厌氧生物滤池及曝气生物滤池工艺介绍

厌氧生物滤池工艺介绍

1 概述

厌氧生物滤池（Anaerobic Biofilter，简称AF）由美国Standford大学的Young和Mc. Carty于1967年在生物滤池的基础上研发，是公认的早期高效厌氧生物反应器。

厌氧生物滤池是一种内部装填有微生物载体（即滤料）的厌氧生物反应器。厌氧微生物部分附着生长在滤料上，形成厌氧生物膜，部分在滤料空隙间悬浮生长。污水流经挂有生物膜的滤料时，水中的有机物扩散到生物膜表面，并被生物膜中的微生物降解转化为沼气，净化后的水通过排水设备排至池外，所产生的沼气被收集利用。

2 滤料

在厌氧生物滤池中，其中心构造是滤料，滤料的主要功能是为厌氧微生物提供附着生长的空间。滤料的形态、性质及装填方式对滤池的净化效果和运行有着重要影响。理想的滤料应具备以下条件：

（1）比表面积大，一般来说，比表面积越大，可以承受的有机负荷越高，有利于增加生物总量。

（2）具有高孔隙率，孔隙率越高，在相同容积的反应器中，处理水量一定时污水的实际停留时间越长，反应器的容积利用系数越高，而且高孔隙率对防止滤池堵塞，防止产生短流均有好处。

（3）利于生物膜附着生长，如表面粗糙的滤料比表面光滑的滤料为佳。

（4）具有足够的机械强度，不易破损或流失。

（5）化学和生物学稳定性好，不易受污水中化学物质的侵蚀和微生物的分解破坏，也无有害物质溶出，使用寿命较长。

（6）质轻，使反应器的结构荷载较小。

（7）价廉，取材方便。

在生产及试验研究中最常用的滤料有实心块状滤料、空心块状滤料、管流型滤料、纤维滤料等。

（1）实心块状滤料：此类滤料价格低廉且容易得到，但质重、比表面积小、孔隙率低。采用此类滤料的滤池，生物量浓度低，限制了有机负荷，仅为3-6kgCOD/(m3·d)，在运行中易发生局部滤层堵塞以及随之产生的短流现象，影响运行效果。较常用的为直径30-45mm的砾石、碎石等。

（2）空心块状滤料：呈圆柱形或球形，内部有形状、大小各异的孔隙。其比表面积和孔隙率均较实心块状滤料有很大增加，可以增大生物量浓度及相应的处理能力，减少滤料层的堵塞。此类滤料多用塑料制成，较常用的有波尔环等。

（3）管流型滤料：可形成管道水流，比表面积达100-200m2/m3，孔隙率为80%-90%，分别是实心块状滤料的2-5倍和1.5倍左右，采用此类滤料可获得较高的生物量浓度，使厌氧生物滤池的有机负荷达5-15kgCOD/(m3·d)，且运行时不易堵塞。该种滤料质轻、稳定，但价格较高。

（4）交叉流型滤料：由不同倾斜方向的波纹管或蜂窝管所组成，倾斜角一般为60°。当水流经滤层时，呈交叉形（或称折流形）流向，其比表面积和孔隙率与管流型滤料相近，但COD去除率高，工作特性较好，应用日益

广泛。

（5）纤维滤料：比表面积和孔隙率均较大，污水流经滤池时，纤维随水漂浮，可增强其上的生物膜与污水接触效果，提高有机物的传质效率。同时由于水流的剪切作用，还可使生物膜厚度不致过大，以保证较高的生物活性和良好的传质条件。但采用软性纤维滤料时，生物膜易产生结团现象。常用的纤维滤料有软性尼龙纤维滤料、半软性聚乙烯、聚丙烯滤料、弹性聚苯乙烯滤料等。

3 构造特征

厌氧生物滤池根据水流方向的不同，可分为升流式和降流式两大类，降流式厌氧生物滤池亦称降流式固定膜反应器（DSFF）。近年来也出现了升流式混合型厌氧反应器。

厌氧生物滤池除滤料外，还设有布水系统和沼气收集系统。布水系统的作用是使进水分布均匀，为防止堵塞，其孔口大小及流速应选用及控制适当。沼气收集系统的作用是收集产生的沼气作为能源加以利用，沼气收集系统上设有水封、气体流量计及安全火炬。厌氧生物滤池多为封闭型，可以保证良好的厌氧环境并尽可能多地收集沼气，其中滤料层低于污水水位，处于淹没状态。

升流式厌氧生物滤池的布水系统设于池底，污水由底部进入滤池后均匀地向上流动，在滤料表面附着的与滤料截留的大量微生物的作用下，污水中的有机物可被降解转化为甲烷和二氧化碳等，净化后的出水从池顶引出池外，沼气由顶部的沼气收集管收集，池内的生物膜不断新陈代谢，脱落的

生物膜随出水带出，因此滤池后还需设置沉淀分离装置。目前在运行的大多数厌氧滤池都是升流式厌氧滤池。

降流式厌氧滤池中，布水系统设于池顶，污水由顶部均匀向下直流到底部，生物反应产生的气体的流动可起一定的搅拌作用，因而无需复杂的配水系统，微生物附着在定向排列的滤料上，起降解有机物的作用。这种反应器不易堵塞，但固体沉积在滤池底部会给操作带来一定的困难。

新近出现的升流式混合型厌氧反应器综合了升流式厌氧污泥床与升流式厌氧生物滤池的特点，减小了滤料层的厚度，在滤池布水系统与滤料层之间留出了一定空间，使呈悬浮状态的颗粒污泥在其中生长、累积，增加了反应器中的总生物量，减少了滤池被堵塞的可能性。与升流式厌氧污泥床相比，可不设三相分离器，节省基建投资。其滤料层高度与滤池总高之比，宜采用2/3。

4 运行特征

厌氧生物滤池适用于不同类型、不同浓度有机废水的处理，其有机负荷取决于污水性质及浓度，一般为0.2-16kgCOD/(m3·d)，滤池中生物膜厚度约为1-4mm，生物量浓度沿滤料层高度而变化，如升流式厌氧生物滤池底部的生物量浓度可达其顶部的几十倍。实际运行结果表明，在相同水质条件及水力停留时间下，升流式厌氧生物滤池的COD去除率比降流式高，升流式混合型厌氧反应器则具更多运行上的优点。

温度是影响厌氧生物滤池处理效果的因素之一。厌氧生物滤池大多在中温件（35℃）下运行。温度降低会影响处理效率，经验表明，温度骤降会使效率

降幅度增大，若长时间稳定在较低温的条件下运行，则会由于滤池中较长的固停留时间而使温度影响减弱，因此为了节约加温所需能量，亦可在常温下运行。

滤池高度对处理效果有一定影响。研究表明，绝大部分COD是在0.4m以下被去除的，因此滤池内填料高度不必超过1.2m。

采用升流式厌氧生物滤池，应注意当污水中悬浮固体浓度大于COD浓度的10%时，为防止滤层堵塞现象发生，应进行适当的预处理以降低进水悬浮物浓度。

5 评价

厌氧生物滤池具有以下优点：

（1）处理能力比一般消化池高；

（2）生物量浓度高，可获得较高的有机负荷；

（3）不需要专门的搅拌设备，装置简单，工艺自身能耗低；

（4）微生物菌体停留时间长，耐冲击负荷能力较强；

（5）无需回流污泥，运行管理方便；

（6）在处理水量和负荷有较大变化的情况下，运行能保持较大的稳定性。

厌氧生物滤池的主要不足是：

（1）滤池容易堵塞，尤其是底部，因此主要适用于悬浮物浓度较低的溶解性有机废水处理；

（2）对布水装置要求较高，否则易发生短流，影响处理效果；

（3）滤池的清洗尚无简单有效的方法。

曝气生物滤池的原理及工艺

我国正在执行的《污水综合排放标准》(GB8978- 1996)，对除P脱N提了较高的要求。

而现有城市污水处理中的活性污泥法难以达到该目标。为此，必须建立新的污水厂或对现有污水厂进行改造，使之具有除P脱N功能。同时，随着城市发展步伐的加快及城市区域的拓展，污水处理设施离城区越来越近，有的甚至建在城区，凶此，污水厂的土地使用受到严格的限制。传统的污水处理厂不可避免地要产生异味和噪音。由于以上诸多客观需求，必须寻找新的污水处理技术。实践表明，淹没式曝气生物滤池(BAF)工艺是最为经济有效的除P 脱N处理方法之一。

BAF(Biological Aerated Filer)技术最早由法国CGE(Compaguine Generele des Eanx)公司所属的OTV(L’Omnium de Fraitements et de Valorisation)公司开发?。目前，在欧美、日本等地已有数百座大小各异的污水处理厂采用了BAF技术。我国北京已有5个示范T程，马鞍山钢铁设计院即将成立全国BAF研究中心。从BAF丁艺的开发到日趋成熟，国内外出现了多种基于BAF技术的水处理一艺。我们针对国家《污水综合排放标准》(GB8978-1996)就如何运用BAF水处理方案进行了探讨。

1 BAF技术的基本工作原理和工艺特点

1．1 BAF基本工作原理

BAF工艺类型和操作方式有多种，各具特点，但其基本原理是一致的。曝气生物滤池处污水的原理是反应器内填料上所附生物膜中微生物氧化分解作用，填料及生物膜的吸附阻留作用和沿水流方向形成的食物链分级捕食作用以及生物膜内部微环境和厌氧段的反硝化作用。BAF水流流向主要分为下向流和上向流，其中下向流以OTV公司的BIOCARBONE工艺为代表；上向流以OTV公司的BIOSTYR工艺为代表。BIO一STYR和BIOCARBONE 工艺示意图见图1。

BAF反应器为周期运行，从开始过滤到反冲洗完毕为一个完整的周期。具体过程如下：在BIO—CARBON工艺中，经预处理的污水从滤池顶部进入，在滤池底部进行曝气，气水处于逆流。在反应器中，有机物被微生物氧化分解，NH 一N被氧化成NO 一N，另外由于在生物膜的内部存在厌氧／兼氧环境，在硝化的同时实现部分反硝化。在无脱N要求的情况下，从滤池底部的出水可直接排出系统，一部分留做反冲洗之用，如果有脱N要求，出水需进入下一级后置反硝化柱，同时需外加碳源，因为内环境反硝化不能使出水TN达到排放要求。

随着过滤的进行，由于填料表面新产生的生物量越来越多，截留的SS不断增加，在开始阶段水头损失增加缓慢，当固体物质积累达到一定程度，堵塞滤层的上表面，并且阻止气泡的释放，将会导致水头损失很快达到极限，此时应立即进入反冲洗再生，以去除滤床内过量生物膜及ss，恢复处理能力。

反冲洗采用气水联合反冲，反冲洗水为经处理后达标水，反冲空气来自于底部单独的反冲气管。反冲时关闭进水和工艺空气，水气交替单独反冲，最后用水漂洗。滤层有轻微的膨胀，在气水对填料的流体冲刷和填料间相互摩擦下，老化的生物膜和被截留的SS与填料分离，冲洗下来的生物膜及SS在漂洗中被冲出滤池，反冲洗污泥回流至预处理部分。由于正常过滤和反冲时水流方向相反，使填料层顶部的高浓度污泥不经过整个滤床，而是以最快的速度离开滤池，这对保证滤池的出水是有利的。

在BIOSTYR工艺中，经预处理的污水与经硝化的滤池出水按一定回流比混合后进人滤池底部。在滤层中进行曝气，曝气系统将滤池分为好氧和缺氧两部分。在缺氧区，一方面反硝化菌利用进水中的有机物作为碳源，将滤池中的NO 一N转化为N，，实现反硝化。另一方面，填料上的微生物利用进水中的溶解氧和反硝化产生的氧降解BOD，同时，一部分SS被吸附截留在滤床内，这样便减轻了好氧段的固体负荷。经过缺氧段处理的污水然后进入好氧段，好氧段的微生物利用从气泡转移到水中的溶解氧进一步降解BOD，硝化菌将NH，一N 氧化为NO，一N，滤床继续截留在缺氧段没有被去除的SS。流出滤层的水经上部滤头排出滤池，出水按需求分为：(1)排出处理系统；(2)按回流比与原水混合进行反硝化；(3)用作反冲洗水。随着过滤的进行，滤层中新产生的生物膜和SS积累不断增加，水头损失与时间成线性正相关。当水头损失达到极限水头损失时，应及时进入反冲洗以恢复滤池的处理能力。由于在BIOSTYR工艺中没有形成表面堵塞层，使得BIOSTYR工艺比BIOCARBONE工艺运行时间要长。

反冲时也为气水交替反冲，反冲洗水即为贮存在滤池顶部的达标排放水，反冲空气来自底部的反冲洗气管，反冲水自上而下。其反冲过程基本类似于BIOCARBONE工艺。两者的反冲过程没有太多的理论依据，但必须把握以下原则：既要恢复过滤能力，又要保证填料表面仍附着有足够的生物体，使滤池满足下一周期净化处理要求。从BIOCARBONE到BIOSTYR 工艺的运用是一个逐步发展的过程，该技术的关键是采用了一种殊的填料(密度为0．8 g／cm 左右的有机填料)。相比而言，BIOSTYR工艺有如下优点：(1)重力流反冲洗无需反冲泵，节省了动力；(2)滤头布置在滤池顶部，与处理水接触不易堵塞，便于更换；(3)硝化／反硝化在同一池内完成。

1、2 BAF的工艺特点

与活性污泥法相比，具有以下特点：

(1)具有更高的生物浓度和更高的有机负荷。BAF中采用的粗糙多孔的粒状填料为微生物提供了更佳的生长环境，易于挂膜及稳定运行，可在填表面保持较多的生物量，单位体积内微生物量远远大于活性污泥中的微生物量(可达l0一l5 g／L)。高浓度的微生物量使得BAF的容积负荷增大，进而减少了池容积和占地面积，使基建费用大大降低。

(2)占地面积小。由于在BAF反应器中，处理效果与填料高度成正相关，因此可以通过增加填料高度来减少占地面积。

(3)工艺简单，基建费用低。由于填料的机械截留作用以及滤料表面的微生物和代谢中产生的粘性物质形成的吸附架桥作用J，因此，可省去二沉池，进而降低基建费用，在稳定运行情况下，去除SS的机理类似于普通快滤池，只要没有发生穿透，出水SS均较为理想。(4)受气温影响小。由于BAF滤池为半封闭或全封闭构筑物，其生化反应受外界温度影响较小，因此适合于寒冷地区进行污水处理。

(5)菌群结构合理。传统的活性污泥法，微生物的分布相对均匀，而在BAF中从上到下形成

了不同的优势生物菌种 4 ，因此使得除C、硝化／反硝化能在同一个池子中发生，简化了工艺流程。

(6)耐冲击能力强。BAF滤池对有机负荷、水力负荷、温度的变化不像活性污泥法那么敏感。

2 国内外典型的BAF组合工艺及特点

按照污水处理要求不同，可将BAF工艺分为以下几类：除C／硝化工艺；除C／硝反硝化T艺；除C／除P／脱N工艺。

2．1 除C／硝化工艺

图2为马鞍山钢铁设计院设计的试验工程，原水经过预处理，进入BAF滤池实现除C和硝化，在该工艺中，由于生物膜厌氧内环境的存在，对TN有一定的去除率，但TN不是控制指标，适用于对NH，一N排放有要求的工艺。当进水固体杂质较多时，初级处理建议采用水解，这样可减少初级处理的产泥量。

2．2 除C／硝化／反硝化工艺

图3的工艺为基于A／O的原理对图2工艺的改进。因为在图2工艺中未涉及对TN的要求，如果对TN排放有限制，只需将出水的一部分回流到前段水解池便可实现反硝化，实现脱N 目的，通常回流比尺为100％～300％。

图4的工艺将硝化和反硝化分别在两个滤池中进行，该工艺操作方便运行可靠，但必须外补充碳源供反硝化之用，并且外加碳源的量必须严格控制，外加碳源过少，反硝化不彻底，TN排放不能达标；外加碳源过多，出水COD难以达标。因此建议适当多加碳源，但必须在出水中将DO质量浓度维持在2～4mg／L，以防出水COD超标。

图5的工艺中将BAF作为三级处理，实现脱N的目的，该工艺采用BIOSTYR工艺，代表性的有法国CERGY污水厂。该厂处理流量为40 000 m ／d，进出水水质见表1。

运行时，对曝气池出水水质需加控制以确保有充足的反硝化碳源。如果要实现出水P排放达标，可在斜沉池前加入化学除P剂便可。该工艺可作为我国部分已有污水处理厂的改扩建工艺，使出水TN达标排放。

2．3 除C／除P／脱N 工艺

图6的工艺适用于进水杂质SS浓度很高的原水。BAF为中间曝气，利用进水的碳作为反硝化碳源，减轻了好氧段的负荷，节省了用地面积，同时后处理除P可保证BAF池中有充足的P营养源。该工艺中BAF为上向流，国外用得较多的为BIOSTYR工艺。

图7的工艺将硝化和反硝化分别在两个不同的

滤池中进行，仍具有单段前置脱N的许多优点，同时，操作比单池脱N稳定可靠，但该工艺投资及占地面积较大。在混沉池中加入化学除P剂，实现除P目标。该工艺进水杂质、SS浓度不宜过大，否则混沉池的排泥将成为问题。同时要保证BAF池生化反应所需的P营养源。

图8的工艺中在预沉池中投加化学除P剂实现化学除P，除C、硝化、反硝化分别在三个滤池中进行，BAF池均为BIOSTYR工艺，外加碳源进行后置脱N。由于各滤池相对独立，各自的处理目的明确，因此运行稳定性和处理效果好。虽然池数较多，但可以将大部分的池容埋于地面以下。只要设计合理仍可做到节约用地，特别是该工艺的雨水处理技术。

值得在设计中进行借鉴。法国塞那中心COLOMB—ES污水厂为该工艺的典型代表。该厂的设计流量为240 000 m ／d，进出水质见表2。

该工艺适用于大水量、运行稳定要求高的生活污水处理。

图9的工艺与常规两段曝气生物滤池的最大不同在于，一般除C在硝化池，而这里除C与反硝化同处一池，硝化池只是作为除C的可靠保证。在该工艺中硝化池和反硝化池均需进行曝气。进水从BAF DN池的上部经填料后进入BAF N池的底部，然后从BAF N池上部出水。空气从BAF DN的底部通入形成逆流，增大了气水接触面积，有利于氧的转移，有利于发挥表面生物膜的氧化降解作用。反硝化作用主要利用BAF DN池中氧下多上少的分布在顶部实现反硝化。BAF N池中进行曝气为出水COD达标提供了更可靠的保证。如对P有更高的要求，可在BAF N池进水端投加FeC1 。

该工艺可以处理生活污水、含高浓度COD的有机工业废水，也可用于废水的深度处理”。其运行参数见表3。

2．4 工艺的技术评价

纵观以上工艺，流程非常简单，但能使出水达到处理要求，这是由BAF滤池本身固有的性质决定的。每个_【=艺主要由以下两部分构成：预处理(沉淀或水解)+BAF。根据出水是否有脱N要求选择适当的BAF技术。对于需进行脱N的污水，如果进水碳源充足可考虑选择上向流前置脱N，这样既可以缩短流程(减少占地面积)，同时又可节省投资。如果进水碳源不充分，最好将硝反硝化单独进行，考虑后置脱N，其最为不利的一面是需要外加碳源，运行成本相对较高。另一个最大的问题是如何投加适当剂量的碳源，这需要可靠的自动控制、稳定的进水浓度，同时，出水需要进行曝气用于去除过量的碳。但后置脱N一旦进入正常运行，出水水质稳定，同时操作也较为简单。

BAF除PT艺主要有两种：前置除P和后置除P。如果进水固体杂质较少，可选前置除P，如果进水固体杂质较多则最好选择后置除P，除P剂一般用FeC1 较为经济合理。

表4为同时进行硝反硝化的BIOSTYR滤池常用设计参数。

3 讨论

3．1 预处理

为了使滤池能有较长的运行周期，减少反冲次数降低能耗，运用BAF的工艺都需对进水进行预处理，否则原水中的大量杂质和SS将进入曝气滤池，将会堵塞曝气、布水系统，给系统的运行带来严重的后果。尤其是滤池用于二级处理时，往往需投加药剂才能达到这一要求，药剂的使用不仅增加了运行费用，部分药剂还将降低碱度，进而影响反硝化]，这是运用BAF T艺时需要考虑的问题。

3．2 除P脱N

在生物除P技术中，将脱N和除P相结合的系统对除P不利，凶为除P脱N本身是一对不可调和的矛盾，如DO太低除P率会下降，硝化反应受到限制，污泥沉降性能差，如DO高，则由于回流厌氧区DO增加，反硝化受到限制，同时NO 一一N的浓度高可影响厌氧区P 的释放。凶为，P的释放最好为厌氧环境，如果有NO 一一N存在就表明只能为

兼氧环境。

从目前的BAF运行1_艺看，完全用生物除P是很难达到排放标准的。用生物除P就失去了生物滤池高负荷的特点，造成投资过大，凶此最好用加FeC1 药剂的方法除P，而生物滤池由于耐水力冲击负荷，可使处理后的水超量回流，并在运行中加化学药剂，将化学处理和生物处理同时应用于系统中，达到除P脱N 目的，使化学药剂用量相对减少，从而降低运行费用。

3．3 BAF的发展趋势

从国外来看，上向流有逐步取代下向流的发展趋势。从OTV公司产品开发演变也可以看出这一点。由于BIOSTYR T艺有较多优点，国内研究开发的T艺也以上向流居多。研发出基于我国技术现状的上向流BAF丁艺，应是国内BAF发展的方向。