某BAF污水处理厂的数据统计分析及运行建议

李晓倩，杨洋，袁志丹*，朱静，张虞

1.中国环境科学研究院，北京 100012 2.德国帕萨旺-洛蒂格公司北京办事处，北京 100027

某BAF污水处理厂的数据统计分析及运行建议

李晓倩1，杨洋2，袁志丹2*，朱静1，张虞1

1.中国环境科学研究院，北京 100012 2.德国帕萨旺-洛蒂格公司北京办事处，北京 100027

采用平均值法和累积频率法对某曝气生物滤池(BAF)污水处理厂的COD、SS、氨氮和总氮运行数据进行了分析比较，以考察BAF运行的高效性和稳定性。结果表明，当数据波动性较小时，平均值法和累积频率法均可较为合理地反映BAF的处理能力，平均值法数据处理较累积频率法方便易行；但当数据波动性较大时，累积频率统计方法则能更好地反映BAF的处理能力和处理效果。综合运行数据和实际经验，对BAF运行时存在的主要问题进行了总结，并从强化BAF预处理、优化BAF反冲洗和提升运行效果等方面提出了相应的运行建议。

曝气生物滤池；累积频率；平均值；相对标准偏差；运行建议

作为一种新型污水处理工艺，曝气生物滤池(Biological Aerated Filter，BAF)的应用范围越来越广泛[1]。BAF充分借鉴了污水处理中的生物接触氧化法和给水处理中快滤池的设计思路，集曝气、快滤、截留SS、定期反冲洗等特点于一体，并通过过滤、吸附和生物降解实现对废水的净化[1-2]。与普通活性污泥法相比，BAF具有有机负荷高、占地面积小、投资少、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点[3-6]。

某城市污水采用合流制排水系统，其进水污染物浓度波动较大，出水要求达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[7]中的一级B标准。基于该污水处理厂规划面积较小的现状，若采用常规活性污泥法，无法完全接纳和处理规划中的污水量，因此，经过多种工艺方案论证，选择两级BAF工艺作为该污水处理厂的主体处理工艺。

该污水处理厂自投入运行以来，已连续运行逾五年。该污水处理厂位于多雨地区，进水流量和污染物浓度变化较大，虽然污水处理厂的运行效果一直不错，但在实际数据监测过程中发现，仅采用监测结果的平均值对运行效果进行评价和预测，信息量不够完整和准确，因此笔者尝试采用累积频率统计对该污水处理厂的部分运行数据进行分析比较，同时，根据该污水处理厂的实际情况，归纳总结了有关BAF稳定运行的经验和建议，期望能对今后类似的工艺运行起到借鉴作用。

1 污水处理厂基本情况

该污水处理厂设计规模为50 000 m3d，设计进水水质为：CODCr(简写为COD)，300 mgL；BOD5，200 mgL；SS，200 mgL；总氮，40 mgL；总磷，4 mgL；pH，6～8。该污水处理厂所采用的工艺流程如图1所示。

图1 污水处理厂工艺流程Fig.1 Process flow chart of the wastewater treatment plant

由于BAF对进水悬浮物的要求较为严格[8]，因此有必要对两级BAF的进水进行有效的预处理。该污水处理厂的预处理系统包括沉砂、加药混凝、沉淀和超细格栅等设施。

BAF是该污水处理厂的核心系统，全厂共设五组上向流式BAF处理单元，每组处理单元包括一座碳氮氧化池(一级BAF)和一座脱氮池(二级BAF)。每座滤池采用火山岩滤料作为微生物的生长载体，滤池采用单孔膜曝气系统。一级BAF设计停留时间为60 min，二级BAF设计停留时间为65 min。

2 分析与讨论

该污水处理厂的实际平均进水量约35 000 m3d，且进水中污染物的浓度也与设计值有较大偏差。国内工程技术人员通常习惯采用监测结果的平均值来代表污染物的浓度，这对污染物浓度波动较小的情况是适宜的，但当污染物浓度波动较大时就不易反映真实的情况，尤其是对于一些合流制污水收集系统的城市，当雨季出现连续浓度较低情况时，采用平均值的方法容易掩盖真实的污染情况。

根据德国ATV-DVWK-A 131E标准[9]，在计算污水处理设施的进水污染物负荷时，通常采用非雨季数据的累积频率为85%的对应数值，这样可以最大程度地体现实际处理能力，又不会造成过多的浪费。在数据统计中，累积频率体现了某事件在统计样本中出现的可能性，在相对标准偏差较大的样本统计中有着广泛的应用。因此，笔者参考德国ATV-DVWK-A 131E标准，利用累积频率的方法对污染物浓度变化较大的污水处理厂数据进行分析，以更准确地获得这些数据所代表的信息。

2.1 有机物(COD)

某半年时间内，该污水处理厂的进、出水COD监测结果如图2所示。由图2可知，该污水处理厂进水COD变化较大，最低约为50 mgL，最高达200 mgL。进水COD的平均值为101.4 mgL，相对标准偏差为29%。出水COD平均值为25.1 mgL，图中显示较为稳定，但相对标准偏差却达到了33%，出水浓度稳定的“假象”主要是由于进、出水浓度采用同一纵坐标轴造成的。采用平均值表示时，污水处理厂的COD去除率为75%。

图2 进、出水COD监测结果Fig.2 COD concentrations of influent and effluent

对进、出水COD进行累积频率统计，结果如图3所示。由图3可知，对应累积频率为85%的进水COD约为128.2 mgL，而累积频率为85%的出水COD为33.9 mgL，相对的污水处理厂COD去除率为74%。两种统计结果都表明，该厂两级BAF对进水的有机负荷冲击有较好的抵抗能力。

图3 进、出水COD累积频率统计Fig.3 Cumulative frequency results of COD data

对比两种统计方式可知，虽然二者表征的COD去除率基本相同，但对于进、出水的COD特征值，二者有较大差别。累积频率为85%的事件可以认为是统计样本中的大概率事件，因此，COD平均值仅为大概率事件中的一个特例。换言之，当进水COD不超过128.2 mgL，而不是仅在平均值101.4 mgL时，其去除率可稳定在75%左右。当其他条件不变时，两种统计方式表示的进水COD负荷相差近30%，可见采用累积频率统计方法能更真实地反映BAF的处理能力。

2.2 悬浮物(SS)

同一时期该污水处理厂的进、出水SS浓度监测结果如图4所示。由图4可知，与进水COD相比，进水SS浓度比较稳定，这主要是由于进水取样点位于提升泵后，泵前的集水池对进水悬浮物的波动进行了一定缓冲，进水SS浓度平均值为172.7 mgL，相对标准偏差为6%。出水SS浓度稳定在20 mgL以下，平均值为14.1 mgL，但相对标准偏差达到了24%，采用平均值表示时，污水处理厂在该时间段的SS去除率达92%。

图4 进、出水SS浓度的监测结果Fig.4 SS concentrations of influent and effluent

对进、出水SS浓度进行累积频率统计，结果如图5所示。由图5可知，对应累积频率为85%的进水SS浓度约为185.0 mgL，而累积频率为85%的出水SS浓度为19.0 mgL，相应的SS去除率为90%。

图5 进、出水SS浓度的累积频率统计Fig.5 Cumulative frequency results of SS data

与采用两种统计方式的COD结果不同，不但两种方式表征的SS去除率差别不大，而且进、出水的SS浓度特征值也无太大差别。可见，当统计样本中的事件波动不大时，无论采用哪种统计方式都较为合理。运行结果还表明，虽然两级BAF对SS具有较高的去除率，但出水SS浓度相对波动较大，这可能是由于滤料表面生长的生物膜脱落造成的，因此，对BAF进行有效的反冲洗有可能提升SS的去除稳定性。此外，根据德国ATV-DVWK-A 131E标准，二沉池出水中的SS对出水COD有一定的影响，该标准建议，1 g SS相当于0.8～1.4 g COD[9]。由于该污水处理厂出水COD的相对标准偏差与出水SS的相对标准偏差相当，据此推测，出水COD的波动可能是由于悬浮性的物质造成的，因此，如能进一步稳定和提升SS的去除效果，则该污水处理厂的出水COD效果还将有明显改善。

2.3 氨氮和总氮

同一时期内该污水处理厂的进、出水氨氮浓度监测结果如图6所示。由图6可知，进水氨氮浓度波动较大，平均值为24.9 mgL，相对标准偏差为26%。出水氨氮浓度平均值为5.7 mgL，似乎较稳定，但相对标准偏差达到了29%。采用平均值表示时，相对应的氨氮去除率为77%。出水氨氮浓度波动较大，与该污水处理厂的运行方式有关，二级BAF为脱氮池，采用间歇曝气的运行方式。此外，由于进水COD比较低，且进水水量仅为设计水量的70%，因此，在满足出水水质达标排放的前提下，为了降低运行能耗，根据实际需求不定期的降低了一级BAF的空气曝气量，在一定程度上也影响了出水氨氮的稳定性。

图6 进、出水氨氮浓度监测结果Fig.6 Ammonia concentrations of influent and effluent

对进、出水氨氮浓度进行累积频率统计，结果如图7所示。由图7可知，对应累积频率为85%的进水氨氮浓度为30.5 mgL，而累积频率为85%的出水氨氮浓度为7.4 mgL，相对应的氨氮去除率为76%。由于氨氮的进、出水情况与COD类似，都属于波动较大数据的统计，因此，采用平均值和累积频率两种方法对氨氮数据的分析比较不再赘述。

图7 进、出水氨氮浓度累积频率统计Fig.7 Cumulative frequency results of ammonia data

同一时期内该污水处理厂的进、出水总氮监测结果如图8所示。由图8可知，进水总氮浓度波动较大，平均值为27.7 mgL，相对标准偏差为23%。出水总氮浓度平均值为16.8 mgL，相对标准偏差为19%。采用平均值表示时，相对应的总氮去除率为39%。进水总氮浓度的平均值和相对标准偏差与进水氨氮浓度的平均值和相对标准偏差基本相同，表明该污水处理厂进水总氮主要由氨氮和少量的有机氮等组成。

图8 进、出水总氮浓度监测结果Fig.8 Total nitrogen concentrations of influent and effluent

对进、出水总氮浓度进行累积频率统计，结果如图9所示。由图9可知，对应累积频率为85%的进水总氮浓度为33.6 mgL，而累积频率为85%的出水总氮浓度为19.6 mgL，相对应的总氮去除率为42%。显然，用累积频率统计的总氮去除效果强于用平均值统计的结果。

图9 进、出水总氮浓度累积频率统计Fig.9 Cumulative frequency results of total nitrogen data

平均值和累积频率两种统计方式都显示该污水处理厂对总氮有一定的去除，这主要是来自两级BAF曝气方式的贡献。二级BAF采用间歇曝气的运行方式，当该池不曝气时，就为微生物的反硝化提供了缺氧条件，此外，由于两级BAF都存在有意降低曝气强度的运行阶段，受氧气传递所限，在滤料的内部完全有可能产生反硝化所需的缺氧微环境[10-13]。而该污水处理厂的进水总氮浓度又远低于设计值，因此，虽然该污水处理厂没有设置专门的反硝化系统，但出水总氮浓度能达到GB 18918—2002一级B标准的排放要求。

3 运行经验及建议

上述数据分析表明，该污水处理厂对进水污染物浓度的波动有较强的适应能力，各污染物均能达标排放，但由于BAF自身的技术特点——易堵塞，以及实际采取的某些运行策略，使得出水中的污染物浓度不够稳定，与高效稳定的处理系统有一定差距，尤其是总氮的去除率还较低。为了有效提升该污水处理厂的处理效果，笔者整理了该污水处理厂预防和处理滤池堵塞问题的一些经验，并对今后可能进行的提标改造提出了相应建议。

3.1 强化BAF前处理

BAF堵塞主要分为滤头堵塞和滤料阻塞(也称滤料板结)。就BAF而言，不论是滤头还是滤料，当采用不同厂家产品时，其性能会有所区别，但都不是造成滤池堵塞的根本原因。造成滤池堵塞的主要原因是过多的杂质未经适当的预处理直接进入BAF，而这些杂质以及滤料脱落的生物膜又未经有效的反冲洗去除，最终造成了堵塞。因此，防止滤池堵塞首先需要强化BAF的前处理，即在污水进入滤池之前，必须设置有效的预处理系统，降低滤池进水悬浮物浓度，并设置高效的隔离设备去除污水中的轻质杂物。

该污水处理厂设置了较为完善的预处理系统，污水由提升泵经细格栅进入沉砂池，在沉砂池内设撇油管和排砂泵，分别用于撇除油脂和除砾。沉砂池上清液进入沉淀池反应室，通过射流曝气机与药液(来自加药间)进行混合后，进入斜管沉淀池进行混凝沉淀处理，这些措施有效地降低了污水中的悬浮物浓度，也使得出水中的总磷能够稳定达标排放。

斜管沉淀池的出水经过超细格栅进入BAF，超细格栅的目的是去除污水中的毛发、纤维及塑料片等轻质杂物。该污水处理厂采用的是栅距为1 mm的超细格栅，其对轻质杂物的拦截效果不理想，当进水中毛发类杂物较多时，滤池堵塞频繁，严重时甚至发生了为了去除这些堵塞物加大反冲洗强度，导致滤板损坏的情况，不得不掏空滤料后对滤头进行清洗和部分更换。可见，轻质杂物的去除在BAF的前处理中同样要受到高度重视。

3.2 优化BAF反冲洗

BAF运行过程中，会经常发生滤料阻塞问题[14]。通常，适度加大反冲洗强度或增加反冲洗时间即可解决，如果堵塞比较严重出现滤料板结问题，仅靠反冲洗无法解决时，则需要停止该组滤池的运行，采用人工翻料解决。

目前大多数BAF污水处理厂采用的反冲洗周期为24～72 h，BAF的反冲洗周期与进水悬浮物浓度和进水量有较大关系[15]。一般进水悬浮物浓度较高，滤速较高时，反冲洗周期较短，实际运行的反冲洗周期可根据滤池水头损失值或者运行规定的反冲洗周期进行调整，若运行过程中，发现某组滤池曝气明显不均或出水量较小时，则优先对该组滤池进行反冲洗。

BAF一般按照气洗、气-水联合冲洗、清水漂洗顺序进行反冲洗，气洗时间3～5 min，气-水联合冲洗时间4～6 min，清水漂洗时间8～10 min[16]。该污水处理厂的反冲洗过程为：先通过反冲洗降水冲洗，水流从上向下，可将滞留在滤头中的杂质及时冲洗出去，待滤池中的水位降到淹没滤料时，停止反冲洗降水，依次进行气洗、气-水联合冲洗、清水漂洗，完成整个反冲洗操作，实际反冲洗时间通常在40～60 min。在反冲洗过程中，其余正常运行的BAF处理水量包括了正常进水量和反冲洗排水量，在不利运行条件时，可能还会出现一组滤池检修的情况，因此在BAF设计中要考虑这些因素，以免造成处理能力不足的问题。

3.3 提升运行效果建议

随着国家环境保护要求越来越严格，污染物排放标准也在不断提高，因此，该污水处理厂有必要在现有基础上稳定提高工艺运行效果，甚至进行相应的工艺升级改造。

(1)COD和SS

该污水处理厂的COD和SS都能够达标，但出水浓度的波动性均较大。由于出水中溶解性的可生物降解的COD已微乎其微，能进一步被有效去除的仅为悬浮性COD，因此，SS的进一步去除对提高二者的去除率以及去除的稳定性尤为重要。除了优化现有的预处理和反冲洗系统外，也可增加通常在污水处理厂升级改造过程中采用的深度过滤设施，如滤布滤池等，通过对SS的稳定去除达到稳定出水COD的目的。

(2)氨氮和总氮

实际运行中为了实现总氮的去除，二级BAF采用间歇曝气的运行方式，因此该污水处理厂的氨氮去除率仍有提升的空间。运行结果也表明，该污水处理厂采用碳氮氧化池和脱氮池串联工艺对总氮的去除不高，为了提高污水处理厂的总氮去除率，可考虑采用前置缺氧滤池与BAF串联，BAF出水回流至缺氧滤池进行反硝化脱氮。因进入滤池之前污水中含有较高浓度的易降解有机物，所以前置缺氧滤池中有足够的碳源进行反硝化。此外，也可在BAF之后增加缺氧池，但是污水经过BAF处理后能够被反硝化细菌有效利用的有机物已不多，为了达到反硝化脱氮目的，必须向后置缺氧池中外加碳源，且需要合理控制投加量，否则会造成出水有机物浓度超标。当反硝化过程在单独设置的缺氧池中进行时，可根据实际进水的COD和氨氮进行BAF曝气量的调节，以期得到更好、更稳定的出水效果。

4 结语

与传统活性污泥法相比，BAF具有负荷高、占地面积小等优势，而与膜生物反应器相比，BAF又具有投资省、运行管理简单等特点，因此，BAF越来越受到人们的重视。而BAF的高效性和稳定性一直是技术人员关注的重点，采用不同的数据统计、分析方式对某BAF污水处理厂的运行数据进行分析比较，并结合实际经验提出了相应的运行建议，希望能对BAF的推广应用起到抛砖引玉的作用。

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DataStatisticalAnalysisandOperatingSuggestionofaWastewaterTreatmentPlantusingBAFProcess

LI Xiao-qian1，YANG Yang2，YUAN Zhi-dan2，ZHU Jing1，ZHANG Yu1

1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 2.Passavant-Roediger Beijing Representative Office, Beijing 100027, China

In order to evaluate the efficiency and stabilization of the biological aerated filter (BAF) process, the operation data of a wastewater treatment plant using BAF process, including COD, SS, ammonia nitrogen and total nitrogen, were analyzed through the average value method and the cumulative frequency method respectively. The results showed that, when the data were less fluctuated, both the average value method and the cumulative frequency method were suitable for analyzing the operation results of BAF process, and the average value method was more convenient and feasible. On the contrary, the cumulative frequency method was much better in reflecting the capacity and efficiency of BAF process when the data were more fluctuated. Based on the data analysis and practical experience, some operating suggestions of BAF were given on enhancing pretreatment, optimizing back-flushing and improving treatment effects, etc.

biological aerated filter; cumulative frequency; average value; relative standard deviation; operating suggestion

1674-991X(2013)03-0189-06

2012-12-03

李晓倩(1979—)，女，助理研究员，博士，主要从事环境污染机理及防治方法研究，lixiaoqian@craes.org.cn

*责任作者:袁志丹(1983—)，男，工程师，硕士，主要从事水污染治理工程，yuanzd@prabj.com

X703.1

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.03.031