生物吸附-生物膜過濾（A-BF法）法處理城市污水研究
何彪名 劉學功 張力高
【摘要】 本文論述了A－BF法的技術特征，介紹了試驗研究成果，并將BF級與A－B法的B級作了技術經濟比較。
【關鍵詞】 生物吸附 生物膜 城市污水 處理
1 引言
污水生物處理技術雖然已取得很大發展，并且走向成熟，但人們仍在不斷致力于更加高效、低耗、占地更少的新工藝的開發和研究。
70年代德國Aachen大學B.Bohnke教授提出“生物吸附－氧化法(A-B法)”工藝，使污水生物處理技術取得了重大進展。A－B法工藝高效省能的核心在A級，即由于取消了初級沉淀池和采取低氧運行，充分地利用了短世代微生物的吸附能力，大大縮短了曝氣時間、降低了能耗。而B級曝氣池仍需按低負荷活性污泥法設計運行［1］，而且還需要后續停留時間為2－4h的沉淀池以滿足固液分離和活性污泥回流的需要。能否在A－B法的基礎上開發一種更為高效低耗的新工藝，其關鍵在于對B級進行有效的改造。
多年來探索快速高效的污水生物處理方法主要遵循兩條途徑［2］，一是發揮微生物生理特性的優異作用，如A－B法中A級就是充分發揮了短世代微生物的吸附作用以實現其快速高效率的；二是提高參與作用的微生物量，增加有機物與微生物接觸的機率，如采用高污泥含量的生物膜法［3］［4］。生物膜法具有容積負荷高、處理效果好的特點，充分利用生物膜法這一特點，將生物膜工藝串聯于A級之后，以取代低負荷的B級，并輔以過濾技術，形成“生物吸附一生物膜過濾法(A-BF法)”這就是我們進行A-BF法工藝研究的主要目的。
生物膜法是一種較為成熟的污水生物處理工藝，但由于這種工藝為防止堵塞要求進水中懸浮物和有機物濃度較低，因此使其在城市污水處理中的推廣應用受到限制。在A－BF處理工藝中，由于BF級串聯于A級之后，當其被用于城市污水處理時，盡管原污水中懸浮物和有機物濃度較高，但由于原污水經過A級處理后，懸浮物與有機物濃度均已顯著降低，從而可使進入BF級的污水滿足生物膜工藝的進水濃度要求，可保證生物膜工藝段(BF級)的穩定運行，使生物膜法的優勢在工藝中得以充分發揮，實現在較短時間內通過微生物對有機物的吸附、氧化作用、使污水得到凈化。并借鑒法國OTV公司在《TSM》(1990年No7／8)刊物上所介紹的“采用生物碳法及活性污泥法進行低溫生物處理比較試驗”資料［5］，在生物膜工藝中輔以過濾技術，省去B級二次沉淀池，這樣不僅縮短了處理工藝流程，降低工程投資、減少建設用地，而且可望提高固液分離效果，改善出水水質。
2 工藝概述
A-BF工藝的試驗研究工作分兩部分，一是小試，主要是選擇濾料、探索工藝運行條件、進行可行性試驗；二是中間試驗，進行不同工況下的運行條件試驗及處理效果試驗，確定推薦設計參數。其工藝流程如圖1。
根據小試結果可知，當濾速為2m／h(水力停留時間為1h)時以焦炭、膨脹頁巖(陶粒)為濾料的濾池，對CODCr、BOD5的去除率相近，分別為53％、51％和85％、86％。由此確定，焦炭和膨脹頁巖(陶粒)均可作為BF級濾池之待選濾料。考慮取材方便與價格等因素，在中試中選用焦炭作為濾料。
生物吸附－生物膜過濾法(A-BF法)處理工藝由A級和BF級組成，以串聯方式運行。在A-BF法的工藝研究中，A級只按A－B法研究中推薦的工藝參數運行［2］(A級曝氣時間為0.5h，混合液污泥濃度2～3g／L，池內溶解氧控制在0.1～0.7mg／L，A級沉淀池水力停留時間1.7h)，A級之后的BF級屬于生物膜工藝，通過在附著有生物膜的濾(填)料層間曝氣充氧并結合過濾工藝，構成生物膜濾池。該池為淹沒式層間曝氣，下向流等濾速變水頭過濾，以粒徑為2～6mm的焦炭作為濾(填)料，濾料充填高度2m，在此池內可同時完成生物氧化降解有機污染物與截留脫落的生物膜和懸浮物的作用。空氣從距濾料底部25～40cm處通人，一方面有利于發揮下層濾料表面生物膜的氧化降解作用，另一方面又有利于提高整個生物膜濾池的貯污能力，延長反沖周期。曝氣點以下25～40cm厚的濾層起到過濾的作用，進一步截留水中懸浮物和脫落的生物膜，完成固液分離過程。由于生物膜生長、固著在比表面積較大的濾料表面上，這就使得池中容納著大量微生物，從而在體現出容積負荷高、停留時間短的特點的同時，又能保證濾池在較低的污泥負荷下運行，為進一步氧化降解經A級處理后污水中剩余的有機污染物提供了可靠的保障，進而獲得優良處理效果，保證了出水的穩定性。
3 結果與分析
3.1 BF級生物膜濾池不同濾速下的處理效果BF級的濾速是一個重要的設計參數，其大小直接影響到BF級乃至整個A－BF處理工藝的效果。
BF級生物膜濾池在不同濾速下的處理效果(平均值)參見表1。由表1可知，隨BF級濾速的提高，即水力停留時間的縮短，BF級的處理效果及A－BF工藝總的處理效果均呈下降趨勢。濾速在2m／h及以下時，該工藝可保持優良的出水水質，出水CODCr均小36mg／L；BOD5均小于8mg／L。因此，BF級濾速為2m／h時，既可保證有較佳的出水水質，又可保持較高的處理效率。故以2m／h濾速作為BF級穩定性試驗的運行參數。
此外，從表1還可看出，當BF級濾速為4m／h、水力停留時間為0.5h時，該工藝的出水水質平均值：CODCr為57.1mg／L、CODCr為13.8mg／L、SS為15.5mg／L，仍能達到《污水綜合排放標準》(GB8978－88)的一級標準。由此也可說明本工藝在推薦濾速下仍保留有較大的耐大水量沖擊的余地。
(m／h) CODCr BOD5 SS 原水
mg／L A級
出水
mg／L BF級
出水
mg／L BF級
去除率
％ 總去除率
％ 原水
mg／L A級出水
mg／L BF級
出水
mg／L BF級
去除率
％ 總去除率
% 原水
mg／L A級
出水
mg／L BF級
出水
mg／L BF級
去除率
％ 總去
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級生物膜濾池在不同曝氣量下的處理效果BF級運行時的曝氣量是關系到運行費用的重要參數，是處理工藝的一項重要的技術經濟指標，對考察工藝的經濟合理性具有重要意義。
BF級生物膜濾池在不同氣水比下的處理效果平均值列于表2。當BF級以2m／h濾速運行時，曝氣量分別按氣水比8∶1、6∶1控制，從表2數據可知，提高氣水比處理效果雖有所提高，但變化不大，因此推薦采用氣水比為6∶1的曝氣量，既可保證有良好的處理效果，且可降低能耗，節約運行費用。
名稱
結果
項目 8∶1 6∶1 原水 A級出水 BF級出水 BF級去除率% A-BF總去除率% 原水 A級出水 BF級出水 BF級去除率% A-BF總去除率% CODCr(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級生物膜濾池的過濾工作周期BF級生物膜濾池屬于等濾速、變水頭過濾類型，其濾后水頭恒定，濾前水頭隨過濾的進行逐漸加大。一般情況下當濾前、濾后的水頭差達到1m時，一個過濾工作周期即告結束。
BF級不同濾速及同一濾速(2m／h)不同氣水比下的過濾工作周期和處理水量平均值見表3，從表3數據可知，BF級的過濾工作周期隨濾速的加大而縮短，而相同濾速下以不同氣水比(8∶1、6∶1)控制曝氣量時，其過濾工作周期處理水量基本相近。這也說明濾池的工作周期是與濾層的儲污能力密切相關的。濾層不變，儲污能力也不變，所以濾速加大，工作周期縮短而處理水量則不變。
名稱
結果
項目
原水
A級出水
BF級出水
BF級去除(%)
A-BF總去(%) 變化范圍 平均值 變化范圍 平均值 變化范圍 平均值 變化范圍 平均值 變化范圍 平均值
CODCr(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工藝及BF級生物膜濾池運行的穩定性
3.4.1 A-BF工藝及BF級生物膜濾池運行穩定性與對進水水質變化的適應性
按濾速為2m／h、氣水比為6∶1的運行條件對該工藝進行了近兩個月的運行穩定性試驗。結果列于表4。從表4不難看出，雖然原水水質變化幅度較大，但A－BF工藝和BF級生物膜濾池，仍然有較穩定的處理效果和較高的去除率，出水水質達到了較高的水平。同時也說明A－BF工藝和BF級生物膜濾池對原水水質的變化都具有較強的適應能力。
3.4.2 BF級對不同有機投配負荷的適應性
根據表4所列A級出水(即BF級進水)CODCr、BOD5值的變化范圍，可計算出BF級的有機物投配負荷變化范圍為：CODCr容積負荷3.41～8.91kgCODCr／m3·d，BOD5容積負荷為0.79～2.30kgB0D5／m3·d。由此可見，在有機投配負荷變化較大的情況下，仍能有表4所列的穩定的處理效果和高質量的出水水質，說明BF級生物膜濾池對有機物投配負荷的變化也同樣具有良好的適應性。
經多次對BF級生物膜濾池中的生物量進行測定的結果表明，BF級中的生物量較高，其在池中的平均生物量為13g干污泥／L填料，其中有機份占60％以上，同樣根據表4所列A級出水的BOD5變化范圍可計算得出BF級污泥投配負荷為0.10～0.30kgBOD5／KgVSS.d，由此表明，BF級生物膜濾池既具有較高的容積負荷，又使污泥有機負荷維持在一個較低的水平上。這也正是BF級生物膜濾池既能保持很高的處理效率，又能保持有良好出水水質的關鍵所在。
3.5 BF級生物膜濾池各項反沖洗參數的確定
BF級生物膜濾池運行一段時間以后，隨著濾池內生物的大量繁殖與截留的懸浮物質的增加，其濾層的阻力也逐漸升高，當濾層阻力達1m左右時，則需對其進行逆向氣、水反沖洗，將老化的生物膜及所截留的懸浮物質沖洗出池外以保證濾池的正常的運行。
對于反沖洗過程中氣、水的反沖洗強度應控制得當，過低達不到反沖洗的目的，過高會使生物膜嚴重脫落，造成填料層內生物量減少，以致影響處理效果，并易造成填料的破損、流失及增加不必要的反沖洗耗水量、耗電量。
濾池反沖洗采用逆向氣、水混合沖洗，反沖步驟為：氣沖－(氣＋水)沖－水沖。反沖水源為BF級生物膜濾池的處理出水，反沖排水在實際工程中可排人A級沉淀池，沉淀后與A級剩余污泥一起排出系統，其反沖耗水量占周期處理水量的5％以下，反沖時濾層的膨脹率較小，約為10％左右。
3.6 關于A－BF工藝的脫氮、除磷效果
通過對穩定性試驗期間各段氨氮、總氮、總磷的測定、統計得知，A-BF工藝對氨氮的總去除率為89.0％，其中BF級的去除率為86.5％；A-BF工藝對總氮的總去除率為39.6％，其中BF級的去除率為24.0％；A-BF工藝對總磷的總去除率為57.6％，其中BF級的去除率為36.7％。以上數據說明，雖然A-BF工藝總的水力停留時間較短，但對氮、磷仍有較好的處理效果。且脫氮除磷主要發生BF級。
4 技術經濟比較
現就幾個主要的技術經濟指標，將BF級生物膜濾池的試驗結果與A－B法工藝中B級作如下比較。
4.1 處理效果對比
BF級與B級CODCr的去除率分別為89.8％、61.7％(相對于該級進水而言，下同)；BOD5的去除率分別為93.4％、84.8％；SS的去除率分別為98.4％、81.5％。可見BF級的去除效果均優于B級，尤其是CODCr的去除率更為突出。BF級出水CODCr均值僅為22.3mg／L，遠遠低于B級，并達到了建設部雜用水和北京市中水水質標準，這在一般的生化處理工藝中是難以實現的。BF級與B級的出水水質及中水水質標準見表5。BF級生物膜濾池的出水水質除衛生學指標外均達到中水水質標準。
工藝
項目 BF級出水 B級出水 中水水質標準 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 水力停留時間、容積負荷的對比
BF級與B級的總水力停留時間分別為1h、4～5h(曝氣2h，沉淀2－3h)，B級的總水力停留時間為BF級的4－5倍。
BF級與B級的容積負荷分別為1.5kgBOD5／m3.d、0.54kgBOD5／m3.d，BF級容積負荷是B級的2.8倍。
4.3 工程造價、運行費用、占地面積的對比
經估算，BF級的工程造價可比B級節省40％。BF級的運行費用可比B級節省50％。BF級的占地面積可比B級節省66％，其中，B級曝氣池水深按4m計，B級沉淀池有效水深按3m計。
5 結論
① A－BF法處理工藝中，一方面A級利用了短世代微生物的吸附能力，發揮了微生物生理特性的優異作用；另一方面BF級則利用了生物膜法具有高微生物保有量的特點，提高了系統內參與作用的微生物量，增加了有機物與微生物接觸的機會，充分地將實現生物處理快速高效的兩條途徑有機地結合在一個處理工藝之中，達到了預期目的。
② 研究結果表明：將生物膜處理技術與過濾技術相結合，串聯于高效的A級之后，以取代A－B法工藝中處理效率較低的B級，是可行的，所形成的新的處理工藝，具有處理效率高、出水效果好的突出特點。當污水的總水力停留時間為3.2h時，A-BF工藝的CODCr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工藝具有優良的出水水質。在A－BF工藝正常運行情況下，當BF級生物膜濾池以2m／h濾速運行時，其出水CODCr在40mg／L以下，BOD5在10mg／L以下，SS在10mg／L以下。若再經消毒處理后，即可達到中水水質標準。當BF級生物膜濾池以4m／h濾速運行時，其CODCr在60mg／L以下，BOD5在20mg／L以下，SS在30mg／L以下，達到了《污水綜合排放標準》(GB8978－88)的一級標準。
④ 確定了BF級生物膜濾池的設計、運行參數。當要求處理出水達到中水水質標準時，BF級生物膜濾池的濾速為2m／h，水力停留時間為1h，容積負荷≤2kgBOD5／m3·d，曝氣量按氣水比6：1控制；當要求處理出水水質達到《污水綜合排放標準》的一級標準時，BF級生物膜濾池的濾速為4m／h，曝氣量按氣水比6∶1控制。
⑤ 確定了BF級生物膜濾池的結構形式BF級生物膜濾池為淹沒式填料層間曝氣濾池，采取下向流等濾速變水頭過濾，以粒徑為2－6mm的焦炭或陶粒作為濾(填)料，曝氣管安裝高度為距濾料底部25～40cm。填料充填總高度為2m。
⑥ A－BF工藝運行穩定，耐沖擊負荷，對水質變化的適應能力強。
⑦ A－BF工藝流程短、構筑物少，易于實現工藝過程的設備化、裝置化。研究成果還可用于小型污水處理裝置的開發和設計。
6 問題討論
① A－BF處理工藝所獲得的令人滿意的處理效果和良好的出水水質，特別是對CODCr的處理效果優于其它類似工藝，成為其突出的特點之一。這是由于BF級生物膜濾池中所含有的生物量較高，除大量生長、固著在濾料表面上的生物膜外，隨處理過程的進行，在濾料空隙間畜積了大量的活性污泥。這些懸浮狀的活性污泥在濾料縫隙之間形成了污泥濾層，在吸附、氧化降解污水中有機物的同時，還能起到很好的吸附過濾作用。因而，使得生物膜濾池不僅能以較低的污泥負荷運行達到較好的去除效果，而且整個填料層均具有較強的吸附過濾作用，從而能夠更有效地去除非溶解性的有機物，使SS和CODCr均能得到比較徹底的去除，進而獲得高質量的出水水質。
② 本試驗由于條件所限，沒能對BF級生物膜濾池中污泥的組成特性、環境條件及其作用機理等作更多的研究，有待于以后進一步的試驗探索。
③ 由于某些客觀原因及試驗時間限制，使得不同曝氣量的試驗只進行了6∶1和8∶1兩種氣水比的試驗，尚未取得曝氣量上下限的極限數據，這也有待于今后的試驗中去完善。
④ 本試驗成果，尤其是經濟指標，尚待生產性試驗進一步驗證，以期不斷改進、提高。
參考文獻
［1］《生物吸附－氧化法(A－B法)處理城市污水研究中間試驗報告》 北京市市政工程設計研究院研究所
［2］《Z－A法試驗實例介紹》 上海市政研究所
［3］《射流曝氣接觸氧化沉淀處理涂布廢水的試驗研究》 北京市市政設計研究院研究所
［4］《生物膜法處理城市污水》 鄭元景等
［5］《市政工程譯文》(1991年5月) 北京市市政設計研究院
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