BAF 工藝在污水處理廠提標改造中的應用

張巖

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

1 引言

曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter，BAF）是20 世紀80 年代末在普通生物濾池的基礎上，結合給水濾池工藝開發發展起來的污水處理新技術。與普通活性污泥法相比，BAF 工藝具有有機負荷高、抗沖擊能力強、占地面積小、投資少等諸多優點。世界上首座曝氣生物濾池于1981 年在法國建成投產，大連市馬欄河污水處理廠是我國第一座采用BAF 工藝的城市污水處理廠[1]。目前，BAF 在國內城市污水處理中的應用相較于活性污泥法仍偏少，結合現有工程應用分析研究其工藝運行參數，并提出合理的工藝設計方法和運行控制，對于促進BAF 的應用很有必要。

本文結合東北地區某大型污水處理廠現有BAF 工藝的前期運行參數分析，比選其提標改造中BAF 工藝的設計方案，并對工藝優化設計中的關鍵參數進行了探討。

2 前期運行參數分析

2.1 工程概況

污水處理廠現狀總處理規模為4×105m3/d，分2 期建設，每期規模均為2×105m3/d。服務總面積為44km2，服務人口近80萬人，主要處理來自城市的生活污水和部分工業廢水。

污水處理主體工藝采用曝氣生物濾池（2 級BIOFOR）工藝，原設計出水水質執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中二級排放標準。廠內有濾池80 座，其中一期48 座，二期32 座，一期、二期濾池均分為2 級，串聯運行。一級濾池主要降解污水中的含碳污染物（C 池），二級濾池主要進行硝化作用（N 池），轉化污水中的氨氮為硝酸鹽氮。污水中TP 主要通過生物濾池及反沖洗后加藥沉淀去除。

2.2 主要運行參數

2.2.1 水質

污水處理廠進出水中主要污染物濃度如表1 所示，實際進水各項污染物濃度均較原設計值偏低，尤其是CODCr與BOD5，明顯低于原設計值的400mg/L 和175gm/L。出水水質雖能夠穩定達標，但執行排放標準偏低。

2.2.2 濾池負荷

污水處理廠內不同BAF 反應池的負荷參數如表2 所示。濾池的BOD5及NH3-N 容積負荷均在規范取值范圍內，但基本處于下限甚至更低。濾池濾速亦在2～10m/h 的常規參數范圍內。

表1 污水處理廠現有進出水污染物濃度

表2 BAF 原負荷參數

2.2.3 曝氣系統

污水處理廠內每格BAF 反應池均單獨設有曝氣風機，全廠共80 臺，氣水比如表2 所示。實際運行中存在過曝現象，濾池出水DO 偏高，其中一級C 池DO 最高達到6mg/L，二級N池DO 最高達到8mg/L。

2.2.4 反沖洗

濾池反沖洗采用氣水聯合反沖洗，水洗強度為5L/（m2·s），氣洗強度為10L/（m2·s）。單格反沖洗周期時長60min，分別為氣洗10min，氣水洗15min，水洗35min。污水處理廠濾池數量眾多，而反沖洗系統只有2 套，濾池在規定時間內無法保證及時沖洗，濾料內懸浮物增多，曾造成過濾料板結現象的發生。

3 BAF 提標改造方案

3.1 出水水質目標

根據地方環保部門要求，提標改造出水水質應執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》中的一級A 標準。

3.2 方案比選

污水處理廠總占地面積約6.65ha，廠區周邊地塊受限無法新征，提標改造工程需在原廠址內完成，用地極其緊張。為實現出水達標，需充分發掘現有處理工藝的潛力，并采用效率高、占地面積小的處理工藝。結合現有處理能力及處理目標，提標方案需在已有設施基礎上進一步脫氮、除磷和去除SS。污水處理總體方案仍考慮采用負荷高、用地少且與原廠工藝一致的BAF 工藝進行比選。

方案一：新建前置反硝化生物濾池（簡稱pre-DN 池），與現有BAF 組成2 段式BAF（pre-DN+C/N）。C/N 池出水部分回流至pre-DN 池進水端，完成反硝化過程脫氮。方案二：新建后置反硝化生物濾池（簡稱post-DN 池），與現有BAF 組成2 段式BAF（C/N+post-DN）。C/N 池出水直接進入post-DN 池，在其中完成脫氮。方案三：構建3 段式BAF（pre-DN+C/N+post-DN）。改造現有BAF 的一級濾池為pre-DN 池，保留二級濾池并新建一座BAF 作為C/N 池并聯運行，另新建一座post-DN池，形成3 段式BAF 工藝。C/N 池出水部分回流至pre-DN 池進水端，完成大部分脫氮過程，post-DN 池則作為出水達標的保障措施。

通過分析，3 個方案各有利弊：方案一能充分利用進水中的碳源，缺點是進水系統改造較大，進水泵揚程需提高，硝化液回流比大（需達200%），總體實施難度大，運行成本高；方案二對污水廠影響較小，缺點是需投加大量碳源保證post-DN池的脫氮效率，藥耗高，對加藥精度要求較高，存在出水BOD5不達標的風險；方案三能充分利用進水中的碳源脫氮，且硝化液回流比小（取100%），post-DN 的設置能保障出水TN 達標，缺點是新建構筑物較多，施工難度大，對污水廠運行影響較大。綜上分析，3 段式BAF 方案可根據進水水質的變化靈活調整運行方式，運行成本適中，出水達標保證率最高，推薦采用。

3.3 推薦方案

3.3.1 基礎數據

進水水量維持現狀，即4×105m3/d，總變化系數采用1.05。進水水質按實測值，取95%的保證率對應的實測進水濃度，提標后出水執行一級A 排放標準，詳見表3。

表3 設計進出水水質主要指標一覽表mg/L

注：括號外數值為水溫＞12℃時的控制指標，括號內數值為水溫≤12℃時的控制指標。

3.3.2 主要設計參數選取1）負荷

負荷是BAF 工藝設計中最關鍵的參數，可采用有機容積負荷和水力負荷（或濾速）進行設計。

在正常溫度范圍里，BAF 可以實現很高的硝化效率，硝化負荷達到1.4kg NH3-N/（m3·d）。但硝化能力同進水中的BOD5濃度成反比，BOD5較高時會抑制硝化反應[2]，在設計時應注意進水BOD5濃度不宜過大。本工程C/N 池設計進水BOD5按60mg/L，碳化負荷控制在0.7kgBODCr/（m3·d），硝化負荷按0.4 kg NH3-N/（m3·d）。

反硝化負荷在以甲醇為碳源的條件下，可達4kg NO3--N/（m3·d）以上[2]。但過大的反硝化負荷會造成濾池面積過小，濾速過大，不利濾池正常運行。本次post-DN 以濾速（按9m/h）作為主要設計參數，復核反硝化容積負荷為0.62kg NO3--N/（m3·d）滿足要求。

pre-DN 池的反硝化效果影響因素較多，BOD5含量、硝化液回流比等均顯著影響工藝運行效率。有研究表明，pre-DN池的反硝化率與BOD5/TN 成正比，理想狀態下，一般城市污水中BOD5/TN 約為5 時，TN 去除率為50%[3]。實際運行中，預處理及硝化液回流中的DO 都會消耗一部分BOD5，削弱反硝化能力。在保證濾速的同時，pre-DN 的反硝化負荷應取低值，本工程按0.7 kg NO3--N/（m3·d）。

國內外研究表明，水力負荷對SS 和BOD5的影響并不明顯，在其他因素（如溫度、氣水比、反沖洗強度等）確定的條件下，應盡可能加大水力負荷，以提高BAF 的處理能力，但對硝化和反硝化的影響，目前尚存在不同的研究結果[4]。根據前期運行經驗，本次提標中C/N 池濾速約5m/h，DN 池約9m/h，具體取值如表4 所示。

表4 提標改造后BAF 負荷參數

2）氣水比

通常來說，用于硝化的N 池或C/N 池需要較高的氣水比，而僅需實現碳化的C 池可采用較低的比值，一般需硝化的BAF 適宜氣水比為（3～7）∶1[5]。本工程位于東北地區，冬季溫度最低可至11℃，適當增加DO 可彌補低溫影響。本次C/N 池氣水比取高值按（5～6）∶1，具體見表4。

3）反沖洗

氣水聯合反沖洗是BAF 普遍采用的反沖洗方式，其中氣和水反沖洗強度的控制極為重要。本次根據前期運行經驗，保持水沖洗強度為5L/（m2·d），適當提高空氣沖洗強度為20L/（m2·d）。為保證BAF 反沖洗周期和頻率適宜，進水SS 主要通過前端高密度沉淀池混凝加藥強化沉淀去除，控制在60mg/L以下。本次新建C/N 池反洗周期24h，新建post-DN 為36h。

4）除磷

在研究BAF 本身的生物除磷能力時，一般認為是生物的同化、吸附及生物積累在起作用，不同水力停留時間、BOD5/TP、反沖洗強度等均會對其除磷能力存在影響，但整體來說同步脫氮除磷機理尚需深入研究。本次提標中三段BAF 磷的生物去除按1.5mg/L，其余除磷均采用化學沉淀輔助除磷，加藥點設置于前端保留高密度沉淀池以及后端新建加砂沉淀池。

3.3.3 工藝流程

結合BAF 系統主要運行參數的核算，本次提標改造對污水處理廠水量進行重新分配，以統籌協調現有與新建濾池的均衡處理能力。預處理出水進入三段式BAF 進行處理，而后由加砂沉淀池沉淀處理，經紫外線消毒后外排入河。工藝流程如圖1 所示。

圖1 污水處理廠提標改造工藝流程圖

4 結語

曝氣生物濾池作為一種新的污水處理工藝，具有處理效果好、占地小、投資少等優點，適合在污水處理廠的提標改造中加以應用。合理的負荷參數選取是決定BAF 處理效果好壞的關鍵，而現有BAF 運行經驗參數的歸納總結，可為后期建設工程提供指導。