曝气生物滤池的研究进展

[摘 要]曝气生物滤池作为广泛发展的污水处理工艺，近年来受到广泛关注研究。本文对曝气生物滤池的反应机理和原理进行阐述，同时对曝气生物滤池的几个关键因素如填料选择、曝气系统设计、模型设计和反冲洗系统进行综述，并对竟成环保的关于这几个因素的研究做一个总结，也对BAFs目前的应用难点以及未来的发展做出展望。

[关键词]曝气生物滤池，生物膜，生物填料

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0145-02

前言

曝气生物滤池（BAFs）是最早于1981年在法国投产，而后逐渐在欧美国家发展起来的一种新型生物膜法污水处理装置[1]。BAFs技术广泛应用于新建污水处理厂以及旧污水处理厂的改造方面，因其具有占地面积小、建设费用低、动力省、出水水质好以及系统稳定性强，启动迅速等特点[2]。

BAFs最早由法国的OTV公司建造使用投产，在取得良好效果后，世界上较大的环保公司如法国得利满公司、德国菲利普穆勒公司等均把BAFs当做生活污水处理装置中最关键的技术环节，逐渐被各国的环保机构采用作为生物法处理生活或者工业废水的主要技术环节。在中国内地，曝气生物滤池目前处在推广阶段。大连市马栏河污水处理厂是我国第一个采用BAFs工艺的城市污水处理厂[3]。目前，国内对于BAFs技术的热情及研究在不断上升中，各研究机构对此技术进行试验并且做出性能提升，取得了很多成果[1]。

1.1 BAFs技术原理

曝气生物滤池是充分借鉴污水处理中接触氧化和给水过滤的概念，使生物降解与吸附过滤两个处理单元在同一个反应单元里，以滤池中装入粒状填料（悬浮或者下沉填料）为载体，通过底部曝气的方式，微生物能附着在填料表面生长。当污水流经填料，附着在填料表面的高浓度活性微生物会发生强氧化作用，通过微生物的生长代谢、生物絮凝、生物膜和填料的物理吸附和截留以及反应器内沿水流方向食物链的分级捕食作用，使污水中的N、P等元素以微生物共生生长的方式被移除。随生物膜厚度增加，会逐渐隔离生物膜内微生物氧气及营养成分供给，内部微生物逐渐死亡并从填料表面脱落，以悬浮物的方式存在于滤池中。运行一段时间后，因水头损失的增加，需对滤池进行反冲洗，释放截留的悬浮物并更新生物膜，此为反冲洗过程。BAFs正式通过这样反复的周期性运转来处理污水[3-5]。目前关于BAFs的机理研究主要集中在过滤截留、生物氧化和曝气充氧等环节上[2]。

过滤截留：曝气生物滤池通过微生物作用将污水中的污染物去除，因此老化的生物膜以及污水中的悬浮物质能够被滤床以及填料等截留下来，以此达到过滤以及生物氧化的作用。

生物氧化：生物膜是BAFs生物氧化作用的载体。目前来说，生物氧化主要围绕着微生物共生生长，硝化作用以及反硝化作用展开。共生生长通常是添加外源碳源，微生物能力利用碳源以及污水中的NP等元素形成各样的菌落，同时达到去除无数种C.N.P等元素。目前的研究主要围绕着碳源以及C：N：P的比例，以及合适的反应条件。硝化作用和反硝化作用作为去除氨氮指标最重要的反应，是BAFs工艺中最受关注的生物反应过程。围绕着建立硝化作用的条件以及时间，同时处理的效率都是目前研究的热点。

曝气充氧：生物氧化过程需要足量的溶解氧，而污水的溶解氧往往处于偏低状态，因此合适的曝气系统设计是BAFs技术必不可少的关键部分。对于曝气充氧的研究主要是关于不同的曝气装置与释放溶解氧的关系，同时也有大量的研究是关于曝气充氧水头损失与BAFs处理效率的关系。

过滤截留、生物氧化和曝气充氧是BAFs系统最为关键的三个环节，直接影响着曝气生物滤池的处理效率和运行稳定性。这三个影响因子只有良好的联系起来，深化研究，才能为曝气生物滤池的优化设计提供原理和技术支撑。

本文对BAFs技术的历史以及发展历程做一个回顾，同时总结各项人员对该技术性能的提升包括各方面参数的设定以及设计的优化；国内外各研究人员关于此技术方面的改进。本文综述了国内外关于应用BAFs技术的改进，同时对竟成环保关于曝气生物滤池方面所做的研究做一个总结。

2 BAFs工艺影响因素

2.1 填料选择

填料作为BAFs工艺的核心构建，为微生物提供栖息繁殖的场所，同时良好的填料能起到过滤截留的作用，直接影响到BAF反应器的 运行效能及经济技术合理性。总体来说，填料根据材质和密度可分为两大类：悬浮式或者沉没式填料。通常来说，无机填料为天然填料，密度较大，为沉没式填料，而有机填料密度较小，通常为悬浮式填料。常见无机填料有利用页岩、高岭土、黏土烧制成的陶粒、瓷粒填料，火山岩等破碎后制备的不规则颗粒，以及焦炭、活性炭等填料。有机填料为利用聚丙烯、聚丙乙烯、聚氯乙烯等制备的高分子颗粒[6]。

各研究员对填料的研究表明，有机悬浮填料在性能表现上要优于无机填料，在高水力负荷以及水利冲击下，膜生长速率以及附着能力都要强于无机填料。但有机悬浮填料存在着建膜较为困难的情况，因此往往有机填料建立稳定的系统需要较长时间。此外，软性有机填料往往因为水流水质的关系，造成“结球”现象[7]。综合应用来说，目前对于小型的BAFs反应器，有机悬浮填料的可控性更强，往往对于性能的提升也更加明显。

根据材质的特点，研究者在设计有机悬浮填料的时候，开发出了多种形状的BAFs填料，如圆形辐射、半软性填料、组合式环、多孔球型等等[8]。刘旭阳认为阶梯环以及多面空心球两种填料的处理效果更好。决定填料外形好坏的决定因素在于比表面积，不同的填料因为外形不同导致粒径不一，其处理的水质指标要求和抗水负荷能力有所不同。郭春效认为多孔球型悬浮填料的内部比表面积大，相对体积能够附着更多异养菌[9]。竟成环保研究人员对有机阶梯环填料进行研究发现，SAF（粒径20mm）和K3（粒径5mm）在处理污水的能力上比较接近，硝化作用和共生自养作用都比较明显。然而，SAF填料在污染物的选择上比较苛刻，客观条件如温度、溶解氧、水力停留时间的变化能够很大程度影响SAF填料在BAFs反应器中建立平衡状态。同时在生物氧化过程上会有一定的选择性，，在系统不稳定的状态下，SAF对于硝化作用较不明显，同时对于处理COD的效率也不是很高。但其优点在于，能够接纳各种程度的污水，不易堵塞，不需要预处理。然而K3填料显示了它在处理各类型水的优点，在保持汽水比30：1的情况下，改变水力停留时间无法影响其处理氨氮的能力，去除率能够稳定在90%以上，且不受外界情况改变而影响系统能力。然而，K3填料不适应于高水力负荷，滤池反冲洗频繁，对于反冲洗系统的设计会有很高的要求。同时K3由于孔隙较小，对于进水水质要求比较高，需要预处理使SS含量较低。

填料除了材质，外形等方面的影响因素之外，填料表面的亲水性、表面负荷以及吸附能力的强弱也会有助于增强BAFs工艺对于污染物的处理效果[6]。

2.2 曝气系统

曝气系统设计是BAFs技术的另一重要影响因素。良好的曝气系统设计能够提高生物滤池的溶解氧水平，可以增加氧的利用率。相比其他的处理工艺，曝气生物滤池的曝气系统显示出独特的优点：？填料粒径较小，底部曝气产生的气泡在上升过程中被切割成小气泡，能够增加接触面积 ？气泡上升过程中因填料的阻滞，可以有利氧的传递 ？小气泡可以直接渗入生物膜，加快氧气被生物膜利用，减少供气量[10]。

从各研究报告来看，对于曝气生物滤池的曝气系统设计偏少，因此可利用的文献参考不多，大部分是对氧传递速率进行研究。Reiber和stansel认为界面氧气传输随气泡与膜接触程度、生物质量浓度和基质利用速率而增加[11]。邱立平认为曝气气泡越小，相界面越大，氧传输速率越高[2]。竟成环保对于曝气系统的改进主要针对曝气管的选择以及曝气管安放位置的选择问题。采取膜曝气以及汽水反向的选择，能都使曝气效率相比传统的曝气管布置高30%，系统的溶解氧能够稳定在4mg/L以上，极大地方便调节系统的气水比，为系统反应提供便捷性。

2.3 反冲洗系统

上文提到，生物氧化过程会产生大量脱落的微生物膜，会影响到系统处理效率和能力，因此曝气生物滤池反冲洗系统最基本的要求是冲洗掉旧的微生物膜，并且保持新鲜的生物膜。不充分的冲洗时间会使老化的生物膜不能被充分冲洗，导致系统运行周期的减短。过量的冲洗会导致会导致生物膜的减少，包括新、老化的生物膜会同时被冲洗出滤池，造成系统处理能力的减弱以及出水的恶化。因此，对于曝气滤池的反冲洗系统而言，冲洗方式、冲洗周期和冲洗强度是最为关键的因素。邱立平等对冲洗方式的研究表明，目前广泛使用的反冲洗方式：水冲洗、气冲洗、气水反冲洗以及脉冲冲洗[2]。Chipps对不同的反冲洗方式进行对比发现，气水反冲洗是目前最适用的反冲洗方式。袁志宇等认为气水反冲之所以能够取得较好的效果是因为气泡高速浮升过程中产生的气泡震荡以及高压下气泡产生的尾迹效应[12]。

关于反冲洗周期的确定，孙芮等认为在试验和实际的基础上，反冲洗周期往往通过观察出水水质和滤池产水量的变化来确定。当出水水质恶化，滤池产水量明显降低，应进行及时反冲洗[13]。竟成环保对BAFs工艺的反冲洗周期进行研究，在自然条件下，微生物对污水的处理能力在3-4天达到峰值，在第七天处理能力和效率呈现衰退趋势。反复试验的结果比较接近。总体而言，反冲洗周期的确定需要根据实际应用的情况判断，通过对进水污染物的分析，以及膜系统的成长情况等来确定。

反冲洗强度的控制往往与反冲洗时间联系在一起，为取得良好的处理效果，冲洗强度高能够瞬间爆发冲刷填料上的微生物，因为高强度水会产生较大的剪切力和拖拽力，更好促进水、气与填料的摩擦，但是过大的反冲洗强度会浪费水资源，破坏填料表面新生生物膜，导致效率降低。因此总体来说，反冲洗强度与时间相关，高强度水对滤层冲洗比较彻底，也有更好的效果[13]。

2.4 外观模型设计

很少有文献论文对曝气生物滤池的外观模型设计进行研究，同时也没有很多文献可以证明外观的优劣对BAFs的性能有直接联系。在目前应用情况来看，BAFs工艺实际应用外观大多与污水排放量有关，与各部位的细节设计优化并无太多关联[14]。但是实际上，良好的模型设计与生物氧化的活性密切相关，可预期的是良好的设计能够优化水流和微生物的混合速率和能力，同时能够得到最好的溶解氧水平，使各设备能够达到最好的效率[15]。并且能够减少其他相关因素的影响，如温度，天气以及其他意外的情况。

Chang， Rittmann（1987）研究设计了一种模型，用于试验在活性炭环境下，生物膜的转移、生物降解以及基质的吸收等问题，对滤池中生物氧化的过程进行模拟研究。但是，该系统并未考虑到生物膜脱落对于系统的影响，同时滤池的深度以及规模大小也并不在考虑范围内，导致设计并不为广用[16]。

竟成环保对曝气生物滤池的规划和研究从试验一开始就考虑了模型设计，通过实验室、河道以及农村生活污水的试验，竟成环保研制了新形势滤池，曝气滤池在应用上显示了各项优点：良好的出水水质、简单可靠操作、建筑质量良好。通过竟成环保设计，缩短了淤泥处理的过程：二级淤泥能够通过滤池的动力系统返回到沉淀池中，在沉淀池中通过微生物的水解过程分解。分解后的产物能够输送给曝氧仓中的微生物用于生长。这种方式更好的解决了生物滤池间断性运行水力负荷过大的问题，也能够给予曝气生物滤池更稳定，更持续的处理能力。通过对河道、农村生活污水的试验对比发现，竟成环保BIOFIL系统在稳定系统下对于氨氮的去除能力在90%以上。

3 研究难点及未来发展

综合对曝气生物滤池的研究，不同的研究报告对于曝气生物滤池的运行反应机理及影响因素进行了研究并且有了较为深入的了解，同时也在不同区域应用了不同方式的曝气生物滤池系统。其特有的技术经济特征为其进一步推广奠定了基础。但目前而言，该技术也遇到了一定的瓶颈，如合适的填料选择，反冲洗频繁，合理的进出水布局都是将要来克服的困难。同时，就目前中国实际来说，BAFs技术主要应用于城镇污水处理厂中，其投资费用较高，占地面积较大，维护费用更高。而中国农村较多，在广大农村广泛应用BAFs技术比较难以推广。同时BAFs技术对于除磷效果较差等问题还需要研究。并且曝气生物滤池存在的难以控制较低的DO浓度以及难以稳定反应时间的问题，也需要更多的研究发展。

未来而言，滤池通过研发高效性能的新型填料、加强预处理、高级氧化、工艺组合等，可以强化曝气生物滤池的性能以及对某些可降解污染物的去处能力；同时可以与其他污水处理工艺联合，增强处理效果；研制更小型，安装便捷的污水处理设备，用于更小的农村生活污水处理，使曝气生物滤池在水处理发挥更大作用。

参考文献

[1]张杰，曹相生，孟雪征（2002），曝气生物滤池的研究进展[J]，中国给水排水，18（8），26-28

[2]邱立平，陈京英，刘永正，王广伟（2010），曝气生物滤池处理机理及反冲洗控制研究进展[J]，济南大学学报，24（2），216-220

[3]王宝泉，代学民，贾跃然（2009），浅谈曝气生物滤池处理工艺[J]，河北建筑工程学院学报，1，37-39

[3]A.Ewert， RJ Brice， F.Farahaaz （）， Submerged aerated fitlers--a treatmet solution for small communities

[4]王劲松，胡勇有（2002），曝气生物滤池填料的研究进展[J]，工业用水和废水。33（5），7-9

[5]崔福义，张兵，唐利（2005），曝气生物滤池技术研究与应用发展[J]，环境污染治理技术与设备，6（10），1-7

[6]李辉，陈金辉，方正（2013），曝气生物滤池填料的研究进展[J]，现代化工，33（12），24-27

基金项目：科技型中小企业创新基金（14C26213301431）、温州市科技计划项目（S20120012）、龙湾区科技发展计划项目（2014KY10）、浙江省环保科研计划项目（2013B010）