1 概述
曝氣生物濾池(簡稱BAF)是在普通生物濾池的基礎上，引入給水濾池過濾機理而形成的污水生物處理新工藝。其突出的特點是將生物氧化、生物絮凝、生物吸附過濾結合在一起，再通過對濾料的沖洗、再生，實現(xiàn)濾池的周期性運行。
BAF污水處理系統(tǒng)中生物濾池是整個系統(tǒng)發(fā)揮污水處理效果最核心的單元，而生物濾池發(fā)揮凈水作用的的關鍵則是濾料上生長的生物菌群，因此合理的選用濾料是曝氣生物濾池設計過程中的重要環(huán)節(jié)。
2 生物濾料的基本要求
生物濾料是微生物生長棲息的場所，適宜的生物濾料應滿足下述基本要求。
比表面積大：填料一般選用比表面積大、開孔空隙率高的多孔惰性濾料，這種濾料有利于微生物的接觸掛膜和生長，保持較多的微生物量；有利于微生物代謝過程中所需氧化和營養(yǎng)物質(zhì)以及代謝產(chǎn)生的廢物的傳質(zhì)過程；
機械強度好：生物填料必須具有在不同強度的水利剪切作用以及濾料之間摩擦碰撞過程中破損率低的機械強度要求。較好的硬度能使濾料即使在過濾過程中使用多年仍能保持其原有的大小和形狀；
耐磨損性：濾料必須具有較高的耐腐蝕性，這樣能減少濾料在反沖洗后期或掛膜量少時的磨損程度；
空隙率及表面粗糙度：要求濾料具有一定的空隙率及粗糙度有利于微生物的附著、生長，而最重要意義在于：減少濾料在沖洗過程中由于濾料之間摩擦碰撞而造成固著微生物膜的過量脫落，保證生物濾池周期工作的初期(沖洗之后)基本生物量的要求，以便出水水質(zhì)相對穩(wěn)定。
生物、化學穩(wěn)定性好：生物膜在新陳代謝過程中會產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物，某些代謝產(chǎn)物可能對濾料產(chǎn)生腐蝕作用，因此生物濾料必須具有一定的化學穩(wěn)定性和抗腐蝕性，同時需不參與生物膜的生物化學反應，且其本身應是不可生物降解的。
表面電性和親水性：微生物一般帶有負電荷，而且親水，因此濾料表面帶有正電荷將有利于微生物固著生長，濾料表面的親水性同樣有利于微生物的附著。
濕密度：濾料濕密度過大，造成在反沖洗時濾料懸浮膨脹困難或使反沖洗時能耗增加，甚至沖洗不干凈，長期運行導濾料致板結。密度過小，又不宜于濾料在反應器中的運行工況，因此濾料濕密度需在一定范圍之內(nèi)。
3 生物濾料的形狀和材質(zhì)
生物濾池的所選用的濾料多種多樣，過去的生物濾池通常采用蜂窩管狀、波紋狀、輻射狀、絲狀、網(wǎng)狀、盾狀、筒狀、束狀和粒狀等。由于對于曝氣生物濾池而言，由于沖洗時強度高，水流阻力大，對濾料的選擇一般選用水力性能良好的粒狀濾料，粒狀濾料又分為規(guī)則和不規(guī)則兩種。
對于濾料的材質(zhì)，在滿足上文“濾料的基本要求”的前提下，主要有塑料、砂、褐煤、沸石、爐渣、活性炭、焦炭、陶粒和火山巖等。對于各種濾料用于工程實踐的研究，國內(nèi)一直在進行，但是到目前為止，在國內(nèi)已經(jīng)建成的具有一定規(guī)模的污水處理工程(包括污水深度處理、三級處理)實例中，用得最多是火山巖和陶粒兩種濾料。我國首座由法國人建造的BAF污水處理廠(大連馬欄河污水處理廠)和四川、廣東等地建造的十幾座城市污水處理廠采用的是火山巖濾料，其余采用的陶粒的污水處理廠也多。
火山巖濾料為天然濾料，經(jīng)過人工燒結破碎、篩選而成。陶粒濾料一般又分頁巖陶粒和粘土陶粒，是以煤粉和粘土加少量造孔劑經(jīng)過高溫燒結而成。
4 BAF濾料的使用體會
作為BAF的生物載體，濾料的選擇關系到生物濾池能否高效運行和甚至成功運行的關鍵。就火山巖濾料和陶粒濾料而言，在我們設計的工程中都有采用，就其比較，通過目前已經(jīng)運行的十余座污水處理廠的綜合情況來看，以火山巖濾料為好，其優(yōu)點主要表現(xiàn)在抗板結能力和孔隙率大兩個方面：
濾料的板結少
由于BAF濾料板結帶來諸多的嚴重問題，在運行過程的濾料板結現(xiàn)象已經(jīng)成為部分污水廠運營者最感最為頭痛的問題，也是BAF設計過程中要注意的主要問題之一。
根據(jù)現(xiàn)在的使用經(jīng)驗看來，火山巖濾料和陶粒濾料在使用過程中抗板結的能力方面是有差異的。在采用火山巖濾料的的污水處理廠中，如四川西昌市瓊海污水處理廠、四川攀枝花市人和污水處理廠、四川自貢貢井污水和大連馬欄河污水處理廠運行一直正常，沒有板結現(xiàn)象發(fā)生，而采用陶粒濾料的四川眉山市污水處理廠，廣東新會污水處理廠、廣東江門污水處理廠則時有濾料板結現(xiàn)象發(fā)生，到現(xiàn)在為止，四川某4萬m3/天的污水處理廠還在被濾料板結的問題所困繞。
在如何防止濾料板結的問題上，在開始的工程設計中我們也傾向于采用規(guī)則的陶粒(主要考慮的是火山巖不規(guī)則，處于堆積狀態(tài)的濾料由于外表面突起更多咬合面積增加，更容易導致濾料板結，相反，相對于規(guī)則(圓形)的陶粒板結的可能應該小些)但是，由于大連馬欄河污水處理廠采用的火山巖濾料運行一直正常，在有些工程中我們也采用了火山巖濾料。在工程陸續(xù)投產(chǎn)后才發(fā)現(xiàn)兩種濾料抗板結的能力與我們預計的恰好相反，經(jīng)過反復對兩種濾料的研究、對比，最后發(fā)現(xiàn)應該是陶粒顆粒之間重量差異大，造成長期沖洗不徹底后形成板結。
按一般要求，陶粒濾料要達到BAF的要求的比重和孔隙率，在生產(chǎn)過程中要大量加粉煤灰和造孔劑(根據(jù)資料，一般是粉煤灰50%左右，粘土45% 左右，造孔劑5%)，但是在實際生產(chǎn)過程中受技術條件的影響，大多數(shù)廠家按照上述要求生產(chǎn)出來的濾料強度可能不夠，于是少加粉煤灰和造孔劑，最終造成陶粒比重大和孔隙率低，再加上粒徑差異(BAF一般要求為3-6mm)，顆粒之間的重量差異進一步加大。在濾池沖洗時，在同樣的沖洗強度下，濾料(特別是下層顆粒直徑大的濾料)由于重量大，流化速度小，相互摩擦的程度不夠，長期沖洗不干凈，最終導致板結，這可以從濾池板結后清掏濾池時觀察的情況得到證實。
火山巖濾料基本無板結現(xiàn)象產(chǎn)生，是由于其孔隙率大，比重輕、同樣的粒徑分布濾料顆粒之間重量差異小，沖洗時相對均勻，板結的可能性也就大大降低。
孔隙率大，富集的生物量大，有機負荷高
火山巖孔隙率大不但可以減輕其比重，還可以使其固定更多的生物量，提高單位濾料有機負荷。
從目前市場上供應的火山巖濾料情況來看，火山巖的大孔和小孔都較為豐富，孔隙率一般可以達到50%左右(在保證筒壓強度的前提下，經(jīng)過燒結改性后的火山巖濾料可以達到60%或更高)，這樣大的孔隙率提供的生物生長繁殖空間更大，相應單位體積生物量更大，單位體積濾料有機負荷更高，污水處理效果更容易保證。而陶粒濾料空隙濾估計只有30%左右，況且主要為微孔，孔隙內(nèi)部生物富集量相對要小得多。
孔隙率大，同步脫氮效果好
火山巖內(nèi)部貫通性的孔隙發(fā)達，濾料內(nèi)部更容易形成厭(缺)氧環(huán)境，具有同步脫氮效果。根據(jù)資料，反硝化效率可達50%以上，根據(jù)我們實測到的資料，采用火山巖的污水處理廠在原水碳氮比失調(diào)的情況下，反硝化濾也接近30%。
孔隙率大，沖洗殘留的生物量有保證
火山巖內(nèi)部貫通性的孔隙發(fā)達，濾料內(nèi)部富集的生物量大，沖洗時這部分生物更容易保留下來，使沖洗后的濾料可保持較強的生物活性，可有效解決沖洗后BOD降解效果差、SS容易穿透的問題，使得處理系統(tǒng)整體出水效果更佳。
另外提及一下火山巖的強度問題。
生物濾料的強度主要通過筒壓強度和磨損率來描述。我們曾經(jīng)認為火山巖的強度低，磨損率大，不能適應BAF沖洗條件，使用壽命低，濾料消耗大，增加污水處理成本。但是從大連馬欄河污水廠運行6年的經(jīng)驗來看，火山巖濾料還沒有因濾料的強度問題補充過濾料，從四川部分已經(jīng)運行的污水處理廠的情況也是如此，因此我們已經(jīng)改變了看法。
火山巖強度之所以能夠滿足BAF的運行要求，經(jīng)過分析研究，我們認為：在實驗條件下的“磨損率”是通過機械的方法使濾料在自然條件下相互直接摩擦實現(xiàn)的，其磨損率自然要高。而在BAF運行過程中，濾料浸泡在水中處于分散狀態(tài)并且在有生物膜的包裹，濾料相互之間直接磨損幾率小，磨損率自然也低。
在設計過程中我們一般要求的火山巖濾料強度為：
筒壓強度： ≥1MP；
磨損率： 小于3%；
5 采用火山巖的一些設計控制參數(shù)
濾料綜合特性要求
外形：球形或不定形
干容重：0.5～0.9噸/m3；
濕容重：0.8～1.0噸/m3；
孔隙率：35～50%；
筒壓強度：≥1MP；
磨損率：≤3%；
濾料粒徑：d＝4～6mm；
濾料承托層(墊層)
承托層一般選用卵石作為承托層分3層，級配為：
第一層(最底)d＝30～45mm，h＝150mm；
第二層(中間)d＝20～30mm，h＝100mm；
第三層(上層)d＝ 8～15mm，h＝100mm；
濾池反沖洗要求
濾層厚度一般為4m
氣沖洗強度為0.35m3空氣/ m3濾料.min
水沖洗強度為0.13m3水/ m3濾料.min
BOD5負荷為1.8-2.2kg.BOD5/m3濾料/d
NH3-N負荷為0.3-0.4kg.NH3-N/m3濾料/d.
6 采用火山巖濾料工程實際檢測水質(zhì)數(shù)據(jù)參考
大連馬欄河污水處理廠和和四川省西昌市瓊海污水處理廠的運行過程中水質(zhì)部分實測資料如下：
BAF工藝處理城市污水的部分實測數(shù)據(jù)
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