曝气生物滤池在化工废水中水回用工程中对COD 处理效果的研究

乔勇 QIAO Yong

（中铁国际集团有限公司，北京 100036）

0 引言

2000 年，我国被联合国评为十三个贫水国之一，人均水资源量仅为全世界人均量的1/4，每年人均拥有的水资源只有约2150-2300m3左右[1，2]。根据水利部下发的《21 世纪中国水供求》，2030 年我国供水总需求量将达到10000亿m3，供水缺口将达到4000-5000m3。与此同时，随着城镇化急速扩张、人口数量增加、经济快速发展，水资源短缺和水环境污染问题会日益凸显，水资源短缺将成为制约我国社会可持续发展的重点问题[3-5]。对此，寻找高效、易操作的水污染处理技术成为重中之重。

常见的生活污水处理方法有A2/O、氧化沟等，但都存在一定的不足之处。在A2/O 工艺中，如果进入二沉池的污水含氧量较低，一方面二沉池会因缺氧反硝化而产生N2，从而使污泥上浮、流出，另一方面会使聚磷菌释磷，出水总磷升高[6，7]；而在氧化沟工艺中，也存在污泥膨胀、油脂经转刷搅拌产生泡沫、污泥上浮以及流速不均使污泥沉积等问题[8，9]。而曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，简称BAF）于上世纪80 年代产生于欧洲，此后在欧美和日本广为传播，是一种集过滤、生物吸附、生物氧化于一体的水处理技术，具有占地小、出水水质高、污泥量小、水力负荷高等优点，可维持高的水力负荷和保留高的生物量浓度以减少环境冲击，能促进微生物生长且产泥量少。上世纪90 年代初受到了广泛关注[10-12]。

对此，本文采用曝气生物滤池处理化工废水及滤池反洗水，考察了其在中试工程中对废水中CODCr的去除效果，探究了水力负荷、气水比、电导率、反洗时间等因素对曝气生物滤池去除CODCr的影响及最佳试验条件，以求对实际过程中曝气生物滤池去除污水中CODCr做出指导。

1 曝气生物滤池概述

1.1 曝气生物滤池的结构

本中试工程所采用的中试设备材质为碳钢防腐。其结构尺寸为1.2×0.7×4.6（H），共3 座共壁，并联使用，运行方式为下向流，气水逆向流，曝气生物滤池结构见图1，主要由生物反应过滤区、曝气装置、反冲洗装置等三部分组成，生物反应过滤区由生物滤料层和碎石垫层组成，滤料层采用粒径4-6mm 的轻质生物陶粒，高度为2.0-2.8m，其中一座滤料高度2.8m，其他两座滤料高度2.0m。垫层采用10-20mm 的碎石，厚度0.2m，滤池有效容积2.6m3；曝气生物滤池所需空气通过布置碎石垫层内的穿孔曝气管直接进入生物滤料层；反冲洗装置采用配水和配气联合系统，其中配气设备为HC-15 型罗茨风机。试验装置中阀门采用手动控制，进水及进气管道上均装有玻璃转子流量计，可随时读取进水、进气量。具体如图1 所示。

图1 曝气生物滤池结构示意图

1.2 工艺流程原理

曝气生物滤池基本原理是通过驯化培养使得滤池内滤料生长微生物生物膜，通过生物膜进行生物氧化分解作用对水质进行净化。滤池底部通过鼓风机进行曝气，空气与污水同向或者逆向接触。同时通过滤料及生物膜微生物产生的胞外聚合物（EPS）对水中的悬浮颗粒物进行过滤截留，沿水流方向形成的食物链分级捕食作用以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用，达到水质净化的目的。图2 为曝气生物滤池的工艺流程图。

图2 曝气生物滤池工艺流程图

1.3 曝气生物滤池的特点

②曝气生物滤池具有技术简单、投资费用低、运营成本低的特点，能以较低的费用去除较多的SS。

③可有效提高反应池中微生物浓度，提高生物组成的复杂性，增强菌落的恶略环境生存能力。

1.4 曝气生物滤池的功能

1.4.1 有效去除污水中的有机物

曝气生物滤池微生物浓度高、生物组成复杂的特点，使其对污水中的有机物的吸附效果大大增强。雷晓玲等人[13]探究了以曝气生物滤池去除高有机物废水中的污染物，结果表明：曝气生物滤池高生物浓度、高生物种类有利于污染物的去除，此外，填料的阻拦、生物的吸收、处理作用使废水中有机物得到较好的去除；孙漓青[14]等人在高碑店污水处理厂中试研究时利用曝气生物滤池进行生活污水处理，结果表明，废水中COD 的去除率达86%；OTV 公司[15]研发的曝气生物滤池对COD、BOD 的去除率分别为80%及93.8%；大连市马栏河污水处理厂[16]的运营数据显示，曝气生物滤池对COD、BOD 和NH3-N 的去除效果稳定。研究结果显示，曝气生物滤池高微生物浓度、高生物相的特点，使其对污水中有机物具有较好的去除效果。

1.4.2 氮的去除

曝气生物滤池为悬浮和附着两类工艺的组合，浸泡在污水中的填料表面和间隙存在生物膜及活性污泥，包含好氧、兼性和厌氧微生物，可以同时进行硝化和反硝化反应，为脱氮提供了较好环境。生物膜层附着在填料的外表面，外部由硝化细菌、好氧微生物等组成，内部以兼性厌氧菌为主，污染物被生物膜吸附，在由外向内的过程中，经历好氧、厌氧环境，硝化反应和反硝化反应的进行就得以实现，从而实现脱氮的效果[17，18]。针对曝气生物滤池的脱氮效果，王春荣[19]等研究表明两段曝气生物滤池可将污水中91.54%-93.96%的氨氮去除，去除效果较好，可以满足排放标准；李汝琪等[20]的研究结果表明，在水力负荷为0.53m/h 的条件下，曝气生物滤池对生活污水中NH3-N 的去除率为91.85%，出水口浓度为l.7mg/L，对TN 的去除率为85.1%，出水口浓度为4.3mg/L；郑州某污水处理厂[21]在NH3-N 负荷为0.99kg/（m3·d）的条件下，探究了曝气生物滤池对氨氮的去除效果，结果表明，氨氮去除率为96.1%；王树涛[22]以曝气生物滤池处理含氨氮的污水，结果显示，随着温度的提高，曝气生物滤池的硝化率可提高到100%，随着温度的下降，硝化速率随之下降。研究表明，曝气生物滤池可有效去除污水中的氮，并且去除效果同有机物浓度、温度、停留时间等因素有关。

1.4.3 磷的去除

在不投加化学药剂的前提下，通过曝气生物滤池难以将污水中磷的含量控制在标准范围之内[23]。研究表明，曝气生物滤池中生物的同化作用、吸附作用及生物积累作用可对污水中磷的去除产生一定的作用，但效果不佳。针对曝气生物滤池除磷的效果，国内外学者进行了诸多探究，Goncalves 等研究显示进水方式对曝气生物滤池脱氮除磷的影响较小；德国的研究表明，通过同步硝化除磷，曝气生物滤池可去除污水中70%的磷，去除效果较优；此外，有研究探索了在交替好氧、厌氧条件下，曝气生物滤池对污水中磷的去除能力，结果显示，碳磷比、水力停留时间、硝酸盐和亚硝酸盐的含量以及反冲洗过程均会对曝气生物除磷产生影响。综合来看，曝气生物滤池对污水中磷的去除能力有限，需协同化学药剂进行处理才能达到标准。

中国特色社会主义进入新时代，对服务“三农”工作提出新要求。乡镇供电所是国家电网公司服务乡村振兴战略、新时代“三农”的前沿阵地。近几年国家电网公司全面推进“全能型”乡镇供电所建设并实现全覆盖，农村供电服务质效得到充分提升。在建设过程中，我们公司积累了丰富的经验，取得了一定成绩，但仍存在着一些不容忽视的问题，必须引起我们的重视。例如设计的合理性、完整性、统一性和精确性还存在很大问题；工程组织方式落后，管理能力参差不齐，企业信息化水平较低；工艺水平和工程质量完成度还有很大的改进空间（见图1）。

2 实验条件

2.1 进出水水质情况

根据乙烯公司外排水水源的实际水量情况，将滤池反洗水、生活污水、雨水及清净下水按照一定比例提升到调节池内混合，将混合后的水通过提升泵提升进入曝气生物滤池进行处理，其进、出水的水质如表1 所示。

表1 进出水水质情况

2.2 运行参数

处理水量：3m3/h；水力负荷：0.5-1.4m3/m3·h；气水比：1～4；反洗时间：10-90min；进水电导率：800-2000μs/cm。

2.3 试验方法

反冲洗采用气水交替反冲，①关闭进水和工艺用空气；②水单独冲洗5min；③空气单独冲洗5min；继而②、③步骤交替进行并重复几次；④最后用水漂洗一次。反冲洗水自下而上，填料层在单独水冲或气冲过程中，不断膨胀和被压缩，同时，在水、气对填料的流体冲刷和填料颗粒间互相摩擦的双重作用下，生物膜、被截留吸附的SS 与填料分离，冲洗下来的生物膜及SS 在漂洗中被冲出滤池。再生后的滤池进入下一周期运行。期间，利用溶解氧测定仪每天1～4 次监测进出水溶解氧；采用美国哈希公司2100 型浊度测定仪，每2 个小时监测出水浊度；随时监测进出水水温和电导率；定期监测进出水CODCr水质指标。

3 实验结果

3.1 进、出水CODCr 变化曲线图

图3 为5 月上旬至9 月上旬曝气生物滤池进出水CODCr浓度变化曲线。

图3 进出水CODCr 变化曲线图

由图3 显示，5 月上旬至8 月下旬，进水CODCr浓度在45-65mg/L 的范围内变化，而出水CODCr浓度在20-35mg/L 的范围内变化。可以看出，进水CODCr浓度整体偏低，这是由于该地区从5 月下旬开始至8 月下旬期间雨水量较大，对乙烯公司外排水起到了稀释作用，同时厂区路面上的一些杂质随雨水进入中试工程取水井内，致使进水的CODCr偏低。其中，6 月下旬的去除率最大，为63.63%；7 月下旬去除率最小，为48.00%，但出水CODCr整体达到了进入后续处理工段的条件。

3.2 水力负荷对曝气生物滤池去除CODCr 的影响

为探究水力负荷对曝气生物滤池去除CODCr的影响，分别在水力负荷为0.5、0.7、0.9、1.0、1.2、1.4m3/m2·h 的条件下，计算CODCr的去除率，结果如图4 所示。

图4 水力负荷对BAF 池去除CODCr 的影响

图4 表明，当水力负荷由0.5m3/m2·h 上升至1.4m3/m2·h时，曝气生物滤池对CODCr的去除率由55%降低至25%，即表明，水力负荷与CODCr的去除率呈负相关。当水力负荷小于1.0m3/m2·h 时，CODCr的去除率较高，但随着水力负荷持续减小，CODCr的去除率并未得到大幅度提升，因此考虑实际工程占地因素，运行过程中采用1.0m3/m2·h 比较合理。

3.3 不同气水比对曝气生物滤池去除CODCr 的影响

为探究气水比对曝气生物滤池去除CODCr的影响，分别在气水比为，1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 的条件下，测量COD的去除率，结果如图5 所示。

图5 不同气水比对曝气生物滤池去除CODCr 的影响

由图5 可知，当气水比小于1.5 时，CODCr去除率随气水比的增加而增加，而当气水比大于1.5 时，CODCr去除率随气水比的增加而降低。这是由于，当曝气量增大时，会使微生物自身氧化，造成有机物分级形成部分CODCr；同时，风量过大会使微生物处于松散状态，不能很好地粘附于填料上形成微小的生物环境，降低了COD 的去除率。此外，中试设备运行中发现当气水比1.5 时，BAF 池出水溶解氧均不低于3.5mg/L，满足BAF 池对溶解氧浓度的要求。即考虑到曝气生物滤池对CODCr的去除效果以及经济性原因，采取气水比为1.5 较为合理。

3.4 来水导电性对曝气生物滤池去除CODCr 的影响

为探究来水导电性对曝气生物滤池去除CODCr的影响，分别在电导率为，800、1000、1200、1400、1500、1700、2000μs/cm 的条件下，测量进出水COD 的浓度及去除率，结果如图6 所示。

图6 不同气水比对曝气生物滤池去除CODCr 的影响

由图6 可以看出，当进水电导率在800-1400μs/cm 的条件下，曝气生物滤池对CODCr的去除率在45%以上；当进水电导率大于1400μs/cm 时，曝气生物滤池对CODCr的去除率随着电导率的增大而降低。即表明，当BAF 池进水电导高于1400μs/cm 时，对CODCr的去除影响较大，所以在工程运行过程中，须保证BAF 池进水电导不高于1400μs/cm 才能维持对有机物的去除效果。

3.5 反冲洗时间对曝气生物滤池去除CODCr 的影响

为探究反冲洗时间对曝气生物滤池去除CODCr的影响，分别在反冲洗时间为，10、20、30、45、60、90min 及进水CODCr浓度为50mg/L 的条件下，测量出水COD 的浓度及去除率，结果如图7 所示。

图7 反洗时间对曝气生物滤池去除CODCr 的影响

图7 显示，随着反洗时间的延长，曝气生物滤池出水CODCr浓度逐渐降低，在反洗时间为45min 及以上的条件下，出水CODCr浓度降至最低并逐步趋于稳定。图8 表明，随着反洗时间由10min 延长至45min，曝气生物滤池对CODCr的去除率由20%提升至50%。由此可知，至少需要进行45min 以上的反洗才能使曝气生物滤池回复正常的去除效果。

图8 不同反洗时间下曝气生物滤池对CODCr 的去除率

4 结语

曝气生物滤池具有占地小、出水水质好、流程简单、对环境影响小等优点，具有广阔的应用前景。本文选取乙烯公司外排水为研究对象，探究了曝气生物滤池在化工废水中水回用工程中对COD 的处理效果，并针对运行过程中进水CODCr浓度、水力负荷、气水比、进水电导率以及反洗时间等因素对曝气生物滤池去除CODCr效果的影响。试验结果表明：①进水CODCr浓度在45-65mg/L 时，曝气生物滤池对污水中CODCr的去除率在48.00%-63.63%的范围内。②随着水力负荷增大，曝气生物滤池对CODCr的去除效果减小，考虑实际工程占地因素，运行过程中采用1.0m3/m2·h 比较合理。③当气水比小于1.5 时，CODCr去除率随气水比的增加而增加，而当气水比大于1.5 时，CODCr去除率随气水比的增加而降低，因此，考虑到曝气生物滤池对CODCr的去除效果以及经济性原因，采取气水比为1.5 较为合理。④进水电导率大于1400μs/cm 时，曝气生物滤池对CODCr的去除率随着电导率的增大而降低，因此必须保证BAF 池进水电导不高于1400μs/cm 才能维持对有机物的去除效果。⑤至少需要进行45min 以上的反洗才能使曝气生物滤池回复正常的去除效果。