生物膜法結合BAF組合工藝在高氨氮廢水處理中的應用

周會勇，孫振興，王毅強，王毅剛，王 斌

(1.湖北宜化集團有限責任公司，湖北宜昌 443000； 2.北京藍圖工程設計有限公司，北京 100070；3.新疆凱旋新世紀環保科技有限公司，新疆烏魯木齊 830000)

氨氮為煤化工行業廢水中最主要的污染物之一，生化法是主要的氨氮處理方法，生化法處理氨氮分為活性污泥法和生物膜法兩大類[1]。活性污泥法是一種依靠曝氣池內呈懸浮、流動狀態的絮狀體微生物的氧化分解、吸附等作用來去除污水中污染物的方法；生物膜法則是一種使微生物群體附著于某些載體的表面上呈膜狀，通過與污水接觸，生物膜上的微生物攝取污水中的污染物作為營養并加以代謝，從而使污水得到凈化的方法[2-4]。

目前，國內生化法處理氨氮主要采用A-SBR法、SBR法及A2/O法等，這些方法均屬于活性污泥法及其變種工藝，其運行雖然穩定，但存在占地面積大、容積負荷低、剩余污泥發生量大及抗沖擊性差等問題，而采用生物膜法去除氨氮的例證很少見。

湖北某化工企業主要生產純堿和氯化銨等產品，所產生的廢水中污染物以氨氮為主，需建1座處理量為400 m3/h的生化處理站，但提供的建設用地僅有3 500 m2。經反復論證，最終采用HWO生物膜法工藝+曝氣生物濾(BAF)池與高密度沉淀池組合工藝處理該股高氨氮廢水，收到很好的效果[5-10]。下面結合投運后的處理效果，論證該工藝流程設計的優點。

1 工藝設計

以湖北某化工企業氨氮廢水處理項目為實例，進行具體設計及運行效果分析。整套裝置設計處理水量400 m3/h，處理后廢水中氨氮質量濃度為150 mg/L。該項目總占地不到3 500 m2，設計生化停留時間總共23 h(包括高密度沉淀池)，只有活性污泥法的1/3，其占地面積也同樣減少了2/3，而整體的處理效果和處理成本要優于活性污泥法。

1.1 導入HWO生化技術

HWO生化技術(高活性微生物和微生物活化技術)是由王培武博士率領的團隊和日本海洋大學鈴木誠治教授率領的團隊合作研發的技術[11-13]。2002年開始在日本市場推廣應用獲得良好評價后，于2006年開始在我國推廣應用至今，應用企業超過數十家，涉及行業有城市污水、食品、釀造、化工、造紙、印染等。在化工行業PVC聚合母液、煤氣化廢水、乙二醇、1,4-丁二醇等廢水處理上也得到很好的應用。

HWO技術是基于微生物遺傳物質橫向傳遞學說及微生物群體生存理論和抗氧化學說，采用高活性微生物(商品名HPB)，在有微生物活化劑(商品名OSSC)存在的條件下，按比例與廢水處理池中的活性污泥混合，不斷地激活、優選、馴養、增殖出能成為廢水處理中占主導地位的、高效的功能性微生物菌群。該技術的核心是HWO高效微生物菌種、微生物活化劑、微生物活化技術及活化裝置。將培養出的高活性微生物群體，連續、均勻地添加到污水生化處理池中，成為生化處理系統中能起頭領效應的功能性菌群，可以穩定地控制生化處理池中微生物的復雜生態系統，此微生態系統可大幅提高微生物對污染物的分解能力和適應性，抗沖擊負荷能力提高，并能促使多種微生物菌群互生增殖，從而達到穩定地、大幅度提高生化處理能力的目的。這種高活性微生態系統中的菌體，通過自身分泌出的黏性高分子物質黏結成團，成為有一定大小的活性污泥絮體，可改善原有活性污泥的性狀，使活性污泥菌膠團具有更加優良的沉降性、凝聚性，這些具有很高活性的微生物在載體上形成的生物膜也具有比一般生物膜要高的處理能力。HWO生化處理技術解決了一個世界性難題——生物膜法處理工藝中經常發生的生物膜肥大化的問題，不僅可脫除已經肥大化并造成堵塞的生物膜，還可使其不再發生肥大化，促進生物膜法處理系統高效運轉，保證廢水處理設施的處理能力，以達到更大幅度地降低COD、總氮含量的目的。

1.2 工藝路線及流程

湖北某企業進、出水的水質情況見表1。

表1 湖北某企業進、出水的水質情況

由上表1可以看出：該項目所處理的污染物主要是氨氮，而且廢水中的COD及BOD均偏低。該項目采用后置反硝化工藝設計，在三級膜法硝化脫氮之后接兩級膜法反硝化工藝段去除總氮，然后進入高密度沉淀池進行澄清，隨后的BAF池作為二級生化處理裝置，兼備脫碳和脫氮的效果。利用三級好氧脫氨氮工藝脫氮徹底的特點、生物膜法能夠固定微生物的特性和HWO高活性微生物的性能優勢，達到總池容最省、動力消耗少以及氨氮去除徹底的效果，既可保證反硝化過程中加入的碳源在末端處理干凈，也可保證氨氮、總氮去除達標。高氨氮廢水處理裝置流程示意見圖1。

圖1 高氨氮廢水處理裝置流程示意

將O/A工藝流程中的好氧池和缺氧池設計為固定生物膜反應器，即形成生物膜脫氮系統。該系統是由相對獨立的2套填料床反應器串聯組成，其中一組保持缺氧狀態，另一組保持好氧狀態。反應器內的填料為立體彈性填料，膜法O/A工藝能獲得比活性污泥法更好的脫氮效果，其主要原因是載體為生長速度緩慢的硝化和反硝化菌提供適宜生存的場所；特別是在缺氧池中，填充的彈性填料是抗毒物能力強且適應不良環境能力強的反硝化菌的良好棲息地，因此對反硝化效果非常有益。

BAF池屬淹沒式生物濾池工藝，在池內濾料全部為廢水所浸沒。淹沒式生物濾池的容積負荷最高BOD達3～6 kg/(m3·d)，與傳統活性污泥法相比，在去除BOD的效率大致相等的情況下，該法BOD的容積負荷可提高5倍，而所需處理時間只有活性污泥法的1/5。由于縮短了處理時間，同樣大小體積的設備，其處理能力提高了數倍。經測定表明，同樣濕重的帶有絲狀菌的生物膜，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質量濃度為2～5 g/L，微生物在池中處于懸浮狀態，而淹沒式生物濾池中絕大多數微生物附著在填料上，單位體積內水中和填料上的微生物質量濃度高(達10～20 g/L)，有利于提高容積負荷。該工藝不需要污泥回流，易于管理，出水水質好，動力消耗低，再加上HWO微生物的優勢性能，不存在生物膜肥大造成堵塞的問題。

工藝流程：廢水首先由管道輸送進入調節池，在調節池內進行均質、均量及pH調節。由于來水工序繁多，還含有檢修及事故廢水，水中還有大量油類和懸浮物，所以需要進行預處理，該項目采用溶氣氣浮裝置進行預處理。廢水由調節池提升泵直接打入氣浮裝置，在其前端加入聚合氯化鋁(PAC)和聚丙烯酰胺(PAM)充分混凝沉淀后進入后端處理裝置，除去大部分油污和部分懸浮物后進入生化處理系統，在生化處理系統中加入HWO高活性微生物，并形成穩定的生物膜。廢水首先進入HWO好氧硝化池，采用三級連續硝化工藝，在該工序中將水中的氨氮轉化為硝態氮，然后進入后置反硝化池，在反硝化池將廢水中的硝態氮轉化為氮氣，同時去除COD。反硝化池內設置曝氣盤，加入二氧化碳氣體以補充無機碳源，同時加入甲醇等物質以補充有機碳源，使反硝化充分進行，接著進入高密度沉淀池；高密度沉淀池同時作為O/A生化池的沉淀裝置和BAF池的預處理裝置，在進水端加入PAC和PAM后充分沉淀濃縮，澄清后水質達到BAF池的進水要求，自流進入中間水池，然后由泵打入BAF池進行最后的生化處理，將多余的COD和氨氮去除后，產水自流進入返洗水池，最后由泵打入纖維過濾器，過濾后達標排放。

剩余污泥通過自流(氣浮、BAF池)或螺桿泵(高密度沉淀池)排入集泥池收集，再輸送至濃縮池濃縮，進入疊螺脫水機進行脫水處理后，濾餅外運，濾液通過地下收集池收集后送回調節池。

2 運行結果與分析

該項目于2017年3月底竣工，4月中旬開始全面開車調試，5月中旬即調試合格，運行至今已近半年，系統一直運行穩定，偶爾受到來水沖擊，采取相應措施后，在3 d左右就能恢復正常。

2.1 容積負荷及日常運行分析

自2017年4月開車調試以來，進水調節池和出水氨氮去除率、總氮去除率及COD去除率分別如圖2～圖4所示。

圖2 氨氮去除率

由圖2可看出：2017年4月至9月，整體處理水量和進水濃度呈逐步上升的趨勢，其氨氮去除率處于穩定上升的狀態；特別是9月，由于受到高鹽廢水(Cl-質量濃度達8 000～10 000 mg/L)的沖擊，系統產生波動而氨氮去除率稍微降低，但處理出水的氨氮含量仍然達標。硝化容積負荷在2017年9月最高氨氮達0.23 kg/(m3·d)，已十分接近0.25 kg/(m3·d)的設計值，由此判定該裝置完全可以達到氨氮處理的容積負荷與處理效率的設計值。

圖3 總氮去除率

由圖3可看出：總氮去除率與氨氮去除率基本一致，隨著系統調試穩定后，總氮去除率逐步上升，到2017年7月后趨于穩定，基本都接近于90%，反硝化池出水已經實現了總氮的去除目標，后續的BAF池對總氮去除效果微弱。從整體來看，該裝置對總氮的處理效率很高，在水量和濃度增加的情況下，總氮均處理合格，其容積負荷 NO3-N 達0.41 kg/(m3·d)，與設計的0.50 kg/(m3·d)已很接近。該技術對出水總氮均能控制在15 mg/L以下，優于國家相關規范標準的要求。

圖4 COD去除率

由圖4可看出：COD去除雖不是該項目的難點，但還是表現出該裝置優秀的COD處理能力。在進水水質、水量變動和投加少量甲醇補充有機碳源的時候，出水水質基本沒有大的變動，且出水COD均穩定在42 mg/L以內。

2.2 耐沖擊性能分析

2017年9月7- 8日，受到高鹽廢水沖擊，采取應急措施前、后進出水氨氮對比如圖5所示。

圖5 采取應急措施前、后進出水氨氮對比

由圖5可以看出：在整個系統受到高鹽廢水沖擊時，雖然采取了補救措施，但各列進水氨氮含量還是有所上升，各列處理出水的氨氮含量雖也有上升但均在允許范圍內，沒有產生系統崩潰的現象；特別是BAF池看不出什么變化，處理出水氨氮質量濃度仍然維持在最高12.7 mg/L以內達標。系統只用36 h就全面恢復正常，BAF池處理出水氨氮質量濃度恢復到3.07 mg/L，充分說明了本套系統的抗沖擊能力和在異常情況下的迅速恢復能力。

2.3 高密度沉淀池運行作用及效果

高密度沉淀池去除濁度效果對比如圖6所示。

圖6 高密度沉淀池去除濁度效果對比

HWO生物膜法工藝在生物膜穩定成形后，處理出水水質好，系統出水浮泥極少，且沉降性好，高密度沉淀池對濁度的去除效率很高。由圖6可知：濁度去除效率均在85%以上，出水濁度均在7 mg/L 以下，進水濁度越高，濁度去除效率也越高，說明該高密度沉淀池去除濁度還有很大的余地，這也充分證明在HWO生物膜法工藝條件下高密度沉淀池可以代替傳統的二沉池和終沉池。

2.4 BAF池運行效果

BAF池去除效率如圖7所示。

圖7 BAF池去除效率

由圖7可以看出：BAF池對氨氮的去除效率在2017年7月達到最高值81.4%，8月和9月直到受到沖擊期間也一直維持在55%～74%的高處理效率。系統中的BAF池主要是起到了穩定系統出水水質的作用，尤其在進水氨氮含量高時，充分保證了出水的指標合格，作為生化系統的補充和保險，能完全保證整個系統的抗沖擊能力和處理量的彈性空間，達到了設計的目的。

2.5 污泥的產生量

項目開車至今，每月壓濾的干污泥不超過0.5 t，與活性污泥法工藝處理同樣污水量時平均每月發生10 t以上干污泥相比，可以說少之又少，極大地減少了污泥處理成本，也減輕了操作負擔。而剩余污泥發生量少是HWO生化技術的主要技術特征之一。

2.6 整體組合工藝的運行及費用

綜上所述，項目整體工藝運行狀況良好，抗沖擊能力強，污泥產生量少，且只用了1個月就調試合格，完全達到了最初的設計目標。2017年4月至9月處理水量和實際運行成本情況如圖8所示。

圖8 2017年4月至9月處理水量和實際運行成本情況

由圖8可以看出：初期調試時，平均處理水量偏小，投加的碳源等輔料較多，故運行成本高；但隨著系統調試合格接近并達到設計處理水量后，運行成本穩步下降。另外，在經受高鹽廢水沖擊時，系統恢復需要投加的輔料增多，成本會偏高一點。整體來說，由于項目的處理量已達到設計負荷的90%，其實際運行成本與設計值相當，相對于活性污泥法及SBR等工藝，處理成本低的優勢非常明顯。

3 結語

(1) 通過生產實踐證明，HWO生物膜法工藝處理高氨氮廢水具有以下優勢：①容積負荷大，處理效率高，發生的剩余污泥量極少；②運行穩定，耐沖擊性強，且受沖擊后恢復極快；③投資省，占地少；④運行費用低，操作簡單。

(2) 高密度沉淀池其特殊的構造和優異的沉降性能可同時作為HWO生物膜法工藝中的沉淀池與BAF池的預處理裝置使用，且效率高、處理成本低、出水效果良好。

(3) 曝氣生物濾池作為另一種形式的生物膜工藝與HWO生物膜工藝組合，不僅保證了出水水質，也充分滿足了廢水處理的彈性需要，大大提高了本套組合工藝技術的穩定性和高效性。

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