孫力平，黃德鋒，李秀敏，楊聰和
（天津城市建設(shè)學(xué)院市政與環(huán)境工程系，天津 300384）

　　摘 要：本文論述了利用密度大于1.0的黏土顆粒復(fù)合物介質(zhì)的上流式BAF反應(yīng)器進(jìn)行污水深度處理硝化反應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果，目的是研究上流式BAF工藝的關(guān)鍵參數(shù)：水流速度（容積負(fù)荷率）與各種污染物去除之間的關(guān)系。結(jié)果表明：只要沒有硝化反應(yīng)條件（曝氣、溫度等）的限制，氨氮等去除率的高低直接取決于容積負(fù)荷率，并呈線性關(guān)系。高水流速度10 m³/m²·h時(shí)，硝化反應(yīng)的負(fù)荷率達(dá)到最高，同時(shí)可高效的去除BOD₅以及SS。試驗(yàn)結(jié)果表明：在這種上流式BAF反應(yīng)器中的高水流速度促進(jìn)和改善了液體環(huán)境和生物之間的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，即使水力停留時(shí)間極短（10分鐘），也不影響反應(yīng)器運(yùn)行。
　　關(guān)鍵詞：生物曝氣濾池；容積負(fù)荷率；污水深度處理；硝化反應(yīng)；上流式反應(yīng)器；濾速

1 概述

　　隨著人們對(duì)水環(huán)境污染、水資源危機(jī)問題的認(rèn)識(shí)的逐漸深入，國(guó)家對(duì)污水及其再生利用政策的出臺(tái)，設(shè)計(jì)規(guī)范、排放標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步完善，城市污水處理不僅需要滿足日益嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，而且將污水再生利用的問題也提到了議事日程，對(duì)于天津這樣一個(gè)嚴(yán)重缺水的城市更是如此。
　　城市污水處理廠，尤其是改擴(kuò)建工程的占地面積往往成為制約水處理工藝選擇的一個(gè)因素。上流式生物曝氣濾池（BAF）非常適用于水廠的擴(kuò)建和改造。
　　BAF技術(shù)是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)，該工藝比活性污泥系統(tǒng)具有更高的活性生物濃度。反應(yīng)器體積較小，且不需設(shè)置二沉池。該系統(tǒng)占地面積僅為活性污泥系統(tǒng)的三分之一。這一工藝的另一優(yōu)點(diǎn)是臭味小，且可實(shí)現(xiàn)模型化建設(shè)和自動(dòng)化運(yùn)行操作。全球第一座采用該技術(shù)的處理廠在歐洲，建于80年代初期。目前在世界范圍內(nèi)已建設(shè)了約100個(gè)BAF工藝的污水廠。而且在許多大城市被選擇應(yīng)用，例如巴黎附近的Colombes、挪威Oslo、德國(guó)Kol、英國(guó)利物浦、美國(guó)Roanoke、中國(guó)大連等。
　　圖1為上向流式生物曝氣濾池工藝，其中的一個(gè)重要參數(shù)是水流速度（濾速或容積負(fù)荷率），而對(duì)硝化反應(yīng)來(lái)說就是每日進(jìn)入每立方米濾床上的氨氮量。本文就是討論容積負(fù)荷率（濾速）對(duì)硝化效率等工藝元素的影響。

2 材料和方法

　　本文所用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于某污水處理廠的污水深度處理設(shè)施—上向流BAF工藝的實(shí)際運(yùn)行中獲得的結(jié)果。
　　該廠設(shè)計(jì)處理能力25 m³/s（216萬(wàn)m³/d）。污水二級(jí)處理工藝為完全混合式活性污泥法，該廠污水深度處理設(shè)施為一個(gè)面積144 m²，高度4 m的上向流BAF反應(yīng)器，用于去除氨氮、COD、BOD₅、SS等。
2.1 該廠的工藝特征
　　該廠深度處理采用上流式曝氣生物濾池（BAF）工藝，其工藝特征如下：BAF系統(tǒng)位于活性污泥系統(tǒng)的下一級(jí)，活性污泥采用中等負(fù)荷條件下完全混合式運(yùn)行方式。
　　上向流BAF反應(yīng)器用于去除活性污泥法處理出水殘留的有機(jī)碳物質(zhì)和硝化氨氮。該反應(yīng)器有4個(gè)特點(diǎn)：
　　· 單層生物濾料，載體是密度大于1.0的黏土顆粒復(fù)合物。
　　· 空氣和水為上向流式分布。
　　· 特殊的曝氣系統(tǒng)（Oxazur）和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
　　· 濾池運(yùn)行反沖洗周期為24小時(shí)。
　　在反應(yīng)器進(jìn)口和出口按流量成比例取樣（24小時(shí)平均值），主要的分析項(xiàng)目包括：SS、BOD_5、COD、TKN、NH₄⁺、NO₃^-、NO₂^-、堿度。
　　另外，溫度、水頭損失、pH、出水DO、水和空氣流量等物理參數(shù)是連續(xù)和定期記錄的。
2.2 該廠的運(yùn)行條件
　　表1的數(shù)值為運(yùn)行兩年間測(cè)定的（測(cè)定約600天）BAF進(jìn)水的平均溫度和濃度，即該廠二級(jí)處理出水的平均水質(zhì)資料。

表1 1992年8月～1994年8月BAF進(jìn)水平均濃度

　　表中數(shù)值為僅有去除碳功能的活性污泥二級(jí)處理出口測(cè)量值，平均COD/BOD₅比接近于3，懸浮固體和BOD₅濃度接近，NH₄⁺-N濃度與其他污水二級(jí)處理廠的正常值接近。除了長(zhǎng)期下雨期間（最小值12 mg/L）以外，NH₄⁺-N濃度相對(duì)穩(wěn)定（接近25 mg/L）。極端溫度是冬季11℃，夏季25℃。在冬季，廢水碳濃度稍高（增加10%～15%）。

3 試驗(yàn)結(jié)果

　　本文重點(diǎn)討論水流速度（容積負(fù)荷）對(duì)BAF處理工藝中各項(xiàng)指標(biāo)的影響。
3.1 運(yùn)行中水流速度（容積負(fù)荷）的變化范圍
　　反應(yīng)器中的水力情況：用表面負(fù)荷或水流速度（m³/(m²·h)或m/h）表示。
　　在正常試驗(yàn)期間：表面負(fù)荷變化范圍在4～10 m³/(m²·h)范圍內(nèi)變動(dòng)。
　　特殊情況：暴雨情況是在較高表面負(fù)荷（上升到15 m³/(m²·h)）運(yùn)行。
3.2 水流速度（容積負(fù)荷）對(duì)硝化反應(yīng)的影響
　　運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)利用相關(guān)的粒狀介質(zhì)的體積（560 m³）計(jì)算氨的容積負(fù)荷率和去除負(fù)荷率，以每日平均值表示（kgNH₄⁺-N/m³濾料·d）。
　　研究期間，氣體的工藝不作為硝化反應(yīng)的限制因素，在BAF工藝中實(shí)現(xiàn)了硝化反應(yīng)和除碳。圖2表明在不同的水力條件下氨氮的容積負(fù)荷率和去除負(fù)荷率之間的關(guān)系。

　　三個(gè)流速范圍（4～6，6～8，8～10 m/h）具有明顯差別，最大容積負(fù)荷率達(dá)1 kgNH₄⁺-N/(m³·d)。
　　在試驗(yàn)期間，多數(shù)情況下硝化效率在80% ～ 100%之間變動(dòng)，從而證實(shí)了系統(tǒng)的高效可靠性。
　　只要不超過生物濾池的硝化能力，最高的去除率恰好與最高的水流速度一致。在冬季低溫條件下（11～13℃），由于硝化細(xì)菌的活性下降，硝化反應(yīng)速率下降（這種情況已有文獻(xiàn)論述）。對(duì)這個(gè)結(jié)果的分析表明，只要硝化反應(yīng)的條件（溫度、曝氣、反洗等）沒有得到限制，水流速度對(duì)硝化反應(yīng)是積極正因素而不是限制因素。
3.3 水流速度（容積負(fù)荷）對(duì)懸浮固體去除（SS）的影響
　　在這類上流式生物濾池中，觀察殘留的SS的去除非常有趣。圖3顯示了不同水流速度條件時(shí)SS去除。

　　就SS容積負(fù)荷率和去除負(fù)荷率而言，與氨負(fù)荷率一樣，容積負(fù)荷和去除負(fù)荷率之間的關(guān)系是線性的。解釋這些結(jié)果得到與前面類似的一個(gè)結(jié)論：在試驗(yàn)范圍內(nèi)，最高的SS去除負(fù)荷率與最高的容積負(fù)荷率是一致的。在試驗(yàn)期間，SS去除效率穩(wěn)定。
3.4 水流速度（容積負(fù)荷）對(duì)BOD₅的去除的影響
　　就BOD₅去除來(lái)說（圖4），可建立一個(gè)相對(duì)關(guān)系。甚至BOD₅負(fù)荷率上升到2.0 kgBOD₅/m³·d時(shí)，生物濾池也能進(jìn)行連續(xù)的硝化反應(yīng)。

3.5 水流速度（容積負(fù)荷）對(duì)COD去除的影響
　　對(duì)于最后一個(gè)參數(shù)COD的去除影響（圖5），容積負(fù)荷濾與去除負(fù)荷率關(guān)系也是線性的。然而出現(xiàn)了高水流速度比低水流速度COD去除效率低，這一明顯的反常現(xiàn)象。這種現(xiàn)象可以從該生物濾池（BAF）在整個(gè)污水處理流程中的位置上得到解釋：BAF工藝位于活性污泥工藝之后，活性污泥工藝僅可去除污水中易生物降解的有機(jī)碳，因而在活性污泥工藝處理出水中不可生物降解的碳比例高。當(dāng)BAF工藝的容積負(fù)荷率一定時(shí)，高水流速度比低水流速度時(shí)的不可降解碳的比例高，所以不可生物降解COD去除率必然低，雖然COD去除效率不甚理想，但殘留COD濃度的數(shù)值可以達(dá)到預(yù)期的水質(zhì)指標(biāo)的。對(duì)高水流速度（8～10 m/h），出水COD濃度低于80 mg/L。

　　表2給定了這兩年間測(cè)得的這4個(gè)參數(shù)的去除率以及平均出水濃度。

表2 1992年8月～1994年8月BAF工藝的平均去除率和出水濃度

　　碳物質(zhì)去除率50%～68%，取決于碳的可生化性；氮幾乎被全部硝化，NH₄⁺-N去除率大于90%；結(jié)果表明上向流式BAF工藝在8～10 m/h的高水流速度下運(yùn)行具有極好的可靠性。

4 討論

　　在上向流式生物曝氣濾池運(yùn)行試驗(yàn)中，對(duì)以容積負(fù)荷率（水流速度）和去除負(fù)荷率來(lái)表示的以上這些污染指標(biāo)去除結(jié)果，表明容積負(fù)荷率是上向流生物曝氣濾池（BAF）工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。
　　在污水深度處理中，如果硝化反應(yīng)條件沒有任何限制，去除率隨容積負(fù)荷率線性增加。事實(shí)上，水流速越高，去除率（COD除外）越高。
　　在上向流式生物曝氣濾池運(yùn)行中高的水流速度對(duì)硝化過程有著積極作用，去除負(fù)荷率隨表面負(fù)荷（容積負(fù)荷）增加而增加。此外，高水流速條件使被降解底物和生物在濾池中分布更均勻，加大了液體/生物之間的傳遞速率。濾池中重顆粒（濾料）的介質(zhì)作用，增強(qiáng)了物質(zhì)交換的作用過程。高水流速時(shí)，介質(zhì)輕微膨脹對(duì)物質(zhì)轉(zhuǎn)化率有積極的影響。在這種情況下，HRT不是工藝中的一個(gè)限制因素。與傳統(tǒng)的高負(fù)荷活性污泥的工藝相比較（HRT 2～4小時(shí)），或與普通的延時(shí)曝氣相比較（HRT 18～36小時(shí)），在上流式生物濾池中的HRT非常低（少于10分鐘），而對(duì)工藝過程無(wú)不利影響。

5 結(jié)論

　　對(duì)設(shè)置于僅可除碳活性污泥工藝之后的上向流式BAF工藝的研究可以對(duì)其得出以下主要結(jié)論：
　　① 將上向流BAF反應(yīng)器用于氨氮的硝化，高水流速可獲得最高的硝化速率。事實(shí)上，由于流量的限制，在夏季硝化反應(yīng)速度沒有達(dá)到最大。
　　② 在高流速試驗(yàn)中（10m³/(m²·h)），水流速度增加對(duì)SS的截留（去除率大于60%）沒有任何明顯的副作用。
　　③ 生物濾池中的HRT是極短的（小于10分鐘），對(duì)工藝沒有任何負(fù)面影響。
　　④ 在該試驗(yàn)運(yùn)行中證實(shí)了有關(guān)上流式生物濾池工藝的許多重要觀點(diǎn)：
　　(1)工藝可靠性（穩(wěn)定的硝化反應(yīng)）。
　　(2)去除率與容積負(fù)荷率之間密切聯(lián)系。
　　(3)高水流速10 m/h（表面負(fù)荷達(dá)10 m³/(m²·h)）時(shí)促進(jìn)了底物和生物的分布，因而也增強(qiáng)硝化能力。
　　(4)在上向流式BAF反應(yīng)器中，水力停留時(shí)間與傳統(tǒng)的生物工藝（活性污泥法）相比很短。生物活性較高，因此反應(yīng)器運(yùn)行較好。

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