生物接触氧化工艺实际应用效果分析——以合肥某河道水质提升项目为例

张友德 戴曹培 章蔷 何建军 张甜甜

（安徽新宇环保科技股份有限公司，安徽合肥 230041）

1 引言

2015 年4 月《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）实施，国家首次将城市黑臭水体纳入治理范围，国务院随后出台多项政策加强推进全国黑臭水体整治工作，2018 年又印发了《城市黑臭水体治理攻坚战实施方案》。截至2020 年年底，全国地级及以上城市2 914 个黑臭水体消除比例达到98.2%。随之，县级城市黑臭水体治理也提上日程，国家目标是在“十四五”时期基本消除县级城市建成区的黑臭水体。

黑臭水体的治理中，宜采取旁路治理的方式来应对不能实现彻底截污或者无优质补给水源的水体。旁路治理是在受治理水体以外的地方实施处理办法的一种技术思路，是将受污染的河水抽出，经外部处理设施净化后再返回原河道，实现水质提升，一定程度上还可促进水体流动。

2 项目概况

合肥市某河道水质应急提升项目，现场采用快速磁分离净化设备+生物接触氧化池+生态处理（生态塘）的组合工艺，以达到水质应急提升效果，是一个典型的黑臭水体旁路治理技术应用项目。该项目需要提升的主要水质指标为化学需氧量、氨氮与总磷，设计各对应水质指标出水皆需满足地表水Ⅳ类标准，即检测化学需氧量浓度需小于30 mg/L，检测氨氮浓度需小于1.5 mg/L，检测总磷浓度需小于0.3 mg/L。快速磁分离净化设备主要作用于总磷以及部分化学需氧量的去除，生物接触氧化池工艺负责完成氨氮的削减任务［1］，生态塘承接生物接触氧化池出水以进一步提升水质指标。

生物接触氧化工艺是一种在污水处理技术中相对成熟的处理工艺。其通过附着在填料上的多种微生物作用，进行包括硝化与反硝化等在内的一系列生化反应，氧化分解污水中的污染物。工艺里的填料浸没在污水中，为微生物生长提供附着的场所。在所有填料长满生物膜的情况下，污水在填料之间穿行与生物膜接触，微生物自身代谢吸收并转化污染物，完成污染水体净化的过程。生物接触氧化工艺又称为“淹没式生物滤池”［2-3］，其所用的工艺填料见图1。

图1 工艺填料

本项目生物接触氧化池实际尺寸为80 m×14 m×2.7 m，坡度1∶2.5，底部宽10 m，水力停留时间7～9 h，气水比6 ∶1，有效水深2.2 m。池内整体设计为填料区、沉淀区2 个功能区域，沉淀区面积30 m×14 m，填料区面积50 m×14 m。填料区分为曝气区和静置区，在曝气区、静置区均匀布置悬挂式填料。填料选用软性填料与弹性填料，数量上2 种填料比例相同，施工时在池中将2 种填料互相平行穿插悬挂。曝气区上方布置水面输氧浮管，由软管连接池底微孔曝气头，静置区内布置填料。布置示意如图2 所示。

图2 接触氧化池布置示意

3 项目难点

本项目为应急提升类型工程，设计施工上不仅要考虑工期紧的问题，还需要注意后期恢复土地，所以不宜设计永久性或难以拆除的构筑物。因此，在确定使用工艺时，生物接触氧化池的设计方向上灵活参考了现场基础土地条件，区别于常规池体混凝土浇筑的构建思路，整体形式模仿了成熟且使用效果好的百乐克工艺（见图3），就近选取一凹地直接进行开挖改造。

图3 百乐克工艺

百乐克技术是20 世纪70 年代国外研究的一种污水处理技术，通常为土池结构，易于开挖，完全满足生化处理池功能上的要求，是一种低投资、低运行成本、高效低耗的工艺。启动时，由可活动的漂浮移动式曝气系统供氧，对氮类污染物有较好的去除效果［4］。

在挖好池体形状后，施工组要在池底铺设一层HDPE 防渗膜，以防止生产活动中污水下渗对土壤造成新的污染。

4 项目实施

4.1 挂膜调试

成功挂膜的填料是生物接触氧化工艺能稳定有效运行的关键，通常可以将填料浸入污水，经过一定时间放置让微生物生长自然挂膜，也可以直接加入污泥进行人工接种挂膜。生物接触氧化工艺的填料上需要繁殖出大量微生物，在施工调试过程中为追求效率，缩短工期，人工接种挂膜的方式应用更多一些。本项目调试时也采用人工接种挂膜的方法，调试接种污泥来源于本地一污水处理厂二沉池。调试当日，首先在池内蓄满待提升水质的河水，保证所有填料浸入水中，将污泥抛入生物接触氧化池中与填料接触进行人工接种。接种后，接触氧化池内持续闷曝，闷曝8 h 后开启循环泵，将接触氧化池尾端水打至接触氧化池进水端，使之形成内循环，循环4 h 再静置12 h。维持闷曝-内循环-静置的过程，其间适时补充新的河水，增加营养源。7 d 后可小流量通水测试低负荷运行，约14 d 后接触氧化池填料基本完成接种挂膜。具体步骤见表1。

表1 挂膜调试步骤 h

4.2 运行使用

本项目的接触氧化池主要负责削减氨氮，是整个提升治理系统的第二阶段处理工艺。项目运行时，受污染的河水经由前端快速磁分离净化设备处理，水体中悬浮物、总磷含量已经很低，水体透亮，杂质含量极少。磁分离净化后的河水转入接触氧化池中，接触氧化池内采用连续不间断的曝气方式，以保证氧气供应。河水穿过多层填料与附着在其上的生物膜充分接触（见图4），进行硝化反应。污染河水净化后，接触氧化池出水再接入后端生态塘。

图4 挂膜后的填料

5 项目运行效果分析

该项目运行以来，对其进出水进行连续6 个月的取样监测，平均每月取样1 次，根据生物接触氧化工艺的特点，对氨氮指标进行重点分析。由图5 可见，生物接触氧化工艺对氨氮有着显著的削减效果，据统计，平均去除率达到79 %以上。从10 月到次年2 月5 次监测到生物接触氧化池进水氨氮含量基本都在8 mg/L 以上，最高水平为次年2 月，氨氮含量达10.6 mg/L，对应生物接触氧化池出水氨氮含量为2.35 mg/L。通过生物接触氧化工艺处理，出水中氨氮含量至少可以达到或接近Ⅴ类水标准，即小于2.0 mg/L。

图5 连续取样氨氮含量对比

另一方面，对连续监测的氨氮去除率的变化曲线分析得到，生物接触氧化池在12 月到次年的2 月期间，氨氮削减能力低于6 次监测的平均水平（见图6）。从11 月开始，去除率曲线呈明显下降趋势，最低到次年1 月去除率已降至70%左右。主要因为我国在每年12 月至次年2 月期间为冬季，项目所在地区冬季室外温度存在零下的情况。随着外界温度降低，生物活性受到抑制，接触氧化效果开始下降。2 月以后气温回暖，生物接触氧化池氨氮去除率开始回升。

图6 氨氮去除率变化曲线

6 项目工艺优缺点分析

6.1 生物接触氧化工艺的优点

（1）挂膜接种方便，工艺启动时间短

本项目实际的接种生长时间7 d 左右，在确认填料上有效附着微生物后，开始低负荷通水试运行。整体上的驯化时间可压缩在15 d 内。

（2）对负荷的变动适应性强

生物接触氧化法的容积负荷为3～10 kg BOD5/（m3·d），是普通活性污泥法的3～5 倍［5］。

（3）维护管理方便，成本低

相较于传统活性污泥法，生物接触氧化法不用进行污泥回流且污泥产量很低，因此不需要考虑污泥膨胀问题，工艺运行能耗也节省很多，管理成本随之下降，并且本项目采用因地制宜的建设思路，节约建设成本。

（4）净化效果好，出水稳定

由上述分析可知，在氧气供应充足的前提下，生物接触氧化法具备较高且稳定的去除污染物能力，可稳定发挥良好净化效果。

（5）微生物种类丰富

因为本项目选用本地污水处理厂排出的活性污泥接种，不仅易于驯化而且形成的生物膜富含多种微生物，同时因为借鉴百乐克工艺构筑方法，池内微生物联合填料生物膜共同作用在污水处理中，处理效果更优。

6.2 项目工艺待改进的问题

（1）污泥脱落形成淤积

由于本项目为应急工程，未在生物接触氧化池填料区安置排泥设备。在微生物繁衍过程中，旧的生物膜脱离填料在池底堆积。一段时间后，氧化池下层水域形成淤泥并将填料掩埋，直接减少生物反应接触面积，工艺的净化效果随之受到影响。此问题在以后的工艺应用中应引起重视，对于不同运行期限的处理设施需有所考量。

（2）工艺受温度影响明显

生物接触氧化工艺本质上还是通过微生物消除污染的方法。大部分微生物适宜生长的环境温度为20～35 ℃，此时生物活性较为强烈。当外界温度低于10 ℃时，微生物基本处于休眠状态；当外界温度低于4 ℃时，微生物开始出现死亡。硝化反应的适宜温度是20～30 ℃，15 ℃以下时硝化反应速率下降，5 ℃时完全停止。低温影响生物活性是无法回避的问题，一般建议冬季在生化端增加供氧量。

7 结论

相较更为发达的地级市，在县级城市中低污染河流有一定占比，这些河流往往只是生态系统轻度失衡，自身无法及时消化污染物，慢慢转变为黑臭水体，这些水体中氮的主要存在形式为氨氮。经过实践证明，生物接触氧化工艺可以对氨氮进行有效去除，并且有启动快、成本低、净化效果好、出水稳定等优点，在县级城市黑臭水体治理中有很好的应用前景。本项目应用的池体构建方法能因地制宜，极好地适应现场的地形，显著缩短生物接触氧化池单元的构建工期，同时有效降低了建设成本，如在后期需要拆除也非常方便，产生的建筑废料极少。在某些特殊的地质条件下，如地震多发地区、土质疏松地区，其优点也得到更充分的体现，为数量广大的县级城市提供了一种较好的黑臭水体治理思路。