摘要:曝气生物滤池是一种将生物氧化机理与深床过滤机理有机结合的新型污水生物处理技术。本文对曝气生物滤池的工艺原理、工艺特点、工艺形式进行了综合评述,对其在城市生活污水处理中去污效能、启动方式、反冲洗形式及理想填料的应用与最新研究进展进行了详细介绍,尤其对目前曝气生物滤池存在的优点与不足进行了针对性的分析。对曝气生物滤池的运行机理进行深入探讨,并进一步加强对曝气生物滤池与其他工艺组合的优化研究,将完善曝气生物滤池的工艺体系,拓宽其使用范围。因此,曝气生物滤池将在我国污水处理中具有广阔的应用前景。
关键词:污水处理,曝气生物滤池,脱氮除磷,应用进展
水资源是人类赖以生存的基本物质之一,已成为人类社会可持续发展的重要限制因素。近年来随着城市建设和工业的发展,城市用水量急剧增加,大量不达标污废水的排放不仅污染了环境和水源,更加重了水资源的日益短缺和水质的日益恶化,从而导致生态环境的恶性循环。
寻求经济高效的污水处理技术,对促进污水回用的发展和水环境的恢复有着现实和深远的意义。生物法是污水处理的基本方法,然而传统污水生物处理工艺不可避免的具有占地面积比较大、处理系统复杂、运行管理难度大、处理效能低下等缺点,而且随着城市发展步伐的加快及城市区域的拓展,污水处理设施离城区越来越近,有的甚至建在城区,污水厂土地的使用也受到严格的限制[1]。
在这种背景下,生物过滤的思想被引入到污水处理中来,于是体积小、出水水质好、具有模块化结构并可自动化操作的曝气生物滤池(biological aerated filter,BAF)就应运而生了。作为一种新型污水处理技术,曝气生物滤池工艺尚处于发展完善过程中。深入了解其性能、机理并对其在实际工程中的应用回顾与评述,将有助于提高人们对该项新技术的认知水平,对曝气生物滤池在我国污水处理中的应用起到积极的促进作用。
1 曝气生物滤池的工艺原理及特点
曝气生物滤池是20世纪80 年代末在欧美发展起来的一种新型的污水处理技术,它是由滴滤池发展而来并借鉴了快滤池形式,在一个单元反应器内同时完成了生物氧化和固液分离的功能。世界上首座曝气生物滤池于1981年诞生在法国,随着环境对出水水质要求的提高,该技术在全世界城市污水处理中获得了广泛的推广应用[ 2 ] 。目前,在全球已有数百座大小各异的污水处理厂采用了BAF技术,并取得了良好的处理效果。
1. 1 工艺原理
曝气生物滤池是充分借鉴污水处理接触氧化法和给水快滤池的设计思路,将生物降解与吸附过滤两种处理过程合并在同一单元反应器中。以滤池中填装的粒状填料(如陶粒、焦炭、石英砂、活性炭等)为载体,在滤池内部进行曝气,使滤料表面生长着大量生物膜,当污水流经时,利用滤料上所附生物膜中高浓度的活性微生物强氧化分解作用以及滤料粒径较小的特点,充分发挥微生物的生物代谢、生物絮凝、生物膜和填料的物理吸附和截留以及反应器内沿水流方向食物链的分级捕食作用,实现污染物的高效清除,同时利用反应器内好氧、缺氧区域的存在,实现脱氮除磷的功能。
1. 2 工艺特点
曝气生物滤池虽是生物膜处理方法的一种,但与传统生物滤池相比,仍具有明显特点:(1)BAF采用的粗糙多孔的小颗粒填料作为生物载体,可在填料表面保持较高的生物量(可达10～15 g/L) ,易于挂膜且运行稳定; (2)生物相复杂,菌群结构合理,反应器内具有明显的空间梯度特征, 能耐受较高的有机和水力冲击负荷,不同的污染物可以在同一反应器被渐次去除,同步发挥生物氧化作用、生物吸附絮凝和物理截留作用,出水水质好,可满足回用要求; (3)区别于一般生物滤池及生物滤塔,在去除BOD、氨氮时需进行曝气,但粒状填料层具有较高的氧转移效率,曝气量低,运行能耗较低,硝化和反硝化效率高; (4) BAF滤池为半封闭或全封闭构筑物,其生化反应受外界温度影响较小,适合于寒冷地区进行污水处理; (5)高浓度的微生物量增大了BAF的容积负荷,进而降低了池容积和占地面积,使基建费用大大降低; (6)滤池运行过程中通过反冲洗去除滤层中截留的污染物和脱落的生物膜,无需二沉池,简化了工艺流程,采用模块化结构设计,使运行管理更加方便; ( 7)减少了污水厂异味,无污泥膨胀问题,无需污泥回流。
1. 3 工艺形式
近年来曝气生物滤池发展迅速,工艺形式不断推陈出新, 曾先后出现过B IOCARBON、B IOFOR、B IOSTYR、B IOSMED I、B IOPUR、COLOX、DeepBed等形式,其中B IOCARBON、B IOFOR、B IOSTYR、B IOS2MED I、B IOPUR是现代曝气生物滤池几种典型的运行工艺, 在世界范围内都有应用, 其构造特点见表1。B IOCARBON (图1)为早期开发的工艺形式,现在曝气生物滤池则多采用B IOFOR (图2)和B IO2STYR (图3)形式。
1. 4 工艺参数
随着人们对曝气生物滤池研究的深入, BAF反应器的关键工艺参数也有了较大的调整,其工艺参数大致如下:
容积负荷与要求出水水质相关,一般情况下有机物负荷为2～10 kg BOD5 /m3 •d;硝化0. 5～3 kgNH32N /m3 •d;反硝化018～7 kg NO32N /m3 •d; 水力负荷6～16 m3 /m2 •h;气水比(1～3) ∶1,最大不超过10∶1; 填料粒径为2～8 mm;填料高度为2～4m;单级反冲周期24 ～48 h;多级反冲周期24 ～48h,硝化反硝化滤池运行时间较长;单池反冲水量约占产水量的8%左右,或为单池填料体积的3倍左右;反冲时间20～30 min,反冲洗水强度15～35 L /m2 •s,气强度15～45 L /m2 •s。
2 曝气生物滤池的效能
作为新型污水处理工艺,国内外学者对曝气生物滤池的应用进行了大量研究。虽然很多学者在曝气生物滤池对有机物和悬浮物的去除,对硝化和反硝化等污染物的去除效能方面已取得了一定的进展和共识。但有关曝气生物滤池的生物挂膜,磷的去除、填料的选择、反冲洗方式等方面的研究与应用还有待进一步完善。
2. 1 污染物的去除
曝气生物滤池工艺上的独特性及明显的空间梯度特征决定了其对污染物去除的高效性。
2. 1. 1 有机物和悬浮物的去除
曝气生物滤池内填料的物理吸附和过滤截留作用以及生物膜的生物氧化作用决定了池内SS和有机物的高效去除,国内外该领域的研究及应用也充分证明了上述观点。Pastorelli G. 等[ 3 ]对中试规模的淹没式生物滤池连续进行18 个月的试验研究表明BOD5和SS去除率均大于95%。Gilbert Desbos等[ 4 ]在研究SS和COD的去除率同滤速之间的关系时发现,当负荷的增大并不是因为进水中更多的SS,而是由于更高的流量和低停留时间时,去除效率是相当稳定的,总的SS去除率在80% ～90%之间,而COD去除率在70% ～80%之间波动。国内,齐兵强等[ 5 ]采用B IOFOR工艺,以生活污水为处理对象, COD、BOD5、SS出水水质指标均达到了生活杂用水水质标准。大连市马栏河污水处理厂采用B IOFOR型BAF,在处理量为12万m3 /d, COD负荷最大6 kg COD /m3 •d的情况下,出水COD小于75 mg/L。以上国内外研究与应用结果表明,曝气生物滤池对有机物和悬浮物的处理机能成熟,处理量大,去除效果显著,在污水碳有机物去除应用中潜力巨大。
2. 1. 2 氨氮的去除
氨氮是污水处理中最主要的目标去除物之一。曝气生物滤池将较短的水力停留时间与长的污泥龄有机统一起来,有利于硝化细菌这类世代期较长的细菌生长,对氨氮具有较高的去除效率,因此,被广泛应用于污水中氨氮的去除。硝化作用,有关BAF硝化性能的研究已得到越来越多研究者的重视,通过优化运行参数BAF的硝化效率已得到了明显的提高。J1Cromphout[ 6 ]利用上向流曝气生物滤池处理含氨的富营养化水时,在气水比1∶1,滤速5118 m /h,温度10 ℃以上条件下,硝化效率可达100%。英国水研究中心Dillon等[ 7 ]对BAF的硝化能力研究结果表明当氮容积负荷为0163 kg/m3 • d 时, NH+2N 去除率可达90%。R1Pujol等[ 8 ]通过对法国巴黎Achresh处理厂的上向流曝气生物滤池两年的研究认为,在滤速4 ～6m /h, 6～8 m /h, 8～10 m /h运行条件下,当NH32N的容积负荷为115 kg NH32N /m3 •d时,曝气生物滤池氨氮去除率始终保持在80% ～100% ,滤速的提高不仅不是影响反应器硝化速度的限制因素,反而会对硝化有积极的促进作用。F1Fdz2Polanco[ 9 ]等对淹没式曝气生物滤池硝化过程中异养菌和硝化菌的空间分布情况进行研究时发现:当COD∶NH+42N为4∶1,进水COD低于200 mg/L 时不影响硝化效能;当进水COD高于200 mg/L 时,硝化效能将无法达到100%;尽管BAF的氨氮去除效能在实践中得到了检验,但有关进水负荷,有机物浓度以及硝化细菌分布特征还需进一步探讨。目前的研究表明,曝气生物滤池的硝化性能与有机物浓度、温度、停留时间等因素有密切的关系,因此硝化性能的研究有待进一步的深入。
反硝化作用,由于曝气生物滤池中存在厌氧和兼性微生物,使得反硝化得以进行。Pujol[ 8 ]研究认为,反硝化最好采用外加碳源的办法,在最佳滤速为10 ～ 15 m /h 时, 脱氮能力可达到100%。Pujol等[ 10 ]还比较了前置反硝化和后置反硝化的优劣,认为反硝化过程应采用上向流的进水方式进行。Chen等[ 11 ]研究生物过滤反应器与活性污泥反应器以及流化床的反硝化特性时,发现在不同水力条件下,反应器内微生物种群会发生一定的变化,但优势种群———杆菌属基本稳定。
另外,曝气生物滤池独特的空间梯度分布特征及运行特点使其具备了一定的短程硝化反硝化能力,曝气生物滤池采用粒状颗粒作为过滤和生物氧化的介质和载体,在整体上和每一单元填料表面所附着生物膜中都存在着基质和溶解氧的浓度梯度分布,这为各种不同生态类型的微生物在生物膜内不同部位占据优势生态位提供了条件。Puzava等[ 12 ]在曝气生物滤池一体化硝化反硝化方面取得了一定进展,他们通过调整曝气量将反应器内的溶解氧浓度控制在015～3 mg/L,从而控制溶解氧不扩散到生物膜内部,实现同步硝化反硝化。中试结果表明,通过实时曝气,即使将曝气量降低50% ,也可达到同样的处理效果。显然,曝气生物滤池的硝化,反硝化能力已经得到了很好的实践验证,对去除污水中氨氮的技术发展具有一定的推动作用。
2. 1. 3 磷的去除
单独利用BAF的生物作用除磷是很难达到排放标准的,通常情况下需采取化学方法除磷。Gon2calves等[ 13 ]进行曝气生物滤池同步脱氮除磷的研究时发现,进水方式对磷去除效果影响不大。德国科隆污水处理厂采用曝气生物滤池进行的同步硝化除磷实验表明,曝气生物滤池除磷率可达70% ,总磷可降至015 mg/L。Aesªy等[ 14 ]发现,利用曝气生物滤池反硝化脱氮时,如利用水解污泥或水解固体废物做外加碳源,可同时去除比微生物生长需要量高3倍的磷。Pak等[ 15 ]研究了利用2级生物滤池在交替好氧、厌氧条件下运行对污水中氮磷的去除情况,发现影响除磷的因素为COD /TP值和水力停留时间,好氧过程中产生的硝酸盐和亚硝酸盐对磷的释放有一定影响。Pedro A. Castillo等[ 16 ]在研究序批式曝气生物滤池生物除磷时,在保持原水中COD∶N∶P为20∶5∶1,进水COD < 15 g/m2 •d 情况下,磷的去除率为72%。而T. Clark等[ 17 ]在BAF中用化学沉淀法除磷的研究结果表明, BAF化学加药除磷比生物除磷效率要高,同时BOD5、COD的去除效果未受影响。从目前研究可知,单纯采用曝气生物滤池除磷效果较差,如何在滤池中创造良好的厌氧2好氧环境有待进一步探讨。
2. 2 填料的研制与应用
填料的开发是曝气生物滤池工艺发展的核心问题,适合的填料对曝气生物滤池效能的发挥有着直接的影响,同时也将影响到曝气生物滤池的结构形式、运行成本和正常操作。
首先,填料材质本身的物理吸附特性、化学稳定性、有无毒害、孔隙率等对滤池处理效能有一定影响。目前, 曝气生物滤池多采用颗粒状填料,如陶粒、沸石、焦炭、石英砂、活性炭和膨胀硅铝酸盐等。有机高分子填料聚氯乙烯、聚苯乙烯小球、合成纤维和波纹板等上浮式填料近来也得到了一定的应用。Lei Yang等[ 19 ]对曝气生物滤池中水流模式与滤料特性进行对比研究时认为,滤料特性对滤池性能的决定作用远大于水流模式。具体参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
Yongwoo Hwang等[ 20 ]通过对比聚苯乙烯漂浮颗粒和聚亚安酯泡沫管2种填料的异养反硝化性能,表明聚苯乙烯颗粒更为理想。Mann等[ 21 ]研究结果表明:上浮式填料比沉没式填料对SS、COD的去除率高,在高滤速下更耐有机负荷和水力负荷冲击。以上说明轻质填料取代高密度填料是曝气生物滤池污水处理技术发展的趋势。
其次,生物填料的粒径大小也严重影响着曝气生物滤池的处理效能。Rebecca Moore等[ 22 ]对不同粒径滤料(115～315 mm和215～415 mm)对曝气生物滤池的效果的影响进行了试验,结果发现滤料粒径小的曝气生物滤池脱氮效果好,但小粒径不适应高的水力负荷,会使滤池工作周期变短。而粒径较大的填料虽然改善了滤池操作条件,减少了反冲洗的次数,但不利于脱氮和磷的去除。Rebecca Moore等[ 22 ]研究滤料粒径对滤池性能影响时还发现压降和SS的去除曲线表明小粒径滤床性能差。因此,在滤料粒径的选择上应综合考虑各种因素。目前,曝气生物滤池普遍采用的滤料粒径为3～8 mm,滤层厚度为2～4 m。鉴于我国目前还没有像欧美国家一样对曝气生物滤池用填料制定较为严格的标准,因此,制定适于我国曝气生物滤池的填料标准是十分重要的。（哈尔滨工业大学市政环境工程学院）
一）.运行周期的讨论
概念：
在曝气生物滤池运行过程中，由于附着在活性载体上生物膜的增长和载体间悬浮颗粒的捕获作用，导致滤床水头损失增加、产水量降低或出水水质变差，这时曝气生物滤池应停止运行进行反冲洗，以恢复反应器的高效性能。我们将曝气生物滤池自反冲洗结束投入运行至下一次反冲洗开始这段时间称为曝气生物滤池的一个运行周期。从反冲洗结束投入运行至反冲洗结束这段时间称为曝气生物滤池的工作周期。
运行周期的影响因素：
曝气生物滤池运行周期的长短主要与进水水质、滤池的流向、滤料级配、滤池的功能、滤池反冲洗的效果等因素有关。
1）与进水水质的关系
给定的曝气生物滤池反应器的运行周期的长短主要取决于进入反应器的水质特性，包括入流污水的有机污染物浓度及悬浮物含量与颗粒尺寸等。在曝气生物滤池运行过程中，由于滤床对固体物质的累积作用，导致水头损失增加至设计值(影响滤池产水量)或出现颗粒穿透滤池(此时即为滤池的一个运行周期结束)．而滤床对固体物质的累积主要包括生物膜的增长和悬浮物的截留两个方面的作用。
(1)与有机污染物浓度的关系
生物滤池是利用固着在填料上的生物膜，吸附和网捕水中的有机污染物，并加以氧化分解，使污水得以净化。滤床进水端增长的生物膜量较大，出水端增长的生物膜量较小，在曝气生物滤池的一个运行周期临近结束时(即将进行反冲洗)，整个滤床范围内平均累积的微生物膜量大约为2500一3000g／m3滤料，而滤床进水端的微生物量达到6000一7000g／m3滤料。
(2) 悬浮物浓度及颗粒粒径的关系
曝气生物滤池反应器的滤床对入流污水的悬浮颗粒存在着较好的机械过滤与截留作用。其应用于污水二级处理，一般要求其进水悬浮物浓度在100mg／l以下，以避免由于进水悬浮物浓度较高，大大缩短滤池的运行周期，从而导致滤池会出现频繁反冲洗，降低反应器的效能。
反应器对悬浮颗粒的去除效果还与颗粒粒径分布存在一定的关系。试验证明对于粒径＞30μm颗粒，在滤床进水端至滤床深度40cm处，去除率可以达到95％；而对于粒径＜5 μm的颗粒，在整个滤床范围内，其去除率小于50％，而且在滤床纵断面上去除基本是均匀的；对于粒径更小的颗粒，则可以直接穿透整个滤床。
曝气生物滤池反应器对入流污水的悬浮物含量有较严格的要求．这也是曝气生物滤池反应器的不足之处。在实际工程中，预处理一般采用高效沉淀池、水解他、高效固液分离、气浮等工序，只要控制得当，可以满足滤池对入流污水的悬浮物含量的要求，但设计中要考虑到由于滤池反冲洗排水回到处理设施的前端波动负荷的影响。
2）与滤池的流向的关系
由于滤池的运行方式不向，其截污能力与水头损失增加特性也有所不一样。下向流滤池对悬浮物的截留及降解COD所增加的生物膜量主要集中在滤料层上部的40 cm以上部分，大大减少了空间利用效率。下向流滤池水头损失增加特点是：运行周期开始时，水头损失增加缓慢，但到滤料表面出现阻塞，气泡在滤料层中的凝结时．水头损失增加迅速。很快会达到达行周期终点(从水头损失突增到反应器终止运行，时间＜1.0h)。
上向流滤池在结构上采用气水平行上向流态，同时采用强制鼓风曝气技术，使得气、水进行极好的均分，防止了气泡在滤料中的凝结，与下向流滤池相比，在整个滤池高度上提供正压条件，可以避免形成沟流或短流，使空间过滤能被更好地运用，空气能将污水中的固体物质带入滤床深处，在滤池中能得到高负荷、均匀的团体物质，延长反冲洗周期。
3）与滤料级配关系
滤料级配对曝气生物滤池的运行有重要的影响。滤料级配不仅影响出水BOD和SS的浓度，而且影响水头损失的增长速度和滤池运行周期。滤料粒径越小，相应其固体容量(纳污量)越小，水头损失越大，滤池运行周期越短，但出水水质越好。
４）与滤池功能的关系
反硝化滤池对颗粒物的去除效率较硝化滤池高，对于粒径较大的颗粒(＞30 μm)去除率大于95％．而对于粒径较小的颗粒(＜ 5μm）在整个滤料层其去除率小于50％。
前置式反硝化滤池采用硝化滤池出水回流的手段来实现脱氮功能，由于系统内循环作用并不能将固体颗粒带出系统外，循环过程可以看作其在系统内持续不断的固体累积过程。假定其前端处理(硝化滤池)效果良好的话，反硝化滤池进水悬浮物浓度会很低， 一般运行周期可维持在60h，整个滤床截留的悬浮物固体容量大约为800gTSS／m3。
５）与滤池反冲洗的效果关系
曝气生物滤池反冲洗效果对出水水质、运行周期的影响很大。若反冲洗不充分，滤池运行周期将会大大缩短；若反冲洗过量，微生物数量不足，生化处理效能下降，出水水质变差，尽管滤料的固体容量得以提高，但由于出水达不到要求，谈及运行周期毫无意义。
所以，对于曝气生物滤池而言，评价其反冲洗的效果应从其对滤池运行周期的影响及反应器生化恢复时间两个方面加以评价。根据有关资料介绍，滤池反冲洗后，滤料中剩余的生物膜量各种滤池有所差异，对于去碳滤池反冲洗后，下向流滤他剩余生物量浓度为200一300gTSS／m 3，上向流滤池剩余生物量浓度为500一600gTSS／m3；硝化滤池反冲洗后，下向流滤池剩余生物量浓度为700一800gTSS／m3 ，上向流滤池剩余生物量浓度为2400一2500gTSS／m3，反硝化滤池反冲洗后，滤池剩余生物量浓度约为1600gTSS／m3 。
二）曝气生物滤池去除有机物特性探讨
曝气生物滤池去除有机物机理
曝气生物滤池是一种膜法生物处理工艺，微生物附着在载体表面，污水在流经载体表面过程中，通过有机营养物质的吸附、氧向生物膜内部的扩散以及生物膜中所发生的生物氧化等作用，对污染物质进行氧化分解，使污水得以净化。
生物膜的形成过程
生物膜是由微生物细胞组成的复杂混合物的微生态系统，细胞镶嵌在胞外聚合物的基质中，并且附着在固体表面。生物膜发育形成的条件和时间序列大致为：①存在着可用于聚居的固体表面；②一种有机分子膜快速形成；③聚结的细胞松散地附着；④聚居的细菌牢固地附着；⑤微生物群落形成，产生胞外聚合物；⑧群落向上和向外扩展，形成规则和不规则结构；⑦生物膜成熟，新的菌种进人生物膜并生长，有机和无机碎片被结合，并且溶液梯度形成，导致了生物膜空间的异相结构；⑧生物膜可能被吞噬细菌的原生动物捕食；⑨成熟的生物膜可以脱落，使这种循环交替地重复进行；⑩形成一种顶级群落。
三）影响曝气生物滤池反应器运行的主要因素及有关 问题探讨
曝气生物滤池反应器净化有机污染物的过程是由附着生长在载体表面的微生物来完成的，而这些微生物又都生活在各自形成的特定环境中，与环境条件关系极为密切，为了使得反应器高效运行．就需要了解影响反应器运行的主要因素并设法创造微生物适宜的生活环境。在各种影响因素中，其中最主要的有进水底物浓度、营养物质、溶解氧、酸碱度、温度、毒性抑制、反应器内水力停留时间与负荷率等。
1．进水底物浓度
污水中有机物的组分是反应器内生物膜微生物食物与能量的主要来源。一般情况下，污水中的大部分有机物和部分无机物都可以作为微生物的营养源加以利用，这些可被微生物利用并在酶的催化作用下进行生物化学转化的物质称为底物。对于去除有机污染物而言，底物则是指可生物降解的有机物的量。污水中有机物浓度在长时间或短时间内的改变均可导致微生物生长形式的改变，其结果必然会影响到处理水的水质和反应器的处理效率以及剩余污泥量的产生。
2.溶解氧
3.酸碱度
4.温度
5．反应器内水力停留时间与负荷率
水力停留时间指的是待处理污水在反应器内平均停留时间，也就是污水与生物反应器内微生物作用的平均反应时间。对于曝气生物滤池反应器，物理吸附截留作用，和水力停留时间无关(其主要与水流剪切力和生物膜网捕作用有关)，而其内的生物氧化作用主要发生在填料区，填料上的微生物与污水中的基质进行生化作用，其反应时间与反应速率有关，反应速率又取决于温度及基质可生化性等因素。一般反应时间越长，反应器对基质的去除率越高。
五）曝气生物滤池脱氮有关问题探讨
曝气生物滤池属于生物膜分级硝化(去碳和硝化分开)系统，第一级滤池(CN滤池)生物膜以异养菌为主，主要是对有机污染物COD、BOD的降解，对于上向流曝气生物滤池，在滤料层中上部会发生一定程度的硝化作用；第一级滤池(N滤池)生物膜以自养性的硝化细菌为主，进行硝化作用。分级硝化系统由于除有机物和硝化在各自不同的反应器中进行，所以容易做到对硝化滤池环境条件的控制，同时对硝化作用的抑制物有可能在第一级滤池中被分解掉，故可以较大程度地提高滤池硝化速率。
1．反应器进水底物浓度(NH3—N)的要求
硝化反应器的进水底物浓度对生物膜代谢作用有较大程度的影响，同CN滤池一样存在某一临界进水浓度，它反应了该反应器实际承受的最大进水底物浓度。在一定范围内，硝化菌实际生长速率随进水底物浓度的增加而增大。
2．硝化反应器对进水有机污染物(COD)浓度要求
硝化滤池中的生物膜应以自养性的硝化细菌为主。由于硝化菌的世代周期较异养菌长得多，生长繁殖速度缓慢，产率较低，若进水中有机污染物(COD)大大超过氮时，异养菌大量繁殖，并在与硝化竞争中占优势，逐渐成为优势菌种，从而降低反应器的硝化效率。
3.硝化细菌生长速率
硝化菌的比生长速率随着NH3—N、DO浓度增高而增大，但溶解氧对生长速率的影响较NH3—N对生长速率的影响大得多。不考虑传质等因素的影响，当NH3—N浓度由20mg／l增大到30mg／l时，硝化菌的比生长速率理论上只增高0.8％；当DO浓度由1.5mg ／l增加到2.5mg／l时，硝化菌的比生长速率理论上增高7％。当然，DO对硝化作用的影响与生物膜厚度、氧的渗透率、氧的利用率等因素密切相关．对于曝气生物滤池反应器．溶解氧浓度通常控制在2-3mg ／l，当溶解氧浓度大于3mg／l时，溶解氧浓度对硝化作用的影响可不予考虑。
1.预处理
运用BAF处理生活污水和工业废水一般需对原水进行预处理。为了使滤池能以较长的周期运行，减少反冲次数，降低能耗，否则原水中的大量杂质和ss都将进入曝气滤池，这将会堵塞曝气、布水系统，给系统的运行带来严重的后果，滤池用于二级处理的情况下，往往需投加药剂才能达到这一要求，药剂的使用不仅增加费用，部分药剂还将降低碱度，进而影响反硝化，这是运用BAF工艺时需要考虑的问题。预处理一般用沉淀或水解，对工业废水还需在进入滤池前加设调节池。如果用BAF处理饮用水的微污染，由于饮用水源中固体杂质比生活、工业污废水少得多，故可不另外考虑预处理可直接将水进入BAF滤池。
2．除P脱N
磷的去处技术主要有以下三种：生物、化学和物理法。物理法价格昂贵，但去除率并不高。就生物法而言，将生物脱N和生物除P相结合的系统对除P不利，因为除P脱N本身是一对不可调和的矛盾．如果DO太低除P率会下降，硝化反应受到限制，污泥沉降性能差，如果DO太高．则由于回流厌氧区DO增加，反硝化受到限制，同时N03-N的浓度高可影响厌氧区磷的释放。因为，磷的释放需要厌氧环境，如果有N03-N存在就表明只能为兼氧环境。
从目前的BAF运行工艺看，完全用生物除磷是很难达到排放标准的；用生物除磷就失去了生物滤池高负荷的特点，造成投资过大，因此最好用加FeCl3药剂的方法除磷，而生物滤池由于耐水力冲击负荷，可使处理后的水超量回流，并在运行中加化学药剂，将化学处理和生物处理同时应用于系统中，达到除P脱N目的，使化学药剂相对用量减少，从刚降低运行费用。
3．温度
如果在滤池中要进行硝化、反硝化反应，则必须考虑温度的影响，因为硝化、反硝化机理受进水水温的影响很大，曝气生物滤池可在8-30℃的范围内正常运行。
4．产泥量
曝气生物滤池产泥量相对活性污泥量稍大，污泥稳定性稍差，因为停留时间较短，污泥消化不充分。
曝气生物滤池的构造与污水三级处理的滤池基本相同，只是滤料不同，一般采用单一均粒滤料。曝气生物滤池主体可分为布水系统、布气系统、承托层、生物填料层、反冲洗等五个部分。
1．滤池池体
滤池池体的作用是容纳被处理水量和围挡滤料，并承托滤料和曝气装置的重量。池的形状有圆形、正方形和矩形三种，结构形式有钢制设备和钢筋混凝土结构等。
2．滤料
作为生物膜载体——填料的选择是生物膜反应器技术成功与否的关键之一，它决定了反应器能否高效运行，所以填料的选择总的应遵循以下原则。
①机械强度好
②比表面积大
③形状：载体的形状以球状为佳，
④生物、化学稳定性好
⑤表面电性和亲水性 微生物一般带有负电荷，而且亲水，因此载体表面带有正电荷特有利于微生物固着生长，载体表面的亲水性同样有利于微生物的附着，使附着的生物膜数量尽可能地多。
⑥孔隙率及表面粗糙度
⑦密度
3．承托层
承托层主要是为了支撑滤料，防止滤料流失和堵塞滤头，同时还可以保持反冲洗稳定进行。承托层常用材质为卵石或磁铁矿．为保证承托层的稳定，并对配水的均匀性起充分作用，要求材质具有良好的机械强度和化学稳定性，形状应尽量接近圆形，工程中一般选用鹅卵石作为承托层。
4．布水系统
曝气生物滤池的布水系统主要包括滤池最下部的配水室和滤板上的配水滤头。对于上向流滤池，配水室的作用是使某一短时段内进入滤池的污水能在配水室内混合均匀，并通过配水滤头均匀流过滤料层，并且该布水系统除作为滤池正常运行时布水用外，也作为定期对滤池进行反冲洗时布水用。
布水系统设计不合理或安装达不到要求，使反冲洗时配水不均匀。会产生下列不良后果：
①整个生物滤池冲洗不均匀，部分区域冲洗强度大，部分区域冲洗强度小。通过生物絮凝作用吸附部分胶体颗粒，同时微生物新陈代谢过程中老化的生物膜脱落后也将截留在生物填料层内。这些杂质的存在显著地增加了生物滤池的过滤能力，使处理能力下降；同时也使水溶液主体的溶解氧和生物易降解的有机物与生物膜上微生物之间的传质效率下降，影响生物滤池对有机物的去除效率。如果反冲洗布水不均匀．使部分区域反冲洗达不到要求，该区域的生物填料中杂质冲洗不干净，将影响生物滤池对污染物的去除效果。②冲洗强度大的区域，由于水流速度过大，会冲动承托层，混合，甚至引起生物填料的流失，有时也会引起布气系统的松动危害。引起生物填料与承托层的对曝气生物滤池造成极大危害。
5.布气系统
曝气生物滤池内的布气系统包括正常运行时曝气所需的曝气系统和进行气—水联合反冲洗时的供气系统两部分。
6.反冲洗系统
反冲洗过程：先降低滤池内的水位并单独气洗，而后采用气—水联合反冲洗，最后再单独采用水洗。在反冲洗过程中必须掌握好冲洗强度和冲洗时间，既要达到使截留物质冲洗出滤池．又要避免对滤料过分冲刷，使生长在滤料表面的微生物膜脱落而影响处理效果。
7.出水系统
曝气生物滤他出水系统有采用周边出水和采用单侧堰出水等。在大、中型污水处理工程中，为了工艺布置方便，一般采用单侧堰出水较多．
曝气生物滤池(biologicalaeratedfilter)与普通活性污泥法相比，具有有机负荷高、占地面积小(是普通活性污泥法的1/3)、投资少(节约30%)、不会产生污泥膨胀、氧传输效率高、出水水质好等优点［1～3］，但它对进水SS要求较严(一般要求SS≤100mg/L，最好SS≤60mg/L)，因此对进水需要进行预处理。同时，它的反冲洗水量、水头损失都较大。
曝气生物滤池（BiologicalAeratedFilter）是八十年代末、九十年代初最先在欧美发展起来的一种新型污水生物处理技术。
曝气生物滤池是由滴滤池发展而来，属于生物膜法范畴，最初用作三级处理，后发展成直接用于二级处理，自90年代初在欧洲建成第一座采用该工艺的城市污水处理厂后，该工艺已在欧美和日本等发达国家广为流行，目前世界上已有3500多座大大小小的污水处理厂应用了这种技术。该工艺综合了过滤、吸附和生物代谢等多种净化作用，使其具有体积小、占地面积省、处理效率高、出水水质好、流程简单、操作管理方便并可省去二沉池等优点。
曝气生物滤池（BiologicalAeratedFilter,简称BAF）技术是在充分吸取国外曝气生物滤池(BAF)优点的基础上而发展起来的，它的最大特点是使用一种新型的球形陶粒填料，在其表面及开口内腔空间生长有微生物膜，污水由下向上流经滤料层时，微生物膜吸收污水中的有机污染物作为其自身新陈代谢的营养物质，并在滤料层下部提供曝气供氧的条件下，气、水同为上向流态，使废水中的有机物得到好氧降解，并进行硝化脱氮。它定期利用处理后的出水对滤池进行反冲洗，排除滤料表面增殖的老化微生物膜，以保证微生物膜的活性。
曝气生物滤池处理污水的原理是反应器内滤料上所附生物膜中微生物氧化分解作用，滤料及微生物膜的吸附阻留作用和沿着水流方向形成的食物链分级捕食作用以及微生物膜内部微环境的反硝化作用。
根据曝气生物滤池中的水流流向，其可分为上向流和下向流曝气生物滤池，由于上向流曝气生物滤池接近于理想滤池，所以在实际工程中应用较多。
曝气生物滤池反应器为周期运行，从开始过滤到反冲洗完毕为一个完整的周期。具体过程如下：
经预处理的污水从滤池底部进入滤料层，滤料层下部设有供氧的曝气系统进行曝气，气水为同向流。在滤池中，有机物被微生物氧化分解，NH3-N被氧化成NO3-N；另外，由于在堆积的滤料层内和微生物膜的内部存在厌氧/缺氧环境，在硝化的同时实现部分反硝化，从滤池上部的出水可直接排出系统。
随着过滤的进行，由于滤料表面新产生的生物量越来越多，截留的SS不断增加，在开始阶段滤池水头损失增加缓慢，当固体物质积累达到一定程度，使水头损失达到极限水头损失或导致SS发生穿透，此时就必须对滤池进行反冲洗，以除去滤床内过量的微生物膜及SS，恢复其处理能力。
曝气生物滤池的反冲洗采用气水联合反冲，反冲洗水为经处理后的达标水，反冲洗空气来自于滤板下部的反冲洗气管。反冲洗时关闭进水和工艺空气，先单独气冲，然后气水联合冲洗，最后进行水漂洗。反冲洗时滤料层有轻微膨胀，在气水对滤料的流体冲刷和滤料间相互摩擦下，老化的生物膜与被截留的SS与滤料分离，冲洗下来的生物膜及SS随反冲洗排水排出滤池，反冲洗排水回流至预处理系统。
曝气生物滤池作为一种膜法污水处理新工艺，与传统活性污泥法和接触氧化法相比，具有以下特点：
1具有较高的生物浓度和较高的有机负荷
曝气生物滤池采用的为粗糙多孔的球状滤料，为微生物提供了较佳的生长环境，易于挂膜及稳定运行，可在滤料表面和滤料间保持较多的生物量，单位体积内微生物量远远大于活性污泥法中的微生物量（可达10～15g/l），高浓度的微生物量使得BAF的容积负荷增大，进而减少了池容积和占地面积，使基建费用大大降低。
2工艺简单、出水水质好
由于滤料的机械截留作用以及滤料表面的微生物和代谢中产生的粘性物质形成的吸附作用，使得出水的SS很低，一般不超过10mg/l，因此可省去二沉池，进而降低基建费用。因进行周期性的反冲洗，生物膜得以有效更新，表现为生物膜较薄，活性较高。有时即使生物处理发生故障，在短期内其物理作用机理仍可保证高质量的出水。BAF的处理出水不但可以满足排放标准，同时可用于回用。
3抗冲击负荷能力强
由于整个滤池中分布着较高浓度的微生物，其对有机负荷、水力负荷的变化不象传统活性污泥那么敏感，同时无污泥膨胀问题。
4氧的传输效率高
曝气生物滤池中氧的利用率可达20%～30%，曝气量明显低于一般生物处理。其主要原因是：①因滤料粒径小，气泡在上升过程中不断被切割成小气泡，加大了气液接触面积，提高了氧的利用率；②气泡在上升过程中，由于滤料的阻挡和分割作用，使气泡必须经过滤料的缝隙，延长了其停留时间，同样有利于氧的传质；③理论研究表明，BAF中氧气可直接渗入生物膜，因而加快了氧气的传输速度，减少了供氧量。
5易挂膜、启动快
BAF调试时间短，一般只需7～12天，而且不需接种污泥，采用自然挂膜驯化。由于微生物生长在粗糙多孔的滤料表面，微生物不易流失，使其运行管理简单。BAF在短时间内不使用的情况下可关闭运行，一旦通水并曝气，可在很短时间内恢复正常运行，这一特点说明曝气生物滤池非常适合一些水量变化大的地区的污水处理。
6菌群结构合理
传统活性污泥法中，微生物分布相对均匀，而在BAF中从上到下形成了不同的优势菌种，因此使得除碳、硝化/反硝化能在一个池子中发生。
7自动化程度高
由于相关工业技术的发展，一些先进的自动化设备如液位传感器、在线溶氧测定仪、定时器、变频器及微电脑等产品的出现，使得曝气生物滤池系统运行管理自动化得以顺利实现。
曝气生物滤池系统可以对进水水质、水量以及污水中溶解氧浓度进行在线检测，并通过PLC控制系统方便地调整曝气时间的长短，控制风机的供氧量，做到优化运行，PLC系统对滤池进行自动反冲洗。
8脱氮效果好
通过不同功能的滤池组合或同一滤池中的不同功能区分布，使滤池在除碳的同时可进行硝化和反硝化。
其原理是通过对两组滤池或同一座滤池内分别人为地造成好氧、兼氧的生物环境，不仅能去除一般有机物和悬浮固体，而且具有较好脱氮功能。
为了实现硝化、反硝化，必须在各段滤池中连续测定溶解氧数值，并加以控制调节。在C/N池和N池中的曝气阶段需要不断调节溶解氧水平，使溶解氧达到较高水平（约2～3mgO2/l），而在DN池中使溶解氧达到较低水平（约0.2～0.5mgO2/l）。
根据本工程的的进水和排水水质要求，只要求进行氨氮的硝化，不需进行反硝化脱氮，所以只需建设C/N池和N池。
9构筑物模块化，有利于今后的扩建
曝气生物滤池单元为模块化结构，可较好满足城市污水处理厂分期建设的要求。
上向流式曝气生物滤池结构：
BAF工艺技术分析
曝气生物滤池简称BAF（biologicalaeratedfilter）,是一种高负荷淹没式固定膜三相反应器，在20世纪70年代末80年代初首先在法国使用成功。随后在欧洲、美洲、日本等地得到了广泛应用。
曝气生物滤池具有以下几个特点：
曝气生物滤池的主要特点是采用粒径较小的粒状材料作为滤料，滤料浸没在水中，利用鼓风机曝气供氧。滤料层起两方面作用，一是作为微生物的载体，与一般的生物滤池相比，由于具有更大的比表面积，污水与生物膜实际接触的时间长，可使生化反应进行得更彻底，二是可作为过滤介质，截留进水中的悬浮固体和新形成的生物固体，从而省去其他生物处理法中的二次沉淀池，取得优质出水；
在生曝气物滤池中可以生长许多不同性质的菌群。在距进水端较近的滤层中，污水中的有机物含量较高，各种异养菌占优势，主要是去除BOD；在距出水口较近的滤料层中，污水中的有机物含量已经很低，自养型的硝化菌将占优势，可进行氨氮的硝化反应。硝化菌存在于生物膜内侧，在滤料上有很强的附着力，一旦形成，不易完全脱落，故曝气生物滤池具有很强的硝化去除氨氮的能力。
采用气水平行上流，使得气水进行极好的均分，防止了气泡在滤料层中凝结和气堵现象，且滤料层对气泡的切割作用使气泡在滤料层中的停留时间延长，使氧的利用率高，能耗低；
上向流形成了对工艺有好处的半柱推条件，即使采用高过滤速度和负荷，仍能保证BAF工艺的持久稳定性和有效性。
采用气水平行上向流，使空间过滤能被更好的运用，空气能将固体物质带入滤床深处，在滤池中能保持高负荷均匀的固体物质，从而延长了反冲洗周期，减少了清洗时水、气用量。
BAF具有生化处理和过滤的双重功能，可以同步去除污水的有机物、氮磷和悬浮物的优点
