生物濾池在污水深度處理中的研究進展

閆高俊,楊治廣,莊國強，宋志偉

（1.黑龍江科技大學環境與化工學院，黑龍江 哈爾濱 150027；2.河南城建學院河南省水體污染防治與修復重點實驗室，河南 平頂山 467036；3.中國科學院生態環境研究中心，北京 100085）

0 引言

進入21世紀以來，我國污水處理行業進入了一個高速發展階段，目前，我國城鎮污水處理率已經高達93.4%[1]，并且將發展范圍擴大到農村地區。污水處理設施規模和數量不斷增大的同時，污水的收集率和集中處理率也在逐步提高，可以有效避免污水直接排放對受納水體造成污染。但是污水處理設施尾水長時間大量、集中的排放同樣會向受納水體輸入大量污染物，對受納水體的水質狀況、自凈能力、微生物群落結構等都會產生巨大影響，若排放標準制訂不合理、出水不達標、水處理設施處理量不足，容易造成區域內受納水體集中污染。雖然有部分研究認為尾水進入受納水體可以增加水體功能菌的豐度、提高受納水體的自凈能力，但整體來說，大量尾水進入受納水體造成的影響仍是負面的，因此，重點地區水處理設施尾水深度處理研究在水環境的保護工作中具有重要意義。

1 水處理設施尾水及其對受納水體的影響

1.1 水處理設施尾水現狀

隨著污水產生和收集量快速增加，進入受納水體的污染物總量逐年增多，加之受納水體中污染物的長期積累、地表水位下降，河流、湖泊等受納水體污染加重，環境容量和水體自凈能力基本喪失[2]，許多地方政府逐漸開始制定更為嚴格的強制性或推薦性地方標準。這些地方標準中多數主要水污染物的排放指標相當于GB 3838—2002 《地表水環境質量標準》中Ⅳ類水標準。近年來，農村地區尾水排放也得到了重點關注，各省、市相繼制訂了農村生活污水處理設施水污染物排放標準。

工業廢水及生活污水在經過特定的工藝設施處理后依然會含有重金屬、難降解有機物、抗生素等藥物類化合物，這些物質長期積累是造成受納水體環境容量和水體自凈能力喪失的重要原因。對此，一般生活污水處理設施沒有專門的處理工藝，而是通過去除懸浮固體的方法進行去除；對于工業廢水中含量較高的重金屬，則一般會通過特定的治理方式去除。

1.2 尾水對受納水體的影響

污水處理設施尾水對受納水體的營養鹽含量及轉化吸收效率、水體下游微生物群落結構[3-4]都有較大影響。目前全國城鎮污水處理廠普遍執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準，但隨著河道水位下降、排污量增大，諸多主要江河和湖泊出現嚴重的富營養化現象，需要進一步提高受納水體自凈能力較差流域接收的污染物水質標準。一些重點流域和地區相繼出臺了更為嚴格的排放標準，如重慶市DB 50/963—2020《梁灘河流域城鎮污水處理廠主要水污染物排放標準》，其中幾種主要水污染物排放要求達到了地表水Ⅴ類水水質標準，減輕尾水排放造成受納水體自凈能力減弱、缺氧、富營養化，避免形成黑臭水體。目前我國幾種水環境污染物排放標準限值見表1。

表1 幾種標準中主要水污染物質量濃度排放限值對比

1.3 污水深度處理中常用的生物濾池改進及組合工藝

污水的深度處理不僅可以減輕對受納水體的污染，處理后的尾水還可以回用，緩解水資源短缺問題。處理技術主要有物化處理、生物處理和膜分離技術等[5]。曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter,BAF）是20世紀80年代末從歐美發展起來的一種生物膜處理工藝，具有結構緊湊、占地面積小、成本低、易操作、處理效果好等優點，已成為應用最為廣泛的工藝之一，可以用于市政污水、垃圾滲濾液及微污染水體的處理。目前，生物濾池已有多種改進或組合工藝用于各類水處理設施尾水的處理，詳見表2。

續表

2 生物濾池對尾水中污染物的去除

2.1 對有機物及懸浮固體的去除

有機物和懸浮固體進入生物濾池后先通過濾料的截留及生物膜的吸附作用固定下來，然后經過微生物的代謝作用降解去除。陳浪等[12]采用河砂濾池和生物炭濾池對城鎮污水處理廠尾水進行處理，COD 的平均去除率分別為85.86%和86.16%，出水質量濃度均為20 mg/L 左右，降解效果良好。賴后偉等[9]開發反硝化濾池-曝氣生物濾池（DN-BAF）工藝處理城市污水廠一級A 標準的尾水，出水達到地表水Ⅳ類水質標準，實現了同級排入補充地表水的目的。生物濾池不僅對生活污水處理設施尾水中COD有很好的去除能力，對工業污水處置尾水中的難降解有機物的處理也表現較好，劉旭等[13]采用O3/UVBAF 工藝處理無錫市某工業園區污水處理廠生化尾水，出水COD 和色度可穩定達到一級A 排放標準。

2.2 對營養鹽的去除

尾水處理主要是去除尾水中N，P 等營養鹽，營養鹽的過量排放是導致受納水體產生富營養化現象的主要原因，因此去除營養鹽是尾水處理的主要目的，也是污水提標的核心問題。有學者在濾池對尾水脫氮除磷做了大量研究，生物濾池的改進或組合工藝在城鎮污水廠尾水、微污染河水和垃圾滲濾液尾水的處理中都表現出很大的優勢，楊婭男等[14]采用改良型反硝化生物濾池，利用低濃度甲烷構建出好氧甲烷耦合反硝化極限脫氮系統，出水TN 和NH3-N 的平均質量濃度分別達到1.05，0.54 mg/L，平均去除率分別為94.77%和93.30%，相較于美國應用極限脫氮技術改造的Bay point 污水廠36.97%的TN去除率，具有更好的脫氮效果。HONG Y L 等[15]采用曝氣生物濾池對天然污染河水NH3-N 的平均去除率為92.6%，出水NH3-N 平均質量濃度為0.15 mg/L，郭智等[16]采用臭氧催化氧化-曝氣生物濾池組合工藝對垃圾焚燒發電廠滲濾液超濾出水進行深度處理，將出水NH3-N 質量濃度從15～20 mg/L 降解為4 mg/L 以下。

2.3 對其他污染物的去除

由于生物濾池具有很好的截留、吸附和生物降解能力，除了對一般有機污染物有良好的處理效果，也可以通過改良或采用新型的特定填料，提高對持久性有機污染物（PCBs）、抗生素等藥物類化合物、重金屬等污染物質的去除效果。曹愛輝[18]研究了生物濾池對微污染源水中PCBs 的去除效果，最高平均去除率達到52%。ILHAN Z E 等[19]利用由木片制成的原位脫氮墻和生物濾池對農場尾水中常見的殘留藥物的去除率達到65%～90%。BRADLEYD L 等[3]使用不同填料的濾池處理配制的含重金屬廢水,發現聚酰胺纖維和羊毛復合填料對重金屬Pb2+,Zn2+和Cd2+的去除率可達80%以上。

3 影響生物濾池處理尾水的主要因素

3.1 填料的種類

生物濾池通過填料截留懸浮物、吸附污染物，微生物在填料上附著、生長和繁殖，進而吸附和降解污染物，顯而易見，填料是濾池最為核心的模塊，直接決定對污染物的去除效果，也影響生物濾池的建造和運行成本。填料的種類眾多，分類方式也不盡相同，可以按照天然和人工、無機物材質和有機材質、濾料密度大于水和小于水[20]等標準分類，常用的填料主要有輕質生物陶粒、石英砂、火山巖等，如操家順等[21]采用自制輕質生物陶粒和普通生物陶粒對照處理模擬城鎮污水廠尾水，結果表明，輕型陶粒濾池啟動快，能減輕68.4%左右的濾層總重量，且附著生物量高于普通陶粒約20%。

一直以來，眾多研究都在探索性能更加優異的填料，比如以可生物降解聚合物（BDPs）作為固體碳源和填料，BDPs 既可以作為微生物附著的載體，又可作為微生物所需的碳源，不會產生投加液態有機碳源常見的添加不足或過量造成二次污染問題，并且節省了配套投加設備的成本，張輝鵬等[22]研究了以聚羥基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）、聚己內酸酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）3 種不同可生物降解聚合物作為固體碳源用于城市污水廠尾水的反硝化脫氮，發現以PHBV 為碳源的濾池對尾水處理效果最佳，出水COD,TN 平均濃度分別達地表水Ⅳ類、Ⅴ類水質標準。吉芳英等[23]用聚己內酯（PCL）為填料的固體碳源反硝化濾池處理生化池尾水，在HRT為1.5 h 的條件下出水TN 質量濃度為1.1～3.5 mg/L，硝態氮質量濃度低于1 mg/L，平均去除率均高于94%。也有研究結合“以廢治廢”的理念，利用工業礦渣或農田廢物制造填料。在工業礦渣制作填料方面，王璀[24]以褐煤活性焦為BAF 填料處理內蒙古某工業園區藥廠制藥廢水生化尾水及褐煤提質廢水生化尾水等典型難降解工業尾水；在農業廢物制作填料方面，馬蘊琦[25]對玉米芯、花生殼、稻巧、竹絲、稻殼和木屑等6 種天然有機固體碳源進行研究，選出最佳天然有機固體碳源作為BAF 填料處理典型污水處理廠尾水；葛海華等[26]綜述了天然纖維素材質濾料在污水廠尾水處理中的諸多優勢。

3.2 進水水質參數

（1）進水COD

我國生活污水普遍具有可生化性差、碳氮比低的特點，污水處理設施尾水同樣具有低碳氮比的特點。理論上，缺氧條件下的反硝化過程，碳氮比為2.86 便可使硝酸鹽及亞硝酸鹽氮完全還原為N2，但由于部分碳源會被其他異養微生物吸收利用或被反硝化菌生長代謝利用，同時一些難降解有機物降解緩慢，因此為實現充分脫氮，實際工程中要求m(COD)/m(NOx-N)為5～10，至少也要達到3.5～4[27]。目前低碳源污水處理的主要脫氮策略有外加碳源、優化進水策略、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化等，主要除磷策略有外加碳源、分段進水、生物強化除磷等，實現同步脫氮除磷對策有反硝化除磷、分段進水等。外加碳源是最常用的方法之一，碳源的種類、投加量對脫氮效果都有一定的影響，劉秀紅等[28]采用中試反硝化生物濾池，研究了乙酸鈉、乙酸和甲醇3種碳源對城市污水處理廠實際二級尾水處理效果的影響，發現3 種碳源皆可使硝酸鹽去除率達90%以上，北方冬季更適宜采用甲醇為碳源，與另2 種碳源相比，甲醇為碳源時，投加量低、反沖洗周期長、出水濁度低。

（2）進水溫度

進水溫度是影響生物濾池對污染物去除效率的重要因素之一，因此探索溫度對BAF 的影響具有重要意義。HONG Y L 等[15]研究了曝氣生物濾池在不同溫度下對天然污染河水NH3-N 的去除效果，隨著溫度從5 ℃提高至33 ℃，出水NH3-N 平均質量濃度從0.65 mg/L 降至0.15 mg/L，去除率從77.52%提升至92.6%，說明濾池中微生物的生物活性及生物量與溫度密切有關，這與劉冰等[29]得出的生物活性和生物量隨溫度的降低而下降,溫度對NH3-N 的去除率和去除量有一定影響的結論相一致。KANDA R 等[30]采用滴濾池與DNBF 組合處理日本琉球大學的衛生室出水，結果顯示，高溫時COD 和BOD 的去除率分別保持在90%和95%左右，在水溫低于15 ℃時，硝化效率急劇下降，這是由于溫度下降導致硝化菌失活，同樣說明了溫度對濾池去除污染物效率有顯著影響。

3.3 運行參數

（1）水力負荷

當濾池容積一定時，水力負荷越大，水力停留時間（HRT）越短，水力負荷對生物膜與污水的接觸時間以及濾料表面附著生物膜所受的水力剪切力大小有重大影響[32]，進而影響生物膜的強度、厚度和微生物的生長代謝。當水力負荷較大時，有利于氧的傳質作用，但生物膜所受的水力剪切力較大，容易從填料上剝離脫落，水頭損失也較大；當水力負荷較小時，對出水水質有一定的改善，但水處理量較小，而且可能會導致微生物營養不足，所以確定合適的水力負荷對污染物的去除極為重要。敬雙怡等[32]研究發現，提高水力負荷會降低濾池對污水處理廠二級尾水中硝態氮的去除率，并累積反硝化中間產物，最佳水力負荷應該為0.015 m3/（m2·h）。王先濤等[33]采用反硝化濾池探索了不同水力負荷對城市污水廠尾水處理效果的影響，隨著水力負荷的增加，濾池出水COD呈先降后增的趨勢，濾池對硝態氮的平均去除率分別為97.53%，99.06%，96.21%，95.36%和90.13%，同上述實驗結論一致，這可能是由于亞硝酸鹽型反硝化細菌受到沖擊，使得亞硝酸鹽反硝化過程受到了影響。

（2）氣水比

氣水比是曝氣量與進水流量之比，同樣是影響生物濾池處理效果的重要因素，其對濾池中DO 濃度和污水湍流程度都有影響[20]，合適的氣水比既可滿足微生物對DO 的需要，又不會曝氣過量，造成能源浪費。不同功能類型的生物濾池對DO 的濃度要求不同，如反硝化濾池一般要求DO 質量濃度小于0.5 mg/L，劉歡等[34]通過反硝化生物濾池中試實驗裝置處理城市污水處理廠尾水，研究了濾池沿程DO濃度變化及對應的脫氮性能，進水TN 質量濃度為10～15 mg/L，在濾池下半部處，DO 質量濃度在4.0～7.0 mg/L 之間，TN 基本沒有降解；在濾池上半部處，DO 質量濃度在0.5～2 mg/L 之間，較適合反硝化微生物生長，TN 快速降解。馬龍等[35]采用中置曝氣生物濾池研究在不同氣水比條件下對NH3-N 的去除，隨著氣水比從0.1 升至0.6，NH3-N 的去除率從55.26%提升至92.86%。

3.4 其他影響因素

濾池填料高度[36]、尾水pH 值、濾池反沖洗、BAF啟動時的掛膜方式等因素也會對尾水的深度處理效果產生一定影響，但在一般情況下，污水處理設施尾水pH 值為6～8，且尾水中的懸浮物濃度較低，故pH值和反沖洗對濾池處理尾水的影響較小；掛膜方式對濾池啟動階段的影響較大，主要分為先間歇培養后連續進水培養、在一定負荷條件下連續進水培養、接種污泥/菌劑后連續/間歇進水培養3 種掛膜方式，不同掛膜方式的啟動時間和適用條件不盡相同，但掛膜完成后，污染物的去除效果相差并不大。

4 問題與展望

我國多數湖泊、河流的環境容量下降嚴重，提高污水處理設施尾水質量是減小污染貢獻的重要措施，濾池也成為了用于尾水深度處理的重要工藝。針對濾池工藝特點和研究現狀，提出以下建議：

（1）開發具有特定吸附功能的填料。填料性能在一定程度上決定了生物濾池的性能，生物濾池對尾水中磷、重金屬等污染物的去除能力有限，往往需要加入碳源或和其他工藝聯用，導致運行成本增加，如能提高填料對某一種或幾種特定污染物的吸附，曝氣生物濾池的應用空間必將更加廣闊。

（2）曝氣生物濾池結合新型脫氮理論。將同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化、硫自養反硝化等新型脫氮理論應用于曝氣生物濾池，開發低能耗、高效率的脫氮工藝，特別是針對我國普遍存在的污水氮比低的特點，具有強大優勢。

5 結語

污水深度脫氮除磷是未來水處理方面的重點，生物濾池在尾水深度處理方面具有獨特優勢，未來生物濾池濾料開發研究將成為熱點。新型脫氮理論的引入，可進一步提高濾池的脫氮除磷能力，降低尾水處理成本，在處理成本和出水指標的矛盾中找到新的平衡。