BAF工艺特征及处理电厂污水的试验研究吕宏德

第27卷第4期电站系统工程Vol.27No.42011年7月PowerSystemEngineering41文章编号：1005-006X(2011)04-0041-03BAF工艺特征及处理电厂污水的试验研究吕宏德1李晓敏2（1.广州城市职业学院，2.广州大学市政技术学院）摘要：通过试验研究了曝气生物滤池（BAF）处理电厂区污水的效果，揭示了曝气生物滤池对悬浮物、COD的去除效果及氨氮的硝化率，同时对水力负荷、温度以及反冲洗气水比进行了研究，明确了环境因素对BAF运行的影响规律。试验结果表明，BAF可以有效地去除城市污水中SS、COD和氨氮。关键词：曝气生物滤池；污水处理；影响因素；硝化率中图分类号：TK223.5文献标识码：AResearchonTreatmentofPowerPlantWastewaterwithBAFLVHong-De,LIXiao-minAbstract：TheexperimentwascarriedoutoneffectsofpowerplantwastewatertreatmentwithBiologicalAeratedFilter(BAF),andstudywasmadeonremovalcharactersofsuspendedsolids(SS),CODandnitrificationefficiency.TheenvironmentalfactorsaffectingoperationofBAFwerealsostudied.TheresultsshowthatBAFcaneffectivelyremoveSS,CODandammoniaetcfrompowerplantwastewater.Keywords:biologicalaeratedfilter;powerplantwastewater;affectingfactors;nitrificationefficiency最早的曝气生物滤池（BiologicalAeratedFilter，简称BAF）出现于20世纪初期，在40年代，由于BAF工艺易于堵塞、反冲洗难以控制，被认为是不经济的，直到20世纪80年代后期,BAF工艺在欧美得以快速发展。该工艺具有去除SS、COD、BOD、硝化、脱氮、除磷的作用。目前，曝气生物滤池的应用区域已遍及全世界，仅Kruger公司就在全世界范围建造了百座以上BAF污水处理设施[1～5]。1BAF工艺特征曝气生物滤池与普通活性污泥法相比，具有有机负荷高、占地面积小（是普通活性污泥法的1/3）、投资少（节约30%）、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点，但它对进水SS要求较严（一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L），因此对进水需要进行预处理。同时，它的反冲洗水量、水头损失都较大。另外，曝气生物滤池作为集生物氧化和截留悬浮固体于一体的新工艺，节省了后续沉淀池(二沉池)，具有容积负荷、水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，出水水质好，运行能耗低，运行费用少的特点[1～3]。本文从工程的角度，采用有效容积为2.4m3的中试反应设备，以某厂及居住区的污水为处理对象，对影响曝气生物滤池处理效能的表面水力负荷（q）、温度、气水比进行了研究，确定了相关的工程控制参数，为曝气生物滤池的工程应用奠定了基础。2试验装置与方法收稿日期：2011-02-02吕宏德(1964-)，男，教授。广州，5100902.1实验装置中试反应系统装置及工艺流程如图1所示。主体设备为圆柱形上向流曝气生物滤池，由不锈钢制成，高4.2m、内径1.0m，有效容积2.4m3；底部设有用于布水和反冲洗的穿孔管，同时底部另设布气穿孔管两套，一套用于曝气，另一套用于反冲洗时的布气。填料为膨胀粘土颗粒，球型，单层滤料，粒径3～5mm，不均匀系数K60=1.8，颗粒比重1.56kg/m3，堆积孔隙率0.44；填装高度3.0m。承托层由重质瓷球组成，从上至下瓷球直径依次为4mm、8mm、15mm、30mm，每层高度100mm。反应器壁上每间隔30cm设有1个取水口，共10个，用于采取水样和测量水头损失。图1曝气生物滤池中试设备及流程图1.曝气生物滤池2.进水泵3.液体流量计4.阀门5.取样口6.鼓风机7.气体流量计8.反冲洗水泵2.2实验废水及其水质中试设备安装在某厂的污水处理站，接纳的污水主要是厂区和生活区的污水和部分食堂废水，水质相对稳定，该污水COD浓度在350±25mg/L，BOD5在160±20mg/L，氨清水池来水污水出水，进入清水池123344567842电站系统工程2011年第27卷氮浓度为34±4.0mg/L，pH在7.5±0.3，SS在50±20mg/L，未检出NO-2-N和NO-3-N。可生化系数为0.45；悬浮物含量较少。2.3运行控制反应设备以表面负荷（q）1m3/m2⋅h启动，并连续运行，未进行接种活性污泥，气水比控制在2:1~4:1的范围。为考察不同水力负荷对曝气生物滤池处理效能的影响，设置了1、2、3、4m3/m2⋅h等4个不同水力负荷条件，在每一水力负荷条件下连续运行14天。冲洗周期根据水头损失来确定，根据先期进行的实验结果，本文以1.4m水头损失为指标进行反冲洗周期的控制，冲洗操作顺序如下：①气洗5min：关闭进水，以表面流速25m/h通入空气；②气水联合反冲洗10min：保持气速不变，以表面流速20m/h通入清水；③清水漂洗：停止进气，保持水漂洗10min；④静沉10min。当表面负荷分别是1、2、3、4m3/m2⋅h的情况下，运行周期分别为48、36、32、28h。2.4实验分析及方法中试设备运行过程中，每天检测的水质指标主要包括COD、NH4+-N、SS、pH和溶解氧（DO）等，其中，COD：COD测定仪；NH4+-N：纳氏试剂光度仪；pH和DO、温度采用在线测量，pH值采用PHS-3C型酸度计，溶解氧和温度采用JBB607溶解氧测定仪。3实验数据分析3.1表面水力负荷对SS、COD去除率的影响表面水力负荷（q）是BAF运行的重要参数，直接影响SS、COD的去除率。中试系统装置首先在水力负荷为1.0m3/m2⋅h，温度20℃，气水比为3的条件下启动并达到运行稳定（冲洗周期控制在32～36h），并在温度和气水比保持不变的前提下，进一步考察了BAF在2.0、3.0、4.0m3/m2⋅h等不同水力负荷条件下，对SS、COD的去除情况（图2）。从图2所示的运行结果可以看出，对污水的SS和COD去除率，均表现出一致的规律，即每一次q的提高，都会导致SS和COD去除率的暂时下降，但随着运行时间的延续，又都会逐渐回升，并在3～5天后达到稳定。就SS的去除来看（图2a），在q分别为1、2、3、4m3/m2⋅h等4个不同水力负荷条件下达到运行稳定时，中试曝气生物滤池出水的SS浓度均稳定在6.5mg/L左右，而SS去除率均稳定在85%左右。可见，在进水SS为50mg/L的条件下，中试曝气生物滤池对SS的去除率十分稳定，q的提高并未对SS的去除率造成影响。3.2表面水力负荷对NH4+-N去除率的影响在q分别为1、2、3、4m3/m2⋅h等4个不同水力负荷条件下达到运行稳定时，中试曝气生物滤池对COD的去除率分别在92%、91%、90%和88%左右，比较稳定；而对NH4+-N的去除率则分别在98%、92%、65%、25%。从图2c可知，提高水力负荷对NH4+-N去除产生了显著影响。分析认为，在中试曝气生物滤池运行的前期，即q为1m3/m2⋅h的运行期，填料表面的生物膜正处在生长阶段，大量微生物的繁殖，需要吸收和转化较多的COD和NH4+-N以构建细胞，此时表现出较高的COD和NH4+-N去除率（分别为92%和98%）。随着q的提高，尽管单位时间内，进入反应系统的COD和NH4+-N总量增加，为生物膜的进一步增长提供了足够的营养条件，但在反冲洗的水力冲刷作用下，填料表面的生物膜厚度受到限制，即中试曝气生物滤池中的生物量达到了饱和，此时，微生物吸收和代谢COD和NH4+-N的总量也就受到了限制[2]。因此，中试曝气生物滤池对COD和NH4+-N去除率，表现出随着q的提高而下降这一变化规律。微生物生长过程中，对碳素的需求量要比对氮素的需求量高出20倍左右，当中试曝气生物滤池中的生物量增长受到限制时，其对氮素的需求量比对COD的需求量下降得更为显著，这就是q的提高，造成中试曝气生物滤池对NH4+-N的去除率要比对COD去除率下降更为显著的一个重要原因。硝化细菌可将NH4+-N氧化为NO3--N，属化能自养型细菌。在好氧活性污泥系统中，可生物降解的COD量的增加，将促进化能自养微生物的增长，从而抑制自养型的硝化细菌的增长[2～7]。这是中试曝气生物滤池对NH4+-N去除率随q的提高而呈现显著下降，而对COD去除率的影响并不明显的另一个原因。图2表面水力负荷对SS、COD和NH4+-N去除率的影响◇——进水浓度□——出水浓度▲——去除率3.3温度对COD和氨氮去除率的影响温度对微生物的代谢水平具有显著影响，在一定范围内，温度降低10℃可导致微生物代谢活性下降1～2倍。我国北方四季气温变化很大，而且昼夜温差大，掌握温度对曝气生物滤池运行效能的影响规律，对实际工程应用具有重要01020304050607080SS浓度(mg/L)0102030405060708090100SS去除率(%)0510152025303540048121620242832364044485256运行时间(d)氨氮浓度(mg/L)0102030405060708090100氨氮去除率(%)050100150200250300350400COD浓度(mg/L)50556065707580859095100COD去除率(%)q=1m3/q=1m3/q=1m3/q=1m3/(a)(b)(c)第4期吕宏德等：BAF工艺特征及处理电厂污水的试验研究43意义。本文在q为3m3/m2⋅h、气水比为3的条件下（冲洗周期控制在32～36h），考察了温度对中试曝气生物滤池处理电厂污水的影响。实验结果表明（图3），水温在20℃和15℃时，对COD的去除率分别为85.4%和82.7%，对NH4+-N的去除率分别为63.2%和36.8%；当水温降低到8℃时，COD和NH4+-N的去除率分别仅为74.2%和24%。可见，曝气生物滤池的处理效能受温度影响较大，适宜的温度应控制在不小于15℃水平。图3温度对COD和氨氮去除率的影响图4气水比对COD和氨氮去除率的影响3.4反冲洗气水比对COD和氨氮去除率的影响曝气生物滤池中的微生物类群，以好氧微生物为主，因此，足够的溶解氧（DO）是成功运行的关键因素之一。适宜的曝气强度，不仅可以为好氧微生物提供代谢所需的氧气，同时也可通过冲刷作用，促进填料表面生物膜的更新，对提高和维持曝气生物滤池的处理效果非常关键。实验结果表明（图4），在q为3m3/m2⋅h、20℃的条件下（冲洗周期控制在32～36h），气水比从1逐渐提高到4的过程中，中试曝气生物滤池出水的DO随之从1mg/L上升到了5.5mg/L，当继续把气水比从4提高到4.5时，出水DO仅增加了0.4mg/L。在气水比从1提高到2的过程中，中试曝气生物滤池出水的DO从1mg/L增至2.1mg/L，对COD和氨氮的去除率直线上升，分别从60.1%和30.1%提高到了84.5%和40.2%；在气水比大于2，即DO＞2.1mg/L的范围内，COD去除率不再随着气水比或溶解氧的提高而增加，而是表现出平稳的态势，维持在84%左右；而对NH4+-N的去除，直到气水比达到3，即溶解氧达到4mg/L后才趋于缓和，保持在65%以上。可见，在q为3m3/m2⋅h、20℃的条件下，中试曝气生物滤池适宜的气水比控制为3比较合理。4结论(1)表面水力负荷（q）是BAF运行的重要参数，直接影响SS、COD、NH4+-N的去除率。实验表明，在20℃的条件下，表面水力负荷控制在3.0m3/m2⋅h，其出水中的SS