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生物吸附-生物膜过滤(A-BF法)法处理城市污水研究1引言污水生物处理技术虽然已取得很大发展，并且走向成熟，但人们仍在不断致力于更加高效、低耗、占地更少的新工艺的开发和研究。70年代德国Aachen大学B.Bohnke教授提出“生物吸附－氧化法(A-B法)”工艺，使污水生物处理技术取得了重大进展。A－B法工艺高效省能的核心在A级，即由于取消了初级沉淀池和采取低氧运行，充分地利用了短世代微生物的吸附能力，大大缩短了曝气时间、降低了能耗。而B级曝气池仍需按低负荷活性污泥法设计运行［1］，而且还需要后续停留时间为2－4h的沉淀池以满足固液分离和活性污泥回流的需要。能否在A－B法的基础上开发一种更为高效低耗的新工艺，其关键在于对B级进行有效的改造。多年来探索快速高效的污水生物处理方法主要遵循两条途径［2］，一是发挥微生物生理特性的优异作用，如A－B法中A级就是充分发挥了短世代微生物的吸附作用以实现其快速高效率的；二是提高参与作用的微生物量，增加有机物与微生物接触的机率，如采用高污泥含量的生物膜法［3］［4］。生物膜法具有容积负荷高、处理效果好的特点，充分利用生物膜法这一特点，将生物膜工艺串联于A级之后，以取代低负荷的B级，并辅以过滤技术，形成“生物吸附一生物膜过滤法(A-BF法)”这就是我们进行A-BF法工艺研究的主要目的。生物膜法是一种较为成熟的污水生物处理工艺，但由于这种工艺为防止堵塞要求进水中悬浮物和有机物浓度较低，因此使其在城市污水处理中的推广应用受到限制。在A－BF处理工艺中，由于BF级串联于A级之后，当其被用于城市污水处理时，尽管原污水中悬浮物和有机物浓度较高，但由于原污水经过A级处理后，悬浮物与有机物浓度均已显著降低，从而可使进入BF级的污水满足生物膜工艺的进水浓度要求，可保证生物膜工艺段(BF级)的稳定运行，使生物膜法的优势在工艺中得以充分发挥，实现在较短时间内通过微生物对有机物的吸附、氧化作用、使污水得到净化。并借鉴法国OTV公司在《TSM》(1990年No7／8)刊物上所介绍的“采用生物碳法及活性污泥法进行低温生物处理比较试验”资料［5］，在生物膜工艺中辅以过滤技术，省去B级二次沉淀池，这样不仅缩短了处理工艺流程，降低工程投资、减少建设用地，而且可望提高固液分离效果，改善出水水质。2工艺概述A-BF工艺的试验研究工作分两部分，一是小试，主要是选择滤料、探索工艺运行条件、进行可行性试验；二是中间试验，进行不同工况下的运行条件试验及处理效果试验，确定推荐设计参数。其工艺流程如图1。根据小试结果可知，当滤速为2m／h(水力停留时间为1h)时以焦炭、膨胀页岩(陶粒)为滤料的滤池，对CODCr、BOD5的去除率相近，分别为53％、51％和85％、86％。由此确定，焦炭和膨胀页岩(陶粒)均可作为BF级滤池之待选滤料。考虑取材方便与价格等因素，在中试中选用焦炭作为滤料。生物吸附－生物膜过滤法(A-BF法)处理工艺由A级和BF级组成，以串联方式运行。在A-BF法的工艺研究中，A级只按A－B法研究中推荐的工艺参数运行［2］(A级曝气时间为0.5h，混合液污泥浓度2～3g／L，池内溶解氧控制在0.1～0.7mg／L，A级沉淀池水力停留时间1.7h)，A级之后的BF级属于生物膜工艺，通过在附着有生物膜的滤(填)料层间曝气充氧并结合过滤工艺，构成生物膜滤池。该池为淹没式层间曝气，下向流等滤速变水头过滤，以粒径为2～6mm的焦炭作为滤(填)料，滤料充填高度2m，在此池内可同时完成生物氧化降解有机污染物与截留脱落的生物膜和悬浮物的作用。空气从距滤料底部25～40cm处通人，一方面有利于发挥下层滤料表面生物膜的氧化降解作用，另一方面又有利于提高整个生物膜滤池的贮污能力，延长反冲周期。曝气点以下25～40cm厚的滤层起到过滤的作用，进一步截留水中悬浮物和脱落的生物膜，完成固液分离过程。由于生物膜生长、固着在比表面积较大的滤料表面上，这就使得池中容纳着大量微生物，从而在体现出容积负荷高、停留时间短的特点的同时，又能保证滤池在较低的污泥负荷下运行，为进一步氧化降解经A级处理后污水中剩余的有机污染物提供了可靠的保障，进而获得优良处理效果，保证了出水的稳定性。3结果与分析3.1BF级生物膜滤池不同滤速下的处理效果BF级的滤速是一个重要的设计参数，其大小直接影响到BF级乃至整个A－BF处理工艺的效果。BF级生物膜滤池在不同滤速下的处理效果(平均值)参见表1。由表1可知，随BF级滤速的提高，即水力停留时间的缩短，BF级的处理效果及A－BF工艺总的处理效果均呈下降趋势。滤速在2m／h及以下时，该工艺可保持优良的出水水质，出水CODCr均小36mg／L；BOD5均小于8mg／L。因此，BF级滤速为2m／h时，既可保证有较佳的出水水质，又可保持较高的处理效率。故以2m／h滤速作为BF级稳定性试验的运行参数。此外，从表1还可看出，当BF级滤速为4m／h、水力停留时间为0.5h时，该工艺的出水水质平均值：CODCr为57.1mg／L、CODCr为13.8mg／L、SS为15.5mg／L，仍能达到《污水综合排放标准》(GB8978－88)的一级标准。由此也可说明本工艺在推荐滤速下仍保留有较大的耐大水量冲击的余地。A－BF工艺不同滤速下的平均处理效果表1滤速(m／h)CODCrBOD5SS原水mg／LA级出水mg／LBF级出水mg／LBF级去除率％总去除率％原水mg／LA级出水mg／LBF级出水mg／LBF级去除率％总去除率%原水mg／LA级出水mg／LBF级出水mg／LBF级去除率％总去除率%165623717.692.696.920569.52.796.098.7403610.998.9100273830428.590.096.120680.84.194.798.07311691698.5100386128536.286.595.024398.98.190.996.29132009.395.899.0464929457.180.090.918590.313.884.791.954914915.588.997.03.2BF级生物膜滤池在不同曝气量下的处理效果BF级运行时的曝气量是关系到运行费用的重要参数，是处理工艺的一项重要的技术经济指标，对考察工艺的经济合理性具有重要意义。BF级生物膜滤池在不同气水比下的处理效果平均值列于表2。当BF级以2m／h滤速运行时，曝气量分别按气水比8∶1、6∶1控制，从表2数据可知，提高气水比处理效果虽有所提高，但变化不大，因此推荐采用气水比为6∶1的曝气量，既可保证有良好的处理效果，且可降低能耗，节约运行费用。BF级在不同曝气量下的处理效果表2名称结果项目8∶16∶1原水A级出水BF级出水BF级去除率%A-BF总去除率%原水A级出水BF级出水BF级去除率%A-BF总去除率%CODCr(mg／L)73830428.590.096.145921422.989.195.0BOD5(mg／L)20680.84.194.798.014563.63.394.397.5SS(mg／L)7311691.598.599.85361611.798.099.53.3BF级生物膜滤池的过滤工作周期BF级生物膜滤池属于等滤速、变水头过滤类型，其滤后水头恒定，滤前水头随过滤的进行逐渐加大。一般情况下当滤前、滤后的水头差达到1m时，一个过滤工作周期即告结束。BF级不同滤速及同一滤速(2m／h)不同气水比下的过滤工作周期和处理水量平均值见表3，从表3数据可知，BF级的过滤工作周期随滤速的加大而缩短，而相同滤速下以不同气水比(8∶1、6∶1)控制曝气量时，其过滤工作周期处理水量基本相近。这也说明滤池的工作周期是与滤层的储污能力密切相关的。滤层不变，储污能力也不变，所以滤速加大，工作周期缩短而处理水量则不变。BF级生物膜滤池不同工况下的过滤工作周期表3滤速(m/h)气水比进水(m3/h)过滤周期(h)周期产水(m3)18∶10.125116.314.528∶10.25068.717.226∶10.25064.516.138∶10.37548.518.248∶10.50028.014.0A－BF工艺稳定性运行试验结果表4名称结果项目原水A级出水BF级出水BF级去除(%)A-BF总去(%)变化范围平均值变化范围平均值变化范围平均值变化范围平均值变化范围平均值CODCr(mg/L)315～776455129～33722110.0～35.722.385.3～94.689.892.3～97.495.1BOD5(mg/L)79～18312729.8～87.156.80.4～7.43.784.5～99.493.492.1～99.897.0SS(mg/L)50～106045220～4701741～9.02.186.7～10098.493.8～10099.33.4A-BF工艺及BF级生物膜滤池运行的稳定性3.4.1A-BF工艺及BF级生物膜滤池运行稳定性与对进水水质变化的适应性按滤速为2m／h、气水比为6∶1的运行条件对该工艺进行了近两个月的运行稳定性试验。结果列于表4。从表4不难看出，虽然原水水质变化幅度较大，但A－BF工艺和BF级生物膜滤池，仍然有较稳定的处理效果和较高的去除率，出水水质达到了较高的水平。同时也说明A－BF工艺和BF级生物膜滤池对原水水质的变化都具有较强的适应能力。3.4.2BF级对不同有机投配负荷的适应性根据表4所列A级出水(即BF级进水)CODCr、BOD5值的变化范围，可计算出BF级的有机物投配负荷变化范围为：CODCr容积负荷3.41～8.91kgCODCr／m3·d，BOD5容积负荷为0.79～2.30kgB0D5／m3·d。由此可见，在有机投配负荷变化较大的情况下，仍能有表4所列的稳定的处理效果和高质量的出水水质，说明BF级生物膜滤池对有机物投配负荷的变化也同样具有良好的适应性。经多次对BF级生物膜滤池中的生物量进行测定的结果表明，BF级中的生物量较高，其在池中的平均生物量为13g干污泥／L填料，其中有机份占60％以上，同样根据表4所列A级出水的BOD5变化范围可计算得出BF级污泥投配负荷为0.10～0.30kgBOD5／KgVSS.d，由此表明，BF级生物膜滤池既具有较高的容积负荷，又使污泥有机负荷维持在一个较低的水平上。这也正是BF级生物膜滤池既能保持很高的处理效率，又能保持有良好出水水质的关键所在。3.5BF级生物膜滤池各项反冲洗参数的确定BF级生物膜滤池运行一段时间以后，随着滤池内生物的大量繁殖与截留的悬浮物质的增加，其滤层的阻力也逐渐升高，当滤层阻力达1m左右时，则需对其进行逆向气、水反冲洗，将老化的生物膜及所截留的悬浮物质冲洗出池外以保证滤池的正常的运行。对于反冲洗过程中气、水的反冲洗强度应控制得当，过低达不到反冲洗的目的，过高会使生物膜严重脱落，造成填料层内生物量减少，以致影响处理效果，并易造成填料的破损、流失及增加不必要的反冲洗耗水量、耗电量。滤池反冲洗采用逆向气、水混合冲洗，反冲步骤为：气冲－(气＋水)冲－水冲。反冲水源为BF级生物膜滤池的处理出水，反冲排水在实际工程中可排人A级沉淀池，沉淀后与A级剩余污泥一起排出系统，其反冲耗水量占周期处理水量的5％以下，反冲时滤层的膨胀率较小，约为10％左右。3.6关于A－BF工艺的脱氮、除磷效果通过对稳定性试验期间各段氨氮、总氮、总磷的测定、统计得知，A-BF工艺对氨氮的总去除率为89.0％，其中BF级的去除率为86.5％；A-BF工艺对总氮的总去除率为39.6％，其中BF级的去除率为24.0％；A-BF工艺对总磷的总去除率为57.6％，其中BF级的去除率为36.7％。以上数据说明，虽然A-BF工艺总的水力停留时间较短，但对氮、磷仍有较好的处理效果。且脱氮除磷主要发生BF级。4技术经济比较现就几个主要的技术经济指标，将BF级生物膜滤池的试验结果与A－B法工艺中B级作如下比较。4.1处理效果对比BF级与B级CODCr的去除率分别为89.8％、61.7％(相对于该级进水而言，下同)；BO