生物膜法结合BAF组合工艺在高氨氮废水处理中的应用

周会勇，孙振兴，王毅强，王毅刚，王 斌

(1.湖北宜化集团有限责任公司，湖北宜昌 443000； 2.北京蓝图工程设计有限公司，北京 100070；3.新疆凯旋新世纪环保科技有限公司，新疆乌鲁木齐 830000)

氨氮为煤化工行业废水中最主要的污染物之一，生化法是主要的氨氮处理方法，生化法处理氨氮分为活性污泥法和生物膜法两大类[1]。活性污泥法是一种依靠曝气池内呈悬浮、流动状态的絮状体微生物的氧化分解、吸附等作用来去除污水中污染物的方法；生物膜法则是一种使微生物群体附着于某些载体的表面上呈膜状，通过与污水接触，生物膜上的微生物摄取污水中的污染物作为营养并加以代谢，从而使污水得到净化的方法[2-4]。

目前，国内生化法处理氨氮主要采用A-SBR法、SBR法及A2/O法等，这些方法均属于活性污泥法及其变种工艺，其运行虽然稳定，但存在占地面积大、容积负荷低、剩余污泥发生量大及抗冲击性差等问题，而采用生物膜法去除氨氮的例证很少见。

湖北某化工企业主要生产纯碱和氯化铵等产品，所产生的废水中污染物以氨氮为主，需建1座处理量为400 m3/h的生化处理站，但提供的建设用地仅有3 500 m2。经反复论证，最终采用HWO生物膜法工艺+曝气生物滤(BAF)池与高密度沉淀池组合工艺处理该股高氨氮废水，收到很好的效果[5-10]。下面结合投运后的处理效果，论证该工艺流程设计的优点。

1 工艺设计

以湖北某化工企业氨氮废水处理项目为实例，进行具体设计及运行效果分析。整套装置设计处理水量400 m3/h，处理后废水中氨氮质量浓度为150 mg/L。该项目总占地不到3 500 m2，设计生化停留时间总共23 h(包括高密度沉淀池)，只有活性污泥法的1/3，其占地面积也同样减少了2/3，而整体的处理效果和处理成本要优于活性污泥法。

1.1 导入HWO生化技术

HWO生化技术(高活性微生物和微生物活化技术)是由王培武博士率领的团队和日本海洋大学铃木诚治教授率领的团队合作研发的技术[11-13]。2002年开始在日本市场推广应用获得良好评价后，于2006年开始在我国推广应用至今，应用企业超过数十家，涉及行业有城市污水、食品、酿造、化工、造纸、印染等。在化工行业PVC聚合母液、煤气化废水、乙二醇、1,4-丁二醇等废水处理上也得到很好的应用。

HWO技术是基于微生物遗传物质横向传递学说及微生物群体生存理论和抗氧化学说，采用高活性微生物(商品名HPB)，在有微生物活化剂(商品名OSSC)存在的条件下，按比例与废水处理池中的活性污泥混合，不断地激活、优选、驯养、增殖出能成为废水处理中占主导地位的、高效的功能性微生物菌群。该技术的核心是HWO高效微生物菌种、微生物活化剂、微生物活化技术及活化装置。将培养出的高活性微生物群体，连续、均匀地添加到污水生化处理池中，成为生化处理系统中能起头领效应的功能性菌群，可以稳定地控制生化处理池中微生物的复杂生态系统，此微生态系统可大幅提高微生物对污染物的分解能力和适应性，抗冲击负荷能力提高，并能促使多种微生物菌群互生增殖，从而达到稳定地、大幅度提高生化处理能力的目的。这种高活性微生态系统中的菌体，通过自身分泌出的黏性高分子物质黏结成团，成为有一定大小的活性污泥絮体，可改善原有活性污泥的性状，使活性污泥菌胶团具有更加优良的沉降性、凝聚性，这些具有很高活性的微生物在载体上形成的生物膜也具有比一般生物膜要高的处理能力。HWO生化处理技术解决了一个世界性难题——生物膜法处理工艺中经常发生的生物膜肥大化的问题，不仅可脱除已经肥大化并造成堵塞的生物膜，还可使其不再发生肥大化，促进生物膜法处理系统高效运转，保证废水处理设施的处理能力，以达到更大幅度地降低COD、总氮含量的目的。

1.2 工艺路线及流程

湖北某企业进、出水的水质情况见表1。

表1 湖北某企业进、出水的水质情况

由上表1可以看出：该项目所处理的污染物主要是氨氮，而且废水中的COD及BOD均偏低。该项目采用后置反硝化工艺设计，在三级膜法硝化脱氮之后接两级膜法反硝化工艺段去除总氮，然后进入高密度沉淀池进行澄清，随后的BAF池作为二级生化处理装置，兼备脱碳和脱氮的效果。利用三级好氧脱氨氮工艺脱氮彻底的特点、生物膜法能够固定微生物的特性和HWO高活性微生物的性能优势，达到总池容最省、动力消耗少以及氨氮去除彻底的效果，既可保证反硝化过程中加入的碳源在末端处理干净，也可保证氨氮、总氮去除达标。高氨氮废水处理装置流程示意见图1。

图1 高氨氮废水处理装置流程示意

将O/A工艺流程中的好氧池和缺氧池设计为固定生物膜反应器，即形成生物膜脱氮系统。该系统是由相对独立的2套填料床反应器串联组成，其中一组保持缺氧状态，另一组保持好氧状态。反应器内的填料为立体弹性填料，膜法O/A工艺能获得比活性污泥法更好的脱氮效果，其主要原因是载体为生长速度缓慢的硝化和反硝化菌提供适宜生存的场所；特别是在缺氧池中，填充的弹性填料是抗毒物能力强且适应不良环境能力强的反硝化菌的良好栖息地，因此对反硝化效果非常有益。

BAF池属淹没式生物滤池工艺，在池内滤料全部为废水所浸没。淹没式生物滤池的容积负荷最高BOD达3～6 kg/(m3·d)，与传统活性污泥法相比，在去除BOD的效率大致相等的情况下，该法BOD的容积负荷可提高5倍，而所需处理时间只有活性污泥法的1/5。由于缩短了处理时间，同样大小体积的设备，其处理能力提高了数倍。经测定表明，同样湿重的带有丝状菌的生物膜，其好氧速率比活性污泥法高1.8倍。一般活性污泥法的污泥质量浓度为2～5 g/L，微生物在池中处于悬浮状态，而淹没式生物滤池中绝大多数微生物附着在填料上，单位体积内水中和填料上的微生物质量浓度高(达10～20 g/L)，有利于提高容积负荷。该工艺不需要污泥回流，易于管理，出水水质好，动力消耗低，再加上HWO微生物的优势性能，不存在生物膜肥大造成堵塞的问题。

工艺流程：废水首先由管道输送进入调节池，在调节池内进行均质、均量及pH调节。由于来水工序繁多，还含有检修及事故废水，水中还有大量油类和悬浮物，所以需要进行预处理，该项目采用溶气气浮装置进行预处理。废水由调节池提升泵直接打入气浮装置，在其前端加入聚合氯化铝(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)充分混凝沉淀后进入后端处理装置，除去大部分油污和部分悬浮物后进入生化处理系统，在生化处理系统中加入HWO高活性微生物，并形成稳定的生物膜。废水首先进入HWO好氧硝化池，采用三级连续硝化工艺，在该工序中将水中的氨氮转化为硝态氮，然后进入后置反硝化池，在反硝化池将废水中的硝态氮转化为氮气，同时去除COD。反硝化池内设置曝气盘，加入二氧化碳气体以补充无机碳源，同时加入甲醇等物质以补充有机碳源，使反硝化充分进行，接着进入高密度沉淀池；高密度沉淀池同时作为O/A生化池的沉淀装置和BAF池的预处理装置，在进水端加入PAC和PAM后充分沉淀浓缩，澄清后水质达到BAF池的进水要求，自流进入中间水池，然后由泵打入BAF池进行最后的生化处理，将多余的COD和氨氮去除后，产水自流进入返洗水池，最后由泵打入纤维过滤器，过滤后达标排放。

剩余污泥通过自流(气浮、BAF池)或螺杆泵(高密度沉淀池)排入集泥池收集，再输送至浓缩池浓缩，进入叠螺脱水机进行脱水处理后，滤饼外运，滤液通过地下收集池收集后送回调节池。

2 运行结果与分析

该项目于2017年3月底竣工，4月中旬开始全面开车调试，5月中旬即调试合格，运行至今已近半年，系统一直运行稳定，偶尔受到来水冲击，采取相应措施后，在3 d左右就能恢复正常。

2.1 容积负荷及日常运行分析

自2017年4月开车调试以来，进水调节池和出水氨氮去除率、总氮去除率及COD去除率分别如图2～图4所示。

图2 氨氮去除率

由图2可看出：2017年4月至9月，整体处理水量和进水浓度呈逐步上升的趋势，其氨氮去除率处于稳定上升的状态；特别是9月，由于受到高盐废水(Cl-质量浓度达8 000～10 000 mg/L)的冲击，系统产生波动而氨氮去除率稍微降低，但处理出水的氨氮含量仍然达标。硝化容积负荷在2017年9月最高氨氮达0.23 kg/(m3·d)，已十分接近0.25 kg/(m3·d)的设计值，由此判定该装置完全可以达到氨氮处理的容积负荷与处理效率的设计值。

图3 总氮去除率

由图3可看出：总氮去除率与氨氮去除率基本一致，随着系统调试稳定后，总氮去除率逐步上升，到2017年7月后趋于稳定，基本都接近于90%，反硝化池出水已经实现了总氮的去除目标，后续的BAF池对总氮去除效果微弱。从整体来看，该装置对总氮的处理效率很高，在水量和浓度增加的情况下，总氮均处理合格，其容积负荷 NO3-N 达0.41 kg/(m3·d)，与设计的0.50 kg/(m3·d)已很接近。该技术对出水总氮均能控制在15 mg/L以下，优于国家相关规范标准的要求。

图4 COD去除率

由图4可看出：COD去除虽不是该项目的难点，但还是表现出该装置优秀的COD处理能力。在进水水质、水量变动和投加少量甲醇补充有机碳源的时候，出水水质基本没有大的变动，且出水COD均稳定在42 mg/L以内。

2.2 耐冲击性能分析

2017年9月7- 8日，受到高盐废水冲击，采取应急措施前、后进出水氨氮对比如图5所示。

图5 采取应急措施前、后进出水氨氮对比

由图5可以看出：在整个系统受到高盐废水冲击时，虽然采取了补救措施，但各列进水氨氮含量还是有所上升，各列处理出水的氨氮含量虽也有上升但均在允许范围内，没有产生系统崩溃的现象；特别是BAF池看不出什么变化，处理出水氨氮质量浓度仍然维持在最高12.7 mg/L以内达标。系统只用36 h就全面恢复正常，BAF池处理出水氨氮质量浓度恢复到3.07 mg/L，充分说明了本套系统的抗冲击能力和在异常情况下的迅速恢复能力。

2.3 高密度沉淀池运行作用及效果

高密度沉淀池去除浊度效果对比如图6所示。

图6 高密度沉淀池去除浊度效果对比

HWO生物膜法工艺在生物膜稳定成形后，处理出水水质好，系统出水浮泥极少，且沉降性好，高密度沉淀池对浊度的去除效率很高。由图6可知：浊度去除效率均在85%以上，出水浊度均在7 mg/L 以下，进水浊度越高，浊度去除效率也越高，说明该高密度沉淀池去除浊度还有很大的余地，这也充分证明在HWO生物膜法工艺条件下高密度沉淀池可以代替传统的二沉池和终沉池。

2.4 BAF池运行效果

BAF池去除效率如图7所示。

图7 BAF池去除效率

由图7可以看出：BAF池对氨氮的去除效率在2017年7月达到最高值81.4%，8月和9月直到受到冲击期间也一直维持在55%～74%的高处理效率。系统中的BAF池主要是起到了稳定系统出水水质的作用，尤其在进水氨氮含量高时，充分保证了出水的指标合格，作为生化系统的补充和保险，能完全保证整个系统的抗冲击能力和处理量的弹性空间，达到了设计的目的。

2.5 污泥的产生量

项目开车至今，每月压滤的干污泥不超过0.5 t，与活性污泥法工艺处理同样污水量时平均每月发生10 t以上干污泥相比，可以说少之又少，极大地减少了污泥处理成本，也减轻了操作负担。而剩余污泥发生量少是HWO生化技术的主要技术特征之一。

2.6 整体组合工艺的运行及费用

综上所述，项目整体工艺运行状况良好，抗冲击能力强，污泥产生量少，且只用了1个月就调试合格，完全达到了最初的设计目标。2017年4月至9月处理水量和实际运行成本情况如图8所示。

图8 2017年4月至9月处理水量和实际运行成本情况

由图8可以看出：初期调试时，平均处理水量偏小，投加的碳源等辅料较多，故运行成本高；但随着系统调试合格接近并达到设计处理水量后，运行成本稳步下降。另外，在经受高盐废水冲击时，系统恢复需要投加的辅料增多，成本会偏高一点。整体来说，由于项目的处理量已达到设计负荷的90%，其实际运行成本与设计值相当，相对于活性污泥法及SBR等工艺，处理成本低的优势非常明显。

3 结语

(1) 通过生产实践证明，HWO生物膜法工艺处理高氨氮废水具有以下优势：①容积负荷大，处理效率高，发生的剩余污泥量极少；②运行稳定，耐冲击性强，且受冲击后恢复极快；③投资省，占地少；④运行费用低，操作简单。

(2) 高密度沉淀池其特殊的构造和优异的沉降性能可同时作为HWO生物膜法工艺中的沉淀池与BAF池的预处理装置使用，且效率高、处理成本低、出水效果良好。

(3) 曝气生物滤池作为另一种形式的生物膜工艺与HWO生物膜工艺组合，不仅保证了出水水质，也充分满足了废水处理的弹性需要，大大提高了本套组合工艺技术的稳定性和高效性。

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