經(jīng)成為一種成熟的工藝。20 世紀(jì) 70 年代，我國在城市污水處理系統(tǒng)中引入生物濾池，但由于生物濾池易出現(xiàn)布?xì)獠痪⒁锥氯?，環(huán)境衛(wèi)生較差等問題，該技術(shù)未得到廣泛應(yīng)用。

近年來，針對(duì)生物濾池存在的問題和實(shí)際工程需求，科技人員將傳統(tǒng)生物濾池不斷改進(jìn)，開發(fā)出許多新型生物濾池，如曝氣生物濾池（BAF）、反硝化濾池（DNBF）以及厭氧生物濾池（AF）等。并在國外各類水處理中得到了大量成功應(yīng)用。我國也已逐漸應(yīng)用于城市污水處理、再生水處理、農(nóng)村廢水深度處理、微污染水預(yù)處理及工業(yè)廢水處理。但是，上述新型生物濾池在國內(nèi)缺乏設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、尚無詳細(xì)明確的工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、缺乏實(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

基于此，本文綜述了3種典型新型生物濾池的工作原理、結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵性工藝參數(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，分析與探討了 BAF、DNBF 和 AF 的最新研究進(jìn)展，并綜合分析國內(nèi)外3種典型生物濾池的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀,指出新型生物濾池的應(yīng)用瓶頸及未來發(fā)展方向。

1 生物濾池的原理及類型

BAF、DNBF 及 AF 都是以濾料表面附著生長的生物膜以及濾料間隙中的生物膜為介質(zhì)生化去除污染物。基于其不同的生化功能，生物膜中的優(yōu)勢菌種分別為異養(yǎng)好氧微生物和自養(yǎng)硝化菌、缺氧反硝化菌和厭氧微生物（產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌等）。同時(shí)，BAF、DNBF 及 AF 結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵性工藝參數(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域等諸多方面也各有特點(diǎn)。BAF 和 DNBF 在結(jié)構(gòu)上略有不同，BAF 具有獨(dú)立的曝氣系統(tǒng)，而 DNBF 僅需提供缺氧環(huán)境，不需要獨(dú)立的曝氣系統(tǒng)；AF 與 BAF 和 DNBF 的結(jié)構(gòu)差別較大，BAF 與 DNBF 必須具有反沖洗系統(tǒng)，AF依據(jù)所用濾料的情況可選擇不設(shè)反沖洗系統(tǒng)，同時(shí)，AF 厭氧產(chǎn)生甲烷需要設(shè)置沼氣收集系統(tǒng)。濾料是生物濾池的核心組成部分，它對(duì)濾池投資、運(yùn)行成本和正常操作都有很大影響。BAF 濾料多以沉沒式無機(jī)濾料為主，粒徑多在 3～5 mm 范圍內(nèi)，濾料層高 3～6 m。DNBF 也以無機(jī)濾料為主，材質(zhì)可與BAF相同，但通常要求顆粒呈球形，有較大比表面積（（1～4）×104 cm2 /g）、孔隙率大（0.3%～0.4%）截污能力強(qiáng)、有較好的生物化學(xué)穩(wěn)定性，粒徑在 4～6 mm 之間，填料層高 2.5～4.5 m。早期 AF 多以石頭為填料，孔隙率小，因而濾池堵塞嚴(yán)重，隨著軟性及半軟性填料的發(fā)展，AF 的堵塞問題得到有效的緩解。BAF、DNBF 及 AF 都能承受較高負(fù)荷，與滴濾池和活性污泥法相比，BAF 可承受 BOD5 容積負(fù)荷[3]可達(dá)常規(guī)活性污泥法或接觸氧化法的 6～12 倍。

2 BAF 最新研究與工程應(yīng)用

BAF 是 20 世紀(jì) 80 年代末 90 年代初在普通生物濾池的基礎(chǔ)上，借鑒給水濾池開發(fā)的污水處理新工藝，其最大特點(diǎn)是集生物接觸氧化和過濾于一體，省去了二沉池，工藝更為簡單。BAF 工藝在科學(xué)研究與工程應(yīng)用方面已取得了顯著進(jìn)展。

2.1 最新研究

近年來，針對(duì) BAF 的研究主要集中于應(yīng)用基礎(chǔ)研究和基礎(chǔ)研究兩個(gè)方面。一方面，旨在解決曝氣生物濾池設(shè)計(jì)與運(yùn)行問題，針對(duì)影響濾池運(yùn)行效果的關(guān)鍵性因素，如，濾池啟動(dòng)方式、進(jìn)水負(fù)荷、曝氣量及反沖洗方式等方面的研究；另一方面，探索將曝氣生物濾池與短程硝化、同步硝化反硝化等新脫氮理論結(jié)合，以進(jìn)一步改進(jìn)與完善生物濾池工藝。

2.1.1 關(guān)鍵性影響因素

濾料特性（材料、粒徑、孔隙度、表面粗糙度、表面電位、密度等）直接影響生物膜的形成。一般而言，表面粗糙、帶有正電荷且具有親水性的圓形填料有利于微生物附著生長。BAF 的填料粒徑越大堵塞問題相對(duì)較輕，運(yùn)行周期也較長。

BAF 啟動(dòng)主要有接種掛膜法、自然掛膜法。濾料、污水水質(zhì)、溫度等對(duì)掛膜時(shí)間均有影響。許多研究結(jié)果顯示在室溫條件下，BAF 成功啟動(dòng)一般需約1個(gè)月的時(shí)間。負(fù)荷是 BAF 設(shè)計(jì)與運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，有機(jī)負(fù)荷過高，異養(yǎng)菌迅速繁殖，而使得硝化細(xì)菌生長受到抑制。當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷控制在 1.5 kg/（m3·d）以內(nèi)，才能保證較充分的硝化反應(yīng)。同時(shí)，由于 BAF中首先降解有機(jī)物，而后進(jìn)行硝化，當(dāng)水力停留時(shí)間較短時(shí)，硝化細(xì)菌將很難在生物膜中富集。溶解氧（DO）在生物膜系統(tǒng)中的傳質(zhì)阻力較大，氣水比對(duì) BAF 去除效果也有較大影響，尤其是對(duì)氨氮去除影響較大，這主要是由于硝化細(xì)菌對(duì)氧敏感，增大氣水比可以強(qiáng)化硝化效果，處理污水保障氨氮去除率的氣水體積比應(yīng)在 3～5:1。

反沖洗過程主要有兩方面作用，一方面，及時(shí)更新生物膜，排放過量生長的微生物；另一方面，防止過量生長的生物膜堵塞濾池，防止濾池出現(xiàn)板結(jié)等問題，保證正常的過水性能。此，反沖洗周期和強(qiáng)度與歷時(shí)對(duì)于保證 BAF 的穩(wěn)定高效運(yùn)行至關(guān)重要，濾池一旦反沖洗出現(xiàn)問題，輕則影響出水水質(zhì)，重則導(dǎo)致濾池?zé)o法正常運(yùn)行。BAF反沖洗方式通常采用氣-水合反沖洗，氣沖強(qiáng)度為 12～20 L/(m·2 s)，水沖強(qiáng)度為 4～10 L/(m2·s)。

2.1.2

BAF 與新脫氮理論結(jié)合，近年來，許多學(xué)者研究 BAF 運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)了同步硝化反硝化、短程硝化反硝化等不同于傳統(tǒng)脫氮過程的現(xiàn)象，并以此為基點(diǎn)，通過運(yùn)行參數(shù)調(diào)控等手段，在 BAF 中實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化和短程硝化反硝化等新型脫氮方式。BAF 濾料表面的生物膜上存在基質(zhì)和 DO 的濃度梯度，DO 濃度在生物膜上由外向內(nèi)呈遞減趨勢，因而生物膜上形成了好氧、缺氧、厭氧的微環(huán)境，為異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌和厭氧菌等提供生存條件，也為微生物進(jìn)行同步硝化反硝化提供場所。目前對(duì)同步硝化反硝化技術(shù)的研究主要集中在 SBR、RBC、生物流化床、氧化溝等。有學(xué)者研究在 20～28℃、DO 質(zhì)量濃度為 0.8～1.5 mg/L的條件下同步硝化反硝化效果最明顯。BAF 中同步硝化反硝化的脫氮效果易受進(jìn)水碳氮比和 DO 濃度的影響[15]，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化 DO 質(zhì)量濃度需控制在 1.5 mg/L以下，然而，受 BAF 結(jié)構(gòu)的影響，曝氣阻力較大，相應(yīng)的所需供氧壓力較大，因此，難于控制低 DO 濃度，此方面需要尋求更好的解決途徑。

短程硝化反硝化將氨氮僅氧化為亞硝酸鹽氮，而后直接進(jìn)行反硝化。目前實(shí)驗(yàn)室條件下雖通過控制溫度、pH 和 DO 等途徑已實(shí)現(xiàn)城市污水的短程硝化反硝化工藝，實(shí)際工程中該工藝僅用于污泥消化上清液、垃圾滲濾液等高氨氮廢水處理，而城市污水處理中難以大規(guī)模推廣。該工藝目前主要在SBR、A2/O等活性污泥法處理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，但研究發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽累積濃度過高時(shí)，由于游離亞硝酸的抑制作用，易發(fā)生污泥膨脹問題。BAF 等生物膜處理系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽累積，且無污泥膨脹等問題。目前，已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)該工藝中可實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽累積，但如何保證該工藝中穩(wěn)定的亞硝酸鹽累積尚需進(jìn)一步研究。

2.2 工程應(yīng)用

隨著人們對(duì) BAF 研究的深入和實(shí)際工程的需求，該工藝已從設(shè)計(jì)、運(yùn)行及相關(guān)設(shè)備等方面得到了不斷的提高和改進(jìn)，目前，該工藝已成為一種具有適應(yīng)性強(qiáng)、出水水質(zhì)高、占地面積小且可自動(dòng)化運(yùn)行等諸多優(yōu)點(diǎn)的重要水處理技術(shù)。在工程造價(jià)方面，與傳統(tǒng)活性污泥法相比 BAF 也有很大的技術(shù)優(yōu)勢，其占地面積是傳統(tǒng)工藝的 1/5～1/10，曝氣量降低 30%～40%，一次性投資降低 25%，運(yùn)行費(fèi)用降低 20%。

3 DNBF 最新研究與工程應(yīng)用

DNBF 是在 BAF 基礎(chǔ)上改進(jìn)的生物濾池，早期該工藝被當(dāng)作具有反硝化作用的 BAF，隨著近年來該工藝在污水廠升級(jí)改造和再生水深度處理中的重要作用，以及與 BAF 的顯著區(qū)別，才作為一種工藝單獨(dú)提出。在 20 世紀(jì) 70 年代，DNBF 多用于污水二級(jí)處理，近年來，為了滿足最大日負(fù)荷總量的要求，歐美等發(fā)達(dá)國家在中水回用廠中引進(jìn) DNBF以提高出水水質(zhì)。我國 DNBF 用于再生水處理剛剛起步，有關(guān) DNBF 的研究多側(cè)重于工藝影響因素方面，旨在確定關(guān)鍵性設(shè)計(jì)與運(yùn)行工藝參數(shù)。目前，我國部分污水處理廠的升級(jí)改造已采用該工藝，已有建成并投入運(yùn)行的 DNBF工程實(shí)例。

3.1 最新研究

碳源類型及投加量是影響反硝化的關(guān)鍵性因素之一。許多學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)碳源研究比較時(shí)發(fā)現(xiàn)以甲醇的反硝化效果為最佳，其次為乙酸、葡萄糖。雖然傳統(tǒng)碳源如甲醇、乙酸鈉、葡萄糖等都在工程上應(yīng)用廣泛，但它們都存在一些不容忽視的缺點(diǎn)。甲醇具有毒性，因此運(yùn)輸困難，運(yùn)營成本較高；乙酸鈉會(huì)引起明顯的亞硝酸鹽積累[19]；葡萄糖的反硝化效果和速率不如甲醇等低分子有機(jī)物，其最佳碳氮比為 6～7，比甲醇高得多，且反硝化速率較甲醇的慢 4 倍，出水中也存在亞硝酸鹽積累現(xiàn)象。近年來, 人們又致力于開發(fā)一些新型碳源，如纖維素類固體有機(jī)物（麥秸、棉花等）。但是有研究表示纖維素類碳源反硝化效果不穩(wěn)定，易受到進(jìn)水負(fù)荷及 HRT 的影響。Tak-Hyun Kim等人采用加堿水解和 γ 射線照射方法從廢棄活性污泥中回收有機(jī)碳源。此外，有學(xué)者建議采用混合碳源取代單一碳源，彌補(bǔ)后者成本高、運(yùn)輸困難等各種問題。合適的碳源投加量有利于 DNBF 高效運(yùn)行。投加量過大會(huì)直接導(dǎo)致出水 COD 過高，過小又難以保證反硝化效果。碳源投加控制是 DNBF 需要解決的關(guān)鍵性問題，目前國內(nèi)尚未成功解決該問題。理論上達(dá)到完全反硝化所需的 C /N為3～4，但在實(shí)際工程中生物膜的生長狀態(tài)、碳源種類及操作條件等因素都會(huì)影響碳源利用，因此實(shí)際工程中的 C/N一般大于 4。此外，HRT 與溫度也是影響反硝化效果的因素。HRT 與反。反硝化細(xì)菌最合適的生長溫度為 20～35℃，低于 15℃雖然反硝化速率降低，但是在冬季，工程上可采取降低負(fù)荷、增加水力停留時(shí)間等措施保證反硝化效果。

反沖洗過程是保證 DNBF 的穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵性因素，由于 DNBF 效率較高，反硝化菌生長迅速等原因，DNBF 的反沖洗周期均低于 BAF，采用甲醇為碳源，硝酸鹽去除負(fù)荷為 2 kg/(d·m3)，反沖洗周期為 1 d，反沖洗周期過長將導(dǎo)致出水 SS 升高。DNBF 反沖洗方式與 BAF 相同，通常采用氣-水聯(lián)合反沖洗，氣沖強(qiáng)度 10~18L/(m2·s)，水沖強(qiáng)度4～8 L/(m2·s)。

3.2 工程應(yīng)用

DNBF 既可用于污水處理，也可用于污水深度脫氮處理，還可以與硝化濾池、砂濾池和機(jī)械過濾技術(shù)等相結(jié)合用于再生水的生產(chǎn)。相比物理化學(xué)法脫氮，DNBF 在運(yùn)行管理和投資耗費(fèi)上更有優(yōu)勢]。依 DNBF 在工藝中位置的不同，可分為前置反硝化和后置反硝化。前置反硝化工藝設(shè)有回流系統(tǒng)，可使濾池獲得較高濾速，減少后續(xù) CN 池的數(shù)量，出水 TN 質(zhì)量濃度在 3～5 mg/L，但能耗高，必須控制DNBF 進(jìn)水DO不能過高；后置反硝化工藝無需回流系統(tǒng)，動(dòng)力消耗少，同時(shí)反硝化速率較高，出水TN含量可達(dá) 3 mg/L以下，但通常需要外加碳源，成本相對(duì)較高。當(dāng)污水或二級(jí)生物處理出水中有大量的可利用碳源，且出水水質(zhì)對(duì)總氮去除要求較高時(shí)可選用前置反硝化工藝；而當(dāng)進(jìn)水中總氮，尤其是硝酸鹽氮較高，水中缺乏或幾乎沒有可利用有機(jī)碳源，同時(shí)對(duì)出水 TN 要求較嚴(yán)格時(shí)多采用后置反硝化工藝。