生物吸附-生物膜过滤（A-BF法）法处理城市污水研究

何彪名 刘学功 张力高

　　【摘要】 本文论述了A－BF法的技术特征，介绍了试验研究成果，并将BF级与A－B法的B级作了技术经济比较。
　　【关键词】 生物吸附 生物膜 城市污水 处理

1 引言

　　污水生物处理技术虽然已取得很大发展，并且走向成熟，但人们仍在不断致力于更加高效、低耗、占地更少的新工艺的开发和研究。
　　70年代德国Aachen大学B.Bohnke教授提出“生物吸附－氧化法(A-B法)”工艺，使污水生物处理技术取得了重大进展。A－B法工艺高效省能的核心在A级，即由于取消了初级沉淀池和采取低氧运行，充分地利用了短世代微生物的吸附能力，大大缩短了曝气时间、降低了能耗。而B级曝气池仍需按低负荷活性污泥法设计运行^［1］，而且还需要后续停留时间为2－4h的沉淀池以满足固液分离和活性污泥回流的需要。能否在A－B法的基础上开发一种更为高效低耗的新工艺，其关键在于对B级进行有效的改造。
　　多年来探索快速高效的污水生物处理方法主要遵循两条途径^［2］，一是发挥微生物生理特性的优异作用，如A－B法中A级就是充分发挥了短世代微生物的吸附作用以实现其快速高效率的；二是提高参与作用的微生物量，增加有机物与微生物接触的机率，如采用高污泥含量的生物膜法^{［3］［4］}。生物膜法具有容积负荷高、处理效果好的特点，充分利用生物膜法这一特点，将生物膜工艺串联于A级之后，以取代低负荷的B级，并辅以过滤技术，形成“生物吸附一生物膜过滤法(A-BF法)”这就是我们进行A-BF法工艺研究的主要目的。
　　生物膜法是一种较为成熟的污水生物处理工艺，但由于这种工艺为防止堵塞要求进水中悬浮物和有机物浓度较低，因此使其在城市污水处理中的推广应用受到限制。在A－BF处理工艺中，由于BF级串联于A级之后，当其被用于城市污水处理时，尽管原污水中悬浮物和有机物浓度较高，但由于原污水经过A级处理后，悬浮物与有机物浓度均已显著降低，从而可使进入BF级的污水满足生物膜工艺的进水浓度要求，可保证生物膜工艺段(BF级)的稳定运行，使生物膜法的优势在工艺中得以充分发挥，实现在较短时间内通过微生物对有机物的吸附、氧化作用、使污水得到净化。并借鉴法国OTV公司在《TSM》(1990年No7／8)刊物上所介绍的“采用生物碳法及活性污泥法进行低温生物处理比较试验”资料^［5］，在生物膜工艺中辅以过滤技术，省去B级二次沉淀池，这样不仅缩短了处理工艺流程，降低工程投资、减少建设用地，而且可望提高固液分离效果，改善出水水质。

2 工艺概述

　　A-BF工艺的试验研究工作分两部分，一是小试，主要是选择滤料、探索工艺运行条件、进行可行性试验；二是中间试验，进行不同工况下的运行条件试验及处理效果试验，确定推荐设计参数。其工艺流程如图1。
　　根据小试结果可知，当滤速为2m／h(水力停留时间为1h)时以焦炭、膨胀页岩(陶粒)为滤料的滤池，对COD_Cr、BOD₅的去除率相近，分别为53％、51％和85％、86％。由此确定，焦炭和膨胀页岩(陶粒)均可作为BF级滤池之待选滤料。考虑取材方便与价格等因素，在中试中选用焦炭作为滤料。
　　生物吸附－生物膜过滤法(A-BF法)处理工艺由A级和BF级组成，以串联方式运行。在A-BF法的工艺研究中，A级只按A－B法研究中推荐的工艺参数运行^［2］(A级曝气时间为0.5h，混合液污泥浓度2～3g／L，池内溶解氧控制在0.1～0.7mg／L，A级沉淀池水力停留时间1.7h)，A级之后的BF级属于生物膜工艺，通过在附着有生物膜的滤(填)料层间曝气充氧并结合过滤工艺，构成生物膜滤池。该池为淹没式层间曝气，下向流等滤速变水头过滤，以粒径为2～6mm的焦炭作为滤(填)料，滤料充填高度2m，在此池内可同时完成生物氧化降解有机污染物与截留脱落的生物膜和悬浮物的作用。空气从距滤料底部25～40cm处通人，一方面有利于发挥下层滤料表面生物膜的氧化降解作用，另一方面又有利于提高整个生物膜滤池的贮污能力，延长反冲周期。曝气点以下25～40cm厚的滤层起到过滤的作用，进一步截留水中悬浮物和脱落的生物膜，完成固液分离过程。由于生物膜生长、固着在比表面积较大的滤料表面上，这就使得池中容纳着大量微生物，从而在体现出容积负荷高、停留时间短的特点的同时，又能保证滤池在较低的污泥负荷下运行，为进一步氧化降解经A级处理后污水中剩余的有机污染物提供了可靠的保障，进而获得优良处理效果，保证了出水的稳定性。

3 结果与分析

3.1 BF级生物膜滤池不同滤速下的处理效果BF级的滤速是一个重要的设计参数，其大小直接影响到BF级乃至整个A－BF处理工艺的效果。
　　BF级生物膜滤池在不同滤速下的处理效果(平均值)参见表1。由表1可知，随BF级滤速的提高，即水力停留时间的缩短，BF级的处理效果及A－BF工艺总的处理效果均呈下降趋势。滤速在2m／h及以下时，该工艺可保持优良的出水水质，出水COD_Cr均小36mg／L；BOD₅均小于8mg／L。因此，BF级滤速为2m／h时，既可保证有较佳的出水水质，又可保持较高的处理效率。故以2m／h滤速作为BF级稳定性试验的运行参数。
　　此外，从表1还可看出，当BF级滤速为4m／h、水力停留时间为0.5h时，该工艺的出水水质平均值：COD_Cr为57.1mg／L、COD_Cr为13.8mg／L、SS为15.5mg／L，仍能达到《污水综合排放标准》(GB8978－88)的一级标准。由此也可说明本工艺在推荐滤速下仍保留有较大的耐大水量冲击的余地。

A－BF工艺不同滤速下的平均处理效果 　　　　　　表1 滤速
(m／h) COD_Cr BOD₅ SS 原水
mg／L A级
出水
mg／L BF级
出水
mg／L BF级
去除率
％ 总去除率
％ 原水
mg／L A级出水
mg／L BF级
出水
mg／L BF级
去除率
％ 总去除率
% 原水
mg／L A级
出水
mg／L BF级
出水
mg／L BF级
去除率
％ 总去
除率
% 1 656 237 17.6 92.6 96.9 205 69.5 2.7 96.0 98.7 403 61 0.9 98.9 100 2 738 304 28.5 90.0 96.1 206 80.8 4.1 94.7 98.0 731 169 16 98.5 100 3 861 285 36.2 86.5 95.0 243 98.9 8.1 90.9 96.2 913 200 9.3 95.8 99.0 4 649 294 57.1 80.0 90.9 185 90.3 13.8 84.7 91.9 549 149 15.5 88.9 97.0

3.2 BF级生物膜滤池在不同曝气量下的处理效果BF级运行时的曝气量是关系到运行费用的重要参数，是处理工艺的一项重要的技术经济指标，对考察工艺的经济合理性具有重要意义。
　　BF级生物膜滤池在不同气水比下的处理效果平均值列于表2。当BF级以2m／h滤速运行时，曝气量分别按气水比8∶1、6∶1控制，从表2数据可知，提高气水比处理效果虽有所提高，但变化不大，因此推荐采用气水比为6∶1的曝气量，既可保证有良好的处理效果，且可降低能耗，节约运行费用。

BF级在不同曝气量下的处理效果 　　　　　　表2

名称

结果

项目 8∶1 6∶1 原水 A级出水 BF级出水 BF级去除率% A-BF总去除率% 原水 A级出水 BF级出水 BF级去除率% A-BF总去除率% COD_Cr(mg／L) 738 304 28.5 90.0 96.1 459 214 22.9 89.1 95.0 BOD₅(mg／L) 206 80.8 4.1 94.7 98.0 145 63.6 3.3 94.3 97.5 SS(mg／L) 731 169 1.5 98.5 99.8 536 161 1.7 98.0 99.5

3.3 BF级生物膜滤池的过滤工作周期BF级生物膜滤池属于等滤速、变水头过滤类型，其滤后水头恒定，滤前水头随过滤的进行逐渐加大。一般情况下当滤前、滤后的水头差达到1m时，一个过滤工作周期即告结束。
　　BF级不同滤速及同一滤速(2m／h)不同气水比下的过滤工作周期和处理水量平均值见表3，从表3数据可知，BF级的过滤工作周期随滤速的加大而缩短，而相同滤速下以不同气水比(8∶1、6∶1)控制曝气量时，其过滤工作周期处理水量基本相近。这也说明滤池的工作周期是与滤层的储污能力密切相关的。滤层不变，储污能力也不变，所以滤速加大，工作周期缩短而处理水量则不变。

BF级生物膜滤池不同工况下的过滤工作周期 　　　　　　表3 滤速(m/h) 气水比 进水(m³/h) 过滤周期(h) 周期产水(m³) 1 8∶1 0.125 116.3 14.5 2 8∶1 0.250 68.7 17.2 2 6∶1 0.250 64.5 16.1 3 8∶1 0.375 48.5 18.2 4 8∶1 0.500 28.0 14.0

A－BF工艺稳定性运行试验结果 　　　　　　表4

名称

结果

项目

原水

A级出水

BF级出水

BF级去除(%)

A-BF总去(%) 变化范围 平均值 变化范围 平均值 变化范围 平均值 变化范围 平均值 变化范围 平均值

COD_Cr(mg/L) 315～776 455 129～337 221 10.0～35.7 22.3 85.3～94.6 89.8 92.3～97.4 95.1

BOD₅(mg/L) 79～183 127 29.8～87.1 56.8 0.4～7.4 3.7 84.5～99.4 93.4 92.1～99.8 97.0

SS(mg/L) 50～1060 452 20～470 174 <1～9.0 2.1 86.7～100 98.4 93.8～100 99.3

3.4 A-BF工艺及BF级生物膜滤池运行的稳定性
3.4.1 A-BF工艺及BF级生物膜滤池运行稳定性与对进水水质变化的适应性
　　按滤速为2m／h、气水比为6∶1的运行条件对该工艺进行了近两个月的运行稳定性试验。结果列于表4。从表4不难看出，虽然原水水质变化幅度较大，但A－BF工艺和BF级生物膜滤池，仍然有较稳定的处理效果和较高的去除率，出水水质达到了较高的水平。同时也说明A－BF工艺和BF级生物膜滤池对原水水质的变化都具有较强的适应能力。
3.4.2 BF级对不同有机投配负荷的适应性
　　根据表4所列A级出水(即BF级进水)COD_Cr、BOD₅值的变化范围，可计算出BF级的有机物投配负荷变化范围为：COD_Cr容积负荷3.41～8.91kgCOD_Cr／m³·d，BOD₅容积负荷为0.79～2.30kgB0D₅／m³·d。由此可见，在有机投配负荷变化较大的情况下，仍能有表4所列的稳定的处理效果和高质量的出水水质，说明BF级生物膜滤池对有机物投配负荷的变化也同样具有良好的适应性。
　　经多次对BF级生物膜滤池中的生物量进行测定的结果表明，BF级中的生物量较高，其在池中的平均生物量为13g干污泥／L填料，其中有机份占60％以上，同样根据表4所列A级出水的BOD₅变化范围可计算得出BF级污泥投配负荷为0.10～0.30kgBOD₅／KgVSS.d，由此表明，BF级生物膜滤池既具有较高的容积负荷，又使污泥有机负荷维持在一个较低的水平上。这也正是BF级生物膜滤池既能保持很高的处理效率，又能保持有良好出水水质的关键所在。
3.5 BF级生物膜滤池各项反冲洗参数的确定
　　BF级生物膜滤池运行一段时间以后，随着滤池内生物的大量繁殖与截留的悬浮物质的增加，其滤层的阻力也逐渐升高，当滤层阻力达1m左右时，则需对其进行逆向气、水反冲洗，将老化的生物膜及所截留的悬浮物质冲洗出池外以保证滤池的正常的运行。
　　对于反冲洗过程中气、水的反冲洗强度应控制得当，过低达不到反冲洗的目的，过高会使生物膜严重脱落，造成填料层内生物量减少，以致影响处理效果，并易造成填料的破损、流失及增加不必要的反冲洗耗水量、耗电量。
　　滤池反冲洗采用逆向气、水混合冲洗，反冲步骤为：气冲－(气＋水)冲－水冲。反冲水源为BF级生物膜滤池的处理出水，反冲排水在实际工程中可排人A级沉淀池，沉淀后与A级剩余污泥一起排出系统，其反冲耗水量占周期处理水量的5％以下，反冲时滤层的膨胀率较小，约为10％左右。
3.6 关于A－BF工艺的脱氮、除磷效果
　　通过对稳定性试验期间各段氨氮、总氮、总磷的测定、统计得知，A-BF工艺对氨氮的总去除率为89.0％，其中BF级的去除率为86.5％；A-BF工艺对总氮的总去除率为39.6％，其中BF级的去除率为24.0％；A-BF工艺对总磷的总去除率为57.6％，其中BF级的去除率为36.7％。以上数据说明，虽然A-BF工艺总的水力停留时间较短，但对氮、磷仍有较好的处理效果。且脱氮除磷主要发生BF级。

4 技术经济比较

　　现就几个主要的技术经济指标，将BF级生物膜滤池的试验结果与A－B法工艺中B级作如下比较。
4.1 处理效果对比
　　BF级与B级COD_Cr的去除率分别为89.8％、61.7％(相对于该级进水而言，下同)；BOD₅的去除率分别为93.4％、84.8％；SS的去除率分别为98.4％、81.5％。可见BF级的去除效果均优于B级，尤其是COD_Cr的去除率更为突出。BF级出水COD_Cr均值仅为22.3mg／L，远远低于B级，并达到了建设部杂用水和北京市中水水质标准，这在一般的生化处理工艺中是难以实现的。BF级与B级的出水水质及中水水质标准见表5。BF级生物膜滤池的出水水质除卫生学指标外均达到中水水质标准。

BF级与B级出水水质对比 　　　　　　表5

工艺

项目 BF级出水 B级出水 中水水质标准 CODCcr(mg／L) 22.3 81.2 ≤50 BOD₅(mg／L) 3.7 10.2 ≤10 SS(mg/L) 2.1 14 ≤10 PH 6.5～8 6～8 6.5～9 ABS(mg／L) ＜ l 　 ＜2 色度(倍) ＜30 　 ≤40

4.2 水力停留时间、容积负荷的对比
　　BF级与B级的总水力停留时间分别为1h、4～5h(曝气2h，沉淀2－3h)，B级的总水力停留时间为BF级的4－5倍。
　　BF级与B级的容积负荷分别为1.5kgBOD₅／m³.d、0.54kgBOD₅／m³.d，BF级容积负荷是B级的2.8倍。
4.3 工程造价、运行费用、占地面积的对比
　　经估算，BF级的工程造价可比B级节省40％。BF级的运行费用可比B级节省50％。BF级的占地面积可比B级节省66％，其中，B级曝气池水深按4m计，B级沉淀池有效水深按3m计。

5 结论

　　① A－BF法处理工艺中，一方面A级利用了短世代微生物的吸附能力，发挥了微生物生理特性的优异作用；另一方面BF级则利用了生物膜法具有高微生物保有量的特点，提高了系统内参与作用的微生物量，增加了有机物与微生物接触的机会，充分地将实现生物处理快速高效的两条途径有机地结合在一个处理工艺之中，达到了预期目的。
　　② 研究结果表明：将生物膜处理技术与过滤技术相结合，串联于高效的A级之后，以取代A－B法工艺中处理效率较低的B级，是可行的，所形成的新的处理工艺，具有处理效率高、出水效果好的突出特点。当污水的总水力停留时间为3.2h时，A-BF工艺的COD_Cr去除率在90％以上，BOD₅去除率在95％以上，SS去除率在98％以上。
　　③ A-BF工艺具有优良的出水水质。在A－BF工艺正常运行情况下，当BF级生物膜滤池以2m／h滤速运行时，其出水COD_Cr在40mg／L以下，BOD₅在10mg／L以下，SS在10mg／L以下。若再经消毒处理后，即可达到中水水质标准。当BF级生物膜滤池以4m／h滤速运行时，其COD_Cr在60mg／L以下，BOD₅在20mg／L以下，SS在30mg／L以下，达到了《污水综合排放标准》(GB8978－88)的一级标准。
　　④ 确定了BF级生物膜滤池的设计、运行参数。当要求处理出水达到中水水质标准时，BF级生物膜滤池的滤速为2m／h，水力停留时间为1h，容积负荷≤2kgBOD₅／m³·d，曝气量按气水比6：1控制；当要求处理出水水质达到《污水综合排放标准》的一级标准时，BF级生物膜滤池的滤速为4m／h，曝气量按气水比6∶1控制。
　　⑤ 确定了BF级生物膜滤池的结构形式BF级生物膜滤池为淹没式填料层间曝气滤池，采取下向流等滤速变水头过滤，以粒径为2－6mm的焦炭或陶粒作为滤(填)料，曝气管安装高度为距滤料底部25～40cm。填料充填总高度为2m。
　　⑥ A－BF工艺运行稳定，耐冲击负荷，对水质变化的适应能力强。
　　⑦ A－BF工艺流程短、构筑物少，易于实现工艺过程的设备化、装置化。研究成果还可用于小型污水处理装置的开发和设计。

6 问题讨论

　　① A－BF处理工艺所获得的令人满意的处理效果和良好的出水水质，特别是对COD_Cr的处理效果优于其它类似工艺，成为其突出的特点之一。这是由于BF级生物膜滤池中所含有的生物量较高，除大量生长、固着在滤料表面上的生物膜外，随处理过程的进行，在滤料空隙间畜积了大量的活性污泥。这些悬浮状的活性污泥在滤料缝隙之间形成了污泥滤层，在吸附、氧化降解污水中有机物的同时，还能起到很好的吸附过滤作用。因而，使得生物膜滤池不仅能以较低的污泥负荷运行达到较好的去除效果，而且整个填料层均具有较强的吸附过滤作用，从而能够更有效地去除非溶解性的有机物，使SS和COD_Cr均能得到比较彻底的去除，进而获得高质量的出水水质。
　　② 本试验由于条件所限，没能对BF级生物膜滤池中污泥的组成特性、环境条件及其作用机理等作更多的研究，有待于以后进一步的试验探索。
　　③ 由于某些客观原因及试验时间限制，使得不同曝气量的试验只进行了6∶1和8∶1两种气水比的试验，尚未取得曝气量上下限的极限数据，这也有待于今后的试验中去完善。
　　④ 本试验成果，尤其是经济指标，尚待生产性试验进一步验证，以期不断改进、提高。

参考文献
　　［1］《生物吸附－氧化法(A－B法)处理城市污水研究中间试验报告》 北京市市政工程设计研究院研究所
　　［2］《Z－A法试验实例介绍》 上海市政研究所
　　［3］《射流曝气接触氧化沉淀处理涂布废水的试验研究》 北京市市政设计研究院研究所
　　［4］《生物膜法处理城市污水》 郑元景等
　　［5］《市政工程译文》(1991年5月) 北京市市政设计研究院