曝气生物滤池处理机理及反冲洗控制研究进展_邱立平
第24卷第2期2010年4月
济南大学学报(自然科学版)
J O U R N A LO FU N I V E R S I T YO FJ I N A N(S c i .＆T e c h .)
V o l .24N o .2
A p r .2010
文章编号:1671-3559(2010)02-0216-05
收稿日期:2009-12-31
基金项目：山东省中青年科学家奖励基金(2005B S 08008)；山东
省自然科学基金(Y 2006B 39)；山东省教育厅科技计划(J 06I 01)
作者简介：邱立平(1968-)，男，辽宁本溪人，教授，博士，硕士生
导师。
邱立平，陈京英，刘永正，王广伟
(济南大学土木建筑学院，山东济南250022)
摘 要：针对当前曝气生物滤池在处理机理及运行控制方面存在的主要问题，综述曝气生物滤池在过滤截留、生物氧化和曝气充氧等处理机理以及水头损失发展、反冲洗运行控制方面的研究进展。提出今后应进一步探明曝气生物滤池过滤截留、生物氧化以及曝气充氧对水头损失的影响规律，建立相应的生物-物理复合过滤方程，以阐明曝气生物滤池处理机理，优化曝气生物滤池的工艺设计和反冲洗控制，实现曝气生物滤池的高效稳定运行。
关键词：曝气生物滤池；处理机理；过滤截留；生物氧化；曝气；水头损失；反冲洗中图分类号:X 703.1
文献标志码:A
D e v e l o p m e n t o f T r e a t m e n t Me c h a n i c s a n d
B a c k w a s h i n g
C o n t r o l o nB i o l o g i c a l A e r a t e d F i l t e r s
Q I U L i -p i n g ,C H E NJ i n g -y i n g ,L I UY o n g -z h e n g ,WA N G G u a n g -w e i
(S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dA r c h i t e c t u r e ,U n i v e r s i t y o f J i n a n ,J i n a n 250022,C h i n a )
A b s t r a c t :C u r r e n t d e v e l o p m e n t o f t h et r e a t m e n t m e c h a n i s m i n c l u d i n g t h ep h y s i c a l h o l du p ,b i o l o g i c a l o x i d a t i o na n da e r a t i o n ,a s w e l l a s t h e h e a d l o s s d e v e l o p m e n t a n d b a c k w a s h i n g c o n t r o l w e r e s u m m a r i z e d i n c o n n e c t i o nw i t ht h e p r i n c i p a l d i s a d v a n t a g e o f t r e a t m e n t m e c h a n i s m a n d o p e r a t i o n c o n t r o l i n t h e r e s e a r c h o f b i o l o g i c a l a e r a t e d f i l t e r (
B A F ).I no r d e r t o s e t u pa h y b r i d b i o l o g i c a l -p h y s i c a l f i l t r a -t i o ne q u a t i o n t o e l u c i d a t et h et r e a t m e n t m e c h a n i s m o f B A F ,f u r t h e r r e s e a r c ho nt h ei n f l u e n c eo f p h y s i c a l h o l du p ,b i o l o g i c a l o x i d a t i o n a n d a e r a t i o no n t h e h e a d l o s s d e v e l o p m e n t s h o u l db e c a r r i e do u t i nd e t a i l .A n d t h a t w i l l o p t i m i z e t h e t e c h n i c a l d e s i g na n db a c k w a s h i n g p r o c e s s w h i c hw i l l f i n a l l y i m p r o v et h e t r e a t m e n t e f f i c i e n c y a n do p e r a t i o n a l s t a b i l i t y .
K e yw o r d s :b i o l o g i c a l a e r a t e d f i l t e r ;t r e a t m e n t m e c h a n i s m ;p h y s i c a l h o l du p ;b i o l o g i c a l o x i d a t i o n ;a e r a t i o n ;h e a d l o s s ;b a c k w a s h i n g
随着我国社会经济的迅速发展，城市化进程不断加快，城市的土地资源日趋紧张，城市污水处理厂等公益设施的建设用地受到严格限制。因此，研究开发占地面积小、经济高效的新型污水处理技术是
当前污水处理领域的重点课题。曝气生物滤池(B i -o l o g i c a l A e r a t e dF i l t e r ,B A F )以其占地面积小、基建费用低、动力费用省、出水水质好、挂膜容易、启动快等优点，在新建污水厂以及旧污水厂的改造方面占
有绝对的优势[1]
，曝气生物滤池的研究随之成为当前的热点之一
[2-3]
。
目前，全球范围内已有数百座曝气生物滤池投入使用，被广泛用于工业废水处理、生活污水二级处理、脱氮除磷等三级处理以及微污染水源水的预处理等。虽然曝气生物滤池已有多年历史，但是由于
曝气生物滤池系统的复杂性和功能的多样性，对曝气生物滤池处理机理的认识在很大程度上仍然停留在非原位分析和大量的前提假设基础上，并且很多理论研究只考虑到滤池的过滤作用
[4-5]
，生物氧化
部分的研究仅涉及生物膜的定量描述，没有充分考虑到生物氧化与过滤截留结合的处理过程
[6-7]
。此
外，当前曝气生物滤池采用有机负荷作为主要设计
参数，没有系统考虑水力负荷对曝气生物滤池处理效能的影响，这种设计思路不仅影响了曝气生物滤池的设计优化，也不利于曝气生物滤池的高效运行。针对曝气生物滤池现存的处理机理研究滞后和运行稳定性差等问题，系统地分析曝气生物滤池在过滤截留、生物氧化、曝气充氧等处理机理方面的研究进展和不足之处，并结合曝气生物滤池水头损失发展和反冲洗控制的研究现状，寻求曝气生物滤池处理机理和运行控制研究的新思路。
1 曝气生物滤池处理机理研究
曝气生物滤池是生物降解与过滤截留相结合的一种高效低耗的污水处理方法，大部分学者都认为其处理机理综合了过滤截留作用、生物接触氧化作用以及池内微生物食物链的分级捕食作用[8]。但是，这仅是学者们提出的一种定性描述，具体试验研究结果却很少。目前，有关机理研究重点集中于过滤截留、生物氧化和曝气充氧等基本环节上。
1.1 过滤截留
曝气生物滤池通过生物氧化作用去除污水中溶解的有机物，脱落的生物膜及悬浮固体被滤床截留下来，将过滤截留与生物氧化过程结合为一体。因此，有关曝气生物滤池的生物过滤数学模型研究是解析反应器处理机制的关键。
目前，关于曝气生物滤池过滤模型的研究主要集中于深层过滤机理的探讨。曝气生物滤池过滤方程是以深床过滤模型为基础逐渐发展起来的，大多采用I w a s a k i在1937年提出的表达过滤过程颗粒物质量浓度与过滤深度间关系的经典物理模型。另外，轨迹模型及毛细管模型，也有不同程度的应用。景有海等[9]采用毛细管模型，对均质滤料过滤过程进行分析，得出过滤方程。虽然过滤模型种类较多，但是，由模型得到的过滤方程应用上局限性很大，大部分过滤方程都很难求解，即使求解也是利用近似值代替精确值[6-7]，在一定程度上降低了准确性。王德英等[10]通过对过滤过程数学模型的分析，认
为在过滤理论方面，无法建立准确描述微观机理与宏观行为之间关系的表达式。因此，大部分模型还是仅涉及到滤池的机械过滤作用，很少考虑生物氧化作用，不能反映曝气生物滤池中的实际情况。
随着数值模拟技术的发展，近年来有些学者开始尝试在过滤模型中耦合生物过滤过程。赵宗升等[11]利用国际水协会活性污泥数学模型A S M1框架，得出颗粒性组分与溶解性组分的过滤方程，将动力学模型、传质扩散模型、过滤模型、反冲洗模型合理耦合对生物过滤进行数学模拟。这种模型的方程比较繁冗，应用于实际中比较困难。
王晟等[12]尝试针对饮用水中生物过滤模型进行简单的理论解释，他利用假定条件将模型简化，并对过滤行为作为一个总的处理效果进行了重新考虑，避开了M o n o d方程非线性带来的麻烦，但是，该模型能否用于实际预测曝气生物滤池处理废水的运行效果，还有待进一步研究。
上述这些过滤模型，或是单纯考虑物理过滤，没有将生物氧化充分考虑进去；或是将生物-物理过滤过程进行了大幅度简化，与实践偏离过大，都有一定的局限性。因此，深入研究生物过滤理论，构建生物-物理复合过滤方程，并对过滤方程进行合理的简化求解，以定量描述曝气生物滤池的生物过滤过程，对深刻理解曝气生物滤池处理机理，优化工艺设计，具有重要的指导意义。
1.2 生物氧化
生物膜是曝气生物滤池生物氧化作用的载体，也是曝气生物滤池处理机理研究最为活跃的领域之一。特别是有关生物膜的数量种类、形态特征及生物活性等方面的研究取得了重要进展。R o s a等[13]研究了曝气生物滤池处理苦咸水的硝化生物膜，发现经过10d驯化后，生物膜硝化活性即可达到稳定，附着的生物量达到最大值172μg·c m-2。赵昕等[14]也研究了盐度对曝气生物滤池生物膜微生物的影响，发现微生物分泌的胞外多糖(E x t r a C e l l u l a r P o l y s a c c h a r i d e,E C P c)起到了将微生物固定在载体上的作用，并在盐的质量分数为2%时E C P c产量达到最高。Q i u等[15]发现，曝气生物滤池生物量和生物活性的沿程分布不均匀，并且受有机物浓度的影响很大，直接影响污染物的沿程去除率变化。另外，邱立平等[16]研究了曝气生物滤池的生物膜形态特征、生物量和微生物活性变化特征，发现微生物的结构种特征等直接影响曝气生物滤池的工艺特性，但是，对于反冲洗这一重要工序也不能忽视。
近来有关曝气生物滤池生物膜反应动力学研究也取得了重要进展。在M o n o d方程的基础上，通过建立描述污水中与生物膜内各种组分在基质降解和相互转化、生物量增长与衰减以及颗粒性物质水解等过程变化的数学模型，可以定性解析曝气生物滤池的生物氧化机制。
H i d a k a等[17]建立了一个描述曝气生物滤池生物滤料上生物量的附着与分离速率的数学模型，探
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第2期邱立平，等：曝气生物滤池处理机理及反冲洗控制研究进展
讨了滤床生物量的物料平衡关系，为进一步研究生物氧化机理奠定了良好的基础。S c h w a r z等[18]通过对沿滤床高度方向上生物膜孔隙结构的研究，建立了一种新型的生物滤池动力学模型，指出滤池去除效能与生物膜空隙结构密切相关。V i o t t i等[19]通过对沿滤床高度方向生物膜厚度分布的研究，建立了有生物膜存在情况下的过滤动力学方程，为生物过滤和生物膜反应动力学的研究发展提供了很好的理论依据。
H a m o d a[20]研究了曝气生物滤池处理合成碳水化合物废水模型，认为底物去除速率是底物质量浓度的双曲线函数，固体停留时间是水力停留时间、有机负荷及冲洗因子的函数。B i s h o p[21]研究了生物膜结构和生物膜基质、质量传递的含义，讨论了各种生长模型对生物降解动力学的影响。刘雨等[22]首次论证了在生物膜增长过程中活性生物量及非活性物质量间的相互作用，尤其是非活性物质量的积累对生物膜反应器动力学的影响，建立了生物膜中活性物质量及非活性物质量积累动力学模型。赵宗升等[11]建立了生物滤池多组分、多物种综合动态模型，描述了反应动力学子模型，传质扩散子模型和过滤子模型，并给出数学模型表达式。K i m等[23]研究了曝气生物滤池动力学模型，模型将过滤作用、截留、生物反应结合到一起，假设过滤模型为推流式反应器，生物反应模型为连续流反应器(C o n t i n u o u s S t i r r e d T a n k R e a c t o r,C S T R)。水动力学部分假设滤池底部(污泥沉淀部分)是C S T R，滤床(填料填充部分)由一系列相同尺寸的C S T R组成，得出的试验结果可以用于设计及运
行操作。
虽然上述曝气生物滤池生物膜反应动力学研究已经取得了比较深入的研究成果，但都没有突破传统扩散理论的限制。许多学者认为基质的去除速度对基质质量浓度为一级动力学关系。但在处理理论及数学模型上有很大分歧，还有待于进一步深入研究。
1.3 曝气供氧
曝气生物滤池具有充氧效率高，曝气量少，能耗小的特征。氧气在液相中扩散并与生物膜直接接触完成氧的传递，曝气速率不仅直接影响氧转移速率，还对水头损失发展具有很大影响。因此，研究曝气生物滤池充氧效率对处理机理研究和水头损失控制具有重要意义。
R e i b e r和S t e n s e l[24]发现界面传输随着气泡生物膜接触程度、生物质量浓度和基质利用速率而增加。L e e和S t e n s e l[25]认为在较高的有机负荷速率下及氧气的受限期，氧气传输速率比较高。H a r r i s 等[26]认为现存的关于氧气传输速率的理论主要是双膜理论，但是，该机理仅适用于悬浮生长系统。S y l v i e等[27]发现标准条件下氧气转移效率(S O T E)是亚硫酸盐浓度的递增函数；是气体表观速率的递减函数。B o l l e r等[28]认为生物滤池中氧气的驻留会像固体沉积一样导致水头损失快速增加，从而结束滤池的运行周期。显然，曝气气泡越小，相界面越大，氧传输速率越高。但是，同时气泡的驻留量也会增加，进而影响水头损失增长速度。另外，曝气量、曝气方式对整个滤池的水头损失
也有一定的影响，但是，这方面的研究尚未见报道。 过滤截留、生物氧化和曝气供氧是曝气生物滤池发挥作用必不可少的3个环节，直接影响着曝气生物滤池的处理效率和运行稳定性，同时3个关键因子的影响作用效能和规律又有所不同。因此，必须寻合适的关联因子来将三者联系起来，以合理表征过滤截留、生物氧化、曝气供氧与处理效能之间的关系，为曝气生物滤池的优化设计和运行控制提供技术支撑。
2 曝气生物滤池水头损失及反冲洗控制研究
2.1 曝气生物滤池水头损失
水头损失是衡量曝气生物滤池运行状况的重要控制指标，与进水水质、填料表面特性和微生物生长情况密切相关[29]。水头损失的增长和大小能反映出滤床截留的悬浮固体量和生物膜增长量，同时关系到反冲洗所需的强度和频率。由于曝气生物滤池由小粒径颗粒滤料作为滤料(一般2～8m m)，进水的悬浮固体(S u s p e n d e dS o l i d,S S)成为影响水头损失的一个因素，其值过大，会导致曝气生物滤池的上层滤料在很短的时间内达到设计水头而要进行反冲洗，能耗过大且易产生大量反冲洗水；曝气生物滤池生物膜老化脱落被滤床截留，导致孔隙率减小，是影响水头损失发展的另一关键因素；另外，曝气生物滤池中上升气体和气泡驻留也对水头损失的发展具有重要影响。研究表明，悬浮固体的积累是水头损失快速增长的主要影响因素[28]。此外，影响水头损失的因素还有很多，比如双层滤料滤池比
单层滤料滤池水头损失增长速度小，用加氯水反冲洗的滤料滤池水头损失比未加氯水反冲洗的小[30]。
K o z e n y-C a r m a n模型和H a p p e l模型是计算水
218济南大学学报(自然科学版)第24卷
头损失的经典模型[31-32],K o z e n y-C a r m a n模型主要以直管流内的P o i s e u i l l e流动方程为基础，流体的流动符合D a r c y定律;H a p p e l模型认为流体在滤料中的流动满足N a v i e r-S t o k e s公式。在模型的研究方面，景有海等[33]利用毛细管模型得出滤池堵塞滤层的水头损失公式，但是，由于水头损失增加系数计算公式较复杂，只能用于分析过滤过程中水头损失增长的成因和变化规律，尚不能用于指导工程实践。
2.2 曝气生物滤池反冲洗控制
维持曝气生物滤池高效运行的主要因素是反冲洗，适当进行反冲洗能够去除堵塞滤池的颗粒物，也能去除老化的生物膜，使生物膜长时间具有较好的净化能力。
影响曝气生物滤池反冲洗效果的因素有很多，其中，反冲洗方式和反冲洗强度是影响反冲洗效果的主要因素。
2.2.1 反冲洗方式
反冲洗方式有水冲、气冲、气水联合反冲、脉冲反冲等多种形式,C h i p p s等[34]研究了中试规模下反冲洗的各种方式，认为气水联合反冲洗是比较理想的反冲洗方式。袁志宇等[35]认为，气泡高速浮升产生的泡振作用和气泡尾迹的混掺作用以及气泡在浮升过程中出现的尾迹效应是气水反冲效果比较好的主要原因。凌霄等[36]研究了曝气生物滤池反冲洗的关键因子及反冲洗机理，认为最佳气水联合反冲洗操作参数为：气反冲洗强度(Q a)为4.88L/(s·m2)、水反冲洗强度(Q w)为1.44L/(s·m2)、气预冲洗时间(T a)为4m i n、气水同时反冲洗时间(T s)为5m i n和单水反冲洗时间(T w)为3m i n。
随着曝气生物滤池的广泛应用，越来越多新型的、效果较好的反冲洗方式不断涌现。张杰等[37]对曝气生物滤池从反冲洗方式、反冲洗滤床形状等方面进行反冲洗特性对照研究，结果显示：脉冲反冲洗比气水反冲洗效果更好。A m b u r g e y[38]研究了一种被称为延时亚流化冲洗(E x t e n d e d T e r m i n a l S u b f l u i d-i z a t i o n W a s h,E T S W)的新型反冲洗方式，这种反冲洗方式可以缩短滤池的成熟期。另外，还有在滤池中部进行反冲洗的局部反冲洗法，这种反冲洗能够降低对滤池中世代时间较长的硝化细菌及亚硝化细菌的影响，还能节省反冲洗用水量，但是实际工程中是还很难实现[39]。
2.2.2 反冲洗强度控制
曝气生物滤池运行一段时间后，老化生物膜脱落，生物膜与大量悬浮物同时被滤料截留，孔隙率减小，水头损失增大，不进行反冲洗或者反冲洗强度不够，长期下去会产生滤料板结等问题。但是，反冲洗强度过大又会对滤池内微生物量及活性产生一定的影响。
为了最大程度地清洗滤池但同时又保持滤池内有一定的微生物量，很多学者研究了反冲洗与微生物量及活性的关系。D e l a h a y e等[40]利用固定微藻类的数量作为生物膜密度的指示器，进行了通过固定生物量来控制反冲洗的研究。乔铁军等[41]研究了反冲洗对生物滤池中生物活性的影响，结果表明：采用滤后水反冲洗使异养细菌活性略微降低，而加氯水反冲洗使滤层上部的异养细菌活性稍微降低、下部的稍微升高，两种反冲洗水质均增大了亚硝化细菌和硝化细菌的活性。但是，采用加氯水反冲洗对生物量的影响目前仍存在争议[42]。H o z a l s k i 等[43]认为反冲洗后生物量损失不超过60%，滤池有机物去除性能不会受影响，此时，滤池的恢复期相对来说不受反冲洗条件的影响。深入了解反冲洗机理，明确反冲洗强度对水头损失及生物膜的最小厚度的影响，以及影响反冲洗的其他因素，实现反冲洗与水头损失合理衔接，可以简化反冲洗操作，节省运行费用，提高曝气生物滤池系统运行的稳定性。
3 结 语
曝气生物滤池独有的技术经济特征为该技术的进一步推广奠定了基础，但是，其处理机理研究的滞后已经成为曝气生物滤池工艺设计中的瓶颈，也使得反冲洗频繁、滤料板结、频繁穿透等运行控制问题无法得到根本解决。因此，今后应以水头损失发展规律为研究对象，深入探讨曝气生物滤池过滤截留、生物氧化和曝气过程与水头损失之间的关系，建立相应的生物-物理复合过滤方程，以阐明曝气生物滤池的处理机理，优化曝气生物滤池的工艺设计和反冲洗过程，实现曝气生物滤池的高效运行控制。
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(责任编辑：赵 雁，校对：隋 肃)
220济南大学学报(自然科学版)第24卷
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