2. 东北电力大学化学工程学院, 吉林 吉林 132012
2. School of Chemical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin 132012, China
东北地区是我国重要的工农产业根据地，水资源需求量的增加和自然水体的持续污染，共同造成了东北地区水资源短缺的难题[1-3]。城市中水回收二次使用可以增加水资源利用率，成为一种应对水资源匮乏的切实可行的办法[4]。曝气生物滤池(biological aerated filter，BAF)技术是汇集滤料拦截清除固态杂质和生物氧化降解有机物一体化的新生代生物膜污水治理工艺，因其具有投资少、占地面积省、抗冲击负荷能力强、自动化程度高、经济高效以及硝化反硝化脱氮效果好等优点[5-7]。近年来在工业废水、城市污水和中水回用等方面被广泛应用[8-12]。
华能营口仙人岛热电机组采用城市中水作为生产主要水源，经过曝气生物滤池+机械加速搅拌澄清池+变孔隙率池组合工艺深度处理后，供给锅炉补给水处理系统、脱硫系统、输煤冲洗系统和辅机循环冷却水使用。降低了火电企业的成本，推动了节水减排的发展，具备优异的环保意义和经济效益，有助于振兴东北区域工农产业根据地可持续发展方略。由于城市中水的氨氮、硝酸盐和有机物浓度较高，而BAF作为除碳脱氮单元，是去除有机污染物的重要步骤。可见，BAF优良的除碳脱氮能力是获取合格供水的基础，同时也是保障机组获得良好汽水品质的前提。
BAF运行效能会受到多种因素的影响。其中，气水比直接关系到BAF除碳脱氮的能力；反冲洗则是BAF微生物膜更新、功能恢复的关键环节。目前BAF多应用于处理工业废水和生活污水，应用于火电厂处理城市中水则比较少见。对于反冲洗的研究集中在反冲洗方式、强度和时间等方面，关于反冲洗过程中气水比对BAF性能恢复和运行时长的影响却鲜见报道。依托火电厂BAF工艺，探究气水比对BAF污染物去除效能的作用；考察反冲洗气水比对污染物去除能力恢复和运行时间的影响。探寻适宜的气水比和反冲洗气水比，实现BAF高效能低能耗的宗旨，旨在为BAF在火电厂工程应用中提供技术借鉴。
1 材料与方法 1.1 实验装置与运行条件机组共设置10套BAF工艺单元，单池尺寸为8.35 m×5.3 m×6.7 m，滤池面积为44.25 m2，BAF工艺示意如图 1所示。
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图 1 曝气生物滤池工艺示意 Fig. 1 Biological aeration filter process diagram |
底部配水室高度为1.2 m，下部装有空气扩散器，中上部为厚度0.1 m滤板，承托层由粒径为6~32 mm天然鹅卵石构成；上层滤料采用粒径为3~6 mm球形轻质多孔生物陶粒，高度为3.6 m。顶部清水区高度为1.5 m。实验采用气水平行连续上向流的运行方式，通过原水泵向滤池底部配水室进水，利用曝气风机通过空气扩散器向滤池通入空气，使得滤池内的溶解氧维持在一定浓度，同时起到搅拌的作用。曝气风机和反洗风机的风量以及进水的流量分别由转子流量计和电磁流量计测量。装置进出口设置取样点，在研讨不同气水比实验阶段每2 h取样1次，在考察反冲洗气水比实验阶段每1 h取样1次。实验期间，水温为21.3~26.5 ℃，pH值为7.1~8.0，进水流量范围为100~129 m3·h-1，水力负荷为2.3~2.9 m3·m-2·h-1。
1.2 实验水质与分析方法实验水源来自熊岳和鲅鱼圈城镇污水处理厂处理后的出水，具体进水水质情况：COD为38~68 mg·L-1、ρ(NH4+-N)为4~11 mg·L-1、ρ(NO3--N)为6~14 mg·L-1、ρ(SS)为10~30 mg·L-1。
再生水深度处理系统设计出水品质的主要指标为COD≤30 mg·L-1、ρ(NH4+-N)≤5 mg·L-1、ρ(SS)≤5 mg·L-1。水质的分析检测参照文献[13]。
1.3 挂膜启动与实验方案采用逐步加大流量至设计值的自然挂膜法, 同时启动6套曝气生物滤池，连续运行40 d后从滤池表面能够观察到黄褐色絮状生物膜，各个滤池具有一定的COD和NH4+-N去除率，且逐渐稳定，表明BAF挂膜启动成功。
通过改变曝气风量调整气水比，在6套BAF的气水体积比分别1:1、2:1、3:1、4:1、5:1和6:1的条件下连续运行60 d。研讨不同气水比对COD、NH4+-N和NO3--N的去除效能的作用，探寻适宜的气水比。
反冲洗过程共分为4个步骤，分别为：①水反洗；②气洗；③气水共反洗；④水反洗。具体控制参数见表 1。利用气水比为4:1的BAF为研究对象，在气水共反洗期间，通过改变反洗风机风量，即改变步骤③中的气洗强度来调节反冲洗气水体积比分别为2:1、3:1、4:1和5:1，每个阶段运行7 d，考察反冲洗过程中不同气水比对BAF性能恢复和运行时长的影响。
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表 1 反冲洗控制参数 Table 1 Backwash control parameters |
平均进水COD为51.3 mg·L-1，出水为15.9~29.1 mg·L-1，出水水质较为稳定。在气水比为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1和6:1条件下，COD的去除率分别为50.9%、51.8%、53.9%、61.1%、63.2%和61.9%，平均出水COD分别为25.4、24.7、23.9、20.4、19.4和19.6 mg·L-1。由图 2可知，COD去除率跟随气水比的提升先逐步提高后略有下降。在除碳脱氮进程中，当气水比较低时溶解氧浓度无法同时满足硝化细菌的硝化作用和异养菌降解COD的需求，导致COD去除率较低。
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图 2 气水比对COD去除效果的影响 Fig. 2 Influence of air-water ratio on COD removal efficiency |
气水比增加，气流和水流的冲刷剪切作用促使老化的生物膜剥落，当作“悬浮物”被滤料拦截，增加了活性生物膜表面积，生化降解能力得到加强，COD去除率提高。当溶解氧处于较低浓度时，溶解氧成为异养微生物生长繁殖的首要限制条件。气水比增加到5:1时溶解氧浓度随之提高，好氧微生物增长速率相应提高，微生物数量也增加。在此过程中，微生物所需求的有机物能量亦随之变大，使得出水COD降低。COD去除率在气水比增加到6:1时略有下降。当溶解氧浓度较高时，好氧微生物增殖速率增加缓慢。过大的气水比会使冲刷和搅拌效应加剧，出水中携带少量悬浮物和生物膜[14]，负影响微生物的数量和稳定性，使得出水COD略微增加。
COD的去除规律与李志锋等[15]和李婷等[16]的研究结果相一致，适宜气水比各有不同。适宜的气水比能够提高COD去除率，过大的气水比意味着更多的能源消耗，并且无法大幅提升COD去除效果，甚至有负作用。
2.1.2 气水比对NH4+-N去除效果的影响图 3可以看出，NH4+-N的去除率随着气水比的增加先大幅提高，后略微增加。多数硝化细菌是将CO2当作细胞碳源，在进行硝化作用时把CO2转化为C5H7O2N。自养型硝化细菌会因为气水比低而遏制其繁殖速率。相对于异养菌，自养菌对溶解氧浓度更为敏感，一定程度上抑制了硝化细菌的生长速度以及硝化反应速率，也意味着在低气水比条件下NH4+-N的去除效果甚至会低于COD的去除效果。可见，气水比对硝化作用影响较大。在气水比为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1和6:1条件下，NH4+-N的去除率分别为46.6%、55.8%、71.9%、81.2%、83.3%和85.2%，出水平均质量浓度为4.1、3.5、2.3、1.5、1.3和1.2 mg·L-1。
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图 3 气水比对NH4+-N去除效果的影响 Fig. 3 Influence of air-water ratio on NH4+-N removal efficiency |
对于向上流BAF而言，气流和水流沿着滤池底部同向透过滤料由顶部排出，相对于生物膜微环境，膜外为高浓度COD环境，自养型硝化细菌附着在生物膜内侧生长繁殖，繁殖速率快于硝化细菌的异养菌生长在生物膜外侧[17-18]。在气水比1:1状态下，BAF内溶解氧含量低，生长在生物膜外侧的异养菌优先繁殖，此时的氧传递效率较低，生物膜内侧的硝化细菌因无法得到足够的溶解氧，生长速率受到显著抑制，且氨盐和亚硝酸盐被氧化时能量产率较低[19]，硝化细菌本身的繁衍速率较低，进而影响了硝化反应的速率，造成NH4+-N去除效果较低。
当气水比增加到4:1时，BAF内溶解氧含量提高，微生物膜内部氧更多，硝化细菌快速繁殖壮大，大大加速了硝化速率，提升了NH4+-N去除率。气水比增加也会增加滤料间的撞击作用，剥离了老化生物膜，更新了微生物活力，从而取得稳定的硝化效果。气水比提高到6:1时，溶解氧浓度处于较高水平，氧的传递效率很高，影响了硝化细菌的快速繁殖。相对于异养微生物，滋生在生物膜里面的硝化细菌的膜组织尤其稠密紧凑，抵御气水冲刷的能力较好[16]，双重作用提升NH4+-N去除效果。然而，气水比为5:1和6:1比4:1时NH4+-N去除率仅分别提升2.1%和4.0%，继续增加溶解氧不会对硝化作用产生太大影响。
适合的溶解氧浓度能够使得硝化反应顺利进行，适宜的气水比加速了老化生物膜脱离，同时提升了氧的利用率和传递效用[20]，两方面加强了BAF内溶解氧浓度，硝化细菌迅速生殖繁衍。在硝酸盐与NH4+-N共存的条件下，反硝化细菌往往采用NH4+-N当作氮源[19]，氨氮去除效果优越，这与李婷[16]的研究结果相一致。
2.1.3 气水比对NO3--N去除效果的影响进水平均ρ(NO3--N)为10.8 mg·L-1，出水为3.1~8.5 mg·L-1，出水水质波动较大。如图 4可知，NO3--N的去除率随着气水比增加呈逐渐降低的趋势。BAF提供了各类微生物生长的基质条件，细菌围聚粘附在滤料周围滋生，在溶解氧传递途中存在传质阻力，且部分被好氧微生物消耗，曝气口远端的滤池上部区域的溶解氧浓度降低，生物膜内层溶解氧基质存在较大的浓度梯度，形成的生物膜构成了好氧/厌氧微环境，为同步硝化反硝化奠定了基础条件[17, 21-22]。气水比为1:1和2:1时，NH4+-N和NO3--N都有一定去除效果，说明BAF内发生了同步硝化反硝化。由于进水中有大量的NO3--N，给反硝化供应了富足的底物，提高了反硝化脱氮能力。入水COD偏低，可利用碳源不足，反硝化无法进行彻底。当气水比为1:1和2:1时，NO3--N去除率分别为59.3%和54.3%。
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图 4 气水比对NO3--N去除效果的影响 Fig. 4 Influence of air-water ratio on NO3--N removal efficiency |
气水比提升到3:1与4:1情况下NO3--N去除率有所下降。此时微生物菌种孕育繁衍较佳，生物膜更加紧密充实，能够获得同步硝化反硝化的微环境，NO3--N去除率稳中有降，分别为52.1%和48.6%；当气水比提升至5:1及6:1时，溶解氧浓度较高，厌氧微环境受到影响，反硝化脱氮效果变差，此时NO3--N的去除率仅分别为43.1%和36.2%。
6套BAF为同步平行实验运行，并采用了稳定性强的自然挂膜启动方式，滤池内形成了致密的生物膜体系，依然存在局部厌氧环境，具备一定的反硝化脱氮环境。但是，气水比较高一方面促进了硝化反应，使得滤池内的NO3--N浓度增加，另一方面异养微生物的加速繁殖消耗了部分有机物，导致反硝化碳源严重不足，NO3--N的去除效果差。
2.2 反冲洗气水比对BAF运行效能的影响 2.2.1 反冲洗气水比对COD去除效能的影响如图 5可知，COD去除率随运行时长和反冲洗气水比的提升先升高而后逐步下降，其中受反冲洗气水比的影响更大。当反冲洗气水比处于2:1、3:1、4:1和5:1的状态下，对应运行至3、4、4和7 h时，COD去除效能即可恢复，分别达55.6%、58.9%、60.3%和56.1%。相比于王伟等[23]的研究(COD去除能力的恢复时间为4~8 h、持续稳定时间为8~36 h)，在恢复能力上略有优势，但持续稳定时间较短。反冲洗气水比为2:1时，反冲洗的气流强度弱而分散，气流不能形成较大的气泡而随水流穿过滤料孔隙排出。此过程中，滤料间撞击效果和搅动程度较小，气泡分布不均匀，会存在滤料结团成块的可能，反冲洗不充分。COD去除率在运行20 h时下降到58.1%，运行时间短。
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图 5 反冲洗气水比对COD去除能力的影响 Fig. 5 Influence of air-water ratio on COD removal capacity |
反冲洗气水比提升到3:1和4:1时，气泡产量和形状多而大，其不间断急速旋绕上升而出现的动态气流振打效用增加了滤料间的撞击摩擦效果，这种效用在滤料上层低压区更为明显[18]，更新了生物膜活性，反冲洗效果佳，COD去除能力恢复时间短，去除率较高，运行时间能够分别延长到22和24 h。
反冲洗气水比提升到5:1时，气流强度进一步加大，气水剪切效用和撞击振打作用加强，过剩的部分气流则直接穿透滤层而冲出，过程中会携带微量滤料和悬浮生长的异养菌，造成滤料损失、微生物总量迅速减少，生化处理能力降低，COD去除能力恢复时间过长。反冲洗气水比会显著影响异氧微生物总量，COD去除能力恢复时间可以作为反冲洗好坏的衡量标准之一。
2.2.2 反冲洗气水比对NH4+-N去除效能的影响如图 6可知，BAF对NH4+-N的去除具有较好的恢复能力，反冲洗气水比对NH4+-N的去除恢复能力影响较大。当反冲洗气水比处于2:1、3:1、4:1和5:1状态下，对应BAF运行至4、4、5和8 h时，NH4+-N的去除率分别为77.4%、79.2%、82.2%和79.3%。在反冲洗气水比处于3:1和4:1状态下运行3 h后，产水中NH4+-N的浓度即小于2.0 mg·L-1，达到设计标准。
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图 6 反冲洗气水比对NH4+-N去除能力的影响 Fig. 6 Influence of air-water ratio on NH4+-N removal capacity |
可见，反冲洗气水比对NH4+-N去除运行时间影响较大。在反冲洗气水比处于2:1、3:1、4:1和5:1的条件下，对应运行时间达19、22、25和26 h时，即步入去除率负增长期。进入到运行周期末段，滤料层间悬浮生长着大量异养菌、滤层截留了大量悬浮物和微生物，遏制了基质和溶解氧向自养型硝化细菌的渗透，硝化反应进程放缓。反冲洗气水比紧密影响着滤料层纳污量。反冲洗气水比过低，纳污量不能够全面释放，运行时长不够，会增加反冲洗次数；反冲洗气水比过高，反冲洗过度，BAF效能恢复时间延长，降低了运行周期内NH4+-N的平均去除效果。反冲洗气水比为4:1时，BAF的效能恢复时间短，能够较为稳定地长期运行，且避免经常的反冲洗。
2.2.3 反冲洗气水比对NO3--N去除效能的影响如图 7所示，BAF恢复期间内，在运行时长一致的条件下，NO3--N的去除率跟随反冲洗气水比的提升而下降，且NO3--N去除能力恢复时间延长。当反冲洗气水比处于2:1、3:1、4:1和5:1的状态下，对应运行至3、4、6和7 h时，NO3--N去除率逐渐恢复正常，分别为47.1%、49.5%、50.0%和47.6%。
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图 7 反冲洗气水比对NO3--N去除能力的影响 Fig. 7 Influence of air-water ratio on NO3--N removal capacity |
反冲洗气水比为2:1时气流强度不足，无法推动滤料小范围撞击回旋，部分结团成块的滤料得不到反冲洗，一定程度遏制了氧的传递；同时滤池内小部分悬浮的微生物和杂质随气流和水流冲出，降低了异养菌的总数，可以分配更多的能量供应反硝化细菌，使得BAF具有较快的脱氮能力。由图 7可以看出，反冲洗气水比处于2:1状态下，当运行到18 h，NO3--N去除率明显下降，这是因为微生物没能在反冲洗过程中完成更新，异养菌加速繁殖，数量壮大，进水有机物总量维持恒定，导致反硝化细菌与异养菌在竞争碳源时不占优势，反硝化进程受抑制，BAF需要再次进入反冲洗阶段。
反冲洗气水比提升到3:1和4:1的条件下，气水联合搅动滤层滤料，滤料间互相撞击摩擦、浮动过程中被气流和水流冲洗，截留的杂质和悬浮生长的微生物被冲出，滤层得到净化，纳污量得到最大化释放，提高了氧的传递效率。在反冲洗气水比处于3:1和4:1的条件下，对应运行至4和5 h时，NO3--N的去除率能够分别达到49.5%和50.0%；对应运行至22和25 h时，NO3--N的去除率降低到46.1%和46.3%。此时获得良好的NO3--N去除效果，具有运行周期长的优势，能够实现稳态的良好运行，降低反冲洗频率。反冲洗气水比提升到5:1时，气水联合冲洗使得滤料互相撞击过于剧烈，微生物迅速脱离滤料，微生物变薄，过量的溶解氧危害了厌氧微环境，反硝化过程受到遏制，不但恢复时间延长，并且NO3--N没有良好的去除效率。
2.2.4 反冲洗气水比对SS去除效能的影响如图 8所示，反冲洗气水比对SS去除能力恢复情况影响较小，对BAF的运行时间影响较大。反冲洗气水比为2:1、3:1、4:1和5:1的条件下，单周期SS出水平均浓度分别为4.2、3.9、4.1和3.4 mg·L-1。经过2~3 h即可恢复对SS的去除能力，相比于王伟等[23]的研究，恢复时间有所提前。反冲洗气水比处于2:1和3:1的状态下，运行3 h时，出水SS浓度即恢复正常，分别为3.5和3.3 mg·L-1，SS去除率在运行初期呈增加趋势，是因为反冲洗气水比太小，滤池反冲洗强度较弱，能够在运行初段维持机械过滤能力的动态平衡，此段区间能够实现对杂质的拦截过滤，出水SS浓度较低。但是由于反冲洗不够充分，BAF纳污量没有全部释放，会早早进入过纳污量阶段，产水中带有杂质和悬浮物，对应运行至19和22 h，SS出水浓度即增大至6.7和5.1 mg·L-1。
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图 8 反冲洗气水比对SS去除能力的影响 Fig. 8 Influence of air-water ratio on SS removal capacity |
反冲洗气水比到4:1时，运行2 h出水ρ(SS)即降到3.5 mg·L-1，去除效果良好。直至运行25 h时SS去除率才开始下降，出水ρ(SS)增高至6.5 mg·L-1。反冲洗气水比增加到5:1时，反冲洗过程中能够观察到滤料被气流冲击至接近水面，甚至有微量滤料随水流冲出现象，造成滤料损失。而反冲洗气水比为5:1时，直至运行26 h时，SS去除率开始下降，相比于反冲洗气水比4:1时仅延长1 h，说明2种工况都能够最大化释放BAF的纳污容量，延长运行时间，减少反洗频率。
3 结论基于火电厂的BAF处理城市中水工艺的研究结果显示，气水比显著影响着污染物去除效率，最佳气水比为4:1，污染物的出水指标均能达到设计标准，此时能够实现新老生物膜的更新迭代，氧的使用率和传递效用较好，保持了厌氧好氧微环境的稳定性，达到低能耗高效能的目的；反冲洗气水比直接关系着反冲洗的结果，间接影响着BAF的运行效能，反冲洗气水比为4:1时可以最大化释放BAF的纳污容量，污染物去除效果佳且运行时间长；中水回用能够降低企业成本，促进节水减排的发展，具备优异的环保意义和经济效益。
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