孫力平，黃德鋒，李秀敏，楊聰和
（天津城市建設(shè)學(xué)院市政與環(huán)境工程系，天津 300384）

　　摘 要：本文論述了利用密度大于1.0的黏土顆粒復(fù)合物介質(zhì)的上流式BAF反應(yīng)器進行污水深度處理硝化反應(yīng)的試驗結(jié)果，目的是研究上流式BAF工藝的關(guān)鍵參數(shù)：水流速度（容積負(fù)荷率）與各種污染物去除之間的關(guān)系。結(jié)果表明：只要沒有硝化反應(yīng)條件（曝氣、溫度等）的限制，氨氮等去除率的高低直接取決于容積負(fù)荷率，并呈線性關(guān)系。高水流速度10 m³/m²·h時，硝化反應(yīng)的負(fù)荷率達到最高，同時可高效的去除BOD₅以及SS。試驗結(jié)果表明：在這種上流式BAF反應(yīng)器中的高水流速度促進和改善了液體環(huán)境和生物之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，即使水力停留時間極短（10分鐘），也不影響反應(yīng)器運行。
　　關(guān)鍵詞：生物曝氣濾池；容積負(fù)荷率；污水深度處理；硝化反應(yīng)；上流式反應(yīng)器；濾速

1 概述

　　隨著人們對水環(huán)境污染、水資源危機問題的認(rèn)識的逐漸深入，國家對污水及其再生利用政策的出臺，設(shè)計規(guī)范、排放標(biāo)準(zhǔn)的進一步完善，城市污水處理不僅需要滿足日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，而且將污水再生利用的問題也提到了議事日程，對于天津這樣一個嚴(yán)重缺水的城市更是如此。
　　城市污水處理廠，尤其是改擴建工程的占地面積往往成為制約水處理工藝選擇的一個因素。上流式生物曝氣濾池（BAF）非常適用于水廠的擴建和改造。
　　BAF技術(shù)是一項相對較新的技術(shù)，該工藝比活性污泥系統(tǒng)具有更高的活性生物濃度。反應(yīng)器體積較小，且不需設(shè)置二沉池。該系統(tǒng)占地面積僅為活性污泥系統(tǒng)的三分之一。這一工藝的另一優(yōu)點是臭味小，且可實現(xiàn)模型化建設(shè)和自動化運行操作。全球第一座采用該技術(shù)的處理廠在歐洲，建于80年代初期。目前在世界范圍內(nèi)已建設(shè)了約100個BAF工藝的污水廠。而且在許多大城市被選擇應(yīng)用，例如巴黎附近的Colombes、挪威Oslo、德國Kol、英國利物浦、美國Roanoke、中國大連等。
　　圖1為上向流式生物曝氣濾池工藝，其中的一個重要參數(shù)是水流速度（濾速或容積負(fù)荷率），而對硝化反應(yīng)來說就是每日進入每立方米濾床上的氨氮量。本文就是討論容積負(fù)荷率（濾速）對硝化效率等工藝元素的影響。

2 材料和方法

　　本文所用的實驗數(shù)據(jù)來源于某污水處理廠的污水深度處理設(shè)施—上向流BAF工藝的實際運行中獲得的結(jié)果。
　　該廠設(shè)計處理能力25 m³/s（216萬m³/d）。污水二級處理工藝為完全混合式活性污泥法，該廠污水深度處理設(shè)施為一個面積144 m²，高度4 m的上向流BAF反應(yīng)器，用于去除氨氮、COD、BOD₅、SS等。
2.1 該廠的工藝特征
　　該廠深度處理采用上流式曝氣生物濾池（BAF）工藝，其工藝特征如下：BAF系統(tǒng)位于活性污泥系統(tǒng)的下一級，活性污泥采用中等負(fù)荷條件下完全混合式運行方式。
　　上向流BAF反應(yīng)器用于去除活性污泥法處理出水殘留的有機碳物質(zhì)和硝化氨氮。該反應(yīng)器有4個特點：
　　· 單層生物濾料，載體是密度大于1.0的黏土顆粒復(fù)合物。
　　· 空氣和水為上向流式分布。
　　· 特殊的曝氣系統(tǒng)（Oxazur）和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
　　· 濾池運行反沖洗周期為24小時。
　　在反應(yīng)器進口和出口按流量成比例取樣（24小時平均值），主要的分析項目包括：SS、BOD_5、COD、TKN、NH₄⁺、NO₃^-、NO₂^-、堿度。
　　另外，溫度、水頭損失、pH、出水DO、水和空氣流量等物理參數(shù)是連續(xù)和定期記錄的。
2.2 該廠的運行條件
　　表1的數(shù)值為運行兩年間測定的（測定約600天）BAF進水的平均溫度和濃度，即該廠二級處理出水的平均水質(zhì)資料。

表1 1992年8月～1994年8月BAF進水平均濃度

　　表中數(shù)值為僅有去除碳功能的活性污泥二級處理出口測量值，平均COD/BOD₅比接近于3，懸浮固體和BOD₅濃度接近，NH₄⁺-N濃度與其他污水二級處理廠的正常值接近。除了長期下雨期間（最小值12 mg/L）以外，NH₄⁺-N濃度相對穩(wěn)定（接近25 mg/L）。極端溫度是冬季11℃，夏季25℃。在冬季，廢水碳濃度稍高（增加10%～15%）。

3 試驗結(jié)果

　　本文重點討論水流速度（容積負(fù)荷）對BAF處理工藝中各項指標(biāo)的影響。
3.1 運行中水流速度（容積負(fù)荷）的變化范圍
　　反應(yīng)器中的水力情況：用表面負(fù)荷或水流速度（m³/(m²·h)或m/h）表示。
　　在正常試驗期間：表面負(fù)荷變化范圍在4～10 m³/(m²·h)范圍內(nèi)變動。
　　特殊情況：暴雨情況是在較高表面負(fù)荷（上升到15 m³/(m²·h)）運行。
3.2 水流速度（容積負(fù)荷）對硝化反應(yīng)的影響
　　運行試驗時利用相關(guān)的粒狀介質(zhì)的體積（560 m³）計算氨的容積負(fù)荷率和去除負(fù)荷率，以每日平均值表示（kgNH₄⁺-N/m³濾料·d）。
　　研究期間，氣體的工藝不作為硝化反應(yīng)的限制因素，在BAF工藝中實現(xiàn)了硝化反應(yīng)和除碳。圖2表明在不同的水力條件下氨氮的容積負(fù)荷率和去除負(fù)荷率之間的關(guān)系。

　　三個流速范圍（4～6，6～8，8～10 m/h）具有明顯差別，最大容積負(fù)荷率達1 kgNH₄⁺-N/(m³·d)。
　　在試驗期間，多數(shù)情況下硝化效率在80% ～ 100%之間變動，從而證實了系統(tǒng)的高效可靠性。
　　只要不超過生物濾池的硝化能力，最高的去除率恰好與最高的水流速度一致。在冬季低溫條件下（11～13℃），由于硝化細(xì)菌的活性下降，硝化反應(yīng)速率下降（這種情況已有文獻論述）。對這個結(jié)果的分析表明，只要硝化反應(yīng)的條件（溫度、曝氣、反洗等）沒有得到限制，水流速度對硝化反應(yīng)是積極正因素而不是限制因素。
3.3 水流速度（容積負(fù)荷）對懸浮固體去除（SS）的影響
　　在這類上流式生物濾池中，觀察殘留的SS的去除非常有趣。圖3顯示了不同水流速度條件時SS去除。

　　就SS容積負(fù)荷率和去除負(fù)荷率而言，與氨負(fù)荷率一樣，容積負(fù)荷和去除負(fù)荷率之間的關(guān)系是線性的。解釋這些結(jié)果得到與前面類似的一個結(jié)論：在試驗范圍內(nèi)，最高的SS去除負(fù)荷率與最高的容積負(fù)荷率是一致的。在試驗期間，SS去除效率穩(wěn)定。
3.4 水流速度（容積負(fù)荷）對BOD₅的去除的影響
　　就BOD₅去除來說（圖4），可建立一個相對關(guān)系。甚至BOD₅負(fù)荷率上升到2.0 kgBOD₅/m³·d時，生物濾池也能進行連續(xù)的硝化反應(yīng)。

3.5 水流速度（容積負(fù)荷）對COD去除的影響
　　對于最后一個參數(shù)COD的去除影響（圖5），容積負(fù)荷濾與去除負(fù)荷率關(guān)系也是線性的。然而出現(xiàn)了高水流速度比低水流速度COD去除效率低，這一明顯的反常現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以從該生物濾池（BAF）在整個污水處理流程中的位置上得到解釋：BAF工藝位于活性污泥工藝之后，活性污泥工藝僅可去除污水中易生物降解的有機碳，因而在活性污泥工藝處理出水中不可生物降解的碳比例高。當(dāng)BAF工藝的容積負(fù)荷率一定時，高水流速度比低水流速度時的不可降解碳的比例高，所以不可生物降解COD去除率必然低，雖然COD去除效率不甚理想，但殘留COD濃度的數(shù)值可以達到預(yù)期的水質(zhì)指標(biāo)的。對高水流速度（8～10 m/h），出水COD濃度低于80 mg/L。

　　表2給定了這兩年間測得的這4個參數(shù)的去除率以及平均出水濃度。

表2 1992年8月～1994年8月BAF工藝的平均去除率和出水濃度

　　碳物質(zhì)去除率50%～68%，取決于碳的可生化性；氮幾乎被全部硝化，NH₄⁺-N去除率大于90%；結(jié)果表明上向流式BAF工藝在8～10 m/h的高水流速度下運行具有極好的可靠性。

4 討論

　　在上向流式生物曝氣濾池運行試驗中，對以容積負(fù)荷率（水流速度）和去除負(fù)荷率來表示的以上這些污染指標(biāo)去除結(jié)果，表明容積負(fù)荷率是上向流生物曝氣濾池（BAF）工藝設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。
　　在污水深度處理中，如果硝化反應(yīng)條件沒有任何限制，去除率隨容積負(fù)荷率線性增加。事實上，水流速越高，去除率（COD除外）越高。
　　在上向流式生物曝氣濾池運行中高的水流速度對硝化過程有著積極作用，去除負(fù)荷率隨表面負(fù)荷（容積負(fù)荷）增加而增加。此外，高水流速條件使被降解底物和生物在濾池中分布更均勻，加大了液體/生物之間的傳遞速率。濾池中重顆粒（濾料）的介質(zhì)作用，增強了物質(zhì)交換的作用過程。高水流速時，介質(zhì)輕微膨脹對物質(zhì)轉(zhuǎn)化率有積極的影響。在這種情況下，HRT不是工藝中的一個限制因素。與傳統(tǒng)的高負(fù)荷活性污泥的工藝相比較（HRT 2～4小時），或與普通的延時曝氣相比較（HRT 18～36小時），在上流式生物濾池中的HRT非常低（少于10分鐘），而對工藝過程無不利影響。

5 結(jié)論

　　對設(shè)置于僅可除碳活性污泥工藝之后的上向流式BAF工藝的研究可以對其得出以下主要結(jié)論：
　　① 將上向流BAF反應(yīng)器用于氨氮的硝化，高水流速可獲得最高的硝化速率。事實上，由于流量的限制，在夏季硝化反應(yīng)速度沒有達到最大。
　　② 在高流速試驗中（10m³/(m²·h)），水流速度增加對SS的截留（去除率大于60%）沒有任何明顯的副作用。
　　③ 生物濾池中的HRT是極短的（小于10分鐘），對工藝沒有任何負(fù)面影響。
　?、?在該試驗運行中證實了有關(guān)上流式生物濾池工藝的許多重要觀點：
　　(1)工藝可靠性（穩(wěn)定的硝化反應(yīng)）。
　　(2)去除率與容積負(fù)荷率之間密切聯(lián)系。
　　(3)高水流速10 m/h（表面負(fù)荷達10 m³/(m²·h)）時促進了底物和生物的分布，因而也增強硝化能力。
　　(4)在上向流式BAF反應(yīng)器中，水力停留時間與傳統(tǒng)的生物工藝（活性污泥法）相比很短。生物活性較高，因此反應(yīng)器運行較好。

參考文獻：

[1] Boller, M., Gujer, W. and Tschui, M, (1994). Parameters affecting nitrifying biofilms reactor. Wat. Sci. Tech., 29(10-11), 1-12.
[2] Canler, J. P. and Perret, J. M. (1994). Biological aerated filters: assessment of the process based on 12 sewage treatment plants. Wat. sci. tech., 29(10-11), 13-23.
[3] Horn, H. (1992). Simultane nitrification and denitrfication in eine heteor/autotrophen Biofilm unter Beriecksichtigung der Sanerstoff profile gwf. Wasser abwasser 133(6), 287-292.