环境科学与工程前沿课程论文

曝气生物滤池的研究现状摘要：曝气生物滤池是近年来国内外发展较快的一种废水好氧生物处理新工艺，该工艺具有处理能力强、处理效果好、不需二沉池等优点.综述了曝气生物滤池的工艺原理、特点及其在污水处理中应用的影响因素及发展。

关键词：曝气生物滤池；现状；发展我国是水资源紧缺国家，水的处理达标排放及回用技术正受到广泛关注和快速发展，曝气生物滤池(Biological Aerated Filter，BAF)以其独有的特点得到广泛的应用。

BAF具有占地面积小，投资少，氧传输效率高，抗冲击负荷能力强，出水水质好等优点[1，2]，而且还可用于微污染水源水预处理等[3]。

在城市污水、工业废水的有机物及SS去除，氨的硝化去除，反硝化脱氮，脱磷以及微污染源水的预处理中，都有很好的应用前景。

1. 曝气生物滤池工艺特点及机理曝气生物滤池(Biological Aerated Filter )简称BAF，是20 世纪80~90 年代在普通生物滤池的基础上，借鉴给水滤池工艺原理而开发的污水处理新工艺.曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式，也可看成是生物接触氧化法的一种特殊形式，即在生物反应器内装填高比表面积的颗粒填料，以提供微生物生长的载体，并根据进出水流向不同分为下向流或上向流，污水由上而下或由下而上流过滤料层，滤料层下部鼓风曝气提供生化反应所需的氧气，在填料表面附着生长的微生物的作用下，污水中的有机污染物得到净化，同时填料起到物理过滤作用[4，5]。

传统活性污泥法及其变形工艺诸如氧化沟工艺、AB法工艺、SBR法等工艺，虽然处理效果比较好，但普遍存在着占地面积大，基建投资高，处理负荷低，运行启动慢，容易发生污泥膨胀，不能承受冲击负荷等不足之处，同时工艺设备处理效能低，能耗高，不能满足高效低耗的要求.而曝气生物滤池已经从单一工艺逐渐发展成为系列综合工艺，具有去除SS、COD、BOD、AOX(有害物质)和脱氮除磷等作用[6，1]，其最大优点是集生物净化和物理过滤于一体，不需设置二沉池，在保证处理效果的前提下使处理工艺流程得到简化.此外，曝气生物滤池工艺具有容积负荷高，水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，能耗及运行成本低，出水水质好等特点[7，8]。

曝气生物滤池与其他生物处理工艺相比较具有如下优点：(1)较小的池容积和占地面积，曝气生物滤池的BOD5容积负荷可达到5~6kgBOD5/ (m3·d)，是常规活性污泥法或接触氧化法的6~12倍。

(2)高质量的出水水质.在BOD 5容积负荷为6kg BOD5/(m3·d)时，其出水SS和BOD5可保持在10mg/L以下，CODcr可保持在60mg/L以下[9，10]。

(3)处理工艺流程短.由于曝气生物滤池的物理截留作用，故不需设置二沉池和污泥回流泵房，处理流程简化，使占地面积进一步减小。

(4)基建费用、运行费用省.由于该技术流程短、池容积和占地面积小，使基建费用大大降低，同时，粒状填料使得充氧效率提高，供氧动力消耗下降，单位污水处理电耗低，运行费用较常规方法处理低1/5左右。

(5)易于操作管理.曝气生物滤池抗冲击负荷能力强，耐低温，无污泥膨胀之虞，可以避免微生物流失，保持较高的微生物量，因此，日常运行管理简单，处理效果稳定。

(6)处理设施可间歇启动运行.由于大量的微生物附着生长在粗糙多孔的粒状填料内部和表面，可以保持一定的微生物活性，因此，有利于系统的恢复启动。

(7)易挂膜，启动快曝气生物滤池在水温10~15℃时，2~3周即可完成挂膜过程。

(8)曝气生物滤池采用模块化结构，便于扩大生产规模的改、扩建。

(9)可建成封闭式厂房，减少臭气、噪声和对周围环境的影响。

曝气生物滤池在实际应用中也存在其固有的缺点：(1)曝气生物滤池的进水SS不能过高.如果进水SS较高，会使滤池在短时间内达到设计的水头损失，发生堵塞，这样就必然导致频繁的反冲洗，增加了运行费用与管理的不便。

(2)采用曝气生物滤池，其过滤水头损失大，故污水提升所需泵机的扬程高。

(3)采用曝气生物滤池工艺，在反冲洗操作过程中短时间内水力负荷较大，反冲洗出水直接回流到初沉池，初沉池会受到较大水力冲击负荷的影响.因此，从保证稳定运行角度来看，有必要设置一污泥缓冲池。

2.运行影响因素2. 1 滤料滤料是曝气生物滤池的核心，直接影响着曝气生物滤池的运行效能。

滤料应有较好的生物膜附着力，同时具有较大的比表面积，孔隙率大，截污能力强；为了提高滤料的水力学特性，一般要求生物滤料具有较规则的形状，以球形为佳，不规则滤料的水流阻力大，易堵塞，布气布水不易均匀，装填高度也受到限制。

滤料密度过大，会造成反冲洗时滤料悬浮困难或使反冲洗时能耗增加，从而使装填高度较低，运行周期短；密度过小，又不易于滤料在反应器中的运行工况，且容易引起跑料。

对于陶粒滤料[11]，其视密度通常在117g/ cm3左右，以陶粒作为滤料的曝气生物滤池的适宜滤料层高度为210~215m。

田文华等[12]以沸石滤料为例，研究了滤料粒径对曝气生物滤池硝化性能的影响。

研究表明，滤料粒径为2~3 mm的比4~5 mm的对氨氮的去除率高。

20℃时前者的硝化速率常数比后者高6311%，同一条件下的硝化强度也高3917%。

2. 2 气水比李善评等[13]认为：当停留时间一定时，随着气水比减小，曝气生物滤池对COD Cr和氨氮的去除率也减小；当气水比一定时，随着停留时间的缩短，反应器对COD Cr的去除率越低，而氨氮的去除率却越高。

2. 3 布水与布气曝气生物滤池的布水系统主要采用滤板和配水滤头的配水方式，此外国内也有小型的曝气生物滤池采用栅型承托板和穿孔布水管(管式大阻力配水方式)的配水形式。

要使曝气生物滤池发挥其最佳的处理能力，必须使进入滤池的污水能够均匀流过滤料层，尽量使滤料层的每一部分都能最大限度地参与生物反应。

如果布水系统设计不合理或安装达不到要求，使反冲洗时配水不均匀，将使BAF 处理能力下降；同时使水溶液主体的溶解氧和生物易降解的有机物与生物膜上微生物之间的传质效率下降，影响生物滤池对有机物的去除效率。

曝气生物滤池一般采用鼓风曝气形式，最简单的曝气装置可采用穿孔管。

现在国内外曝气生物滤池常用生物滤池专用曝气器作为滤池的空气扩散装置。

曝气系统的设计必须根据工艺计算所需供气量来进行。

保持曝气生物滤池中足够的溶解氧是维持BAF内生物膜高活性、对有机物和氨氮的高去除率的必备条件。

2.4 水力负荷Pujol等[1]研究了水力负荷对曝气生物滤池硝化或反硝化的影响。

结果表明，水力负荷的提高有利于增强曝气生物滤池的传质能力，只要在曝气量、温度、反冲洗等因素不受限制的条件下，尽可能大的水力负荷对曝气生物滤池的硝化或反硝化是一个积极的因素。

2.5 有机负荷江萍等[14]的研究表明，BAF 具有较高的有机负荷和耐冲击负荷能力，当进水COD质量浓度小于500mg/L，NH3-N质量浓度为10~20mg/ L，水力负荷016~212m3/(m2·h)，气水比为5：1~10：1 时，BOD容积负荷达6~10 kg/(m3·d)，NH3-N 容积负荷014~110 kg/(m3·d)。

2.6 温度温度是影响微生物正常代谢的重要因素之一，任何一种微生物都有一个最佳的生长温度，在其适宜的生长温度范围内，大多数微生物的活性是随着温度升高而增强的，随着温度的下降而减弱。

对于曝气生物滤池，低温对其活性影响较大。

王春荣等[15]以火山岩为载体的上向流曝气生物滤池，研究了限制供氧条件下，无有机碳源时反应器的硝化反硝化特性，结果表明，在10~30℃范围内，20℃为临界点，低于20℃时，硝化速率缓慢；高于20℃后，硝化速率加快.温度从20℃升高到30℃，硝化速率增长仅为10%，这一特性与悬浮生长反应器内温度对硝化速率的影响完全不同。

刘建广等[16]在研究温度对生物炭滤池处理高氨氮原水硝化的影响时发现，在较低温度下水温对BAF的生物活性影响较大。

在8 m/h 的滤速下，水温在2℃时，生物活性炭滤池对氨氮的去除能力相当于6℃以上时去除能力的50%左右；在较高水温时，水温变化对生物活性炭滤池的氨氮去除能力影响不大。

2.7 反冲洗曝气生物滤池运行一段时间后，由于生物膜的生长、悬浮物的截留使得水头损失增加。

但水头损失到一定程度后，就会发生穿透使出水水质降低，因此要进行反冲洗。

而反冲洗方式、反冲洗周期和反冲洗时间对曝气生物滤池的运行至关重要。

在反冲洗方式的选择上有单水反冲和气水联合反冲两种。

目前应用最多而效果又好是先单气冲、后气水同时冲、最后单水冲。

气水反冲洗过程中综合了空气剪切、摩擦和水流剪切、摩擦以及滤料颗粒间碰撞摩擦的多重作用[17]。

因此气水联合冲洗不仅节省用水量，而且效果比单水冲还要好。

传统的过滤周期一般以水头损失、出水水质或两者结合来判断，而张宝杰等[18]在研究最佳反冲洗周期提出新的做法，以瞬时产水率和周期产水率作为最佳反冲洗周期。

曝气生物滤池反冲后的恢复速度决定于滤料上活性生物膜层的存在与否，因此反冲时间的确定应以避免基层有机生物膜层的脱落为准[19]。

根据现有的曝气生物滤池运行的经验数据来看，气水反冲洗的气冲强度建议在60~90 m/h的范围内，水冲洗强度适中即可，而反冲洗时间建议在15~40min内。

3. 研究与应用前景曝气生物滤池发展到现在已取得很大的成果，许多学者对其也比较关注，但其除磷效果、反应机理、反应动力学、影响因素等方面还有待进一步的研究。

同时随着现代生物技术的发展，将会出现更加先进的膜分析技术，为曝气生物滤池提供更好的分析技术和检测方法。

曝气生物滤池具有占地面积小、出水水质高、投资省、运行灵活方便、易于管理、抗冲击能力强、对环境影响小等优点，将污水生物处理与深层过滤集于一身，充分体现了现代水处理工艺的特点。

曝气生物滤池可应用于受污染水源水预处理、污水的二级、深度处理和与其他工艺联合处理等。

通过研发高效性能的新型填料、加强预处理、高级氧化、工艺组合等，可以强化曝气生物滤池的性能以及对某些难降解污染物的去除能力，从而使曝气生物滤池在水处理上发挥更大的作用。

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