影响上流式生物曝气滤池硝化反应的关键工艺参数

孙力平，黄德锋，李秀敏，杨聪和
（天津城市建设学院市政与环境工程系，天津 300384）

　　摘 要：本文论述了利用密度大于1.0的黏土颗粒复合物介质的上流式BAF反应器进行污水深度处理硝化反应的试验结果，目的是研究上流式BAF工艺的关键参数：水流速度（容积负荷率）与各种污染物去除之间的关系。结果表明：只要没有硝化反应条件（曝气、温度等）的限制，氨氮等去除率的高低直接取决于容积负荷率，并呈线性关系。高水流速度10 m³/m²·h时，硝化反应的负荷率达到最高，同时可高效的去除BOD₅以及SS。试验结果表明：在这种上流式BAF反应器中的高水流速度促进和改善了液体环境和生物之间的质量转移，即使水力停留时间极短（10分钟），也不影响反应器运行。
　　关键词：生物曝气滤池；容积负荷率；污水深度处理；硝化反应；上流式反应器；滤速

1 概述

　　随着人们对水环境污染、水资源危机问题的认识的逐渐深入，国家对污水及其再生利用政策的出台，设计规范、排放标准的进一步完善，城市污水处理不仅需要满足日益严格的污水排放标准，而且将污水再生利用的问题也提到了议事日程，对于天津这样一个严重缺水的城市更是如此。
　　城市污水处理厂，尤其是改扩建工程的占地面积往往成为制约水处理工艺选择的一个因素。上流式生物曝气滤池（BAF）非常适用于水厂的扩建和改造。
　　BAF技术是一项相对较新的技术，该工艺比活性污泥系统具有更高的活性生物浓度。反应器体积较小，且不需设置二沉池。该系统占地面积仅为活性污泥系统的三分之一。这一工艺的另一优点是臭味小，且可实现模型化建设和自动化运行操作。全球第一座采用该技术的处理厂在欧洲，建于80年代初期。目前在世界范围内已建设了约100个BAF工艺的污水厂。而且在许多大城市被选择应用，例如巴黎附近的Colombes、挪威Oslo、德国Kol、英国利物浦、美国Roanoke、中国大连等。
　　图1为上向流式生物曝气滤池工艺，其中的一个重要参数是水流速度（滤速或容积负荷率），而对硝化反应来说就是每日进入每立方米滤床上的氨氮量。本文就是讨论容积负荷率（滤速）对硝化效率等工艺元素的影响。

2 材料和方法

　　本文所用的实验数据来源于某污水处理厂的污水深度处理设施—上向流BAF工艺的实际运行中获得的结果。
　　该厂设计处理能力25 m³/s（216万m³/d）。污水二级处理工艺为完全混合式活性污泥法，该厂污水深度处理设施为一个面积144 m²，高度4 m的上向流BAF反应器，用于去除氨氮、COD、BOD₅、SS等。
2.1 该厂的工艺特征
　　该厂深度处理采用上流式曝气生物滤池（BAF）工艺，其工艺特征如下：BAF系统位于活性污泥系统的下一级，活性污泥采用中等负荷条件下完全混合式运行方式。
　　上向流BAF反应器用于去除活性污泥法处理出水残留的有机碳物质和硝化氨氮。该反应器有4个特点：
　　· 单层生物滤料，载体是密度大于1.0的黏土颗粒复合物。
　　· 空气和水为上向流式分布。
　　· 特殊的曝气系统（Oxazur）和空气调节系统。
　　· 滤池运行反冲洗周期为24小时。
　　在反应器进口和出口按流量成比例取样（24小时平均值），主要的分析项目包括：SS、BOD_5、COD、TKN、NH₄⁺、NO₃^-、NO₂^-、碱度。
　　另外，温度、水头损失、pH、出水DO、水和空气流量等物理参数是连续和定期记录的。
2.2 该厂的运行条件
　　表1的数值为运行两年间测定的（测定约600天）BAF进水的平均温度和浓度，即该厂二级处理出水的平均水质资料。

表1 1992年8月～1994年8月BAF进水平均浓度

　　表中数值为仅有去除碳功能的活性污泥二级处理出口测量值，平均COD/BOD₅比接近于3，悬浮固体和BOD₅浓度接近，NH₄⁺-N浓度与其他污水二级处理厂的正常值接近。除了长期下雨期间（最小值12 mg/L）以外，NH₄⁺-N浓度相对稳定（接近25 mg/L）。极端温度是冬季11℃，夏季25℃。在冬季，废水碳浓度稍高（增加10%～15%）。

3 试验结果

　　本文重点讨论水流速度（容积负荷）对BAF处理工艺中各项指标的影响。
3.1 运行中水流速度（容积负荷）的变化范围
　　反应器中的水力情况：用表面负荷或水流速度（m³/(m²·h)或m/h）表示。
　　在正常试验期间：表面负荷变化范围在4～10 m³/(m²·h)范围内变动。
　　特殊情况：暴雨情况是在较高表面负荷（上升到15 m³/(m²·h)）运行。
3.2 水流速度（容积负荷）对硝化反应的影响
　　运行试验时利用相关的粒状介质的体积（560 m³）计算氨的容积负荷率和去除负荷率，以每日平均值表示（kgNH₄⁺-N/m³滤料·d）。
　　研究期间，气体的工艺不作为硝化反应的限制因素，在BAF工艺中实现了硝化反应和除碳。图2表明在不同的水力条件下氨氮的容积负荷率和去除负荷率之间的关系。

　　三个流速范围（4～6，6～8，8～10 m/h）具有明显差别，最大容积负荷率达1 kgNH₄⁺-N/(m³·d)。
　　在试验期间，多数情况下硝化效率在80% ～ 100%之间变动，从而证实了系统的高效可靠性。
　　只要不超过生物滤池的硝化能力，最高的去除率恰好与最高的水流速度一致。在冬季低温条件下（11～13℃），由于硝化细菌的活性下降，硝化反应速率下降（这种情况已有文献论述）。对这个结果的分析表明，只要硝化反应的条件（温度、曝气、反洗等）没有得到限制，水流速度对硝化反应是积极正因素而不是限制因素。
3.3 水流速度（容积负荷）对悬浮固体去除（SS）的影响
　　在这类上流式生物滤池中，观察残留的SS的去除非常有趣。图3显示了不同水流速度条件时SS去除。

　　就SS容积负荷率和去除负荷率而言，与氨负荷率一样，容积负荷和去除负荷率之间的关系是线性的。解释这些结果得到与前面类似的一个结论：在试验范围内，最高的SS去除负荷率与最高的容积负荷率是一致的。在试验期间，SS去除效率稳定。
3.4 水流速度（容积负荷）对BOD₅的去除的影响
　　就BOD₅去除来说（图4），可建立一个相对关系。甚至BOD₅负荷率上升到2.0 kgBOD₅/m³·d时，生物滤池也能进行连续的硝化反应。

3.5 水流速度（容积负荷）对COD去除的影响
　　对于最后一个参数COD的去除影响（图5），容积负荷滤与去除负荷率关系也是线性的。然而出现了高水流速度比低水流速度COD去除效率低，这一明显的反常现象。这种现象可以从该生物滤池（BAF）在整个污水处理流程中的位置上得到解释：BAF工艺位于活性污泥工艺之后，活性污泥工艺仅可去除污水中易生物降解的有机碳，因而在活性污泥工艺处理出水中不可生物降解的碳比例高。当BAF工艺的容积负荷率一定时，高水流速度比低水流速度时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，虽然COD去除效率不甚理想，但残留COD浓度的数值可以达到预期的水质指标的。对高水流速度（8～10 m/h），出水COD浓度低于80 mg/L。

　　表2给定了这两年间测得的这4个参数的去除率以及平均出水浓度。

表2 1992年8月～1994年8月BAF工艺的平均去除率和出水浓度

　　碳物质去除率50%～68%，取决于碳的可生化性；氮几乎被全部硝化，NH₄⁺-N去除率大于90%；结果表明上向流式BAF工艺在8～10 m/h的高水流速度下运行具有极好的可靠性。

4 讨论

　　在上向流式生物曝气滤池运行试验中，对以容积负荷率（水流速度）和去除负荷率来表示的以上这些污染指标去除结果，表明容积负荷率是上向流生物曝气滤池（BAF）工艺设计的关键参数。
　　在污水深度处理中，如果硝化反应条件没有任何限制，去除率随容积负荷率线性增加。事实上，水流速越高，去除率（COD除外）越高。
　　在上向流式生物曝气滤池运行中高的水流速度对硝化过程有着积极作用，去除负荷率随表面负荷（容积负荷）增加而增加。此外，高水流速条件使被降解底物和生物在滤池中分布更均匀，加大了液体/生物之间的传递速率。滤池中重颗粒（滤料）的介质作用，增强了物质交换的作用过程。高水流速时，介质轻微膨胀对物质转化率有积极的影响。在这种情况下，HRT不是工艺中的一个限制因素。与传统的高负荷活性污泥的工艺相比较（HRT 2～4小时），或与普通的延时曝气相比较（HRT 18～36小时），在上流式生物滤池中的HRT非常低（少于10分钟），而对工艺过程无不利影响。

5 结论

　　对设置于仅可除碳活性污泥工艺之后的上向流式BAF工艺的研究可以对其得出以下主要结论：
　　① 将上向流BAF反应器用于氨氮的硝化，高水流速可获得最高的硝化速率。事实上，由于流量的限制，在夏季硝化反应速度没有达到最大。
　　② 在高流速试验中（10m³/(m²·h)），水流速度增加对SS的截留（去除率大于60%）没有任何明显的副作用。
　　③ 生物滤池中的HRT是极短的（小于10分钟），对工艺没有任何负面影响。
　　④ 在该试验运行中证实了有关上流式生物滤池工艺的许多重要观点：
　　(1)工艺可靠性（稳定的硝化反应）。
　　(2)去除率与容积负荷率之间密切联系。
　　(3)高水流速10 m/h（表面负荷达10 m³/(m²·h)）时促进了底物和生物的分布，因而也增强硝化能力。
　　(4)在上向流式BAF反应器中，水力停留时间与传统的生物工艺（活性污泥法）相比很短。生物活性较高，因此反应器运行较好。

参考文献：

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