BAF 工艺在污水处理厂提标改造中的应用

张岩

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

1 引言

曝气生物滤池（Biological Aerated Filter，BAF）是20 世纪80 年代末在普通生物滤池的基础上，结合给水滤池工艺开发发展起来的污水处理新技术。与普通活性污泥法相比，BAF 工艺具有有机负荷高、抗冲击能力强、占地面积小、投资少等诸多优点。世界上首座曝气生物滤池于1981 年在法国建成投产，大连市马栏河污水处理厂是我国第一座采用BAF 工艺的城市污水处理厂[1]。目前，BAF 在国内城市污水处理中的应用相较于活性污泥法仍偏少，结合现有工程应用分析研究其工艺运行参数，并提出合理的工艺设计方法和运行控制，对于促进BAF 的应用很有必要。

本文结合东北地区某大型污水处理厂现有BAF 工艺的前期运行参数分析，比选其提标改造中BAF 工艺的设计方案，并对工艺优化设计中的关键参数进行了探讨。

2 前期运行参数分析

2.1 工程概况

污水处理厂现状总处理规模为4×105m3/d，分2 期建设，每期规模均为2×105m3/d。服务总面积为44km2，服务人口近80万人，主要处理来自城市的生活污水和部分工业废水。

污水处理主体工艺采用曝气生物滤池（2 级BIOFOR）工艺，原设计出水水质执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中二级排放标准。厂内有滤池80 座，其中一期48 座，二期32 座，一期、二期滤池均分为2 级，串联运行。一级滤池主要降解污水中的含碳污染物（C 池），二级滤池主要进行硝化作用（N 池），转化污水中的氨氮为硝酸盐氮。污水中TP 主要通过生物滤池及反冲洗后加药沉淀去除。

2.2 主要运行参数

2.2.1 水质

污水处理厂进出水中主要污染物浓度如表1 所示，实际进水各项污染物浓度均较原设计值偏低，尤其是CODCr与BOD5，明显低于原设计值的400mg/L 和175gm/L。出水水质虽能够稳定达标，但执行排放标准偏低。

2.2.2 滤池负荷

污水处理厂内不同BAF 反应池的负荷参数如表2 所示。滤池的BOD5及NH3-N 容积负荷均在规范取值范围内，但基本处于下限甚至更低。滤池滤速亦在2～10m/h 的常规参数范围内。

表1 污水处理厂现有进出水污染物浓度

表2 BAF 原负荷参数

2.2.3 曝气系统

污水处理厂内每格BAF 反应池均单独设有曝气风机，全厂共80 台，气水比如表2 所示。实际运行中存在过曝现象，滤池出水DO 偏高，其中一级C 池DO 最高达到6mg/L，二级N池DO 最高达到8mg/L。

2.2.4 反冲洗

滤池反冲洗采用气水联合反冲洗，水洗强度为5L/（m2·s），气洗强度为10L/（m2·s）。单格反冲洗周期时长60min，分别为气洗10min，气水洗15min，水洗35min。污水处理厂滤池数量众多，而反冲洗系统只有2 套，滤池在规定时间内无法保证及时冲洗，滤料内悬浮物增多，曾造成过滤料板结现象的发生。

3 BAF 提标改造方案

3.1 出水水质目标

根据地方环保部门要求，提标改造出水水质应执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A 标准。

3.2 方案比选

污水处理厂总占地面积约6.65ha，厂区周边地块受限无法新征，提标改造工程需在原厂址内完成，用地极其紧张。为实现出水达标，需充分发掘现有处理工艺的潜力，并采用效率高、占地面积小的处理工艺。结合现有处理能力及处理目标，提标方案需在已有设施基础上进一步脱氮、除磷和去除SS。污水处理总体方案仍考虑采用负荷高、用地少且与原厂工艺一致的BAF 工艺进行比选。

方案一：新建前置反硝化生物滤池（简称pre-DN 池），与现有BAF 组成2 段式BAF（pre-DN+C/N）。C/N 池出水部分回流至pre-DN 池进水端，完成反硝化过程脱氮。方案二：新建后置反硝化生物滤池（简称post-DN 池），与现有BAF 组成2 段式BAF（C/N+post-DN）。C/N 池出水直接进入post-DN 池，在其中完成脱氮。方案三：构建3 段式BAF（pre-DN+C/N+post-DN）。改造现有BAF 的一级滤池为pre-DN 池，保留二级滤池并新建一座BAF 作为C/N 池并联运行，另新建一座post-DN池，形成3 段式BAF 工艺。C/N 池出水部分回流至pre-DN 池进水端，完成大部分脱氮过程，post-DN 池则作为出水达标的保障措施。

通过分析，3 个方案各有利弊：方案一能充分利用进水中的碳源，缺点是进水系统改造较大，进水泵扬程需提高，硝化液回流比大（需达200%），总体实施难度大，运行成本高；方案二对污水厂影响较小，缺点是需投加大量碳源保证post-DN池的脱氮效率，药耗高，对加药精度要求较高，存在出水BOD5不达标的风险；方案三能充分利用进水中的碳源脱氮，且硝化液回流比小（取100%），post-DN 的设置能保障出水TN 达标，缺点是新建构筑物较多，施工难度大，对污水厂运行影响较大。综上分析，3 段式BAF 方案可根据进水水质的变化灵活调整运行方式，运行成本适中，出水达标保证率最高，推荐采用。

3.3 推荐方案

3.3.1 基础数据

进水水量维持现状，即4×105m3/d，总变化系数采用1.05。进水水质按实测值，取95%的保证率对应的实测进水浓度，提标后出水执行一级A 排放标准，详见表3。

表3 设计进出水水质主要指标一览表mg/L

注：括号外数值为水温＞12℃时的控制指标，括号内数值为水温≤12℃时的控制指标。

3.3.2 主要设计参数选取1）负荷

负荷是BAF 工艺设计中最关键的参数，可采用有机容积负荷和水力负荷（或滤速）进行设计。

在正常温度范围里，BAF 可以实现很高的硝化效率，硝化负荷达到1.4kg NH3-N/（m3·d）。但硝化能力同进水中的BOD5浓度成反比，BOD5较高时会抑制硝化反应[2]，在设计时应注意进水BOD5浓度不宜过大。本工程C/N 池设计进水BOD5按60mg/L，碳化负荷控制在0.7kgBODCr/（m3·d），硝化负荷按0.4 kg NH3-N/（m3·d）。

反硝化负荷在以甲醇为碳源的条件下，可达4kg NO3--N/（m3·d）以上[2]。但过大的反硝化负荷会造成滤池面积过小，滤速过大，不利滤池正常运行。本次post-DN 以滤速（按9m/h）作为主要设计参数，复核反硝化容积负荷为0.62kg NO3--N/（m3·d）满足要求。

pre-DN 池的反硝化效果影响因素较多，BOD5含量、硝化液回流比等均显著影响工艺运行效率。有研究表明，pre-DN池的反硝化率与BOD5/TN 成正比，理想状态下，一般城市污水中BOD5/TN 约为5 时，TN 去除率为50%[3]。实际运行中，预处理及硝化液回流中的DO 都会消耗一部分BOD5，削弱反硝化能力。在保证滤速的同时，pre-DN 的反硝化负荷应取低值，本工程按0.7 kg NO3--N/（m3·d）。

国内外研究表明，水力负荷对SS 和BOD5的影响并不明显，在其他因素（如温度、气水比、反冲洗强度等）确定的条件下，应尽可能加大水力负荷，以提高BAF 的处理能力，但对硝化和反硝化的影响，目前尚存在不同的研究结果[4]。根据前期运行经验，本次提标中C/N 池滤速约5m/h，DN 池约9m/h，具体取值如表4 所示。

表4 提标改造后BAF 负荷参数

2）气水比

通常来说，用于硝化的N 池或C/N 池需要较高的气水比，而仅需实现碳化的C 池可采用较低的比值，一般需硝化的BAF 适宜气水比为（3～7）∶1[5]。本工程位于东北地区，冬季温度最低可至11℃，适当增加DO 可弥补低温影响。本次C/N 池气水比取高值按（5～6）∶1，具体见表4。

3）反冲洗

气水联合反冲洗是BAF 普遍采用的反冲洗方式，其中气和水反冲洗强度的控制极为重要。本次根据前期运行经验，保持水冲洗强度为5L/（m2·d），适当提高空气冲洗强度为20L/（m2·d）。为保证BAF 反冲洗周期和频率适宜，进水SS 主要通过前端高密度沉淀池混凝加药强化沉淀去除，控制在60mg/L以下。本次新建C/N 池反洗周期24h，新建post-DN 为36h。

4）除磷

在研究BAF 本身的生物除磷能力时，一般认为是生物的同化、吸附及生物积累在起作用，不同水力停留时间、BOD5/TP、反冲洗强度等均会对其除磷能力存在影响，但整体来说同步脱氮除磷机理尚需深入研究。本次提标中三段BAF 磷的生物去除按1.5mg/L，其余除磷均采用化学沉淀辅助除磷，加药点设置于前端保留高密度沉淀池以及后端新建加砂沉淀池。

3.3.3 工艺流程

结合BAF 系统主要运行参数的核算，本次提标改造对污水处理厂水量进行重新分配，以统筹协调现有与新建滤池的均衡处理能力。预处理出水进入三段式BAF 进行处理，而后由加砂沉淀池沉淀处理，经紫外线消毒后外排入河。工艺流程如图1 所示。

图1 污水处理厂提标改造工艺流程图

4 结语

曝气生物滤池作为一种新的污水处理工艺，具有处理效果好、占地小、投资少等优点，适合在污水处理厂的提标改造中加以应用。合理的负荷参数选取是决定BAF 处理效果好坏的关键，而现有BAF 运行经验参数的归纳总结，可为后期建设工程提供指导。