張巖

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

1 引言

曝氣生物濾池（Biological Aerated Filter，BAF）是20 世紀(jì)80 年代末在普通生物濾池的基礎(chǔ)上，結(jié)合給水濾池工藝開發(fā)發(fā)展起來的污水處理新技術(shù)。與普通活性污泥法相比，BAF 工藝具有有機(jī)負(fù)荷高、抗沖擊能力強(qiáng)、占地面積小、投資少等諸多優(yōu)點(diǎn)。世界上首座曝氣生物濾池于1981 年在法國建成投產(chǎn)，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(nèi)城市污水處理中的應(yīng)用相較于活性污泥法仍偏少，結(jié)合現(xiàn)有工程應(yīng)用分析研究其工藝運(yùn)行參數(shù)，并提出合理的工藝設(shè)計(jì)方法和運(yùn)行控制，對(duì)于促進(jìn)BAF 的應(yīng)用很有必要。

本文結(jié)合東北地區(qū)某大型污水處理廠現(xiàn)有BAF 工藝的前期運(yùn)行參數(shù)分析，比選其提標(biāo)改造中BAF 工藝的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了探討。

2 前期運(yùn)行參數(shù)分析

2.1 工程概況

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

污水處理主體工藝采用曝氣生物濾池（2 級(jí)BIOFOR）工藝，原設(shè)計(jì)出水水質(zhì)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。廠內(nèi)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(jí)，串聯(lián)運(yùn)行。一級(jí)濾池主要降解污水中的含碳污染物（C 池），二級(jí)濾池主要進(jìn)行硝化作用（N 池），轉(zhuǎn)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(yùn)行參數(shù)

2.2.1 水質(zhì)

污水處理廠進(jìn)出水中主要污染物濃度如表1 所示，實(shí)際進(jìn)水各項(xiàng)污染物濃度均較原設(shè)計(jì)值偏低，尤其是CODCr與BOD5，明顯低于原設(shè)計(jì)值的400mg/L 和175gm/L。出水水質(zhì)雖能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，但執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)偏低。

2.2.2 濾池負(fù)荷

污水處理廠內(nèi)不同BAF 反應(yīng)池的負(fù)荷參數(shù)如表2 所示。濾池的BOD5及NH3-N 容積負(fù)荷均在規(guī)范取值范圍內(nèi)，但基本處于下限甚至更低。濾池濾速亦在2～10m/h 的常規(guī)參數(shù)范圍內(nèi)。

表1 污水處理廠現(xiàn)有進(jìn)出水污染物濃度

表2 BAF 原負(fù)荷參數(shù)

2.2.3 曝氣系統(tǒng)

污水處理廠內(nèi)每格BAF 反應(yīng)池均單獨(dú)設(shè)有曝氣風(fēng)機(jī)，全廠共80 臺(tái)，氣水比如表2 所示。實(shí)際運(yùn)行中存在過曝現(xiàn)象，濾池出水DO 偏高，其中一級(jí)C 池DO 最高達(dá)到6mg/L，二級(jí)N池DO 最高達(dá)到8mg/L。

2.2.4 反沖洗

濾池反沖洗采用氣水聯(lián)合反沖洗，水洗強(qiáng)度為5L/（m2·s），氣洗強(qiáng)度為10L/（m2·s）。單格反沖洗周期時(shí)長60min，分別為氣洗10min，氣水洗15min，水洗35min。污水處理廠濾池?cái)?shù)量眾多，而反沖洗系統(tǒng)只有2 套，濾池在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無法保證及時(shí)沖洗，濾料內(nèi)懸浮物增多，曾造成過濾料板結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生。

3 BAF 提標(biāo)改造方案

3.1 出水水質(zhì)目標(biāo)

根據(jù)地方環(huán)保部門要求，提標(biāo)改造出水水質(zhì)應(yīng)執(zhí)行GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 方案比選

污水處理廠總占地面積約6.65ha，廠區(qū)周邊地塊受限無法新征，提標(biāo)改造工程需在原廠址內(nèi)完成，用地極其緊張。為實(shí)現(xiàn)出水達(dá)標(biāo)，需充分發(fā)掘現(xiàn)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(jié)合現(xiàn)有處理能力及處理目標(biāo)，提標(biāo)方案需在已有設(shè)施基礎(chǔ)上進(jìn)一步脫氮、除磷和去除SS。污水處理總體方案仍考慮采用負(fù)荷高、用地少且與原廠工藝一致的BAF 工藝進(jìn)行比選。

方案一：新建前置反硝化生物濾池（簡稱pre-DN 池），與現(xiàn)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(jìn)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(xiàn)有BAF 組成2 段式BAF（C/N+post-DN）。C/N 池出水直接進(jìn)入post-DN 池，在其中完成脫氮。方案三：構(gòu)建3 段式BAF（pre-DN+C/N+post-DN）。改造現(xiàn)有BAF 的一級(jí)濾池為pre-DN 池，保留二級(jí)濾池并新建一座BAF 作為C/N 池并聯(lián)運(yùn)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(jìn)水端，完成大部分脫氮過程，post-DN 池則作為出水達(dá)標(biāo)的保障措施。

通過分析，3 個(gè)方案各有利弊：方案一能充分利用進(jìn)水中的碳源，缺點(diǎn)是進(jìn)水系統(tǒng)改造較大，進(jìn)水泵揚(yáng)程需提高，硝化液回流比大（需達(dá)200%），總體實(shí)施難度大，運(yùn)行成本高；方案二對(duì)污水廠影響較小，缺點(diǎn)是需投加大量碳源保證post-DN池的脫氮效率，藥耗高，對(duì)加藥精度要求較高，存在出水BOD5不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)；方案三能充分利用進(jìn)水中的碳源脫氮，且硝化液回流比?。ㄈ?00%），post-DN 的設(shè)置能保障出水TN 達(dá)標(biāo)，缺點(diǎn)是新建構(gòu)筑物較多，施工難度大，對(duì)污水廠運(yùn)行影響較大。綜上分析，3 段式BAF 方案可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的變化靈活調(diào)整運(yùn)行方式，運(yùn)行成本適中，出水達(dá)標(biāo)保證率最高，推薦采用。

3.3 推薦方案

3.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

進(jìn)水水量維持現(xiàn)狀，即4×105m3/d，總變化系數(shù)采用1.05。進(jìn)水水質(zhì)按實(shí)測(cè)值，取95%的保證率對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)進(jìn)水濃度，提標(biāo)后出水執(zhí)行一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)，詳見表3。

表3 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)主要指標(biāo)一覽表mg/L

注：括號(hào)外數(shù)值為水溫＞12℃時(shí)的控制指標(biāo)，括號(hào)內(nèi)數(shù)值為水溫≤12℃時(shí)的控制指標(biāo)。

3.3.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)選取1）負(fù)荷

負(fù)荷是BAF 工藝設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的參數(shù)，可采用有機(jī)容積負(fù)荷和水力負(fù)荷（或?yàn)V速）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在正常溫度范圍里，BAF 可以實(shí)現(xiàn)很高的硝化效率，硝化負(fù)荷達(dá)到1.4kg NH3-N/（m3·d）。但硝化能力同進(jìn)水中的BOD5濃度成反比，BOD5較高時(shí)會(huì)抑制硝化反應(yīng)[2]，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意進(jìn)水BOD5濃度不宜過大。本工程C/N 池設(shè)計(jì)進(jìn)水BOD5按60mg/L，碳化負(fù)荷控制在0.7kgBODCr/（m3·d），硝化負(fù)荷按0.4 kg NH3-N/（m3·d）。

反硝化負(fù)荷在以甲醇為碳源的條件下，可達(dá)4kg NO3--N/（m3·d）以上[2]。但過大的反硝化負(fù)荷會(huì)造成濾池面積過小，濾速過大，不利濾池正常運(yùn)行。本次post-DN 以濾速（按9m/h）作為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，復(fù)核反硝化容積負(fù)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(yùn)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(tài)下，一般城市污水中BOD5/TN 約為5 時(shí)，TN 去除率為50%[3]。實(shí)際運(yùn)行中，預(yù)處理及硝化液回流中的DO 都會(huì)消耗一部分BOD5，削弱反硝化能力。在保證濾速的同時(shí)，pre-DN 的反硝化負(fù)荷應(yīng)取低值，本工程按0.7 kg NO3--N/（m3·d）。

國內(nèi)外研究表明，水力負(fù)荷對(duì)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(qiáng)度等）確定的條件下，應(yīng)盡可能加大水力負(fù)荷，以提高BAF 的處理能力，但對(duì)硝化和反硝化的影響，目前尚存在不同的研究結(jié)果[4]。根據(jù)前期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，本次提標(biāo)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(biāo)改造后BAF 負(fù)荷參數(shù)

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(shí)現(xiàn)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(qū)，冬季溫度最低可至11℃，適當(dāng)增加DO 可彌補(bǔ)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(lián)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(qiáng)度的控制極為重要。本次根據(jù)前期運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，保持水沖洗強(qiáng)度為5L/（m2·d），適當(dāng)提高空氣沖洗強(qiáng)度為20L/（m2·d）。為保證BAF 反沖洗周期和頻率適宜，進(jìn)水SS 主要通過前端高密度沉淀池混凝加藥強(qiáng)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(shí)，一般認(rèn)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(shí)間、BOD5/TP、反沖洗強(qiáng)度等均會(huì)對(duì)其除磷能力存在影響，但整體來說同步脫氮除磷機(jī)理尚需深入研究。本次提標(biāo)中三段BAF 磷的生物去除按1.5mg/L，其余除磷均采用化學(xué)沉淀輔助除磷，加藥點(diǎn)設(shè)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(jié)合BAF 系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)的核算，本次提標(biāo)改造對(duì)污水處理廠水量進(jìn)行重新分配，以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)現(xiàn)有與新建濾池的均衡處理能力。預(yù)處理出水進(jìn)入三段式BAF 進(jìn)行處理，而后由加砂沉淀池沉淀處理，經(jīng)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(biāo)改造工藝流程圖

4 結(jié)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(yōu)點(diǎn)，適合在污水處理廠的提標(biāo)改造中加以應(yīng)用。合理的負(fù)荷參數(shù)選取是決定BAF 處理效果好壞的關(guān)鍵，而現(xiàn)有BAF 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的歸納總結(jié)，可為后期建設(shè)工程提供指導(dǎo)。