曝气生物滤池(biological aerated filter,BAF)是在普通生物滤池的基础上,结合活性污泥法、生物接触氧化工艺优点而建立起来的一种新型水处理工艺^[1]。其具有处理效率高、占地面积小、基建及运行费用低、管理方便和抗冲击负荷能力强等特点^[2],可以用于去除SS及有机物、硝化除氨、反硝化脱氮和除磷等,在微污染饮用水源水预处理、中小型污水处理厂和二级出水的深度净化等方面有着广阔的应用潜力^[3]。BAF对COD、NH₃-N等污染物的去除主要依靠两种途径:①依靠附着在滤料表面上大量的微生物进行硝化和反硝化作用降解水中溶解性有机物;②利用滤料本身所具有的截留过滤功能,对游离性的污染物通过物理截留加以去除^[4]。

　　 北方某新建热电厂净水预处理系统设计利用城市污水处理厂处理后的城市再生水经曝气生物滤池生化处理后作为该电厂锅炉补给水处理系统和工业水系统的重要水源,曝气生物滤池出水经锅炉补给水处理系统处理后用于机组正常生产补水。

　　 工艺流程如图1所示,城市污水经污水处理厂处理后成为城市再生水,经厂外供水泵输送至该电厂净水预处理系统的曝气生物滤池装置,通过生长在池内高比表面积填料上的微生物进行生化处理,生化处理后的合格水进入生水池,供厂内各个系统使用。曝气生物滤池采用连续曝气方式运行,根据池内溶解氧浓度实现曝气风机的变频联锁自动控制。曝气生物滤池连续运行一段时间后,须进行滤池反冲洗,先单独用空气进行反冲洗、再采用气水联合反冲洗、停止清洗30s后,再用水进行反冲洗;反冲洗是维持曝气生物滤池功能的关键,在较短的反冲洗时间内,使滤料得到适度的清洗,恢复滤料上的微生物膜的活性,并将滤料截留的悬浮物和老化的微生物膜冲洗出去。

　　 该厂曝气生物滤池共设计4格,每格正常出力110m³/h,池体尺寸为6m×6m×7.6m;采用3~6mm火山岩滤料,滤料高度为3.4 m,孔隙率不小于50%;底部采用三层级配比的鹅卵石作为支撑层,每层层高100 mm;进水模式为升流式,即进水由设在滤池底部的布水系统进入池中,持续的曝气所产生的紊流利于布水的均匀性,V_气∶V_水=1∶1~2.5∶1;反冲洗采用气水联合反冲方式,冲洗强度为:水洗30~60m³/(m²·h),气洗48~72m³/(m²·h),一次反冲洗历时3~10 min,空气与水联合反冲历时1~4min,反冲洗周期为24h;滤池布气系统采用单孔膜曝气器的布气方式,单个曝气器供气量为0.6~0.8m³/h,设计进出水水质如表1所示。

　　 曝气生物滤池的启动研究主要针对挂膜期间池体内各项水质指标的研究。挂膜是生物处理系统中膜状微生物的培养和循环过程,使其具有新陈代谢活性的微生物污泥在水处理系统中滤料上固着生长的过程,填料的挂膜有自然富集挂膜和人工接种挂膜两种方式,滤池中生物膜的培养与形成是曝气生物滤池能否正常运行的关键^[5]。当前通常采用COD去除率和氨氮去除率作为判断生物膜是否成熟的指示性参数。如表1所示,该厂进水中氨氮含量较高,此时硝化细菌往往会成为优势菌群,因而氨氮的硝化过程会成为生化过程的主要过程,基于此生化过程常采用相对稳定的氨氮去除率、COD去除率作为判断滤池生物膜是否成熟的重要标志^[6]。

　　 考虑到缩短该电厂的基建周期,尽快满足机组调试用水需求,曝气生物滤池采用接种挂膜方式接种微生物菌种。在曝气生物滤池中加入20%滤池容积的城市污水处理厂二沉池回流活性污泥(含水率约为98%)。本工程进水水质有机物含量很低,不利于微生物的成长,在调试起步阶段采用投加营养源的方式,为微生物提供养分,加速微生物的生长,缩短挂膜周期。

　　 ①向曝气生物滤池注入活性污泥,液位超出滤料300mm;②启动曝气风机进行闷曝,不进水、出水,持续2天;③每天向曝气生物滤池中投加一次淀粉,并继续连续闷曝,闷曝至COD达到50 mg/L。每天取曝气生物滤池中废水进行COD检测,接种与驯化期间COD变化情况如图2所示。

　　 如图2所示,前2天连续曝气,其目的让活性污泥均匀附着在池内火山岩填料上,利于微生物的接种挂膜,废水COD维持在20mg/L左右;后续一周内每天向池体内投加12kg淀粉,保证投加淀粉后池内废水COD升高至120mg/L左右,投加淀粉营养源期间池内废水COD每天逐步升高,当其接近50mg/L时,停止投加淀粉;连续测定停止投加淀粉后3天污水COD维持在50 mg/L,整个过程共计12天,接种与驯化完成。

　　 在启动初期,进水COD为32.6~45.4 mg/L,NH₃-N进水浓度为44.6~60.4mg/L,启动初期为防止进水水量对刚附着在滤料上的生物膜的冲刷作用,使微生物更好地生长,按照设计负荷的50%、75%、100%3个阶段进行挂膜的初期启动,缓慢增大到设计进水流量并观察COD、NH₃-N的去除率。每一个负荷阶段出水COD降到15 mg/L以下,再继续提高进水流量。3个负荷阶段出水水质及对COD、NH₃-N的去除情况如图3、图4所示。

　　 图3出水COD、图4中COD去除率曲线表明:50%进水流量负荷下,曝气生物滤池运行4天后出水COD降低至14.6 mg/L、COD去除率达到64.6%;此时开始提高负荷至75%进水流量,由于进水流量的提高导致出水COD升高至23.1mg/L、COD去除率降低至39.5%,75%进水负荷的第6天、第7天出水COD分别降低至8.8 mg/L、7.6mg/L,COD去除率上升至77.2%、81.2%;将进水负荷提升至100%负荷即为110 m³/h,出水COD升高至25.6 mg/L、COD去除率降低至38.0%,100%进水负荷的第5天,进水COD即达到15mg/L,之后再连续测定后3天COD分别为12.3mg/L、9.2 mg/L、6.6 mg/L,COD去除率分别为70.4%、76.3%、83.5%。

　　 每当进水负荷提升时,出现出水COD小幅度升高、NH₃-N去除率小幅度下降的变化现象,随着进水负荷的稳定,出水COD又逐渐开始下降、NH₃-N去除率逐渐开始升高。这种情况的出现主要是由于微生物对进水负荷的变化需要一个适应的过程,随着进水负荷的稳定,微生物对废水的处理能力也逐步提升,最终出水水质合格。

　　 如图3出水NH₃-N浓度及图4中出水NH₃-N去除曲线表明:在75%进水负荷的前期之前,曝气生物滤池对来水中NH₃-N的处理效果甚微、NH₃-N去除率一直低于10%;从75%进水负荷的后期开始到100%进水负荷的后期,曝气生物滤池开始发挥其对NH₃-N的去除功能,滤池出水NH₃-N浓度由48.3mg/L逐渐降低至4.8mg/L、NH₃-N去除率也由9.6%升高至90.1%。

　　 出现上述现象的原因主要是由于挂膜启动初期滤池中的微生物主要以异氧细菌为主,对COD去除作用效果明显,对NH₃-N的去除效果不好。前期是碳化异养菌占优势而硝化细菌是在填料上附着与适应的阶段,同时碳化异养菌对硝化细菌的生长、繁殖产生抑制作用,所以此时生物滤池主要处于碳化异养菌的培养阶段,尚未发挥硝化功能,而且此时NH₃-N仅有的一点去除率也是来自同化作用消耗氨氮的结果。随着时间的推移,硝化细菌在填料上的富集和生长繁殖,亚硝酸盐和硝酸细菌在生长速率的转化能力上也逐渐趋向稳定协调,NH₃-N的去除率也开始升高,挂膜成功。

　　 100%进水负荷的后期,滤料表面包裹的生物膜颜色逐渐加深,由灰白色慢慢转变为浅黄色生物膜。COD和NH₃-N的去除率都很好,这就说明附着在滤料表面的的生物膜生长状况已经处于很好的状态。在BAF启动20天后,各去除率基本都已经达到稳定状态,COD的最高去除率达到了98.4%。

　　 如图5、图6所示,当曝气生物滤池来水COD、NH₃-N浓度分别稳定在40mg/L、50mg/L时,曝气生物滤池出水COD≤20mg/L、NH₃-N≤5mg/L,均达到设计出水水质;连续稳定运行期间COD、NH₃-N去除率分别稳定在80%、90%左右。通过3个不同进水负荷阶段的运行,曝气生物滤池中微生物得到良好的适应,正式进入稳定运行阶段后,出水水质合格,能够满足后续工艺使用需求,同时其高效的COD、NH₃-N去除率进一步凸显其在污水处理领域的优越性。

　　 该厂净水预处理系统的曝气生物滤池经过接种与驯化、挂膜启动、满负荷等3个阶段试运行及参数调整后,曝气生物滤池之后进入稳定运行状态。针对系统调试期间出现的问题及今后的运行建议如下:

　　 (1)由于该厂地处北方,曝气生物滤池挂膜启动时间为10月份,环境和废水温度均较低,导致曝气生物滤池从微生物接种到正式挂膜成功耗时约35天,挂膜周期较长,一定程度影响了电厂基建周期,挂膜宜选择在7、8月份,环境温度高更适于微生物的生长。

　　 (2)从挂膜启动期间出水COD、NH₃-N浓度变化情况及COD、NH₃-N的去除率变化情况分析知,曝气生物滤池的挂膜启动可分为微生物适应、微生物快速增长、微生物稳定工作3个阶段。挂膜过程中,异养细菌生长较快,在挂膜初期就能保持着较高的COD去除率;相对于异养细菌而言,硝化细菌生长较慢,所以NH₃-N的去除率在初期基本不变,但在挂膜后期,随着亚硝化细菌数量的生长,NH₃-N的去除率开始逐渐升高并趋与稳定^[7]。

　　 (3)该厂曝气生物滤池对氨氮、有机物具有明显的去除效果,对氨氮的的平均去除率达到85%~95%,对COD的平均去除率能达到75%~85%,处理水量可达到设计流量110m³/h,出水水质达到设计要求,满足后续工艺使用需求。

　　 曝气生物滤池是一种发展较快的新型生物处理技术,它将污水生物处理与深层过滤集于一身,充分体现了现代水处理工艺的特点。本工程的曝气生物滤池接种挂膜启动调试为该工艺在今后工业水处理、应用水处理等领域应用的设计、调试、运行阶段提供极为重要的参数借鉴。