曝气生物滤池在基坑排水处理中应用

张明浩 周小华 冯春苗 谢 昕

（1 南京市建邺区水务局 江苏南京 210000 2 南京市水利规划设计院股份有限公司 江苏南京 210000）

引言

一般来说，施工现场经常性基坑排水包括三部分，降水、地下水渗水和部分施工用水（混凝土养护和冲洗废水）[1]。其中降水和施工用水为偶发性且水量较小，基本可忽略不计，基坑排水主要以地下水渗水为主[2]，单个工地每日排水量在几百至几千吨左右。地下水渗水的水质和当地地下水污染有直接关系，已有大量研究表明，目前我国各流域地下水污染状况不容乐观，甚至有些流域存在超过80%的地下水污染问题[3]。地下水污染导致的基坑排水水质超标对工地周边河道水体的影响已不可忽视。

南京市建邺区南部目前正面临大规模开发与施工，在2019 年底摸排中，涉及基坑排水工地共22 处，排水量约12 万t/d～16 万t/d。约60%工地基坑排水出现水质超标，氨氮浓度在11～22.4mg/L，远超当地水体执行的《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅴ类水质要求。大规模的劣V 类基坑排水进入内河，已造成了建邺区部分水系氨氮指标恶化，除了对河道采取应急处理措施，从源头降低进入河道污染物总量才是解决基坑排水污染问题的关键。

1 项目概况

本项目所在地为建邺区某建筑施工现场，目前施工期间工地基坑废水包括基坑渗水、施工排水两部分，基坑渗水为持续性排水，水量在120～150m3/h 之间，水质与地下水水质基本一致，浊度小于10，一般情况下排往雨水管网或者就地排河。另一部分施工排水包括混凝土浇筑、养护排水，该类排水为偶发性，浊度高SS可达10000mg/L 以上，一般经混凝沉淀去除浊度后排放。现该施工现场已针对高浊度排水修建沉淀池、清水池，将施工废水经沉淀处理后和基坑渗水合并排放市政雨水管网。

2019 年7 月，建邺区水务局委托检测单位对该工地基坑排水进行检测，基坑排水主要污染物质氨氮浓度在8.0～11.2mg/L 左右，严重超出该区地表水水质排放限值2mg/L，亟需在排放前进行妥善处理。

2 处理主体工艺的选择

此前，基坑排水多采用简单沉淀去除悬浮物，但是水中存在的氨氮等污染物质仍然需要进一步强化处理。基坑排水具有水量大，持续排放时间长等特点。该类废水若输送至污水厂不仅会造成污水厂负荷加重，还会降低污水厂进水有机物浓度，影响污水厂脱氮效果。因此，选择合适的分散式深度污水处理设施是进行基坑排水污染防治的关键措施。

建邺区对排入城市内河的排口，要求氨氮执行《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅴ类的2mg/L，适合采用强化工艺进行处理。目前常见的曝气生物滤池（BAF）、接触氧化法和MBR。

MBR 采用中空纤维膜代替二沉池进行泥水分离，实现水力停留时间和污泥泥龄的分离。MBR 污泥负荷高，泥龄长，硝化效果好，污泥产量低，占地面积小。杨琦等利用MBR 处理城市污水厂一级出水，出水COD 和氨氮分别稳定在13mg/L 和0.3mg/L 左右，达到城市水水质标准。MBR 工艺无需后段泥水分离，出水浊度可稳定在1 以下[4]。但是对于基坑排水处理，间歇式运行模式并不利于MBR 污泥存活，且污泥培养周期较长。

接触氧化法是一种介于活性污泥法与生物滤池之间的生物处理技术。具有耐冲击负荷强，操作简单，出水水质好，污泥量少等优点。该工艺污泥浓度高，运行维护简单，方便间隙性运行，目前在分散式污水治理中已有广泛使用案例[5]。有项目利用接触氧化法对污水厂二级出水进行深度处理，结果表明，在水力停留时间为2.5h 的条件下，出水氨氮浓度始终维持在2mg/L 以下，运行效果稳定，耐冲击负荷好[5]。但是接触氧化工艺后续需额外增加泥水分离装置，增加了占地面积。

BAF 也称为淹没式曝气生物滤池，是集生物降解、固液分离于一体的生物膜处理设施。耐水量变化负荷强，无需后续沉淀处理工艺节约占地空间，尤其适用于本项目主要实施地点在工地，氮氨出水要求高的情况。其工艺原理为，利用滤池内部填料上生长的生物膜，结合滤池底部曝气，对污水中物质进行降解和截流。齐兵强BAF 在某市政水厂中运行结果，表明，作为深度处理单元BAF 出水SS、COD 和氨氮分别达到6mg/L、30mg/L 和0.1mg/L，出水水质达到生活杂用水水质标准[6]。

作为基坑排水处理设施，主要实施地位于建设工地，对处理工艺的要求着重于出水水质稳定、氨氮浓度低、占地面积尽量小，运行维护简单，且应少产生或者尽量不产生污泥。此外，本项目原水属于微污染水源，BAF 作为典型的深度处理工艺，在河道、水源地等微污染水处理领域有较多成熟案例[7][8]，因此选择BAF 基坑水处理脱氮工艺。

2.1 BAF设计

本项目为基坑排水处理项目，基坑排水持续时间为一年左右，为了装置重复利用，本次BAF 采用一体化钢制设备，考虑到设备运输规格要求，直径为3.2m。

目前BAF 常用的填料为颗粒填粒，包括石英砂、陶粒和沸石等。BAF 填料应具有微生物易挂膜、强度高不易碎，不易堵塞等特点。虽然颗粒填料价格低，填充密度高，但是易堵塞，要求频繁且高强度反冲洗，不利于本项目在施工现场运行。目前，国内开发出的新型纤维填料，虽然一次性投资成本高于颗粒填料，但是其具有挂膜快、反冲洗要求低、生物量大且可重复利用等优点[9][10]。

有研究利用以新型纤维为填料的BAF 对微污染河水进行处理，结果表明，在水力停留时间（HRT）为1.5h 时，其出水氨氮去除率可稳定在0.5mg/L 左右，反洗周期7～15d。且由于纤维填料空隙率高，微生物与污水充分接触，系统内呈现完全混和态，因此可适当降低填料高度，减少BAF 总体高度[9]。综上，纤维填料BAF出水效果稳定，反应器启动快，总高度低，反冲洗周期长，适用于微污染水的应急强化处理。

参照《曝气生物滤池工程技术规程》 和纤维填料BAF 相关工程经验，本项目BAF 结构示意图和主要设计参数见图1 和表1。

图1 BAF结构示意图

表1 BAF主要设计参数

考虑现场平均水量为120～150m3/h，设置4 台一体化设备，BAF 填料填充率为15%，上向流式运行，采用底部微孔扩散装置进行连续曝气。

2.2 BAF设备启动

BAF 设备正常运行的前提是填料表层形成质量良好且稳定的生物膜，保证设备内足够的微生物量和必需的生物种群。本项目BAF 采用连续流培训进行挂膜启动，并监控出水氨氮浓度。设备挂膜启动五天后，可从视镜中看出填料中逐渐开始出现肉眼可见褐色附着物，此时出水氨氮已降至3mg/L 左右。设备挂膜十天左右，填料中褐色附着物加厚，且出水降至1.5mg/L 左右，且后续阶段出水水质始终稳定在1.0～1.5mg/L 左右，表明BAF 设备启动成功。

2.3 BAF设备运行

BAF 曝气量是设备运行的重要控制因素，本工程主要功能是氮氨硝化，需氧量计算按照公式1 和公式2 公式，具体过程不再赘述。凯氏氮进出水差值ΔCTKN 取15，系统氧利用率EA 取10%，BAF 设计出水氧溶度DO 为4mg/L，则标况下总供气量为110m3/h。参照以往BAF 相关工程经验，考察不同气水比条件下出水氨氮浓方式。当气水比大于1.5 时，出水水质稳定在1.0mg/L 左右。因此，设计总供气量为3m3/min。现场配置两台鼓风机，单台风量为1.5m3/min，作为临时性应急工程，不设置备用风机。

式中：

Q—设计污水流量（m3/d）；

△CTKN—进出硝化滤池凯氏氮浓度差值，mg/L；

Csm（20）—20℃时，混合液溶解氧饱和浓度的平均值，mg/L；

T—设计温度，℃；

α—氧的水质转移系数；

β—饱和溶解氧的修正系数；

ρ—修正系数；

Cs（T）—设计温度为T℃时，清水中饱和溶解氧浓度值，mg/L；

C1—滤池出水溶解氧浓度，mg/L。

BAF 运行一段时间后，由于生物膜增殖加厚以及截留悬浮物增多等原因，使得滤层阻力增大，影响运行，因此需要进行气水反冲洗。有研究表明，在BAF 反洗后一段时间内其出水水质不佳，这可能是由于反冲洗对附着的硝化菌等微生物有不利影响。因此，在滤池不发生气阻等现象的基础上，适当延长反冲洗周期，调整合理的反洗强度。本项目BAF 主要功能为氨氮硝化，硝化菌生物膜增殖慢，且较薄，因此可适当延长反冲洗周期至10～15d 左右。参照相关工程经验，气洗强度为45m3/（m2·h），水洗强度为15m3/（m2·h）。设置反洗风机风量为6m3/min，反洗泵水量为120m3/h。

目前该工地BAF 设施已稳定运行四个月，进水氨氮在8～14mg/L 左右，出水氨氮不高于3mg/L，反冲洗周期稳定在7d 左右，满足基坑水处理要求。

2.4 基坑排水处理技术经济评估

基坑排水作为临时性应急工程，成本由施工方承担，施工方对水处理设备投资和运行费用的承受能力有限。目前采取的形式是由施工方向第三方环保公司购买服务，内容包括设备设施的租赁和购买、运营期的电费、水费和人工费，详见表2。由表2 可知，在本项目日处理基坑排水150m3的条件下，单日处理成本为0.15 万元，一般来说基坑维护期为一年，总处理成本为54.75 万元。

表2 基坑排水处理成本

结语

（1）当前，多数城市河道要求消除劣Ⅴ类，在地下水污染区域，大体量的基坑排水已严重影响城市河道水质提标。因此，为了消除基坑养护期间，基坑排水对地表水体的影响，应采取合适的深度处理设施对其处理达标排放。建邺区在采取应急措施对全区基坑排水进行处理后，其河道断面监控水质特别是氨氮指标有了明显提升，为南京市及其它地区提供有效经验。

（2）基坑排水处理项目为临时性应急工程，选择BAF 作为除理工艺，具有启动快、占地面积小、工艺流程短和出水效果优质稳定等特点。其中，本项目采用弹性纤维填料，其空隙率高、反洗周期长、挂膜时间短等突出特点，对于氨氮硝化有一定的优势。

（3）采用一体化BAF 作为基坑排水处理工艺，项目一次性投资和运营成本在0.41 元/t，为其它类似项目提供运营估算依据。

（4）由于施工现场情况复杂，基坑排水可能存在浊度超标现象，短期内造成BAF 填料堵塞，影响运行。建议可在BAF 进水前端加装大孔径自清洗过滤器，进一步延长BAF 反冲洗周期，维持其运行稳定。