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?、易堵塞，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)計經(jīng)驗(yàn)、尚無詳細(xì)明確的工藝設(shè)計準(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，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，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 BAF 的研究主要集中于應(yīng)用基礎(chǔ)研究和基礎(chǔ)研究兩個方面。一方面，旨在解決曝氣生物濾池設(shè)計與運(yùn)行問題，針對影響濾池運(yùn)行效果的關(guān)鍵性因素，如，濾池啟動方式、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較輕，運(yùn)行周期也較長。

BAF 啟動主要有接種掛膜法、自然掛膜法。濾料、污水水質(zhì)、溫度等對掛膜時間均有影響。許多研究結(jié)果顯示在室溫條件下，BAF 成功啟動一般需約1個月的時間。負(fù)荷是 BAF 設(shè)計與運(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，由于 BAF中首先降解有機(jī)物，而后進(jìn)行硝化，當(dāng)水力停留時間較短時，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 BAF 去除效果也有較大影響，尤其是對氨氮去除影響較大，這主要是由于硝化細(xì)菌對氧敏感，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)度與歷時對于保證 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，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 BAF 研究的深入和實(shí)際工程的需求，該工藝已從設(shè)計、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)計與運(yùn)行工藝參數(shù)。目前，我國部分污水處理廠的升級改造已采用該工藝，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)者對傳統(tǒng)碳源研究比較時發(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)，動力消耗少，同時反硝化速率較高，出水TN含量可達(dá) 3 mg/L以下，但通常需要外加碳源，成本相對較高。當(dāng)污水或二級生物處理出水中有大量的可利用碳源，且出水水質(zhì)對總氮去除要求較高時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，同時對出水 TN 要求較嚴(yán)格時多采用后置反硝化工藝。