張 杰¹， 曹相生¹， 孟雪征²
( 1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150090；2.山東建筑工程學院環境工程系，山東濟南　250014)

　　摘　要：闡述了曝氣生物濾池的工藝原理和特點，對曝氣生物濾池的結構形式、功能、啟動和濾料等方面的最新研究進展和發展趨勢進行了綜述，同時提出了曝氣生物濾池今后的研究方向。
　　關鍵詞：曝氣生物濾池；負荷；濾料；污水處理
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2002)08-0026-04

　　曝氣生物濾池(biological aerated filter)與普通活性污泥法相比，具有有機負荷高、占地面積小(是普通活性污泥法的1/3 )、投資少(節約30%)、不會產生污泥膨脹、氧傳輸效率高、出水水質好等優點^［1～3］，但它對進水SS要求較嚴(一般要求SS≤100 mg/L，最好SS≤60mg/L)，因此對進水需要進行預處理。同時，它的反沖洗水量、水頭損失都較大。
　　世界上首座曝氣生物濾池于1981年在法國投產，隨后在歐洲各國得到廣泛應用。美國和加拿大等美洲國家在20世紀80年代末引進此工藝，日本、韓國和中國臺灣也先后引進了此項技術。目前世界上較大的環保公司如法國得利滿公司、德國菲力普穆勒公司、法國OTV公司均把它作為拳頭產品在全世界推廣。在中國內地，曝氣生物濾池正處于推廣階段。大連市馬欄河污水處理廠是我國第一個采用曝氣生物濾池工藝的城市污水處理廠，目前正處于試運行階段。另外，我國一部分工業廢水的處理也采用了此項技術。清華大學、太原理工大學等科研單位對曝氣生物濾池也進行了試驗研究。隨著曝氣生物濾池在世界范圍內不斷推廣和普及，很多學者在其結構形式、功能、啟動和濾料等方面進行了詳細的研究，取得了很多成果。?

1 結構形式

　　曝氣生物濾池的結構與普通快濾池基本相同，不同之處在于曝氣生物濾池下部或底部增加了曝氣系統。根據水流方向其可分為上向流和下向流兩種，早期的曝氣生物濾池多采用下向流，如BIOCARBON^［4］。由于下向流曝氣生物濾池的納污效率不高、易堵塞 、運行周期短，因此現在多采用上向流方式(即采用氣水同向流)，使布水、布氣更加均勻。同時，在水氣上升過程中可把底部截留的SS帶入濾池中上部，增加了濾池的納污能力，延長了工作周期。目前，上向流曝氣生物濾池有BIOFOR^®、BIOSTY^®、COLOX^®、DeepBed^TM、BIOPUR^®R等多種形式^{［5、6］}，其中BIOFOR&R應用最為廣泛，圖1是BIOFOR^®的結構示意圖。

　　為了適應不同的水質和拓寬應用范圍，很多科研、工程技術人員對曝氣生物濾池結構進行了研究改造。鄒偉國等開發了一種名為BIOSMEDI的曝氣生物濾池，它采用了脈沖反沖洗、氣水同向流的形式，可用于微污染源水預處理或污水深度處理^［7］。孫力平等為了解決BIOFOR®R的濾頭堵塞問題把濾頭改成穿孔管并降低了空氣擴散管的位置，該工藝用于造紙和印染廢水的處理取得了良好的效果^［8］。

2 功能

　　單個曝氣生物濾池可完成碳化、硝化、反硝化、除磷等功能，與其他工藝組合可進行一般城市污水或工業廢水的二級或三級處理。表1是采用曝氣生物濾池處理污水的典型流程。

表1 采用曝氣生物濾池處理污水的典型流程 功 能 典型流程 碳化 S/C+BF/C 碳化+硝化 S/C+BF/C/N 碳化+硝化+反硝化 S/C+BF/C/N+BF/DN 碳化+硝化+反硝化 AS+BF/N+BF/DN 注：S/C為化學沉淀，BF為曝氣生物濾池，/C為碳化， /N為硝化，/DN為反硝化，AS為活性污泥。

　　由于各功能的實現對濾料粒徑大小和濾層厚度、負荷、曝氣等參數的要求不盡相同，一般認為不宜把各種功能放在同一個曝氣生物濾池中完成。但最近有研究者對在一個曝氣生物濾池中完成碳化+硝化、硝化+反硝化、硝化+生物除磷、硝化+化學除磷和反硝化+生物除磷等組合功能進行了嘗試和探討，均取得了一定的研究成果。?

3 啟動

　　曝氣生物濾池的啟動與一般生物膜法的啟動方式相同。國外一般采用三種方式：①間歇培養并逐步增加流速；②在設計流速下或逐漸增加流速進行連續培養^［9］；③用活性污泥接種，穩態運行^［10］。三種啟動方式中生物膜的生長速率、分布和對污染物的去除率等變化規律各不相同，但達到穩態所需的時間卻大致相同。Allan等根據自己的試驗結果建議采用設計流速進行連續培 養以期得到更加穩定的生物量^［11］。國內很多生物膜裝置采用了快速排泥法，這種方法一般是采用活性污泥接種，通氣悶曝一段時間后排出上清液，再加入待處理污水繼續悶曝一段時間，然后連續進水、進氣直至穩態運行為止。根據一些資料的報道，這種方法具有掛膜迅速的特點。

4 幾個關鍵問題

4.1 濾料
　　濾料是曝氣生物濾池的關鍵部分，對曝氣生物濾池的功效有直接的影響，同時也影響到曝氣生物濾池的結構形式和成本。目前，濾料多為專利產品或處于保密狀態，常用的濾料有石英砂、陶粒及塑料制品(合成纖維、聚苯乙烯小球、波紋板等)。Kent等對濾料進行了詳細的研究，他參照BEWA的標準對曝氣生物濾池常用的7種濾料進行了對比研究，認為Arlita和膨脹頁巖最適合用作曝氣生物濾池的濾料。但是，由于BEWA標準是處理飲用水所用快濾池的濾料標準，并且Kent只是對濾料的物理化學性能進行了對比，并沒有對其做污水處理試驗，因此對Kent等人的結論應進一步試驗論證。?
　　濾料的粒徑主要取決于曝氣生物濾池的功能。Stensel等就濾料粒徑對具有碳化或碳化+硝化功能的曝氣生物濾池的影響進行了試驗，結果發現濾料粒徑越小曝氣生物濾池的效果越好，但小粒徑會使其工作周期變短，濾料也不易清洗，相應的反沖洗水量也會增加，因此應綜合考慮各種因素以選定合適的濾料粒徑。Kent等人也做了類似試驗，結果表明濾料粒徑為2～4mm時，曝氣生物濾池的硝化功能比濾料粒徑為4～8mm和5.6～11.2mm時的要好得多。目前，曝氣生物濾池普遍采用的濾料粒徑為3～6mm，濾層厚度為3～4m。?
4.2 負荷
　　曝氣生物濾池一般采用兩種負荷：容積負荷［kg/(m³·d)］和水力負荷［m³/(m²·h )，也稱濾速］。早期的曝氣生物濾池均采用了較低的負荷值，但隨著對曝氣生物濾池研究的深入和認識水平的提高，負荷值近幾年有逐漸加大的趨勢。表2是較為典型的負荷值。

表2 曝氣生物濾池典型的負荷值 負 荷 碳化 硝化 反硝化 水力負荷［m³/(m²·h)］ 過去 1～5 1～10 5～14 現在 3～16 3～16 10～35 最大容積負荷［kgX/(m³·d)］ 過去 ＜3 ＜1.5 ＜4 現在 5 ＜3 ＜7 注：X分別為BOD(碳化)、NH₄⁺-N(硝化)、NO₃^- -N(反硝化)。

　　對以碳化為目的的曝氣生物濾池，一些研究結果認為在一定的范圍內出水COD值與COD容積負荷呈線性關系^［12］。在此基礎上，一些研究者給出了COD去除率與進水BOD、COD的函數關系式。同時，很多學者就水力負荷對出水水質的影響也做了探討，普遍認為 水力負荷對BOD₅的去除效率影響甚微，只要溫度、曝氣量、反沖洗等因素在不受制約的條件下應盡量加大水力負荷以獲得盡可能大的處理能力。如Pujol等的試驗證實了濾速在6m/h、13m/h時BOD₅的去除率基本不變。Canler的試驗也證實增加濾速對出水水質影響很小。Pujol等人認為低濾速使傳質不均勻，從而造成底部堵塞(上向流)，影響曝氣生物濾池功能，提高濾速有利于傳質。對于用于硝化或反硝化的曝氣生物濾池也有類似的結論。如Pujol等認為曝氣生物濾池的硝化功能與濾速無關，在COD負荷＜5kgCOD/(m³·d)、濾速為4～9m/h時硝化率穩定在80%～100%。對于反硝化曝氣生物濾池，在其他因素不受制約的條件下濾速越高越好，濾速為32m/h、負荷為5.1kgNO₃^--N/(m³·d)時NO₃^--N平均去除率達到89%，NO-x-N的平均去除率達到86%。
4.3 反沖洗
　　目前，普遍采用的反沖洗方式是氣水聯合反沖洗，即先用氣沖，再用氣、水聯合沖洗，最后再用水漂洗。不同形式、不同濾料的曝氣生物濾池，其反沖洗強度、歷時、周期各不相同，用水量和用氣量也存在較大差異。表3是一些資料提供的曝氣生物濾池采用的反沖洗參數。

表3 曝氣生物濾池的反沖洗參數 反沖洗周期 沖洗水 沖洗氣 備 注 4～5d 流速:10～30m/h 流速：50～70m/h 氣水聯合反沖洗，沖洗 時間為10～15min 2～3d 流速：70～120m/h?水量：6～8m³/m²(陶粒) 流速：60～150m/h?氣量：25～50m³/m² BIOPUR®數據 速：60 m/h 流流速：15m/h BIOSTYreg;R數據 12h～3d 流速：20～80m/h 流速：20～80m/h BIOFOR®R數據，沖洗時間為30～40min 流速：0.33～0.35m³/(m³濾料·min)水量：2.5m³/(m³濾料) 流速：0.43～0.52m³/(m³濾料·min)氣量：5.14～6.25m³/(m³濾料) 法國OTV公司的污水廠調查資料

4.4 氣水比
　　氣水比的大小與進水水質、曝氣生物濾池功能和形式、濾料粒徑大小和濾層厚度等因素有關。曝氣生物濾池氣水比一般采用(1～3)∶1，但也有高達10:1者。一般來說，用于硝化功能的曝氣生物濾池應采用較高的氣水比，而僅用于碳化的曝氣生物濾池的氣水比可適當降低。Payraudeau等人指出：用于三級硝化的BIOSTY^®R的供氣量約為70m³/kgNH₄⁺-N。Stensel等人給出了計算曝氣生物濾池供氣量的公式。?

5 展望

　　作為一種嶄新的水處理工藝——曝氣生物濾池正處在推廣之中。根據目前的研究和應用情況，今后應重點研究以下相關問題：　?、?生物膜的特點及其快速啟動的方式；
　?、?生物氧化功能和過濾功能之間的相互關系；
　?、?反沖洗過程中生物膜的脫落規律；
　?、?進一步拓寬曝氣生物濾池的應用范圍，研究其在水深度處理、微污染源水預處理、難降解有機物處理中的應用及與其他工藝組合的處理效果。

參考文獻：

［1］Pujol P,Lemmel H,Goudsilles M.A keypoint of nitrification in an upflow biofiltration reactor［J］.Wat Sci Tech,1998,38(3):43-49.
［2］Wijeyekoon S,Mino T,Satoh H.Fixed bed biological aerated filtration for secondary effluent polishing-effect of filtration rate on nitrifying biological activity distribution［J］.Wat Sci Tech,2000,41(1):187-195.
［3］Séguret F,Racault Y.Hydrodynamic behavior of a full-scale submerged biofilter and its possible influence on performance［J］.Wat Sci Tech,1998,38(8-9):249-256.
［4］Tschui M,Boller M,Gujer W，et al.Tertiary nitrification in aerated pilot bio filters［J］.Wat Sci Tech,1994,29(10-11):53-60.
［5］聶軍，王珊珊.第三代生物膜反應池BIOFOR［J］.給水排水，1998,24(10):2 6-27.
［6］Chen J J,Mccarty D,Slack D，et al.Full scale case studies of a simplified aerated filter(BAF) for organics and nitrogen removal［J］.Wat Sci Tech,2000,41(4-5 ):1-4.
［7］ 鄒偉國,孫群,王國華，等.新型BIOSMEDI濾池的開發研究［J］.中國給水排水，2001,17(1): 1-4.?
［8］孫力平,侯紅娟.改進的BAF工藝用于工業廢水處理［J］.中國給水排水，200 0,16(8):55-56.
［9］ Bacquet G,Joret J C,Rogalla F.Biofilm start-up and control in aerated filter［J］.Envir Tech,1991,12:747-756.?
［10］Park J W,Granczar,Czyk J J.Gravity separation of biomass washed out from aerated submerged filter［J］.Envi Tech,1994,15:945-955.
［11］Allan T Mann,Lepoldo Mendoza-Espinosa,Tom Stephenson.Performance of floating and sunken media biological aerated filters under unsteady state conditions［J］.Wat Sci Tech,1999,33(4):1108-1113.?
［12］ Canler J P,Perretl J M.Biological aerated filters:assessment of the process based on 12 sewage treatment palnts［J］.Wat Sci Tech,1994,29(10-11):13-22.?
［13］ Payraudeau M,Paffoni C,Gousailles M.Tertiary nitrification in an up flow biofilter on floating media:influence of temperature and load［J］.Wat Sci Tech,2000,41 (4-5):21-27.

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　　電　話：(0451)6282767
　　收稿日期：2002-01-15