改良型BFBR工藝的開發及應用研究

＊楊國寧 范巍 謝長福 丁耀華 馮朝娜 尚靜藝

（1.中國水電基礎局有限公司 天津 301700 2.河南省愛可沃德生態科技有限公司 河南 450199）

隨著我國經濟的快速發展，地表水域的環境質量壓力很大，對人們的生產和生活甚至健康帶來了不利的影響[1]。與此同時，傳統的污水處理工藝都存在不同程度的基建費用高、能耗大、運行管理困難等缺陷[2]。BFBR（Bio-Film Biological-Reactor生物膜生物反應器）是近年來我國引進的一種新的水處理工藝，核心在于生化處理+植生修復，通過人為干預的方式提高微生物活性和植生修復效率，使水質高效凈化[3]。

傳統的BFBR處理技術主要應用于生活污水、工業有機廢水的治理，是由6～7級連續串聯的生化反應器構成。BFBR工藝反應器是全固定生物膜反應器，具備固定生物膜全部優點。在生化反應器內，通過布設曝氣系統、設置仿生生物膜填料、種植挺水植物、安裝回流泵及攪拌機等工程技術措施，為微生物的繁殖創造有利的環境，加速微生物的新陳代謝。利用反應器內大量的微生物，從而氧化分解污水中的各種有機污染物，并將其轉化為穩定的無機物，從而實現有機污染物去除的最終目標。同時通過種植挺水植物，可利用植物的生長去除一些有機物，又可利用植物的根系構建生物載體，從而減少剩余污泥量和去除污水處理時產生的臭味，以達到改善景觀環境的目的。BFBR處理技術有以下特點：主要技術特點包括：（1）能增強硝化反硝化效果顯著；（2）提高生物降解性能、出水水質可全面達標；（3）內設除臭系統，可凈化環境；（4）生態環境適宜，運行高效穩定；（5）外排剩余污泥少；（6）工投資合理，占地面積較小；（7）自動化程度高，可實現遠程監控和指導。

微納米氣泡具有直徑小、在水中停留時間長、比表面積大、高Zeta電位、強氧化性、高傳質效率、生物活性強等特點[4]，從而可以提高臭氧在水中的傳遞效率，增強臭氧的氧化能力。曝氣是好氧生物處理中的關鍵部分，其作用是可以向反應池內充加氧氣從而向微生物的生化作用提供溶解氧[5]。微納米氣泡一方面可以提升水體的溶解氧，另一方面可以對微生物進行一定的調節，從而更有利于提升水質。

本文在BFBR工藝的基礎上，利用自行研發和設計的微納米氣泡發生器代替傳統的曝氣裝置，旨在更好地促進挺水植物生長，使其在污水處理過程中發揮更大作用，同時提高微生物的活性和處理效率。此改良工藝可用于生活污水的深度處理、低毒性滲濾液及暗涵區等水體的高效處理。基于基本物理、化學和生物過程，包括反應化學計量學、生物膜動力學和順序電子受體使用，建立了BFBR數值模型，并與全尺寸處理結果進行了評估。

1.材料與方法

(1)實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。采用鋼化玻璃制作BFBR水處理裝置，反應區有效高度50cm，長80cm，寬50cm，有效容積200L。

圖1 實驗裝置

將生活污水注入實驗裝置，將已經掛膜完成的生物膜放入裝置內，挺水植物置于裝置上方，利用微納米氣泡發生器和純凈空氣泵分別曝氣，進行污染物去除實驗。

(2)實驗儀器與分析方法

YL-20-0S型微納米氣泡發生器；SHC型空氣泵；KDB-III型微波消解儀；DZF-300型烘箱；UV-1750型紫外-可見分光光度計；FA-2004N型分析天平。

檢測CODcr、總氮和總磷時，均使用微波消解法，檢測氨氮時使用納氏試劑分光光度法。

(3)實驗方法

實驗所用到的生活污水取自開封市黃河水利職業技術學院污水處理站（N34°49′E114°18′）。在實驗組中，利用微納米氣泡發生器進行曝氣，每天三次，每次曝氣2h，每兩次之間間隔2h，每天測量水體的CODcr、總氮、總磷和氨氮。在對照組中，使用純凈空氣泵進行曝氣，曝氣時間與實驗組同步進行，同樣測量CODcr、氨氮、總氮和總磷等污染物指標。本實驗周期為5d，測定實驗組和對照組中水樣CODcr、氨氮、總氮和總磷的濃度變化，分析改良型BFBR工藝對生活污水中污染物的去除效果。

2.結果與討論

(1)CODcr去除效果分析

由圖2可見，使用純凈空氣泵曝氣下，對照組實驗裝置中污水的CODcr在5d內由327mg/L下降到53.8mg/L，去除率為83.75%；實驗組實驗裝置中CODcr在5d內由327mg/L下降到29.1mg/L，去除率為91.12%，改良后的BFBR工藝將CODcr的去除率提升了7.55個百分點。可以看出，微納米氣泡曝氣下CODcr的去除效果要優于常規曝氣，這是因為微納米氣泡在污水中的停留時間比普通氣泡的停留時間長，更容易將水中的污染物截留輸送到生物膜和挺水植物的根系，給生物膜上的微生物和挺水植物提供充足的營養，促進了污染物的去除[6]。

圖2 實驗組和對照組CODcr的去除

(2)氨氮去除效果分析

由圖3可見，使用純凈空氣泵曝氣下，對照組實驗裝置中污水的氨氮在5d內由25.3mg/L下降到8.75mg/L，去除率為69.40%；實驗組實驗裝置中氨氮在5d內由25.3mg/L下降到2.76mg/L，去除率為89.10%，改良后的BFBR工藝將氨氮的去除率提升了19.7個百分點。可以看出，微納米氣泡曝氣下氨氮的去除效果要優于常規曝氣，是因為微納米曝氣能顯著提升反應器內的溶解氧濃度，促進生物膜外層的硝化細菌將氨氮轉化為硝態氮和亞硝態氮，而生物膜內層的反硝化細菌將硝態氮和亞硝態氮轉化為氮氣溢出[7]。

圖3 實驗組和對照組氨氮的去除

(3)總氮去除效果分析

由圖4可見，使用純凈空氣泵曝氣下，對照組實驗裝置中污水的總氮在5d內由30.6mg/L下降到8.69mg/L，去除率為71.58%；實驗組實驗裝置中總氮在5d內由30.6mg/L下降到5.44mg/L，去除率為82.21%，改良后的BFBR工藝將總氮的去除率提升了10.63個百分點。可以看出，微納米氣泡曝氣下總氮的去除效果要優于常規曝氣，說明微納米氣泡曝氣時生物脫氮的能力更強，硝化反應和反硝化反應更加徹底[8]，因此出水總氮的濃度更低。在微納米氣泡曝氣的作用下，總氮的去除率比氨氮的去除率低6.89個百分點，其原因在于BFBR工藝是一個沒有設置回流的內循環系統，導致總氮的去除率比氨氮的去除率低[9]，但總體上總氮的去除率較為穩定，說明裝置內生物膜上的微生物生長狀況良好。

圖4 實驗組和對照組總氮的去除

(4)總磷去除效果分析

由圖5可見，使用純凈空氣泵曝氣下，對照組實驗裝置中污水的總磷在5d內由7.45mg/L下降到2.23mg/L，去除率為70.07%；實驗組實驗裝置中總磷在5d內由7.45mg/L下降到1.03mg/L，去除率為86.17%，改良后的BFBR工藝將總磷的去除率提升了16.1個百分點。可以看出，微納米氣泡曝氣下總磷的去除效果要優于常規曝氣，這是因為微納米氣泡在污水中的停留時間比普通氣泡的停留時間長，使水中的溶解氧濃度顯著升高，促進聚磷菌的生長[10]，使其在好氧條件下能更多吸收污水中的磷。

圖5 實驗組和對照組總氮的去除

3.結論

（1）BFBR工藝在常規曝氣的條件下，對CODcr、氨氮、總氮和總磷的去除率分別為83.57%、69.40%、71.58%、70.07%；微納米氣泡曝氣的條件下，CODcr、氨氮、總氮和總磷的去除率分別為91.12%、89.10%、82.21%、86.17%，可見微納米氣泡曝氣有助于提升BFBR工藝的水處理效果。

（2）由于自制的實驗裝置模擬實驗條件與實際工程應用不可避免地存在差異，曝氣時間、處理水量等方面還存在局限性，所以在實際操作中，還應根據實際條件進行調整，以達到最佳的處理效果。

4.展望

改良的BFBR生態處理技術用于處理生活污水，處理效果好，出水水質達到GB 3838-2002地表Ⅲ類水的要求，采用改良的BFBR立體生態技術，造型美觀，內置生物除臭裝置可有效消除惡臭二次污染，極大地改善了污水出水水質。

近年來，BFBR生態處理技術在脫氮、去除有機物、除臭方面具有非常明顯的優勢，如硝化反硝化效果好、處理效率高、冬季保溫效果良好、占地面積較小、投資成本低、使用壽命長，因而在水環境治理方面的應用受到人們的廣泛關注，但目前尚有許多問題有待研究解決。BFBR裝置在結構構造、運行能耗、穩定性方面還有待加強。探究新型BFBR裝置已逐漸成為水處理研究的熱點，因地制宜選擇合適的技術路線并探明對于污染水體的去除機理，進而為國內水處理提供新方向。