曝气生物滤池的工艺流程-处理污水
目前国内流行的曝气生物滤池形式是20世纪80年代末90年代初在普通生物滤池的基础上，并借鉴给水滤池工艺而开发的BIOFOR工艺。该工艺最初用于污水的三级处理，后发展成直接用于二级处理，并派生出许多以曝气生物滤池为主体工艺的多种组合形式，组合工艺现已用于生活污水的处理，还可以用于工业废水以及饮用水微污染的处理。随着水体富营养化的日趋加剧，污水排放要求越来越严格，对污水的排放要求除磷脱氮。按照污水处理要求的不同，可将BAF工艺分为以下几类：除碳工艺；除碳/硝化工艺。除碳/硝化/反硝化工艺。除碳/除磷/脱氮工艺；反硝化/(除碳、硝化)工艺。
一、除碳工艺
对于除碳工艺，其主要目的是去除污水中的碳化有机污染物。曝气生物滤池去除污水中碳化有机物的原理，在于反应器内滤料上附着的微生物膜吸附、氧化分解水中碳化有机物的作用，以及滤料及生物膜的吸附阻留作用和沿水流方向形成的食物链的分级捕食作用。
 
图4-8是用于处理辽河油田机械修造总厂生活污水和厂区部分工业废水的强化预处理BAF工艺流程。原水先经过格栅去除粗大漂浮物，再由泵提升至强化预处理系统，即具有沉砂、除油、沉淀作用的斜管沉淀池，在其进水口投加聚合氯化铝和天然高分子油絮凝剂，出水流入中间水池并由泵提升至上向流曝气生物滤池。BAF滤池的反冲洗排水与原水混合进入预处理单元。在BAF滤池中主要是去除有机污染物。
图4-9为江苏徐州某啤酒厂年产6万吨啤洒的废水处理工艺流程，其处理规模2500t/d。废水首先进入调节池进行水质、水压调节，调节池出水由泵提升进入水解酸化池。在水解酸化池中大分子有机物在水解酸化菌的作用下，被分解为好氧微生物易于吸收的小分子有机物，同时固体有机物分解成溶解性有机物，为后续BAF的生化过程创造条件。水解池出水被提升至BAF反应器，进行除碳主反应，其出水即可达标排放。
二、除碳/硝化工艺
图4-10为BAF最早的工艺流程。原水经过混凝沉淀池去除大部分SS后进入具有除磷/硝化功能的BAF，通过BAF滤池实现去除污水中有机物和将氨氮进行硝化处理。在该工艺中，由于生物膜内层及滤料间的孔隙中厌氧内环境的存在，对TN有一定的去除率。
图4-11的工艺在本质上和图4-10的工艺没有什么区别，只是将传统物化处理的预沉池改为具有有机物降解作用的水解池。该工艺图4-11的工艺更适合于有机物浓度高、SS含量多的原水，经过水解可减少初级处理的产泥量，减少污泥处理费用。
图4-12为某纺织印染厂废水处理工艺流程。废水经过格栅去除大块的固体杂质，而后进入水解、调节池，在水解、调节池中进行水质、水量调节，并将长链、大分子的有机染料分解为小分子、短链的有机染料，以提高废水的可生化性。在气浮池中投加混凝剂去除大部分的SS，以及部分的BOD和COD，经过气浮池的废水进入BAF滤池，在BAF滤池中进一步去除前处理中没有去除的COD、BOD，同时产生硝化反应，将NH3-N转化为NO3-N。该工艺的运行状况见表。
监测结果（平均值）
| 构筑物 |
色度/倍 |
COD/(mg/L) |
BOD/(mg/L) |
SS/(mg/L) |
NH3-N/(mg/L) |
| 进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
进水 |
出水 |
| 水解池 |
562 |
104 |
837 |
813 |
290 |
272 |
316 |
299 |
1.76 |
7.42 |
| 混凝气浮池 |
104 |
66 |
813 |
542 |
272 |
195 |
299 |
120 |
7.42 |
6.42 |
| 曝气生物滤池 |
66 |
36 |
542 |
153 |
195 |
19.4 |
120 |
83 |
6.42 |
1.50 |
| 总去除率 |
93.6 |
81.7 |
93.3 |
73.6 |
|
从表中可看出，水解、调节池后的出水色度已明显降低而氨氮升高，其原因是染料在水解菌的作用下，其分子结构被打破，其中的N被还原为NH3.结果使染料的发色团消失，使度水的色度大大降低，而NH3的含量提高了。
图4-13的工艺为蚌埠市饮用水生物陶粒滤池预处理生产规模试验。将BAF滤池作为生物预处理，去除水源中的有机污染物和NH3-N，以及截留SS在澄清池中将水中的胶粒和微小的固体颗粒去除。在澄清池中被带出来的块状固体在三层滤料层中被去除。该工艺中CODcr平均去除率27.92%，浊度的平均去除率37.98%，对NH3-N的去除率能达到70%~90%。对CODmn的去除情况见下表。对NH3-N的去除情况见下下表。
生物陶粒滤池对有机物（CODmn）的去除情况
| 时间 |
进水/(mg/L) |
出水/(mg/L) |
去除率/% |
时间 |
进水/(mg/L) |
出水/(mg/L) |
去除率/% |
| 1993年11月 |
4.76-6.98
(6.02) |
4.1-6.74
(5.40) |
2.62-20.9
(9.65) |
1994年08月 |
4.6-6.37
(5.51) |
3.9-5.76
(4.83) |
10.33-22.27
(16.60) |
| 1993年12月 |
4.74-7.8
(5.59) |
3.56-7.2
(4.74) |
6-25
(12.46) |
1994年09月 |
4.44-6.47
(5.20) |
3.92-5.18
(4.42) |
8.93-20.81
(14.4) |
| 1994年01月 |
4.69-7.18
(5.89) |
4.38-6.59
(5.38) |
6-11.7
(9.22) |
1994年10月 |
4.96-6.37
(5.89) |
4.5-6.25
(5.30) |
6.44-13.1
(9.30) |
| 1994年02月 |
6.69-9.17
(8.16) |
6.52-8.59
(7.67) |
2.1-11.3
(5.83) |
1994年11月 |
4.81-6.88
(5.89) |
4.5-6.35
(5.40) |
5.14-13.56
(9.75) |
| 1994年03月 |
2.3-8.05
(6.46) |
2.12-7.4
(5.25) |
6.3-22.9
(13.6) |
1994年12月 |
6.17-9.74
(7.36) |
5.06-9.26
(6.74) |
4.59-12.8
(8.24) |
| 1994年04月 |
4.77-7.26
(6.00) |
3.48-6.3
(5.16) |
4.0-29.4
(13.8) |
1995年01月 |
5.65-8.96
(8.02) |
6.14-8.25
(7.44) |
4.01-16.81
(7.48) |
| 1994年05月 |
4.07-10.75
(6.89) |
3.52-8.91
(5.85) |
6.3-33.4
(16.2) |
1995年02月 |
6.52-7.71
(6.93) |
6.12-7.42
(6.55) |
3.2-8.2
(5.48) |
| 1994年06月 |
4.53-6.22
(5.06) |
3.35-4.58
(4.01) |
12.2-35.8
(20.5) |
1995年03月 |
6.27-7.48
(6.66) |
5.57-7.48
(6.19) |
2.23-12.59
(6.87) |
| 1994年07月 |
4.4-21.7
(6.95) |
3.71-18.82
(6.07) |
7.6-31.9
(16.4) |
1995年04月 |
7.63-9.22
(8.65) |
6.89-8.58
(8.13) |
2.95-11.96
(5.98) |
生物陶粒滤池对NH3-N的去除情况
| 时间 |
进水/(mg/L) |
出水/(mg/L) |
去除率/% |
时间 |
进水/(mg/L) |
出水/(mg/L) |
去除率/% |
| 1993年11月 |
0.5-2.0
(1.20) |
0.25-0.9
(0.58) |
33.3-67.7
(48.6) |
1994年07月 |
0.15-18
(2.05) |
0.05-10
(0.62) |
14.3-96.3
(50.6) |
| 1993年12月 |
0.6-1.0
(0.88) |
0.25-0.77
(0.46) |
29.0-69.0
(49.8) |
1994年09月 |
0.2-0.9
(0.33) |
0.05-0.15
(0.07) |
75-94.4
(85.1) |
| 1994年01月 |
1.15-3.0
(2.15) |
0.15-1.8
(1.00) |
40.0-88.0
(57.0) |
1994年10月 |
0.5-1.8
(0.77) |
0.05-0.25
(0.08) |
80-95.8
(88.2) |
| 1994年02月 |
2.45-3.6
(3.04) |
0.4-1.8
(1.07) |
50.0-88.9
(64.7) |
1994年11月 |
0.9-2.4
(1.81) |
0.1-0.3
(0.55) |
45.8-97.22
(71.46) |
| 1994年03月 |
0.75-4.1
(2.07) |
0.03-1.98
(0.54) |
63.1-97.2
(83.7) |
1994年12月 |
2.0-4.0
(2.88) |
0.3-2.7
(1.13) |
44.4-91.4
(58.8) |
| 1994年04月 |
1.255-2.08
(1.99) |
0.71-0.59
(0.2) |
63.85-95.7
(90.3) |
1995年01月 |
2.7-4.2
(3.23) |
0.6-2.5
(1.06) |
50-83.3
(67.33) |
| 1994年05月 |
0.095-6.09
(1.56) |
0-3.52
(0.78) |
22.7-100
(55.3) |
1995年02月 |
3.2-3.6
(3.47) |
0.9-1.8
(1.55) |
40-72.2
(55.24) |
| 1994年06月 |
0.7-1.8
(0.29) |
0.05-0.9
(0.14) |
25-66.7
(50.7) |
1995年03月 |
3.6-4.0
(3.65) |
1.6-2.4
(2.33) |
33-55
(45.4) |
图4-14的工艺为邯郸滏阳河水微污染生物处理改进工艺，其工艺与图4-13工艺没有本质区别，故在此不再赘述。生物陶粒滤池在不同温度下有机物和氨氮的去除效果分别见下表和下下表。
生物陶粒滤池在不同温度下对CODcr的去除效果
| 温度/℃ |
0-1 |
2-3 |
4-5 |
6-7 |
8-9 |
10-11 |
12-13 |
14-17 |
18-21 |
22-25 |
| 进水平均值/(mg/L) |
24-57 |
31.09 |
40.24 |
32.19 |
32.42 |
27.32 |
31.51 |
33.07 |
19.28 |
32.87 |
| 出水平均值/(mg/L) |
14-21 |
19.32 |
17.36 |
16.62 |
14.38 |
12.93 |
14.80 |
14.55 |
8.27 |
12.79 |
| 去除率/% |
42-16 |
47.91 |
56.90 |
48.36 |
54.26 |
52.67 |
53.01 |
56.02 |
57.11 |
61.09 |
生物陶粒滤池在不同温度下对氨氮的去除效果
| 温度/℃ |
0-1 |
2-3 |
4-5 |
6-7 |
8-9 |
10-11 |
12-13 |
14-17 |
18-21 |
22-25 |
| 进水平均值/(mg/L) |
4.22 |
1.57 |
1.22 |
1.68 |
1.6 |
1.6 |
1.3 |
1.98 |
2.02 |
1.35 |
| 出水平均值/(mg/L) |
3.17 |
0.47 |
0.21 |
0.81 |
0.14 |
0.15 |
0.094 |
0.042 |
0.05 |
0.02 |
| 去除率/% |
12.09 |
70.00 |
82.95 |
89.58 |
91.25 |
90.63 |
92.77 |
97.78 |
97.52 |
98.37 |
图4-15(a)、(b)是BAF进行微污染处理的两种组合工艺，从BA F处理饮用水的微污染工艺可以看出，BAF一般作为前处理用于去除微污染物。
三、除碳/硝化/反硝化工艺
采用BAF进行除碳/硝化/反硝化的工艺组合形式有多种，以下介绍的为主要形式。
图4-16为水解与BAF组合成的具有硝化、反硝化功能的组合形式。原水经过水解预处理理去除SS等固体杂质后进入BAF，在BAF中去除有机污染物，同时将NH3-N氧化为NO-3-N，BAF出水的一部分回流进入水解池，利用进水中的碳源，在水解池中的反硝化菌作用下实现反硝化。回流比R一般为100%-300%，该工艺是基于活性污泥法的A/O思想而产生的，属于前置反硝化工艺范畴，脱氮为泥法反硝化。
图4-17为膜法硝化-反硝化工艺，其将硝化和反硝化分别设在两座BAF中进行，工艺操作方便运行可靠。该工艺根据原水水质情况选择预沉或水解预处理，出水进入第一级BAF，在滤池中实现有机物的去除同时发生硝化反应。第一级BAF的出水进入第二级BAF进行反硝化。由于第一级BAF中的有机物去除率较高，其出水中剩余的有机物不足以供作反硝化的碳源，所以反硝化必须外加碳源(乙酸脂、乙醇、甲醇等有机物)。外加碳源的量必须严格控制，如果外加碳源量过少，会导致反硝化不彻底，TN排放不能达标；如果外加碳源过多，出水COD又有可能超标。
图4-18的工艺中将BAF用于三级深度处理实现脱氮目的，原水首先经过粗格栅去除粗大漂浮物，由泵房进行一级提升，经过细格栅，去除粗格栅没有去除的漂浮物，然后进入除油、除砂预处理系统，出水进入活性污泥反应池去除COD，同时进行硝化反应。活性污泥反应池的出水进入斜板沉淀池进行固液分离，此时出水COD、NH3-N已经达标。然后污水再进入曝气生物滤池进行反硝化，在滤池进水处同样需要外加碳源，供反硝化之用。运用此工艺的代表为法国的CERGY污水处理厂。该厂处理流量为40000m3/d，进出水水质见表。
CERGY污水处理厂进出水水质
| 污水指标 |
进水浓度/(mg/L) |
出水浓度/(mg/L) |
污水指标 |
进水浓度/(mg/L) |
出水浓度/(mg/L) |
| COS |
670 |
＜60 |
BOD5 |
350 |
＜25 |
| SS |
350 |
＜20 |
TKN |
350 |
＜10 |
该污水处理厂的处理构筑物数据如下。
a.预处理；粗格栅2台；提升泵4台。细格栅2台；除砂除油池(从池底部回收砂，从池顶部刮除油脂)2座。
b.生化处理；活性污泥反应池:1座。池容2000m3。斜板沉淀池:4座，面积85m2/座。BIOSTYR生物滤池:15座；面积63m2/座。
C.污泥处理浓缩池2座。污泥硝化池:2座(初级和二级各1个)；温度35℃；总停留时间23d；沼气产率0.9m3/kg挥发物；离心脱水机2台。
d.臭气处理；处理能力120000m3/h。
图4-18工艺最大的可借鉴之处在于它可以作为我国许多现有污水处理厂的改扩建 或中水回用工艺，使出水达到杂用水标准后回用。
四、除碳/除磷/脱氮工艺
图4-19为脱氮除磷的BAF组合工艺之一。该工艺适用于SS浓度很高的原水进行除磷脱氮，在该工艺中，BAF的出水量进行回流，以便进行脱氮。在回流方案中，如果选择R2回流方式，对BAF的形式没有特别要求，如果选择R1方式进行回流，BAF只能为厌氧、好氧区分设的生物滤池，将硝化/反硝化集中在滤池池中进行。两种回流方式都为前置脱氮，利用进水中的有机物作为反硝化碳源，既减轻了BAF好氧段的负荷，又节省了运行费用。
BAF出水进入混沉池在规沉池中实现后置除磷，可保证BAF中有充足的磷营养源。
 
图4-20为脱氮除磷的BAF组合工艺之二，在该工艺中，原水先进入混沉池，在混沉池中投加适量的除磷药剂，混沉出水与部分回流水混合进入反硝化滤池，利用原水中有机物作为反硝化碳源。反硝化滤池出水进入硝化滤池，将NH3-N转化为NO-3-N，出水部分回流，部分直接外排。该工艺流程中将硝化/反硝化分别设在两个不同的滤池中进行，仍具有单池分区前置脱氮的许多优点，同时操作比单池分区前置脱氮稳定可靠，但是该工艺投资及占地面积相对较大。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，同时在混凝沉淀池中投加除磷药剂要适量，要保证BAF中生化反应所需的剩余磷营养源。
图4-21为国外常用的除磷脱氮典型工艺，并可在旱季和雨季时切换运行方式。在该工艺中，原水先进入物化沉淀池，在沉淀池中投加化学除磷药剂，实砚除磷及大部分固体杂质的去除，沉淀池出水进入BAF/C池，在BAF/C池中主要去除原水中的有机污染物，同时截留在沉淀池中没有去除的SS，BAF/C池出水进入BAF/N池进行硝化反应，将NH3-N转化为NO-3-N。经硝化的污水再进入BAF/DN进行反硝化，在反硝化滤池的进口处外加碳源，供反硝化之用。该工艺将除碳、硝化、反硝化分别设在三个BAF中进行，由于各滤池相对独立，各自的处理目的明确，且各池中微生物优势菌种独立，因此运行稳定性和处理效果都很好。该工艺中虽然池数较多，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。该工艺适用于大水量、运行稳定要求高的生活污水处理厂。法国塞那中心COLOMBFS污水厂可谓运用该工艺的典型代表，堪称跨世纪的工程杰作。该厂的设计流量为240000m3/d，进出水水质见表。
COLOMBES污水处理厂进出水水质/(mg/L)
| 污水指标 |
进水浓度 |
旱季排放 |
雨季排放 |
污水指标 |
进水浓度 |
旱季排放 |
雨季排放 |
| COD |
600 |
＜60 |
＜80 |
NH3-N |
40 |
＜8 |
＜12 |
| SS |
360 |
20 |
30 |
TKN |
60 |
10 |
15 |
| BOD5 |
24 |
25 |
30 |
TP |
16 |
1 |
|
COLOMBES污水处理厂主要处理构筑物及设施如下。
a.预处理部分常规计量装置和格栅。
提升泵房：水泵5台。设计参数2m3/s。
除砂除油池(从池底回收砂，从池顶部刮除油脂)：6座；面积237m3/个。
斜板沉淀池：9座；面积225m2/个。
b.生化处理部分；共65座生物滤池。其中24座除碳生物滤池，每座104m2；29座硝化生物滤池BIOSTYR，每座111㎡；12座反硝化生物滤池，每座104m2；
c.污泥处理部分；浮选浓缩池:4座；直径20m。离心脱水机:10台。PYROFLUID污泥焚烧装置:一台。
d.臭气处理；处理能力每条线150000m3/h。
e.其他参数；管道35000m，直径最大达1.4m；通风管12000m铝合金风管。电缆4000000m；土方量420000m3；混凝土141000m3；框架工程12200t；电机1300台。安装功率36600kW 。
 
图4-22的工艺主要用于给水过程中对微污染水源水进行处理。原水首先进入混沉池，使水中的胶体以及微小悬浮物聚集沉淀。混沉池出水进入BAF。进一步截留混沉池没有去除的微小悬浮物，同时降解引起微污染的N、P以及石油等有机物，BAF后的砂滤池主要用于截留BAF运行中被冲刷下来的生物腆，砂滤池出水经过消毒，便能达到饮用水标准。
五、国外流行的完整BIOFOR工艺流程
完整的BIOFOR工艺流程如图4-23所示。污水经格栅、沉砂池后进入初沉池进行初步沉降，出水从底部进入第一级BIOFOR，进行BOD、COD的降解以及部分氨氮的氧化，滤池采用上向流态。第一级BIOFOR出水从底部进入第二级BIOFOR，进行剩余BOD、COD的降解及氨氮的完全氧化，接着再从底部进入第三级BIOFOR，通过在第三级滤池进水端投加碳源(如甲醇等)和化学除磷剂(如FeCI3等)，进行反硝化脱氮和化学除磷，其出水便可稳定达标或回用。该工艺中除生物滤池外，另外需建两池，一为反冲水储存池，另一为反冲排水缓冲池。BIOFOR每运行一定周期即需进行反冲洗，反冲洗水源采用正常运行时的达标排放水，反冲排水则需进入排水缓冲池，以缓冲反冲排水对初沉池造成的冲击负荷，并按定量连续的方式最终回流入初沉池。BIOFOR反冲污泥其有较强的生物活性，表现为具有一定吸附悬浮有机物颗粒的作用，可作为一种生物絮凝剂，将其回流到初沉池进水端，和原污水充分混合后，将大大有助于原污水中SS的沉降及COD的去除。
该工艺也可将脱氮作用的BIOFOR滤池置于除碳作用的BIOFOR滤池前，召硝化作用的BIOFOR滤池出水部分回流入反硝化BIOFOR内，利用原污水中的BOD作为碳源进行前置反硝化。同时在硝化BIOFOR入口处投加化学除磷剂。将化学除磷置于反硝化BIOFOR池内，如图4-24所示。此外，国外的研究表明BIOFOR工艺也可通过间歇曝气，实现生物除磷，不过目前还处于试验阶段，尚未有生产性的报道。
以上为BIOFOR全套处理工艺。根据要达到的不同出水标准，也可对BIOFOR的级数进行取舍，如仅需达到二级处理排放水标准，则只需单一级除碳BIOFOR或者除碳BIOFOR+硝化BIOFOR；如需进行反硝化处理，也可根据对出水总氮的不同要求，采用反硝化BIOFOR+除碳BIOFOR或除碳BIOFOR+反硝化BIOFOR。
德国某公司为我国某市污水处理厂设计采用两级BIOFOR工艺，出水可达到生活杂用水标准。处理量为12*10^4m3/d，其设计出水水质见表。
德国某公司为我国某市污水处理采用BIOFOR工艺设计出水水质
| 项目 |
SS |
CODcr |
BOD5 |
NH3-N |
| 数量/(mg/L) |
去除率/% |
数量/(mg/L) |
去除率/% |
数量/(mg/L) |
去除率/% |
数量/(mg/L) |
去除率/% |
| 原水 |
350 |
|
480 |
|
216 |
|
40 |
|
| 初沉出水 |
58 |
83.4 |
169 |
64.8 |
76 |
65.8 |
27 |
32.5 |
| 一级BIOFOR出水 |
14 |
75.9 |
56 |
66.9 |
17 |
77.6 |
21 |
22.2 |
| 二级BIOFOR出水 |
6 |
57.1 |
30 |
46.4 |
5 |
70.6 |
0.1 |
99.5 |
| BIOFOR去除总率 |
89.7 |
82.2 |
93.4 |
99.6 |
| 系统总去除率/% |
98.3 |
93.8 |
97.7 |
99.8 |
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