式是氣水聯(lián)合反沖洗，即先用氣沖，再用氣、水聯(lián)合沖洗，最后再用水漂洗。不同形式、不同濾料的曝氣生物濾池，其反沖洗強度、歷時、周期各不相同，用水量和用氣量也存在較大差異。表3是一些資料提供的曝氣生物濾池采用的反沖洗參數(shù)。

4.4 氣水比
　　氣水比的大小與進(jìn)水水質(zhì)、曝氣生物濾池功能和形式、濾料粒徑大小和濾層厚度等因素有關(guān)。曝氣生物濾池氣水比一般采用(1～3)∶1，但也有高達(dá)10:1者。一般來說，用于硝化功能的曝氣生物濾池應(yīng)采用較高的氣水比，而僅用于碳化的曝氣生物濾池的氣水比可適當(dāng)降低。Payraudeau等人指出：用于三級硝化的BIOSTY®R的供氣量約為70m3/kgNH4+-N。Stensel等人給出了計算曝氣生物濾池供氣量的公式。

5、展望
　　作為一種嶄新的水處理工藝——曝氣生物濾池正處在推廣之中。根據(jù)目前的研究和應(yīng)用情況，今后應(yīng)重點研究以下相關(guān)問題：
　?、?生物膜的特點及其快速啟動的方式；
　?、?生物氧化功能和過濾功能之間的相互關(guān)系；
　?、?反沖洗過程中生物膜的脫落規(guī)律；
　?、?進(jìn)一步拓寬曝氣生物濾池的應(yīng)用范圍，研究其在水深度處理、微污染源水預(yù)處理、難降解有機物處理中的應(yīng)用及與其他工藝組合的處理效果。