曝氣生物濾池在化工廢水中水回用工程中對COD 處理效果的研究

喬勇 QIAO Yong

（中鐵國際集團有限公司，北京 100036）

0 引言

2000 年，我國被聯合國評為十三個貧水國之一，人均水資源量僅為全世界人均量的1/4，每年人均擁有的水資源只有約2150-2300m3左右[1，2]。根據水利部下發的《21 世紀中國水供求》，2030 年我國供水總需求量將達到10000億m3，供水缺口將達到4000-5000m3。與此同時，隨著城鎮化急速擴張、人口數量增加、經濟快速發展，水資源短缺和水環境污染問題會日益凸顯，水資源短缺將成為制約我國社會可持續發展的重點問題[3-5]。對此，尋找高效、易操作的水污染處理技術成為重中之重。

常見的生活污水處理方法有A2/O、氧化溝等，但都存在一定的不足之處。在A2/O 工藝中，如果進入二沉池的污水含氧量較低，一方面二沉池會因缺氧反硝化而產生N2，從而使污泥上浮、流出，另一方面會使聚磷菌釋磷，出水總磷升高[6，7]；而在氧化溝工藝中，也存在污泥膨脹、油脂經轉刷攪拌產生泡沫、污泥上浮以及流速不均使污泥沉積等問題[8，9]。而曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter，簡稱BAF）于上世紀80 年代產生于歐洲，此后在歐美和日本廣為傳播，是一種集過濾、生物吸附、生物氧化于一體的水處理技術，具有占地小、出水水質高、污泥量小、水力負荷高等優點，可維持高的水力負荷和保留高的生物量濃度以減少環境沖擊，能促進微生物生長且產泥量少。上世紀90 年代初受到了廣泛關注[10-12]。

對此，本文采用曝氣生物濾池處理化工廢水及濾池反洗水，考察了其在中試工程中對廢水中CODCr的去除效果，探究了水力負荷、氣水比、電導率、反洗時間等因素對曝氣生物濾池去除CODCr的影響及最佳試驗條件，以求對實際過程中曝氣生物濾池去除污水中CODCr做出指導。

1 曝氣生物濾池概述

1.1 曝氣生物濾池的結構

本中試工程所采用的中試設備材質為碳鋼防腐。其結構尺寸為1.2×0.7×4.6（H），共3 座共壁，并聯使用，運行方式為下向流，氣水逆向流，曝氣生物濾池結構見圖1，主要由生物反應過濾區、曝氣裝置、反沖洗裝置等三部分組成，生物反應過濾區由生物濾料層和碎石墊層組成，濾料層采用粒徑4-6mm 的輕質生物陶粒，高度為2.0-2.8m，其中一座濾料高度2.8m，其他兩座濾料高度2.0m。墊層采用10-20mm 的碎石，厚度0.2m，濾池有效容積2.6m3；曝氣生物濾池所需空氣通過布置碎石墊層內的穿孔曝氣管直接進入生物濾料層；反沖洗裝置采用配水和配氣聯合系統，其中配氣設備為HC-15 型羅茨風機。試驗裝置中閥門采用手動控制，進水及進氣管道上均裝有玻璃轉子流量計，可隨時讀取進水、進氣量。具體如圖1 所示。

圖1 曝氣生物濾池結構示意圖

1.2 工藝流程原理

曝氣生物濾池基本原理是通過馴化培養使得濾池內濾料生長微生物生物膜，通過生物膜進行生物氧化分解作用對水質進行凈化。濾池底部通過鼓風機進行曝氣，空氣與污水同向或者逆向接觸。同時通過濾料及生物膜微生物產生的胞外聚合物（EPS）對水中的懸浮顆粒物進行過濾截留，沿水流方向形成的食物鏈分級捕食作用以及生物膜內部微環境和厭氧段的反硝化作用，達到水質凈化的目的。圖2 為曝氣生物濾池的工藝流程圖。

圖2 曝氣生物濾池工藝流程圖

1.3 曝氣生物濾池的特點

②曝氣生物濾池具有技術簡單、投資費用低、運營成本低的特點，能以較低的費用去除較多的SS。

③可有效提高反應池中微生物濃度，提高生物組成的復雜性，增強菌落的惡略環境生存能力。

1.4 曝氣生物濾池的功能

1.4.1 有效去除污水中的有機物

曝氣生物濾池微生物濃度高、生物組成復雜的特點，使其對污水中的有機物的吸附效果大大增強。雷曉玲等人[13]探究了以曝氣生物濾池去除高有機物廢水中的污染物，結果表明：曝氣生物濾池高生物濃度、高生物種類有利于污染物的去除，此外，填料的阻攔、生物的吸收、處理作用使廢水中有機物得到較好的去除；孫漓青[14]等人在高碑店污水處理廠中試研究時利用曝氣生物濾池進行生活污水處理，結果表明，廢水中COD 的去除率達86%；OTV 公司[15]研發的曝氣生物濾池對COD、BOD 的去除率分別為80%及93.8%；大連市馬欄河污水處理廠[16]的運營數據顯示，曝氣生物濾池對COD、BOD 和NH3-N 的去除效果穩定。研究結果顯示，曝氣生物濾池高微生物濃度、高生物相的特點，使其對污水中有機物具有較好的去除效果。

1.4.2 氮的去除

曝氣生物濾池為懸浮和附著兩類工藝的組合，浸泡在污水中的填料表面和間隙存在生物膜及活性污泥，包含好氧、兼性和厭氧微生物，可以同時進行硝化和反硝化反應，為脫氮提供了較好環境。生物膜層附著在填料的外表面，外部由硝化細菌、好氧微生物等組成，內部以兼性厭氧菌為主，污染物被生物膜吸附，在由外向內的過程中，經歷好氧、厭氧環境，硝化反應和反硝化反應的進行就得以實現，從而實現脫氮的效果[17，18]。針對曝氣生物濾池的脫氮效果，王春榮[19]等研究表明兩段曝氣生物濾池可將污水中91.54%-93.96%的氨氮去除，去除效果較好，可以滿足排放標準；李汝琪等[20]的研究結果表明，在水力負荷為0.53m/h 的條件下，曝氣生物濾池對生活污水中NH3-N 的去除率為91.85%，出水口濃度為l.7mg/L，對TN 的去除率為85.1%，出水口濃度為4.3mg/L；鄭州某污水處理廠[21]在NH3-N 負荷為0.99kg/（m3·d）的條件下，探究了曝氣生物濾池對氨氮的去除效果，結果表明，氨氮去除率為96.1%；王樹濤[22]以曝氣生物濾池處理含氨氮的污水，結果顯示，隨著溫度的提高，曝氣生物濾池的硝化率可提高到100%，隨著溫度的下降，硝化速率隨之下降。研究表明，曝氣生物濾池可有效去除污水中的氮，并且去除效果同有機物濃度、溫度、停留時間等因素有關。

1.4.3 磷的去除

在不投加化學藥劑的前提下，通過曝氣生物濾池難以將污水中磷的含量控制在標準范圍之內[23]。研究表明，曝氣生物濾池中生物的同化作用、吸附作用及生物積累作用可對污水中磷的去除產生一定的作用，但效果不佳。針對曝氣生物濾池除磷的效果，國內外學者進行了諸多探究，Goncalves 等研究顯示進水方式對曝氣生物濾池脫氮除磷的影響較小；德國的研究表明，通過同步硝化除磷，曝氣生物濾池可去除污水中70%的磷，去除效果較優；此外，有研究探索了在交替好氧、厭氧條件下，曝氣生物濾池對污水中磷的去除能力，結果顯示，碳磷比、水力停留時間、硝酸鹽和亞硝酸鹽的含量以及反沖洗過程均會對曝氣生物除磷產生影響。綜合來看，曝氣生物濾池對污水中磷的去除能力有限，需協同化學藥劑進行處理才能達到標準。

中國特色社會主義進入新時代，對服務“三農”工作提出新要求。鄉鎮供電所是國家電網公司服務鄉村振興戰略、新時代“三農”的前沿陣地。近幾年國家電網公司全面推進“全能型”鄉鎮供電所建設并實現全覆蓋，農村供電服務質效得到充分提升。在建設過程中，我們公司積累了豐富的經驗，取得了一定成績，但仍存在著一些不容忽視的問題，必須引起我們的重視。例如設計的合理性、完整性、統一性和精確性還存在很大問題；工程組織方式落后，管理能力參差不齊，企業信息化水平較低；工藝水平和工程質量完成度還有很大的改進空間（見圖1）。

2 實驗條件

2.1 進出水水質情況

根據乙烯公司外排水水源的實際水量情況，將濾池反洗水、生活污水、雨水及清凈下水按照一定比例提升到調節池內混合，將混合后的水通過提升泵提升進入曝氣生物濾池進行處理，其進、出水的水質如表1 所示。

表1 進出水水質情況

2.2 運行參數

處理水量：3m3/h；水力負荷：0.5-1.4m3/m3·h；氣水比：1～4；反洗時間：10-90min；進水電導率：800-2000μs/cm。

2.3 試驗方法

反沖洗采用氣水交替反沖，①關閉進水和工藝用空氣；②水單獨沖洗5min；③空氣單獨沖洗5min；繼而②、③步驟交替進行并重復幾次；④最后用水漂洗一次。反沖洗水自下而上，填料層在單獨水沖或氣沖過程中，不斷膨脹和被壓縮，同時，在水、氣對填料的流體沖刷和填料顆粒間互相摩擦的雙重作用下，生物膜、被截留吸附的SS 與填料分離，沖洗下來的生物膜及SS 在漂洗中被沖出濾池。再生后的濾池進入下一周期運行。期間，利用溶解氧測定儀每天1～4 次監測進出水溶解氧；采用美國哈希公司2100 型濁度測定儀，每2 個小時監測出水濁度；隨時監測進出水水溫和電導率；定期監測進出水CODCr水質指標。

3 實驗結果

3.1 進、出水CODCr 變化曲線圖

圖3 為5 月上旬至9 月上旬曝氣生物濾池進出水CODCr濃度變化曲線。

圖3 進出水CODCr 變化曲線圖

由圖3 顯示，5 月上旬至8 月下旬，進水CODCr濃度在45-65mg/L 的范圍內變化，而出水CODCr濃度在20-35mg/L 的范圍內變化?？梢钥闯?，進水CODCr濃度整體偏低，這是由于該地區從5 月下旬開始至8 月下旬期間雨水量較大，對乙烯公司外排水起到了稀釋作用，同時廠區路面上的一些雜質隨雨水進入中試工程取水井內，致使進水的CODCr偏低。其中，6 月下旬的去除率最大，為63.63%；7 月下旬去除率最小，為48.00%，但出水CODCr整體達到了進入后續處理工段的條件。

3.2 水力負荷對曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

為探究水力負荷對曝氣生物濾池去除CODCr的影響，分別在水力負荷為0.5、0.7、0.9、1.0、1.2、1.4m3/m2·h 的條件下，計算CODCr的去除率，結果如圖4 所示。

圖4 水力負荷對BAF 池去除CODCr 的影響

圖4 表明，當水力負荷由0.5m3/m2·h 上升至1.4m3/m2·h時，曝氣生物濾池對CODCr的去除率由55%降低至25%，即表明，水力負荷與CODCr的去除率呈負相關。當水力負荷小于1.0m3/m2·h 時，CODCr的去除率較高，但隨著水力負荷持續減小，CODCr的去除率并未得到大幅度提升，因此考慮實際工程占地因素，運行過程中采用1.0m3/m2·h 比較合理。

3.3 不同氣水比對曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

為探究氣水比對曝氣生物濾池去除CODCr的影響，分別在氣水比為，1.0、1.5、2.0、3.0、4.0 的條件下，測量COD的去除率，結果如圖5 所示。

圖5 不同氣水比對曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

由圖5 可知，當氣水比小于1.5 時，CODCr去除率隨氣水比的增加而增加，而當氣水比大于1.5 時，CODCr去除率隨氣水比的增加而降低。這是由于，當曝氣量增大時，會使微生物自身氧化，造成有機物分級形成部分CODCr；同時，風量過大會使微生物處于松散狀態，不能很好地粘附于填料上形成微小的生物環境，降低了COD 的去除率。此外，中試設備運行中發現當氣水比1.5 時，BAF 池出水溶解氧均不低于3.5mg/L，滿足BAF 池對溶解氧濃度的要求。即考慮到曝氣生物濾池對CODCr的去除效果以及經濟性原因，采取氣水比為1.5 較為合理。

3.4 來水導電性對曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

為探究來水導電性對曝氣生物濾池去除CODCr的影響，分別在電導率為，800、1000、1200、1400、1500、1700、2000μs/cm 的條件下，測量進出水COD 的濃度及去除率，結果如圖6 所示。

圖6 不同氣水比對曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

由圖6 可以看出，當進水電導率在800-1400μs/cm 的條件下，曝氣生物濾池對CODCr的去除率在45%以上；當進水電導率大于1400μs/cm 時，曝氣生物濾池對CODCr的去除率隨著電導率的增大而降低。即表明，當BAF 池進水電導高于1400μs/cm 時，對CODCr的去除影響較大，所以在工程運行過程中，須保證BAF 池進水電導不高于1400μs/cm 才能維持對有機物的去除效果。

3.5 反沖洗時間對曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

為探究反沖洗時間對曝氣生物濾池去除CODCr的影響，分別在反沖洗時間為，10、20、30、45、60、90min 及進水CODCr濃度為50mg/L 的條件下，測量出水COD 的濃度及去除率，結果如圖7 所示。

圖7 反洗時間對曝氣生物濾池去除CODCr 的影響

圖7 顯示，隨著反洗時間的延長，曝氣生物濾池出水CODCr濃度逐漸降低，在反洗時間為45min 及以上的條件下，出水CODCr濃度降至最低并逐步趨于穩定。圖8 表明，隨著反洗時間由10min 延長至45min，曝氣生物濾池對CODCr的去除率由20%提升至50%。由此可知，至少需要進行45min 以上的反洗才能使曝氣生物濾池回復正常的去除效果。

圖8 不同反洗時間下曝氣生物濾池對CODCr 的去除率

4 結語

曝氣生物濾池具有占地小、出水水質好、流程簡單、對環境影響小等優點，具有廣闊的應用前景。本文選取乙烯公司外排水為研究對象，探究了曝氣生物濾池在化工廢水中水回用工程中對COD 的處理效果，并針對運行過程中進水CODCr濃度、水力負荷、氣水比、進水電導率以及反洗時間等因素對曝氣生物濾池去除CODCr效果的影響。試驗結果表明：①進水CODCr濃度在45-65mg/L 時，曝氣生物濾池對污水中CODCr的去除率在48.00%-63.63%的范圍內。②隨著水力負荷增大，曝氣生物濾池對CODCr的去除效果減小，考慮實際工程占地因素，運行過程中采用1.0m3/m2·h 比較合理。③當氣水比小于1.5 時，CODCr去除率隨氣水比的增加而增加，而當氣水比大于1.5 時，CODCr去除率隨氣水比的增加而降低，因此，考慮到曝氣生物濾池對CODCr的去除效果以及經濟性原因，采取氣水比為1.5 較為合理。④進水電導率大于1400μs/cm 時，曝氣生物濾池對CODCr的去除率隨著電導率的增大而降低，因此必須保證BAF 池進水電導不高于1400μs/cm 才能維持對有機物的去除效果。⑤至少需要進行45min 以上的反洗才能使曝氣生物濾池回復正常的去除效果。