龚 起，顾 平

（黑龙江省环境监测中心站，黑龙江哈尔滨150036）

良好的水环境是构建和谐社会、维持社会经济可持续发展的重要物质基础。为解决全球普遍存在的水资源危机，我们应当树立全民意识，一方面科学合理的利用水资源，另一方面，就是采取切实可行的策略保护水资源，避免水环境的进一步污染。城市污水是天然水体的主要污染源之一，在污水排放前采取一定的技术进行处理，将其中对水体有危害的污染物去除，是保护水环境的必要手段之一。目前，普遍的城市污水处理方法有化学处理法，物化处理法和生物处理法，应用已经很广泛，各有利弊，但是效果褒贬不一。因此，研究出创新性的，能结合各种方法优点的污水处理工艺已经迫在眉睫。

1 曝气生物滤池工艺的特点

1.1 曝气生物滤池的产生和发展

曝气生物滤池是二十世纪80年代在普通生物滤池的基础上而开发的新型污水处理工艺。最初曝气生物滤池是用于城市污水的深度处理，后来经过发展，目前，已广泛用于污水的二级生物处理。自80年代在欧洲检测世界上第一座以曝气生物滤池为主题的污水处理厂后，该工艺开始在欧美等发达国家流行。目前，世界上已有数百座采用曝气生物滤池的污水处理厂。曝气生物滤池也从最初的单一工艺逐渐发展成系列组合工艺，能有效去除水中的悬浮物、COD、BOD5，还可进行硝化、脱氮除磷，并具有去除有毒有害物质的作用。

曝气生物滤池最大的优点就是将生物降解作用和悬浮固体的截留作用置于同一个反应器中完成，这样可取消后续的二沉池，并节省了污泥回流系统，使处理工艺显著简化。此外，曝气生物滤池可承载较高的有机物负荷和水力负荷，且水力停留时间较短，具有能耗和运行成本低、操作管理简单、出水水质优良等优点[1-4]。

曝气生物滤池基于普通生物滤池而发展起来的，可看做是普通生物滤池的一种变形，也可看做是生物接触氧化法的一种变形。在曝气生物滤池中，装填比表面积较高的颗粒性填料，为微生物的生长繁殖提供所需的载体，在滤料底部进行鼓风曝气，空气、污水、和填料上生物膜三相接触，通过生物作用将污染物降解，同时颗粒状填料也可起到过滤截留的效果。

自90年代开始，我国也开始对曝气生物滤池技术开展相关研究[5-7]，目前已将该技术成功应用于多个大、中、小型的污水处理工程。曝气生物滤池的特殊有点受到学术界与工程界越来越广泛的青睐。

1.2 曝气生物滤池形成过程及特点

1.2.1 生物膜的形成 生物膜属于高度亲水的异质体系，在膜表面以及一定深度的内部生长着大量的微生物和微型动物，并形成有机污染物-细菌-原生动物-后生动物的食物链。

生物膜是由大量微生物构成的粘性物质。当污水在载体表面流过时，微生物和载体表层富含的物质相结合，并且固定。于是，载体表面逐渐形成了微生物膜，即生物膜[8]。同时，污水源源不断的流经载体，污废水中富含的有机物质作为微生物的生长的底物。通过水体搅动以及外加曝气，O2在微生物膜内部得以传递、扩散等，这些均利于微生物对有机底物的氧化降解作用的进行。同时，生物膜中也拥有大量丝状菌，它们相互交织并延伸于废水中，使得生物膜以立体结构存在于载体表面。

根据Characklis 的研究，经过物理、化学和生物过程复合作用，在载体表面逐渐积累形成生物膜。该过程主要包括：

（1）含有机底物的废水流经载体，使得生物膜吸收到有机质；

（2）含浮游微生物的废水流经载体，浮游微生物表面在载体表面形成不可逆吸附；

（3）生物膜内部的各种微生物对废水中有机物、氮磷等物质的利用与转化。

当污废水中含有充足的营养物（如可生化有机物、氮磷）、微量元素和O2时，微生物在载体表面迅速生长繁殖。此外，微生物通过新陈代谢不断形成大量的分泌物，如胶质粘膜。微生物将会在这些分泌物组成的粘膜中生长繁殖。该过程使得微生物能够在载体表面向水体中不断延伸。该生长过程的结果，即生成不断加厚的生物膜。但是，当生物膜的厚度达到一定数值时，溶解氧便无法穿透生物膜内部，于是，在生物膜的最深处，形成了厌氧区，该处只有厌氧菌存活。因此，长时间运行的水处理工艺中，典型的微生物膜由两层构成，即好氧层和厌氧层。当然，其中也有大量的兼性微生物存在。但是好氧层的厚度通常有2mm 左右。好氧层中的微生物由于能直接获得大量的营养物质和氧气，生长繁殖迅速，相对于厌氧层的微生物，好氧层的微生物能够降解去除水体中大多数的有机物；相对的，生长于生物膜内部的微生物只能获得相对少量的营养物质，氧气也较少或者无法获得氧气，好氧微生物生长代谢受到抑制，逐渐被厌氧微生物和兼性微生物取代，形成了厌氧层。当然，厌氧微生物以及兼性微生物只有在生物膜形成一定厚度，氧气难于到达的时候才逐渐形成。随着厌氧微生物的大量繁殖，厌氧层也逐渐加厚[9]。

一系列的营养物质和气体的传递发生于生物膜内部、外部，以及生物膜与水层之间。通过水体自然搅动或者外加曝气使溶解氧进入水体并进入流动水层内部，融入的氧气又通过附着水层到达生物膜，为好氧微生物提供电子受体；污废水中营养物质则通过流动水层传递给附着水层，最后渗入微生物膜，在此，大量微生物进行新陈代谢将营养物质吸收转化，实现了水体的净化、污染物的去除和降解。微生物的部分代谢产物CO2、H2S、NH3等气体融入水层并随着水体流动进入水体表面的空气。而水分子则随着附着水层流入流动水层。此时的生物膜即成熟的生物膜，特点是沿着水流方向形成生物膜，膜上由细菌、丝状菌等多种微生物甚至原生动物组成。这些生物在生态系统方面达到稳定和平衡。体现在水处理工艺方面，即有机物、氮磷等污染物的降解和去除效果最好，出水水质稳定。一般来讲，生物膜由最开始附着到稳定成熟，需经历潜伏和生长两个阶段。常规的城市生活污水生物膜法处理过程中，常温下（约20℃），历经20～30d 才能形成成熟的生物膜。

但随生物膜上的生物不断繁殖壮大，生物膜内部生长的厌氧菌群代谢产物也不断增加。这些物质排出生物膜的过程中，影响了好氧层微生物的生存环境，削弱了生物膜的上的微生物生存环境的平衡性。同时，大量气态代谢产物的不断排出，使得微生物附着于非生命载体物质上的固定能力不断变弱，变得易于从载体上脱落。此时的生物膜上的环境对微生物生长并不利，主要体现在水处理工艺效果，即净水效能较差。此时的生物膜也称作老化生物膜。当生物膜固定于载体的固定能力无法抵消水流、曝气等的冲击，便从载体表面脱落，而新的生物膜将逐渐在裸露的载体表面形成。同上述过程一样，新生的生物膜同样经历膜的加厚、厌氧层的形成等这一周期过程，达到净水能力的高峰，即成熟的生物膜，随后再次老化脱落。

1.2.2 生物滤池法除臭能力 生物滤池具有安全可靠的除臭效果，可获得接近100%的去除率。生物滤池用于污水处理过程中，降解产生的臭气经过气体收集装置集中送到生物滤池除臭单元，臭气通过微生物的生物滤层时，微生物通过对臭味物质的吸收、降解以及吸附作用将污染物降解为CO2、水分子、H2SO4、HNO3等无机易降解物质。

1.3 曝气生物滤池存在的问题

曝气生物滤池是在普通生物滤池的基础上发展起来的。普通生物滤池在实际应用中表现出多种缺陷：

（1）如采用下向流方式，通过池底自然通风，气水在滤池中逆流而行，容易在滤料中形成气泡，产生局部堵塞的现象；

（2）污水自上而下流经滤池，污水中的固体物质容易积聚于滤池表面，容易造成滤池的堵塞；

（3）采用自然通风供氧，受水温气温、滤池高度、滤料尺寸等影响较大，容易造成供氧不足、影响污水处理效果。

因此，为解决普通生物滤池在应用中存在的这些问题，可采用上向流的曝气生物滤池运行方式，即气水平行上流的流态和鼓风机曝气技术，保证供气充足、气水混合均匀，该运行方式可有效阻止气泡在滤料上的堵塞。与此同时，污水中的固体污染物能被空气卷入滤床深处，提高滤池的固体负荷率，延迟反冲洗周期，进而降低了反冲洗的频率与能耗。

此外，与普通生物滤池相比，曝气生物滤池可对滤床进行反冲洗。普通生物滤池不具备反冲洗系统，滤料堵塞之后只能移到滤池外进行清洗，或者更换滤料，操作管理复杂，费用较高，也导致滤池停用时间的延长，有时甚至需要几天的时间。而曝气生物滤池采用上向流的形式，在需要进行反冲洗的时候只需人工或自动调高水量、气量，即可实现对滤床的清洗，是滤料上老化的生物膜以及截留的固体杂质冲出滤池之外。

2 反硝化脱氮工艺特点

在水体中，氮的主要存在形态为有机氮和无机氮两种。（水中的有机氮和无机氮之和统称为总氮，而氨氮和有机氮又称为凯氏氮。）有机氮包含蛋白质、尿素、氨基酸、多肽等，来源于生活污水、工业废水（如羊毛加工、制革、印染等）、农业废弃物（农作物、牲畜等）。在微生物降解的作用下，有机氮可转化为无机氮。无机氮主要有氨氮、亚硝酸氮和硝酸氮3 种形式，这三者统称为氮化合物。水体中一部分的无机氮是源于有机氮的微生物分解，另外有一部分是由于施用氮肥的农田排水和地表径流，和某些工业废水（如焦化废水、化肥生产废水）的排放。

当将氮化合物含量较高的污水直接排放时，会对环境造成危害[10]，例如，氮化合物含量较高时会导致水体的富营养化；氨氮降解时会消耗水体的溶解氧；氮类物质会使水体产生一定的色度和气味；最近，富营养化导致的藻毒素问题也引起人们的重视。此外，若将氮含量超过1mg·L-1的水用于农田灌溉是，一些农作物可能会因为过量吸收水中的氮而产生贪青倒伏的现象。

2.1 反硝化过程

水中氮类物质的反硝化反应是由一群异养型的微生物完成[11,12]，在缺氧的条件下，这些微生物将亚硝酸盐氮和硝酸盐氮还原成气态氮（N2）或N2O、NO[13]。参与这一生化反应的微生物就是反硝化细菌，这种细菌在自然界中几乎无处不在，污水处理系统中常用的的反硝化细菌有变形杆菌、假单胞杆菌、小球菌等。这类反硝化细菌在有溶解氧的条件下，利用氧进行呼吸，对有机物进行好氧降解；而当水中没有分子氧、而存在硝酸盐氮和亚硝酸盐氮时，则可以硝酸盐根和亚硝酸盐根作为电子受体，从而实现对氮类物质的反硝化去除[14-16]。反硝化过程以异化作用为主，其去除的氮约占总去除量的70%～75%。

反硝化分为三级生物脱氮系统、二级生物脱氮系统和一级生物脱氮系统。所谓三级生物脱氮系统，是指污水连续经过三个单元生物处理装置，依次完成各项净化功能，最后一级实现反硝化脱氮。其中每个单元处理装置都有自己的反应池：第一级为曝气池，第二级为硝化池，第三级为反硝化池，以及二沉池和污泥回流系统等。

该工艺的优点是不同功能的菌属如好氧菌、硝化菌和反硝化菌分别生长在不同的单元构筑物之中，可根据各自的特点调节最适宜的生长环境和工况条件，所以生化反应速度较快；并且由于不同微生物种属构成的污泥分别在不同的沉淀池中进行沉淀分离和回流，因此运行管理比较方便，灵活性和适应性较大，容易进行掌握，运行效果也较好。但是这种三级生物脱氮系统所需的处理构筑物和设备较多，因此造价高、整体管理较为复杂，目前在实际工程中的应用已经越来越少了。

二级生物脱氮系统。这种二级系统将对有机物的氧化和对氨氮的硝化两个过程置于第一级反应器中同时完成，混合液经沉淀后在第二级中进行反硝化脱氮，然后进入最终沉淀池，进行泥水分离。二级生物脱氮系统的优点与三级生物脱氮系统较为类似，但是减少了一个中间沉淀池，整体工艺有所简化。

单级生物脱氮系统。此种系统的特点是在工艺流程中不设置中间沉淀池，仅在工艺的末位设有一个最终沉淀池。该工艺对有机污染物的去除以及氨化反应和硝化反应在同一构筑物内进行，从该构筑物流出的混合液不经过沉淀而直接进入缺氧池，利用反硝化细菌进行反硝化反应。所以该工艺的流程简单，处理构筑物和设备较少，克服了上述三级、二级生物脱氮系统的缺点，使得工程造价和运行管理复杂程度均有所降低。但是，该单级生物脱氮系统也存在着用于反硝化的有机碳源不足、难以进行调控、难以保证出水水质等问题。

2.2 前置反硝化工艺特点

以上的生物脱氮系统都是遵循污水有机碳氧化、氨化硝化、反硝化的顺序进行的。这种对污水顺序进行处理的3 种系统都需要在硝化阶段投加碱度、而在反硝化阶段投加碳源有机物，使得运行费用增高。

因此，在80年代后期研究人员对脱氮工艺进行了改进，产生了前置反硝化工艺，即将反硝化单元置于系统之首。原污水和回流污泥首先同时进入位于系统初始的缺氧池，同时，一部分后续好氧池内已充分反应的硝化液也回流至该缺氧池（可称之为内循环或硝化液回流）。缺氧池内的反硝化菌以原废水中的有机碳为电子供体、以回流液中的硝酸盐（或亚硝酸盐）为电子受体，将硝态氮还原为气态氮，从而完成反硝化脱氮过程。在此之后，混合液进入到后续好氧池，再完成有机物氧化、硝化反应等反应[17-19]。

由于原污水是直接进入到系统之首的缺氧池，因此为缺氧池的反硝化反应提供了足够的有机物碳源，不需要再外投碳源，既节省了运行成本，又保证了反硝化过程对C/N 比的要求。缺氧池设置于好氧池之前，反硝化过程也会消耗一部分的碳源有机物，减轻了后续好氧池的有机负荷，减少好氧池中有机物氧化和氨氮硝化所需的溶解氧量[20]。

在该前置反硝化系统中，缺氧池反硝化反应所产生的碱度也可以部分补偿后续好氧池中硝化反应所消耗的碱度，因此，对于含氮浓度不高的污废水，可不必另行投加碱度[21]。

前置反硝化系统将好氧池设置在缺氧池后，可以进一步去除反硝化残留在水中的有机污染物，使出水水质得以改善。而且该流程相对简单，省去了中间沉淀池，构筑物数量减少。

前置反硝化脱氮系统的好氧池和缺氧池可以合建在同一构筑物内，用隔墙将两个不同功能的池体分开即可；当然也可以建成两个独立的构筑物，以满足不同的生物处理功能需求[22-24]。

3 前置反硝化曝气生物滤池工艺的可行性分析

3.1 工艺的技术选择依据

污水处理是一项侧重环境效益和社会效益的工程，在建设和实际运行中常常受到资金的限制，因此，选择经济有效、成熟、可靠的污水处理技术是关键。一般的项目的技术选择积于以下几点：

（1）环境特征及要求 多数的公司经过多年的发展，可使用的征地已较少，而公司的生产生活区比较集中，欲建设的污水处理厂只能在厂区、生活区周边选择，既要使建设的污水处理厂出水水质达到国家标准、满足纳污水体的要求，又要使污水处理厂投资少、占地面积小、运行成本低、产生的异味小、不影响周边居民的正常生产生活。

（2）水质特点 很多工厂在生产生活过程中产生的废水由生产废水和生活污水组成，生产废水经相应的废水处理设施处理后，通过独立的排水系统排入外环境。生活污水经生活污水管网，未经处理直排附近河道，如果欲处理的废水为单一的生活污水，要经化验分析，若B/C 在0.5～0.6 之间，可生化性好。也可以申请质量安全环保处组织相关部门和单位经过多次考察、专题研究、聘请专家对可选择的污水处理工艺进行详细论证。

（3）国内生活污水处理工艺现状 目前，我国已建成的生活污水处理厂大多采用传统活性污泥法及其变形工艺、氧化沟工艺、AB 工艺、SBR 工艺等，活性污泥法已成为污水处理的主体技术，随着人口的不断膨胀和经济的飞速发展，水体污染问题已对人类的生存和经济的发展构成了威胁，因此，各国对污水处理要求越来越严格，虽然这几种处理工艺处理的水质都能达到排放水的一般要求，但其投资和占地面积大，难于管理，部分工艺处理负荷低、运行启动慢、经常出现污泥膨胀、耐冲击能力差等诸多问题。90年代以来，废水生物处理新工艺、新技术的研究、开发、应用取得了长足进展，各种新工艺应运而生，其共同特点是高效、稳定、节能，并具有脱氮除磷等多种功能。

曝气生物滤池具有同时完成生物处理与固液分离，占地面积小，工程投资和运行费用低等优点，并可通过调整滤池结构形式而成为具有脱氮除磷功能的组合工艺。在保证处理效果的前提下使处理工艺简化，同时，BAF 工艺有机负荷高、水力负荷大，水力停留时间短，能耗、运行成本低，出水水质高，在污水处理过程中不易产生污泥膨胀现象。而传统的活性污泥法占地面积较大，SBR 工艺虽然省去二沉池，但由于生化部分为敞开式，污水处理过程中产生的臭味对周边环境影响较大。

根据以上分析，结合某些实际工厂的环境特征、纳污水体水质要求、生活污水水质特点以及各种处理工艺的比较，最终确定曝气生物滤池工艺处理生活污水的可行性。

3.2 前置反硝化曝气生物滤池工艺的可行性分析

国内流行的曝气生物滤池形式是在普通生物滤池的基础上，借鉴给水滤池工艺发展起来的，BAF工艺有除碳工艺、除碳/硝化工艺、除碳/硝化/反硝化工艺、除碳/除磷/脱氮工艺等多种类型的组合工艺。

除碳工艺主要去除污水中碳化有机物；除碳/硝化工艺主要去除污水中有机污染物，并将硝化处理；除碳/ 硝化/ 反硝化工艺主要有水解+BAF 法和膜法硝化反硝化法，主要用于去除有机污染物并实现脱氮目的。水解+BAF 工艺是基于活性污泥A/O 思想，属泥法脱氮,膜法硝化反硝化法是将硝化反硝化分别设在两座BAF 池中进行，需外加碳源，其加入量较难控制。

我国南方城市生活污水处理厂多采用水解+曝气生物滤池处理工艺，东北地区多采用DC+N 曝气生物滤池法，大连马栏河、大庆西城、哈尔滨太平、大庆东城污水处理厂扩建部分均采用DC+N 曝气生物滤池处理工艺，出水虽能达标，但TN 不达标。

曝气生物滤池反硝化系统主要有前置反硝化和后置反硝化。随着曝气生物滤池工艺研究的深入，国内外都有试验和报道证明：BAF 在运行过程中存在同步硝化反硝化现象，综合比较如下：

（1）BAF 同步硝化反硝化对TN 的去除效果不理想，脱氮率仅为30%左右，脱氮的稳定性较差。

（2）后置反硝化BAF 工艺对TN 的去除效果较同步硝化反硝化效果好，但需外加碳源，其优点是由于外加碳源可使反硝化速率大大提高。但存在的问题是外加碳源的投加量较难控制，且运行管理要求较高，同时，为确保去除剩余的碳源，需设置后曝气来降解。在国外，多数的工程应用主要采用后置反硝化。

（3）前置反硝化BAF 工艺脱氮效果最好，在碳源充足的情况下，脱氮率可达80%～90%。但需严格控制回流污水带来的DO 含量及回流水量，其运行控制较为复杂，因此，国内外污水处理中不选用前置反硝化。

由于一些项目具有脱氮除磷要求，因此在工艺选择上，经过大量的水质分析和技术论证，根据受纳水体要求，对BAF 工艺流程、工艺参数进行了充分的研究和优化组合，大胆地将前置反硝化原理应用于BAF 工艺中，用于处理生活污水。经过长期运行，前置反硝化BAF 工艺在生活污水处理中取得了良好的效果，实践证明，前置反硝化BAF 不但具有较高的脱氮效果，而且对高浓度的COD 具有快速降解作用，可谓一举两得。

4 结论

传统的曝气生物滤池形式，包括除碳工艺、除碳/硝化工艺、除碳/硝化/反硝化工艺、除碳/除磷/脱氮工艺等多种类型的组合工艺流行多年，可以解决一些污水治理的问题，但是需要的外加条件较多，比如附加碳源等等，造成操作上某些环节难以控制。而目前的一些改进形式如水解+曝气生物滤池处理工艺，DC+N 曝气生物滤池法等，出水-N 虽能达标，但TN 不达标。并不能达到理性效果。所以探索出一条不同于前人的新的思路是今后研究的重点。本文讨论了同步、前置和后置反硝化工艺结合曝气生物滤池的处理效果，创新性的将前置反硝化原理应用于BAF 工艺中，用于处理生活污水，经过一段时间运行，中试效果良好，脱氮能力很强，并且COD 降解速度加快。根据本文的结论，前置反硝化曝气生物滤池工艺具有很强的可行性，可以根据具体情况，大面积投入使用。

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