BAC-FB與傳統活性污泥法處理生活污水的對比研究

李金波，陶虎春，李紹峰

（1.東北農業大學資源與環境學院，哈爾濱 150030；2.北京大學深圳研究生院環境與能源學院，城市人居環境科學與技術重點實驗室，廣東 深圳 518055；3.深圳職業技術學院建工系，廣東 深圳 518055）

《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918－2002）頒布實施后，廣泛應用于城鎮污水處理廠的傳統活性污泥法工藝面臨出水難達標的壓力，亟需應用新技術保障水廠出水穩定達標。生物活性炭流化床是生物流化床與生物活性炭技術相結合的新工藝。生物流化床[1-2]是將傳統活性污泥法與生物膜法有機結合并引入化工流態化技術應用于污水處理的一種新型生化處理裝置。其技術核心是以填料直接投加到曝氣池中，作為微生物的活性填料。依靠曝氣池內的曝氣和水流的提升作用使反應器內達到流化狀態，廢水中的污染物與均勻分散的生物膜充分接觸而被去除[3-4]。具有處理效率高、容積負荷大、抗沖擊能力強、設備緊湊、占地少等優點[5]，被認為是未來最具發展前途的生物處理工藝之一[6]。生物活性炭技術的應用始于20世紀70年代，其實質是利用活性炭具有巨大比表面積、發達孔隙結構以及優良的吸附性能等特點，以活性炭作為載體構建生物膜，對污染物質進行降解[7]。

本文采用以生物活性炭為載體的流化床工藝（Biological Activated Carbon Fluidized Bed,BACFB），研究其處理生活污水的可行性并與同等工況下傳統活性污泥法工藝（Conventional Activated Sludge,CAS）作比較，以期為城鎮污水處理廠改建找到新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

本試驗所采用的反應器裝置如圖1所示。反應器采用有機玻璃制造，內徑90 mm，有效高度830 mm，有效體積為5.0 L。污水由蠕動泵從進水口泵入，上聯通管與下聯通管經蠕動泵帶動，構成外部循環，反應器底部設置3個微孔曝氣頭，采用電磁式空氣壓縮機供氣，通過轉子流量計控制曝氣量，電磁閥控制出水，整套裝置由微電腦時控開關（PLC）實現自動控制。

圖1 試驗裝置Fig.1 Experimental equipment

1.2 試驗方法

接種污泥取自深圳市羅芳污水處理廠，測得MLSS 為 28.50 g·L-1。本文按 1.8 g·L-1的量向反應器內投加污泥，加入污泥量為0.32 L。其中，BAC-FB選用粒徑0.18～0.25 mm的顆粒活性炭為載體，按反應器有效體積的3%投加。然后，加入配制好有機濃度的進水，原水取自北京大學深圳研究生院校園內的生活污水。悶曝2 d，以后間歇進水，HRT保持在8 h，每天鏡檢1次。掛膜期間為防止空氣對活性炭表面生物膜的過度沖刷，調節氣水比為 16： 1。

1.3 測試指標及方法

檢測的水質指標：COD、BOD5、NH3-N、TP、pH，分析參照文獻[8]。

2 結果與分析

2.1 啟動時間的對比

反應器啟動運行初期，CAS出水中COD去除率為30%～35%，而BAC-FB出水中COD去除率為42%～44%。這說明BAC-FB對溶解性有機物的去除能力略高于CAS，其原因為表面積較大的顆粒活性炭載體，對有機物具有很強的吸附能力。隨著生物膜的培養與馴化，可以發現BAC-FB對COD的去除率一直高于CAS，并于啟動8 d后達到了＞80%的去除率；而CAS則在18 d后才達80%的COD去除率。同時，微生物相鏡檢觀察到輪蟲、線蟲、纖毛蟲、等枝蟲、鐘蟲等原生動物和后生動物，確定BAC-FB啟動運行8 d以及CAS運行18 d時均成功啟動，相比較而言，BAC-FB大大縮短了啟動時間。

2.2 COD的去除

如圖2所示，反應運行初期進水有機負荷控制在一個較低的水平，待BAC-FB與CAS兩反應器出水COD去除率皆達到60%以上后，逐漸提高進水濃度。CAS與BAC-FB在相同進水有機負荷條件下持續運行近兩個月，兩者對生活污水COD去除率有明顯差距。

圖2 兩反應器進水有機負荷與COD去除率Fig.2 Influent organic loading and COD removal rates of two reactors

兩反應器啟動成功后，CAS工藝COD去除率仍波動較大，最低處只有64%，BAC-FB反應器COD去除率基本維持在93%左右，說明BAC-FB反應器具有運行穩定、COD處理效果高以及抗沖擊負荷能力強的特點。其原因在于BAC-FB采用粒徑較小的顆粒活性炭為載體，比表面積大，一定量載體提供微生物膜生長面積大，因而微生物濃度高。當微生物濃度增高時，有機物降解速率加快，同時BACFB體系廢水與微生物膜接觸表面大，水中有機物與微生物膜傳質條件好，進而加快了生化反應速度。與此同時，在流化床中載體粒料攪動劇烈、分布均勻，可對沖擊性有機負荷及有毒負荷起到緩沖作用。

2.3 NH3-N的去除

運行階段，兩種工藝的NH3-N處理效果對比見圖3。隨著NH3-N濃度的升高，硝化中間產物積累，抑制氨氮的硝化反應速率，使去除率有所下降。CAS反應器在較低氨氮濃度時有較好的去除效果，平均去除率＞78%，當NH3-N濃度由37.5 mg·L-1上升至57.8 mg·L-1時，去除率迅速由81%下降至73%。進一步提高NH3-N濃度到61.9 mg·L-1時，去除率下降至65%以下。NH3-N負荷提高對BAC-FB脫氮效率影響較小，當氨氮濃度升至61.9mg·L-1時，去除率仍然保持在97%左右，說明BAC-FB處理生活污水較同等工況下CAS可有效脫除氨氮。

圖3 NH3-N去除效果Fig.3 Effect of NH3-N removal

2.4 污泥特性分析

BAC-FB的污泥沉降速度和泡沫控制情況均優于CAS，結果見圖4。

圖4 BAC-FB/CAS處理生活污水SVI變化規律Fig.4 SVI variation of BAC-FB/CAS treating domestic sewage

從圖4的污泥沉降指數（SVI）變化規律可以看出，CAS運行至第8天時便污泥膨脹（SVI＞150 mL·g-1），BAC-FB的污泥沉降性能明顯好于CAS。由于BAC-FB中投加了顆粒活性炭載體，改善了污泥結構，使污泥絮體更加緊密，同時由于活性炭的孔隙被水分和微生物充滿形成BAC，密度比水大[10]，從而提高了污泥絮體密度和沉降性能；另一方面，由于污泥沉降性能的提高，隨出水而損失的污泥量得到有效控制。CAS由于絲狀菌繁多而導致污泥膨脹，BAC-FB中雖然絲狀菌數量也較多，但鏡檢發現其大部分在載體表面附著生長，以載體顆粒為骨架的污泥絮體大而密實。因此，有效避免了絲狀菌引起的污泥膨脹。

2.5 穩定運行的處理效果

BAC-FB與CAS連續運行2個月，穩定運行期間處理效果見表1。

表1 BAC-FB/CAS處理生活污水運行效果Table 1 Performance of BAC-FB/CAS treating domestic sewage

BAC-FB處理生活污水，出水COD≤50 mg·L-1、BOD5≤10 mg·L-1、NH3-N≤5 mg·L-1、TP≤0.5 mg·L-1，各項出水指標均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB189189-2002）中規定的國家一級A排放標準，CAS僅達到國家二級排放標準。穩定運行狀態下，BAC-FB的處理性能優于CAS。

2.6 生物相的觀察

見圖版Ⅰ。CAS和BAC-FB在整個運行過程中生物相的對比觀察結果。

CAS啟動初期污泥散碎、稀少；BAC-FB活性炭與污泥各自獨立，并無附著現象。反應器運行至第8天，CAS系統出現大量絲狀菌，已有污泥膨脹的跡象，遂降低有機負荷停止進水數日恢復正常；同期，BAC-FB啟動成功，載體活性炭表面包裹著一層厚厚的生物膜。運行至第18天，CAS啟動成功，出現少量鐘蟲和線蟲等后生動物，但在生物種類與數量上較相似工況下BAC-FB反應器少得多。

3 討 論

試驗中BAC-FB啟動成功僅需8 d，較CAS大大縮短了啟動時間。其原因在于BAC的高吸附性能，接種的微生物被快速固定在載體表面，攝取水中的營養物質，并在載體表面生長、繁殖，減少了微生物附著到載體上的時間[9]，降低了菌體被消耗（如游離菌被捕食）的機率。

生物活性炭流化床（BAC-FB）對污染物指標的去除率比CAS反應器高，其機理主要在于快速形成的生物膜，使整個系統處于懸浮生長和附著生長相結合的狀態。生物膜的存在加大了反應器內的生物量和生物種類，并能保證世代較長的微生物（如硝化菌）生存，利于硝化反應；生物膜載體從表面到內部存在溶解氧濃度的梯度，形成相應的好氧、缺氧和兼氧區，為直接脫氮提供了良好的環境。大部分活性污泥以生物膜附著在填料表面，提高了微生物的空間分布的均勻性，使有機質更易被吸附降解，提高了出水水質穩定性。此外，BAC的存在克服了污泥沉降性能差以及污泥膨脹等問題。由于不需要大量設備投入，該技術特別適用于城鎮污水處理廠活性污泥法的升級改造。

4 結論

本文試驗研究表明，BAC-FB較CAS在處理生活污水上效果顯著。

a.同等工況下，BAC-FB啟動成功需8 d，CAS需18 d，BAC-FB較CAS啟動時間更短；

b.在相同進水有機負荷條件下持續運行，處理效果表明BAC-FB對污染物的去除率明顯高于CAS，可有效脫除氨氮，BAC-FB反應器具有運行穩定、去除效率高和抗沖擊負荷能力強的特點；

c.污泥沉降指數變化規律表明，BAC-FB不發生污泥膨脹，污泥沉降性能明顯好于CAS；

d.相似工況下，BAC-FB在生物種類與數量上較CAS反應器豐富。

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