曝氣生物濾池在基坑排水處理中應用

張明浩 周小華 馮春苗 謝 昕

（1 南京市建鄴區水務局 江蘇南京 210000 2 南京市水利規劃設計院股份有限公司 江蘇南京 210000）

引言

一般來說，施工現場經常性基坑排水包括三部分，降水、地下水滲水和部分施工用水（混凝土養護和沖洗廢水）[1]。其中降水和施工用水為偶發性且水量較小，基本可忽略不計，基坑排水主要以地下水滲水為主[2]，單個工地每日排水量在幾百至幾千噸左右。地下水滲水的水質和當地地下水污染有直接關系，已有大量研究表明，目前我國各流域地下水污染狀況不容樂觀，甚至有些流域存在超過80%的地下水污染問題[3]。地下水污染導致的基坑排水水質超標對工地周邊河道水體的影響已不可忽視。

南京市建鄴區南部目前正面臨大規模開發與施工，在2019 年底摸排中，涉及基坑排水工地共22 處，排水量約12 萬t/d～16 萬t/d。約60%工地基坑排水出現水質超標，氨氮濃度在11～22.4mg/L，遠超當地水體執行的《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅴ類水質要求。大規模的劣V 類基坑排水進入內河，已造成了建鄴區部分水系氨氮指標惡化，除了對河道采取應急處理措施，從源頭降低進入河道污染物總量才是解決基坑排水污染問題的關鍵。

1 項目概況

本項目所在地為建鄴區某建筑施工現場，目前施工期間工地基坑廢水包括基坑滲水、施工排水兩部分，基坑滲水為持續性排水，水量在120～150m3/h 之間，水質與地下水水質基本一致，濁度小于10，一般情況下排往雨水管網或者就地排河。另一部分施工排水包括混凝土澆筑、養護排水，該類排水為偶發性，濁度高SS可達10000mg/L 以上，一般經混凝沉淀去除濁度后排放。現該施工現場已針對高濁度排水修建沉淀池、清水池，將施工廢水經沉淀處理后和基坑滲水合并排放市政雨水管網。

2019 年7 月，建鄴區水務局委托檢測單位對該工地基坑排水進行檢測，基坑排水主要污染物質氨氮濃度在8.0～11.2mg/L 左右，嚴重超出該區地表水水質排放限值2mg/L，亟需在排放前進行妥善處理。

2 處理主體工藝的選擇

此前，基坑排水多采用簡單沉淀去除懸浮物，但是水中存在的氨氮等污染物質仍然需要進一步強化處理。基坑排水具有水量大，持續排放時間長等特點。該類廢水若輸送至污水廠不僅會造成污水廠負荷加重，還會降低污水廠進水有機物濃度，影響污水廠脫氮效果。因此，選擇合適的分散式深度污水處理設施是進行基坑排水污染防治的關鍵措施。

建鄴區對排入城市內河的排口，要求氨氮執行《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）中Ⅴ類的2mg/L，適合采用強化工藝進行處理。目前常見的曝氣生物濾池（BAF）、接觸氧化法和MBR。

MBR 采用中空纖維膜代替二沉池進行泥水分離，實現水力停留時間和污泥泥齡的分離。MBR 污泥負荷高，泥齡長，硝化效果好，污泥產量低，占地面積小。楊琦等利用MBR 處理城市污水廠一級出水，出水COD 和氨氮分別穩定在13mg/L 和0.3mg/L 左右，達到城市水水質標準。MBR 工藝無需后段泥水分離，出水濁度可穩定在1 以下[4]。但是對于基坑排水處理，間歇式運行模式并不利于MBR 污泥存活，且污泥培養周期較長。

接觸氧化法是一種介于活性污泥法與生物濾池之間的生物處理技術。具有耐沖擊負荷強，操作簡單，出水水質好，污泥量少等優點。該工藝污泥濃度高，運行維護簡單，方便間隙性運行，目前在分散式污水治理中已有廣泛使用案例[5]。有項目利用接觸氧化法對污水廠二級出水進行深度處理，結果表明，在水力停留時間為2.5h 的條件下，出水氨氮濃度始終維持在2mg/L 以下，運行效果穩定，耐沖擊負荷好[5]。但是接觸氧化工藝后續需額外增加泥水分離裝置，增加了占地面積。

BAF 也稱為淹沒式曝氣生物濾池，是集生物降解、固液分離于一體的生物膜處理設施。耐水量變化負荷強，無需后續沉淀處理工藝節約占地空間，尤其適用于本項目主要實施地點在工地，氮氨出水要求高的情況。其工藝原理為，利用濾池內部填料上生長的生物膜，結合濾池底部曝氣，對污水中物質進行降解和截流。齊兵強BAF 在某市政水廠中運行結果，表明，作為深度處理單元BAF 出水SS、COD 和氨氮分別達到6mg/L、30mg/L 和0.1mg/L，出水水質達到生活雜用水水質標準[6]。

作為基坑排水處理設施，主要實施地位于建設工地，對處理工藝的要求著重于出水水質穩定、氨氮濃度低、占地面積盡量小，運行維護簡單，且應少產生或者盡量不產生污泥。此外，本項目原水屬于微污染水源，BAF 作為典型的深度處理工藝，在河道、水源地等微污染水處理領域有較多成熟案例[7][8]，因此選擇BAF 基坑水處理脫氮工藝。

2.1 BAF設計

本項目為基坑排水處理項目，基坑排水持續時間為一年左右，為了裝置重復利用，本次BAF 采用一體化鋼制設備，考慮到設備運輸規格要求，直徑為3.2m。

目前BAF 常用的填料為顆粒填粒，包括石英砂、陶粒和沸石等。BAF 填料應具有微生物易掛膜、強度高不易碎，不易堵塞等特點。雖然顆粒填料價格低，填充密度高，但是易堵塞，要求頻繁且高強度反沖洗，不利于本項目在施工現場運行。目前，國內開發出的新型纖維填料，雖然一次性投資成本高于顆粒填料，但是其具有掛膜快、反沖洗要求低、生物量大且可重復利用等優點[9][10]。

有研究利用以新型纖維為填料的BAF 對微污染河水進行處理，結果表明，在水力停留時間（HRT）為1.5h 時，其出水氨氮去除率可穩定在0.5mg/L 左右，反洗周期7～15d。且由于纖維填料空隙率高，微生物與污水充分接觸，系統內呈現完全混和態，因此可適當降低填料高度，減少BAF 總體高度[9]。綜上，纖維填料BAF出水效果穩定，反應器啟動快，總高度低，反沖洗周期長，適用于微污染水的應急強化處理。

參照《曝氣生物濾池工程技術規程》 和纖維填料BAF 相關工程經驗，本項目BAF 結構示意圖和主要設計參數見圖1 和表1。

圖1 BAF結構示意圖

表1 BAF主要設計參數

考慮現場平均水量為120～150m3/h，設置4 臺一體化設備，BAF 填料填充率為15%，上向流式運行，采用底部微孔擴散裝置進行連續曝氣。

2.2 BAF設備啟動

BAF 設備正常運行的前提是填料表層形成質量良好且穩定的生物膜，保證設備內足夠的微生物量和必需的生物種群。本項目BAF 采用連續流培訓進行掛膜啟動，并監控出水氨氮濃度。設備掛膜啟動五天后，可從視鏡中看出填料中逐漸開始出現肉眼可見褐色附著物，此時出水氨氮已降至3mg/L 左右。設備掛膜十天左右，填料中褐色附著物加厚，且出水降至1.5mg/L 左右，且后續階段出水水質始終穩定在1.0～1.5mg/L 左右，表明BAF 設備啟動成功。

2.3 BAF設備運行

BAF 曝氣量是設備運行的重要控制因素，本工程主要功能是氮氨硝化，需氧量計算按照公式1 和公式2 公式，具體過程不再贅述。凱氏氮進出水差值ΔCTKN 取15，系統氧利用率EA 取10%，BAF 設計出水氧溶度DO 為4mg/L，則標況下總供氣量為110m3/h。參照以往BAF 相關工程經驗，考察不同氣水比條件下出水氨氮濃方式。當氣水比大于1.5 時，出水水質穩定在1.0mg/L 左右。因此，設計總供氣量為3m3/min。現場配置兩臺鼓風機，單臺風量為1.5m3/min，作為臨時性應急工程，不設置備用風機。

式中：

Q—設計污水流量（m3/d）；

△CTKN—進出硝化濾池凱氏氮濃度差值，mg/L；

Csm（20）—20℃時，混合液溶解氧飽和濃度的平均值，mg/L；

T—設計溫度，℃；

α—氧的水質轉移系數；

β—飽和溶解氧的修正系數；

ρ—修正系數；

Cs（T）—設計溫度為T℃時，清水中飽和溶解氧濃度值，mg/L；

C1—濾池出水溶解氧濃度，mg/L。

BAF 運行一段時間后，由于生物膜增殖加厚以及截留懸浮物增多等原因，使得濾層阻力增大，影響運行，因此需要進行氣水反沖洗。有研究表明，在BAF 反洗后一段時間內其出水水質不佳，這可能是由于反沖洗對附著的硝化菌等微生物有不利影響。因此，在濾池不發生氣阻等現象的基礎上，適當延長反沖洗周期，調整合理的反洗強度。本項目BAF 主要功能為氨氮硝化，硝化菌生物膜增殖慢，且較薄，因此可適當延長反沖洗周期至10～15d 左右。參照相關工程經驗，氣洗強度為45m3/（m2·h），水洗強度為15m3/（m2·h）。設置反洗風機風量為6m3/min，反洗泵水量為120m3/h。

目前該工地BAF 設施已穩定運行四個月，進水氨氮在8～14mg/L 左右，出水氨氮不高于3mg/L，反沖洗周期穩定在7d 左右，滿足基坑水處理要求。

2.4 基坑排水處理技術經濟評估

基坑排水作為臨時性應急工程，成本由施工方承擔，施工方對水處理設備投資和運行費用的承受能力有限。目前采取的形式是由施工方向第三方環保公司購買服務，內容包括設備設施的租賃和購買、運營期的電費、水費和人工費，詳見表2。由表2 可知，在本項目日處理基坑排水150m3的條件下，單日處理成本為0.15 萬元，一般來說基坑維護期為一年，總處理成本為54.75 萬元。

表2 基坑排水處理成本

結語

（1）當前，多數城市河道要求消除劣Ⅴ類，在地下水污染區域，大體量的基坑排水已嚴重影響城市河道水質提標。因此，為了消除基坑養護期間，基坑排水對地表水體的影響，應采取合適的深度處理設施對其處理達標排放。建鄴區在采取應急措施對全區基坑排水進行處理后，其河道斷面監控水質特別是氨氮指標有了明顯提升，為南京市及其它地區提供有效經驗。

（2）基坑排水處理項目為臨時性應急工程，選擇BAF 作為除理工藝，具有啟動快、占地面積小、工藝流程短和出水效果優質穩定等特點。其中，本項目采用彈性纖維填料，其空隙率高、反洗周期長、掛膜時間短等突出特點，對于氨氮硝化有一定的優勢。

（3）采用一體化BAF 作為基坑排水處理工藝，項目一次性投資和運營成本在0.41 元/t，為其它類似項目提供運營估算依據。

（4）由于施工現場情況復雜，基坑排水可能存在濁度超標現象，短期內造成BAF 填料堵塞，影響運行。建議可在BAF 進水前端加裝大孔徑自清洗過濾器，進一步延長BAF 反沖洗周期，維持其運行穩定。