氣水比對曝氣生物濾池處理城市中水效能的影響

周廣吉，張蘭河，葉振起，徐 巖，魏 來，房國成

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院,遼寧 沈陽 110006;2.東北電力大學化學工程學院,吉林 吉林 132012)

東北地區是我國重要的工農產業根據地，水資源需求量的增加和自然水體的持續污染，共同造成了東北地區水資源短缺的難題[1-3]。城市中水回收二次使用可以增加水資源利用率，成為一種應對水資源匱乏的切實可行的辦法[4]。曝氣生物濾池(biological aerated filter，BAF)技術是匯集濾料攔截清除固態雜質和生物氧化降解有機物一體化的新生代生物膜污水治理工藝，因其具有投資少、占地面積省、抗沖擊負荷能力強、自動化程度高、經濟高效以及硝化反硝化脫氮效果好等優點[5-7]。近年來在工業廢水、城市污水和中水回用等方面被廣泛應用[8-12]。

華能營口仙人島熱電機組采用城市中水作為生產主要水源，經過曝氣生物濾池+機械加速攪拌澄清池+變孔隙率池組合工藝深度處理后，供給鍋爐補給水處理系統、脫硫系統、輸煤沖洗系統和輔機循環冷卻水使用。降低了火電企業的成本，推動了節水減排的發展，具備優異的環保意義和經濟效益，有助于振興東北區域工農產業根據地可持續發展方略。由于城市中水的氨氮、硝酸鹽和有機物濃度較高，而BAF作為除碳脫氮單元，是去除有機污染物的重要步驟。可見，BAF優良的除碳脫氮能力是獲取合格供水的基礎，同時也是保障機組獲得良好汽水品質的前提。

BAF運行效能會受到多種因素的影響。其中，氣水比直接關系到BAF除碳脫氮的能力；反沖洗則是BAF微生物膜更新、功能恢復的關鍵環節。目前BAF多應用于處理工業廢水和生活污水，應用于火電廠處理城市中水則比較少見。對于反沖洗的研究集中在反沖洗方式、強度和時間等方面，關于反沖洗過程中氣水比對BAF性能恢復和運行時長的影響卻鮮見報道。依托火電廠BAF工藝，探究氣水比對BAF污染物去除效能的作用；考察反沖洗氣水比對污染物去除能力恢復和運行時間的影響。探尋適宜的氣水比和反沖洗氣水比，實現BAF高效能低能耗的宗旨，旨在為BAF在火電廠工程應用中提供技術借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與運行條件

機組共設置10套BAF工藝單元，單池尺寸為8.35 m×5.3 m×6.7 m，濾池面積為44.25 m2，BAF工藝示意如圖1所示。

圖1 曝氣生物濾池工藝示意

底部配水室高度為1.2 m，下部裝有空氣擴散器，中上部為厚度0.1 m濾板，承托層由粒徑為6～32 mm天然鵝卵石構成；上層濾料采用粒徑為3～6 mm球形輕質多孔生物陶粒，高度為3.6 m。頂部清水區高度為1.5 m。實驗采用氣水平行連續上向流的運行方式，通過原水泵向濾池底部配水室進水，利用曝氣風機通過空氣擴散器向濾池通入空氣，使得濾池內的溶解氧維持在一定濃度，同時起到攪拌的作用。曝氣風機和反洗風機的風量以及進水的流量分別由轉子流量計和電磁流量計測量。裝置進出口設置取樣點，在研討不同氣水比實驗階段每2 h取樣1次，在考察反沖洗氣水比實驗階段每1 h取樣1次。實驗期間，水溫為21.3～26.5 ℃，pH值為7.1～8.0，進水流量范圍為100～129 m3·h-1，水力負荷為2.3～2.9 m3·m-2·h-1。

1.2 實驗水質與分析方法

實驗水源來自熊岳和鲅魚圈城鎮污水處理廠處理后的出水，具體進水水質情況：COD為38～68 mg·L-1、ρ(NH4+-N)為4～11 mg·L-1、ρ(NO3--N)為6～14 mg·L-1、ρ(SS)為10～30 mg·L-1。

再生水深度處理系統設計出水品質的主要指標為COD≤30 mg·L-1、ρ(NH4+-N)≤5 mg·L-1、ρ(SS)≤5 mg·L-1。水質的分析檢測參照文獻[13]。

1.3 掛膜啟動與實驗方案

采用逐步加大流量至設計值的自然掛膜法,同時啟動6套曝氣生物濾池，連續運行40 d后從濾池表面能夠觀察到黃褐色絮狀生物膜，各個濾池具有一定的COD和NH4+-N去除率，且逐漸穩定，表明BAF掛膜啟動成功。

通過改變曝氣風量調整氣水比，在6套BAF的氣水體積比分別1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1和6∶1的條件下連續運行60 d。研討不同氣水比對COD、NH4+-N和NO3--N的去除效能的作用，探尋適宜的氣水比。

反沖洗過程共分為4個步驟，分別為：①水反洗；②氣洗；③氣水共反洗；④水反洗。具體控制參數見表1。利用氣水比為4∶1的BAF為研究對象，在氣水共反洗期間，通過改變反洗風機風量，即改變步驟③中的氣洗強度來調節反沖洗氣水體積比分別為2∶1、3∶1、4∶1和5∶1，每個階段運行7 d，考察反沖洗過程中不同氣水比對BAF性能恢復和運行時長的影響。

表1反沖洗控制參數

Table1Backwashcontrolparameters

項目時間/min水洗強度/(L·m-2·s-1)氣洗強度/ (L·m-2·s-1)水反洗36氣洗410氣水共反洗536～15水反洗86

2 結果和討論

2.1 氣水比對BAF污染物去除效果的影響

2.1.1氣水比對COD去除效果的影響

平均進水COD為51.3 mg·L-1，出水為15.9～29.1 mg·L-1，出水水質較為穩定。在氣水比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1和6∶1條件下，COD的去除率分別為50.9%、51.8%、53.9%、61.1%、63.2%和61.9%，平均出水COD分別為25.4、24.7、23.9、20.4、19.4和19.6 mg·L-1。由圖2可知，COD去除率跟隨氣水比的提升先逐步提高后略有下降。在除碳脫氮進程中，當氣水比較低時溶解氧濃度無法同時滿足硝化細菌的硝化作用和異養菌降解COD的需求，導致COD去除率較低。

圖2 氣水比對COD去除效果的影響

氣水比增加，氣流和水流的沖刷剪切作用促使老化的生物膜剝落，當作“懸浮物”被濾料攔截，增加了活性生物膜表面積，生化降解能力得到加強，COD去除率提高。當溶解氧處于較低濃度時，溶解氧成為異養微生物生長繁殖的首要限制條件。氣水比增加到5∶1時溶解氧濃度隨之提高，好氧微生物增長速率相應提高，微生物數量也增加。在此過程中，微生物所需求的有機物能量亦隨之變大，使得出水COD降低。COD去除率在氣水比增加到6∶1時略有下降。當溶解氧濃度較高時，好氧微生物增殖速率增加緩慢。過大的氣水比會使沖刷和攪拌效應加劇，出水中攜帶少量懸浮物和生物膜[14]，負影響微生物的數量和穩定性，使得出水COD略微增加。

COD的去除規律與李志鋒等[15]和李婷等[16]的研究結果相一致，適宜氣水比各有不同。適宜的氣水比能夠提高COD去除率，過大的氣水比意味著更多的能源消耗，并且無法大幅提升COD去除效果，甚至有負作用。

2.1.2氣水比對NH4+-N去除效果的影響

圖3可以看出，NH4+-N的去除率隨著氣水比的增加先大幅提高，后略微增加。多數硝化細菌是將CO2當作細胞碳源，在進行硝化作用時把CO2轉化為C5H7O2N。自養型硝化細菌會因為氣水比低而遏制其繁殖速率。相對于異養菌，自養菌對溶解氧濃度更為敏感，一定程度上抑制了硝化細菌的生長速度以及硝化反應速率，也意味著在低氣水比條件下NH4+-N的去除效果甚至會低于COD的去除效果。可見，氣水比對硝化作用影響較大。在氣水比為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1和6∶1條件下，NH4+-N的去除率分別為46.6%、55.8%、71.9%、81.2%、83.3%和85.2%，出水平均質量濃度為4.1、3.5、2.3、1.5、1.3和1.2 mg·L-1。

對于向上流BAF而言，氣流和水流沿著濾池底部同向透過濾料由頂部排出，相對于生物膜微環境，膜外為高濃度COD環境，自養型硝化細菌附著在生物膜內側生長繁殖，繁殖速率快于硝化細菌的異養菌生長在生物膜外側[17-18]。在氣水比1∶1狀態下，BAF內溶解氧含量低，生長在生物膜外側的異養菌優先繁殖，此時的氧傳遞效率較低，生物膜內側的硝化細菌因無法得到足夠的溶解氧，生長速率受到顯著抑制，且氨鹽和亞硝酸鹽被氧化時能量產率較低[19]，硝化細菌本身的繁衍速率較低，進而影響了硝化反應的速率，造成NH4+-N去除效果較低。

圖3 氣水比對NH4+-N去除效果的影響

當氣水比增加到4∶1時，BAF內溶解氧含量提高，微生物膜內部氧更多，硝化細菌快速繁殖壯大，大大加速了硝化速率，提升了NH4+-N去除率。氣水比增加也會增加濾料間的撞擊作用，剝離了老化生物膜，更新了微生物活力，從而取得穩定的硝化效果。氣水比提高到6∶1時，溶解氧濃度處于較高水平，氧的傳遞效率很高，影響了硝化細菌的快速繁殖。相對于異養微生物，滋生在生物膜里面的硝化細菌的膜組織尤其稠密緊湊，抵御氣水沖刷的能力較好[16]，雙重作用提升NH4+-N去除效果。然而，氣水比為5∶1和6∶1比4∶1時NH4+-N去除率僅分別提升2.1%和4.0%，繼續增加溶解氧不會對硝化作用產生太大影響。

適合的溶解氧濃度能夠使得硝化反應順利進行，適宜的氣水比加速了老化生物膜脫離，同時提升了氧的利用率和傳遞效用[20]，兩方面加強了BAF內溶解氧濃度，硝化細菌迅速生殖繁衍。在硝酸鹽與NH4+-N共存的條件下，反硝化細菌往往采用NH4+-N當作氮源[19]，氨氮去除效果優越，這與李婷[16]的研究結果相一致。

2.1.3氣水比對NO3--N去除效果的影響

進水平均ρ(NO3--N)為10.8 mg·L-1，出水為3.1～8.5 mg·L-1，出水水質波動較大。如圖4可知，NO3--N的去除率隨著氣水比增加呈逐漸降低的趨勢。BAF提供了各類微生物生長的基質條件，細菌圍聚粘附在濾料周圍滋生，在溶解氧傳遞途中存在傳質阻力，且部分被好氧微生物消耗，曝氣口遠端的濾池上部區域的溶解氧濃度降低，生物膜內層溶解氧基質存在較大的濃度梯度，形成的生物膜構成了好氧/厭氧微環境，為同步硝化反硝化奠定了基礎條件[17,21-22]。氣水比為1∶1和2∶1時，NH4+-N和NO3--N都有一定去除效果，說明BAF內發生了同步硝化反硝化。由于進水中有大量的NO3--N，給反硝化供應了富足的底物，提高了反硝化脫氮能力。入水COD偏低，可利用碳源不足，反硝化無法進行徹底。當氣水比為1∶1和2∶1時，NO3--N去除率分別為59.3%和54.3%。

氣水比提升到3∶1與4∶1情況下NO3--N去除率有所下降。此時微生物菌種孕育繁衍較佳，生物膜更加緊密充實，能夠獲得同步硝化反硝化的微環境，NO3--N去除率穩中有降，分別為52.1%和48.6%；當氣水比提升至5∶1及6∶1時，溶解氧濃度較高，厭氧微環境受到影響，反硝化脫氮效果變差，此時NO3--N的去除率僅分別為43.1%和36.2%。

6套BAF為同步平行實驗運行，并采用了穩定性強的自然掛膜啟動方式，濾池內形成了致密的生物膜體系，依然存在局部厭氧環境，具備一定的反硝化脫氮環境。但是，氣水比較高一方面促進了硝化反應，使得濾池內的NO3--N濃度增加，另一方面異養微生物的加速繁殖消耗了部分有機物，導致反硝化碳源嚴重不足，NO3--N的去除效果差。

圖4 氣水比對NO3--N去除效果的影響

2.2 反沖洗氣水比對BAF運行效能的影響

2.2.1反沖洗氣水比對COD去除效能的影響

如圖5可知，COD去除率隨運行時長和反沖洗氣水比的提升先升高而后逐步下降，其中受反沖洗氣水比的影響更大。當反沖洗氣水比處于2∶1、3∶1、4∶1和5∶1的狀態下，對應運行至3、4、4和7 h時，COD去除效能即可恢復，分別達55.6%、58.9%、60.3%和56.1%。相比于王偉等[23]的研究(COD去除能力的恢復時間為4～8 h、持續穩定時間為8～36 h)，在恢復能力上略有優勢，但持續穩定時間較短。反沖洗氣水比為2∶1時，反沖洗的氣流強度弱而分散，氣流不能形成較大的氣泡而隨水流穿過濾料孔隙排出。此過程中，濾料間撞擊效果和攪動程度較小，氣泡分布不均勻，會存在濾料結團成塊的可能，反沖洗不充分。COD去除率在運行20 h時下降到58.1%，運行時間短。

反沖洗氣水比提升到3∶1和4∶1時，氣泡產量和形狀多而大，其不間斷急速旋繞上升而出現的動態氣流振打效用增加了濾料間的撞擊摩擦效果，這種效用在濾料上層低壓區更為明顯[18]，更新了生物膜活性，反沖洗效果佳，COD去除能力恢復時間短，去除率較高，運行時間能夠分別延長到22和24 h。

反沖洗氣水比提升到5∶1時，氣流強度進一步加大，氣水剪切效用和撞擊振打作用加強，過剩的部分氣流則直接穿透濾層而沖出，過程中會攜帶微量濾料和懸浮生長的異養菌，造成濾料損失、微生物總量迅速減少，生化處理能力降低，COD去除能力恢復時間過長。反沖洗氣水比會顯著影響異氧微生物總量，COD去除能力恢復時間可以作為反沖洗好壞的衡量標準之一。

圖5 反沖洗氣水比對COD去除能力的影響

2.2.2反沖洗氣水比對NH4+-N去除效能的影響

如圖6可知，BAF對NH4+-N的去除具有較好的恢復能力，反沖洗氣水比對NH4+-N的去除恢復能力影響較大。當反沖洗氣水比處于2∶1、3∶1、4∶1和5∶1狀態下，對應BAF運行至4、4、5和8 h時，NH4+-N的去除率分別為77.4%、79.2%、82.2%和79.3%。在反沖洗氣水比處于3∶1和4∶1狀態下運行3 h后，產水中NH4+-N的濃度即小于2.0 mg·L-1，達到設計標準。

圖6 反沖洗氣水比對NH4+-N去除能力的影響

可見，反沖洗氣水比對NH4+-N去除運行時間影響較大。在反沖洗氣水比處于2∶1、3∶1、4∶1和5∶1的條件下，對應運行時間達19、22、25和26 h時，即步入去除率負增長期。進入到運行周期末段，濾料層間懸浮生長著大量異養菌、濾層截留了大量懸浮物和微生物，遏制了基質和溶解氧向自養型硝化細菌的滲透，硝化反應進程放緩。反沖洗氣水比緊密影響著濾料層納污量。反沖洗氣水比過低，納污量不能夠全面釋放，運行時長不夠，會增加反沖洗次數；反沖洗氣水比過高，反沖洗過度，BAF效能恢復時間延長，降低了運行周期內NH4+-N的平均去除效果。反沖洗氣水比為4∶1時，BAF的效能恢復時間短，能夠較為穩定地長期運行，且避免經常的反沖洗。

2.2.3反沖洗氣水比對NO3--N去除效能的影響

如圖7所示，BAF恢復期間內，在運行時長一致的條件下，NO3--N的去除率跟隨反沖洗氣水比的提升而下降，且NO3--N去除能力恢復時間延長。當反沖洗氣水比處于2∶1、3∶1、4∶1和5∶1的狀態下，對應運行至3、4、6和7 h時，NO3--N去除率逐漸恢復正常，分別為47.1%、49.5%、50.0%和47.6%。

圖7 反沖洗氣水比對NO3--N去除能力的影響Fig.7 Influence of air-water ratio on NO3--N removal capacity

反沖洗氣水比為2∶1時氣流強度不足，無法推動濾料小范圍撞擊回旋，部分結團成塊的濾料得不到反沖洗，一定程度遏制了氧的傳遞；同時濾池內小部分懸浮的微生物和雜質隨氣流和水流沖出，降低了異養菌的總數，可以分配更多的能量供應反硝化細菌，使得BAF具有較快的脫氮能力。由圖7可以看出，反沖洗氣水比處于2∶1狀態下，當運行到18 h，NO3--N去除率明顯下降，這是因為微生物沒能在反沖洗過程中完成更新，異養菌加速繁殖，數量壯大，進水有機物總量維持恒定，導致反硝化細菌與異養菌在競爭碳源時不占優勢，反硝化進程受抑制，BAF需要再次進入反沖洗階段。

反沖洗氣水比提升到3∶1和4∶1的條件下，氣水聯合攪動濾層濾料，濾料間互相撞擊摩擦、浮動過程中被氣流和水流沖洗，截留的雜質和懸浮生長的微生物被沖出，濾層得到凈化，納污量得到最大化釋放，提高了氧的傳遞效率。在反沖洗氣水比處于3∶1和4∶1的條件下，對應運行至4和5 h時，NO3--N的去除率能夠分別達到49.5%和50.0%；對應運行至22和25 h時，NO3--N的去除率降低到46.1%和46.3%。此時獲得良好的NO3--N去除效果，具有運行周期長的優勢，能夠實現穩態的良好運行，降低反沖洗頻率。反沖洗氣水比提升到5∶1時，氣水聯合沖洗使得濾料互相撞擊過于劇烈，微生物迅速脫離濾料，微生物變薄，過量的溶解氧危害了厭氧微環境，反硝化過程受到遏制，不但恢復時間延長，并且NO3--N沒有良好的去除效率。

2.2.4反沖洗氣水比對SS去除效能的影響

如圖8所示，反沖洗氣水比對SS去除能力恢復情況影響較小，對BAF的運行時間影響較大。反沖洗氣水比為2∶1、3∶1、4∶1和5∶1的條件下，單周期SS出水平均濃度分別為4.2、3.9、4.1和3.4 mg·L-1。經過2～3 h即可恢復對SS的去除能力，相比于王偉等[23]的研究，恢復時間有所提前。反沖洗氣水比處于2∶1和3∶1的狀態下，運行3 h時，出水SS濃度即恢復正常，分別為3.5和3.3 mg·L-1，SS去除率在運行初期呈增加趨勢，是因為反沖洗氣水比太小，濾池反沖洗強度較弱，能夠在運行初段維持機械過濾能力的動態平衡，此段區間能夠實現對雜質的攔截過濾，出水SS濃度較低。但是由于反沖洗不夠充分，BAF納污量沒有全部釋放，會早早進入過納污量階段，產水中帶有雜質和懸浮物，對應運行至19和22 h，SS出水濃度即增大至6.7和5.1 mg·L-1。

圖8 反沖洗氣水比對SS去除能力的影響Fig.8 Influence of air-water ratio on SS removal capacity

反沖洗氣水比到4∶1時，運行2 h出水ρ(SS)即降到3.5 mg·L-1，去除效果良好。直至運行25 h時SS去除率才開始下降，出水ρ(SS)增高至6.5 mg·L-1。反沖洗氣水比增加到5∶1時，反沖洗過程中能夠觀察到濾料被氣流沖擊至接近水面，甚至有微量濾料隨水流沖出現象，造成濾料損失。而反沖洗氣水比為5∶1時，直至運行26 h時，SS去除率開始下降，相比于反沖洗氣水比4∶1時僅延長1 h，說明2種工況都能夠最大化釋放BAF的納污容量，延長運行時間，減少反洗頻率。

3 結論

基于火電廠的BAF處理城市中水工藝的研究結果顯示，氣水比顯著影響著污染物去除效率，最佳氣水比為4∶1，污染物的出水指標均能達到設計標準，此時能夠實現新老生物膜的更新迭代，氧的使用率和傳遞效用較好，保持了厭氧好氧微環境的穩定性，達到低能耗高效能的目的；反沖洗氣水比直接關系著反沖洗的結果，間接影響著BAF的運行效能，反沖洗氣水比為4∶1時可以最大化釋放BAF的納污容量，污染物去除效果佳且運行時間長；中水回用能夠降低企業成本，促進節水減排的發展，具備優異的環保意義和經濟效益。