曝氣生物濾池在基坑排水處理中應(yīng)用

張明浩 周小華 馮春苗 謝 昕

（1 南京市建鄴區(qū)水務(wù)局 江蘇南京 210000 2 南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 江蘇南京 210000）

引言

一般來說，施工現(xiàn)場經(jīng)常性基坑排水包括三部分，降水、地下水滲水和部分施工用水（混凝土養(yǎng)護和沖洗廢水）[1]。其中降水和施工用水為偶發(fā)性且水量較小，基本可忽略不計，基坑排水主要以地下水滲水為主[2]，單個工地每日排水量在幾百至幾千噸左右。地下水滲水的水質(zhì)和當(dāng)?shù)氐叵滤廴居兄苯雨P(guān)系，已有大量研究表明，目前我國各流域地下水污染狀況不容樂觀，甚至有些流域存在超過80%的地下水污染問題[3]。地下水污染導(dǎo)致的基坑排水水質(zhì)超標(biāo)對工地周邊河道水體的影響已不可忽視。

南京市建鄴區(qū)南部目前正面臨大規(guī)模開發(fā)與施工，在2019 年底摸排中，涉及基坑排水工地共22 處，排水量約12 萬t/d～16 萬t/d。約60%工地基坑排水出現(xiàn)水質(zhì)超標(biāo)，氨氮濃度在11～22.4mg/L，遠超當(dāng)?shù)厮w執(zhí)行的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中Ⅴ類水質(zhì)要求。大規(guī)模的劣V 類基坑排水進入內(nèi)河，已造成了建鄴區(qū)部分水系氨氮指標(biāo)惡化，除了對河道采取應(yīng)急處理措施，從源頭降低進入河道污染物總量才是解決基坑排水污染問題的關(guān)鍵。

1 項目概況

本項目所在地為建鄴區(qū)某建筑施工現(xiàn)場，目前施工期間工地基坑廢水包括基坑滲水、施工排水兩部分，基坑滲水為持續(xù)性排水，水量在120～150m3/h 之間，水質(zhì)與地下水水質(zhì)基本一致，濁度小于10，一般情況下排往雨水管網(wǎng)或者就地排河。另一部分施工排水包括混凝土澆筑、養(yǎng)護排水，該類排水為偶發(fā)性，濁度高SS可達10000mg/L 以上，一般經(jīng)混凝沉淀去除濁度后排放。現(xiàn)該施工現(xiàn)場已針對高濁度排水修建沉淀池、清水池，將施工廢水經(jīng)沉淀處理后和基坑滲水合并排放市政雨水管網(wǎng)。

2019 年7 月，建鄴區(qū)水務(wù)局委托檢測單位對該工地基坑排水進行檢測，基坑排水主要污染物質(zhì)氨氮濃度在8.0～11.2mg/L 左右，嚴(yán)重超出該區(qū)地表水水質(zhì)排放限值2mg/L，亟需在排放前進行妥善處理。

2 處理主體工藝的選擇

此前，基坑排水多采用簡單沉淀去除懸浮物，但是水中存在的氨氮等污染物質(zhì)仍然需要進一步強化處理。基坑排水具有水量大，持續(xù)排放時間長等特點。該類廢水若輸送至污水廠不僅會造成污水廠負(fù)荷加重，還會降低污水廠進水有機物濃度，影響污水廠脫氮效果。因此，選擇合適的分散式深度污水處理設(shè)施是進行基坑排水污染防治的關(guān)鍵措施。

建鄴區(qū)對排入城市內(nèi)河的排口，要求氨氮執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838-2002）中Ⅴ類的2mg/L，適合采用強化工藝進行處理。目前常見的曝氣生物濾池（BAF）、接觸氧化法和MBR。

MBR 采用中空纖維膜代替二沉池進行泥水分離，實現(xiàn)水力停留時間和污泥泥齡的分離。MBR 污泥負(fù)荷高，泥齡長，硝化效果好，污泥產(chǎn)量低，占地面積小。楊琦等利用MBR 處理城市污水廠一級出水，出水COD 和氨氮分別穩(wěn)定在13mg/L 和0.3mg/L 左右，達到城市水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。MBR 工藝無需后段泥水分離，出水濁度可穩(wěn)定在1 以下[4]。但是對于基坑排水處理，間歇式運行模式并不利于MBR 污泥存活，且污泥培養(yǎng)周期較長。

接觸氧化法是一種介于活性污泥法與生物濾池之間的生物處理技術(shù)。具有耐沖擊負(fù)荷強，操作簡單，出水水質(zhì)好，污泥量少等優(yōu)點。該工藝污泥濃度高，運行維護簡單，方便間隙性運行，目前在分散式污水治理中已有廣泛使用案例[5]。有項目利用接觸氧化法對污水廠二級出水進行深度處理，結(jié)果表明，在水力停留時間為2.5h 的條件下，出水氨氮濃度始終維持在2mg/L 以下，運行效果穩(wěn)定，耐沖擊負(fù)荷好[5]。但是接觸氧化工藝后續(xù)需額外增加泥水分離裝置，增加了占地面積。

BAF 也稱為淹沒式曝氣生物濾池，是集生物降解、固液分離于一體的生物膜處理設(shè)施。耐水量變化負(fù)荷強，無需后續(xù)沉淀處理工藝節(jié)約占地空間，尤其適用于本項目主要實施地點在工地，氮氨出水要求高的情況。其工藝原理為，利用濾池內(nèi)部填料上生長的生物膜，結(jié)合濾池底部曝氣，對污水中物質(zhì)進行降解和截流。齊兵強BAF 在某市政水廠中運行結(jié)果，表明，作為深度處理單元BAF 出水SS、COD 和氨氮分別達到6mg/L、30mg/L 和0.1mg/L，出水水質(zhì)達到生活雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[6]。

作為基坑排水處理設(shè)施，主要實施地位于建設(shè)工地，對處理工藝的要求著重于出水水質(zhì)穩(wěn)定、氨氮濃度低、占地面積盡量小，運行維護簡單，且應(yīng)少產(chǎn)生或者盡量不產(chǎn)生污泥。此外，本項目原水屬于微污染水源，BAF 作為典型的深度處理工藝，在河道、水源地等微污染水處理領(lǐng)域有較多成熟案例[7][8]，因此選擇BAF 基坑水處理脫氮工藝。

2.1 BAF設(shè)計

本項目為基坑排水處理項目，基坑排水持續(xù)時間為一年左右，為了裝置重復(fù)利用，本次BAF 采用一體化鋼制設(shè)備，考慮到設(shè)備運輸規(guī)格要求，直徑為3.2m。

目前BAF 常用的填料為顆粒填粒，包括石英砂、陶粒和沸石等。BAF 填料應(yīng)具有微生物易掛膜、強度高不易碎，不易堵塞等特點。雖然顆粒填料價格低，填充密度高，但是易堵塞，要求頻繁且高強度反沖洗，不利于本項目在施工現(xiàn)場運行。目前，國內(nèi)開發(fā)出的新型纖維填料，雖然一次性投資成本高于顆粒填料，但是其具有掛膜快、反沖洗要求低、生物量大且可重復(fù)利用等優(yōu)點[9][10]。

有研究利用以新型纖維為填料的BAF 對微污染河水進行處理，結(jié)果表明，在水力停留時間（HRT）為1.5h 時，其出水氨氮去除率可穩(wěn)定在0.5mg/L 左右，反洗周期7～15d。且由于纖維填料空隙率高，微生物與污水充分接觸，系統(tǒng)內(nèi)呈現(xiàn)完全混和態(tài)，因此可適當(dāng)降低填料高度，減少BAF 總體高度[9]。綜上，纖維填料BAF出水效果穩(wěn)定，反應(yīng)器啟動快，總高度低，反沖洗周期長，適用于微污染水的應(yīng)急強化處理。

參照《曝氣生物濾池工程技術(shù)規(guī)程》 和纖維填料BAF 相關(guān)工程經(jīng)驗，本項目BAF 結(jié)構(gòu)示意圖和主要設(shè)計參數(shù)見圖1 和表1。

圖1 BAF結(jié)構(gòu)示意圖

表1 BAF主要設(shè)計參數(shù)

考慮現(xiàn)場平均水量為120～150m3/h，設(shè)置4 臺一體化設(shè)備，BAF 填料填充率為15%，上向流式運行，采用底部微孔擴散裝置進行連續(xù)曝氣。

2.2 BAF設(shè)備啟動

BAF 設(shè)備正常運行的前提是填料表層形成質(zhì)量良好且穩(wěn)定的生物膜，保證設(shè)備內(nèi)足夠的微生物量和必需的生物種群。本項目BAF 采用連續(xù)流培訓(xùn)進行掛膜啟動，并監(jiān)控出水氨氮濃度。設(shè)備掛膜啟動五天后，可從視鏡中看出填料中逐漸開始出現(xiàn)肉眼可見褐色附著物，此時出水氨氮已降至3mg/L 左右。設(shè)備掛膜十天左右，填料中褐色附著物加厚，且出水降至1.5mg/L 左右，且后續(xù)階段出水水質(zhì)始終穩(wěn)定在1.0～1.5mg/L 左右，表明BAF 設(shè)備啟動成功。

2.3 BAF設(shè)備運行

BAF 曝氣量是設(shè)備運行的重要控制因素，本工程主要功能是氮氨硝化，需氧量計算按照公式1 和公式2 公式，具體過程不再贅述。凱氏氮進出水差值ΔCTKN 取15，系統(tǒng)氧利用率EA 取10%，BAF 設(shè)計出水氧溶度DO 為4mg/L，則標(biāo)況下總供氣量為110m3/h。參照以往BAF 相關(guān)工程經(jīng)驗，考察不同氣水比條件下出水氨氮濃方式。當(dāng)氣水比大于1.5 時，出水水質(zhì)穩(wěn)定在1.0mg/L 左右。因此，設(shè)計總供氣量為3m3/min。現(xiàn)場配置兩臺鼓風(fēng)機，單臺風(fēng)量為1.5m3/min，作為臨時性應(yīng)急工程，不設(shè)置備用風(fēng)機。

式中：

Q—設(shè)計污水流量（m3/d）；

△CTKN—進出硝化濾池凱氏氮濃度差值，mg/L；

Csm（20）—20℃時，混合液溶解氧飽和濃度的平均值，mg/L；

T—設(shè)計溫度，℃；

α—氧的水質(zhì)轉(zhuǎn)移系數(shù)；

β—飽和溶解氧的修正系數(shù)；

ρ—修正系數(shù)；

Cs（T）—設(shè)計溫度為T℃時，清水中飽和溶解氧濃度值，mg/L；

C1—濾池出水溶解氧濃度，mg/L。

BAF 運行一段時間后，由于生物膜增殖加厚以及截留懸浮物增多等原因，使得濾層阻力增大，影響運行，因此需要進行氣水反沖洗。有研究表明，在BAF 反洗后一段時間內(nèi)其出水水質(zhì)不佳，這可能是由于反沖洗對附著的硝化菌等微生物有不利影響。因此，在濾池不發(fā)生氣阻等現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，適當(dāng)延長反沖洗周期，調(diào)整合理的反洗強度。本項目BAF 主要功能為氨氮硝化，硝化菌生物膜增殖慢，且較薄，因此可適當(dāng)延長反沖洗周期至10～15d 左右。參照相關(guān)工程經(jīng)驗，氣洗強度為45m3/（m2·h），水洗強度為15m3/（m2·h）。設(shè)置反洗風(fēng)機風(fēng)量為6m3/min，反洗泵水量為120m3/h。

目前該工地BAF 設(shè)施已穩(wěn)定運行四個月，進水氨氮在8～14mg/L 左右，出水氨氮不高于3mg/L，反沖洗周期穩(wěn)定在7d 左右，滿足基坑水處理要求。

2.4 基坑排水處理技術(shù)經(jīng)濟評估

基坑排水作為臨時性應(yīng)急工程，成本由施工方承擔(dān)，施工方對水處理設(shè)備投資和運行費用的承受能力有限。目前采取的形式是由施工方向第三方環(huán)保公司購買服務(wù)，內(nèi)容包括設(shè)備設(shè)施的租賃和購買、運營期的電費、水費和人工費，詳見表2。由表2 可知，在本項目日處理基坑排水150m3的條件下，單日處理成本為0.15 萬元，一般來說基坑維護期為一年，總處理成本為54.75 萬元。

表2 基坑排水處理成本

結(jié)語

（1）當(dāng)前，多數(shù)城市河道要求消除劣Ⅴ類，在地下水污染區(qū)域，大體量的基坑排水已嚴(yán)重影響城市河道水質(zhì)提標(biāo)。因此，為了消除基坑養(yǎng)護期間，基坑排水對地表水體的影響，應(yīng)采取合適的深度處理設(shè)施對其處理達標(biāo)排放。建鄴區(qū)在采取應(yīng)急措施對全區(qū)基坑排水進行處理后，其河道斷面監(jiān)控水質(zhì)特別是氨氮指標(biāo)有了明顯提升，為南京市及其它地區(qū)提供有效經(jīng)驗。

（2）基坑排水處理項目為臨時性應(yīng)急工程，選擇BAF 作為除理工藝，具有啟動快、占地面積小、工藝流程短和出水效果優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定等特點。其中，本項目采用彈性纖維填料，其空隙率高、反洗周期長、掛膜時間短等突出特點，對于氨氮硝化有一定的優(yōu)勢。

（3）采用一體化BAF 作為基坑排水處理工藝，項目一次性投資和運營成本在0.41 元/t，為其它類似項目提供運營估算依據(jù)。

（4）由于施工現(xiàn)場情況復(fù)雜，基坑排水可能存在濁度超標(biāo)現(xiàn)象，短期內(nèi)造成BAF 填料堵塞，影響運行。建議可在BAF 進水前端加裝大孔徑自清洗過濾器，進一步延長BAF 反沖洗周期，維持其運行穩(wěn)定。