印染廢水是色度高、 可生化性差、 水質水量波動大的一類工業廢水. 印染行業廢水的80%為紡織廢水. 2008年紡織工業廢水排放量23億t，居各工業行業第3位，占全國工業廢水排放量的10.60%[1]. 紡織工業排放廢水中化學需氧量(COD)排放量31.4萬t，居各工業行業第4位，占全國工業廢水COD的7.76%. 廢水排放標準日趨嚴格，其污水處理廠排放廢水要求由城鎮污水廠污染物排放標準(GB 18918-2002) 中的一級B排放標準提升到一級A排放標準，其主要水質問題是該廠出水COD和色度難以達到一級A排放標準，急需一種對其出水可以進行有效處理的工藝.
曝氣生物濾池(biological aerated filter,BAF)是一種運行穩定、 占地面積小、 水力停留時間短，對于深度處理十分有效的污水處理工藝，對于低濃度難降解污水有進一步的去除效果[2,3,4,5,6]. 筆者前期試驗采用活性炭以及陶粒處理該廠二級生物處理廢水，其中陶粒運行效果不佳，而活性炭應用于處理十分有效，但是活性炭價格昂貴、 再生困難[7]. 希望能夠用價格低廉、 輕型的懸浮填料替代活性炭. 本研究在相同的條件下使用大小和材質有差異的活性炭和懸浮填料兩種生物填料BAF對印染廢水進行深度處理，對比考察了BAF在穩定運行時沿程的污染物濃度變化規律，探討懸浮填料替代活性炭的可行性，以期為降低濾池成本、 優化濾池結構提供數據支持.
1 材料與方法
1.1 試驗用水
某污水處理廠主要處理數十家以印染企業為主的生產廢水. 本研究以污水廠二級生物處理經過石英砂濾池過濾后的出水作為原水，其COD、 色度、 TN和氨氮分別為46.3~65.8 mg ·L-1、 54~80倍、 3.6~10.1 mg ·L-1和0.3~0.7 mg ·L-1. 該污水廠水質主要問題是COD和色度不能達到一級A標準，即COD小于50 mg ·L-1，色度小于30倍. 1.2 試驗裝置與方法
兩套曝氣生物濾池試驗裝置如圖 1所示，該污水處理廠生化處理采用CASS工藝，CASS出水經潛水泵打入前端石英砂濾池，去除懸浮物質以方便準確進行沿程試驗研究，同時減少后續BAF處理負荷和減緩反沖洗頻率. 再經抽濾泵抽吸，均以15 t ·d-1的流量并聯流入活性炭BAF和懸浮填料BAF，水力停留時間分別為1 h和2 h，溶解氧均控制在4 mg ·L-1左右. 最后經過兩套BAF處理排出. 濾池反沖洗采用“氣沖 (氣沖+水沖) 水漂洗”的方式. 先氣沖10 min，再氣水聯合沖洗10 min，最后水漂洗5 min的方式. 中試裝置從10月下旬至次年1月中旬連續通水運行80 d. 運行前30 d視為掛膜啟動階段. 第31 d開始連續監測出水水質，評估BAF沿高程的凈化效果，沿程試驗期間水溫為15~20℃.
圖 1 試驗裝置
兩個BAF尺寸為700 mm×H5350 mm，卵石承托層高300 mm，填料填裝厚度為2100 mm，水位高度為2700 mm. BAF沿程各設9個取樣口，每個取樣口相隔300 mm，水流上進下出. 其中活性炭BAF濾料處于600~2700 mm; 懸浮填料BAF由于曝氣時呈完全流化狀態，濾料布滿整個濾池. 1.3 填料選擇
BAF所采用的煤質活性炭和中空改性塑料懸浮填料如圖 2所示. 其主要性能參數: 煤質活性炭尺寸0.5 mm，孔隙率50%~55%，堆積密度350 kg ·m-3，比表面積為960 m2 ·g-1; 中空改性塑料懸浮填料尺寸20 mm，孔隙率97%，堆積密度71 kg ·m-3，比表面積為140 m2 ·m-3. 對于采用大小和材質有差異的填料，主要控制相同的填充率來運行[8,9]. 本試驗對兩個BAF采用相同的填充厚度，即2100 mm填料. 所采用活性炭屬于微觀比表面填料[10]，懸浮填料屬于表觀比表面填料[11]，雖然它們的比表面積相差較大，但是后者表面組成幾乎是有效的，利于微生物生長[12]. 且所選用的懸浮填料尺寸適中，改性塑料材質填料去污能力強、 表面親水性強、 投資運行成本低.
圖 2 活性炭和懸浮填料
1.4 分析方法
常規水質指標采用文獻[13]的方法測定; UV254采用紫外分光光度法; 濁度采用濁度儀. 生物量同步采用脂磷法[14]和稱重法測定. 脂磷法根據文獻中的方法，結果以nmol ·g-1(干重填料)表示,1 nmol ·g-1相當于含有108個大腸桿菌. 稱重法步驟：取適量填料和空白填料放入已烘干稱重的稱量瓶中，在105℃的烘箱烘干、 冷卻和稱重(干重填料)，結果以g ·g-1表示. 試驗期間共進行沿程測試3次，每次間隔20 d，具有一定代表性.
2 結果與討論 2.1 沿程COD的變化
運行前30 d視為掛膜啟動階段,31 d開始連續監測出水水質，濾池進水COD為47.9~52.5 mg ·L-1，平均為50.2 mg ·L-1. 兩BAF沿程上對COD的去除效果如圖 3所示. 經活性炭BAF和懸浮填料BAF處理后出水COD均有所下降，分別為33.2~36.7 mg ·L-1和42.4~46.2 mg ·L-1，平均分別為35.0 mg ·L-1和44.3 mg ·L-1.
圖 3 沿程COD變化情況
活性炭BAF中0~600 mm段中，氣流作用帶起少量活性炭，結合此段生物量可知，由于生物量較少COD僅有少量去除. 活性炭BAF的COD濃度在600~1500 mm段下降較為明顯，在1500 mm處COD去除率為17.9%，1500 mm之后COD濃度仍有一定的下降，下降趨勢變緩，最終出水COD去除率為30.3%，這與一些學者的研究結論相似[15,16]，主要是由于進水端有機物濃度較高、 營養物質豐富、 異養菌占優勢，加上活性炭填料本身的吸附和截留作用，所以在進水端COD降解較為明顯，在1500 mm之后有機物濃度逐漸降低，硝化細菌等自養菌含量較異養菌處于劣勢，COD降解速率逐漸變緩慢; 懸浮填料BAF的COD隨著沿程的增加僅有少量去除效果，在2400 mm處可穩定達到一級A標準，COD去除率為11.0%，最終COD去除率僅為11.8%. 懸浮填料BAF的COD去除效果不佳主要由于懸浮填料在曝氣狀態下呈完全流化狀態，填料擾動較大，生物量較少. 此外原水經過了石英砂濾池處理，其減少了懸浮填料BAF有機物的濃度. 活性炭BAF較懸浮填料BAF在整個沿程COD去除效果更好，在沿程≥1500 mm時，活性炭BAF的COD出水濃度能穩定達到一級A標準50 mg ·L-1，懸浮填料BAF在≥2400 mm能達到一級A標準. 說明懸浮填料對于去除COD效果較活性炭低，但在本試驗進水COD濃度較低時，可以達到一級A標準，在COD去除效果上可以替代活性炭.
鄒士洋等[17]的研究表明3種懸浮填料比表面積依次為236 m2 ·m-3,360 m2 ·m-3,470 m2 ·m-3時,比表面積更高的填料出水有機物去除能力更好. 陳月芳等[18]采用3種不同比表面積填料也驗證了比表面積更高的填料有機物去除能力更高. 本研究中懸浮填料尺寸20 mm，單位容積比表面積僅為140 m2 ·m-3，若增加填料比表面積出水有機物去除能力有可能會得到提高. 2.2 沿程色度的變化
運行期間，BAF沿程上對色度的去除效果如圖 4所示. 該廠出水經石英砂濾池處理后色度幾乎無去除效果，主要由兩個BAF去除，進水色度為51~65倍，平均為58倍. 經活性炭BAF和懸浮填料BAF處理后色度分別為15~20倍和23~28倍，平均分別為18倍和26倍.
圖 4 沿程色度變化情況
兩個BAF在整個沿程上對色度都有較為明顯的去除. 活性炭BAF在沿程各個階段均有較好去除效果，在2100 mm之后去除效果略有降低，其色度在沿程≥1800 mm時達到一級A排放標準，在1800 mm處色度去除率為55.2%，最終出水色度去除率為69.0%; 懸浮填料BAF在沿程對色度也有較好的去除效果，在沿程1500 mm之后去除效果略有降低，在沿程≥2400 mm時達到一級A排放標準要求，在2400 mm處色度去除率為51.7%，最終出水色度去除率為55.2%. 目前，對曝氣生物濾池沿程中色度變化的研究較少，且多以活性炭為主去除色度. 文獻[19,20,21]用懸浮填料反應器處理有色廢水，發現對廢水的色度有很好的去除效果. 需要指出的是，本試驗中懸浮填料BAF處理印染廢水二級生物處理出水，色度從58倍降到26倍，去除率達到55.2%，說明本試驗中的懸浮填料對色度也有很好去除效果，而且價格低廉，有很好的開發前景，可以用來代替活性炭去除一些色度超標的廢水. 2.3 沿程TN的變化
運行期間，BAF沿程上對TN的去除效果如圖 5所示. 進水TN濃度為4.4~5.9 mg ·L-1，已達到一級A排放標準15 mg ·L-1的要求. 經活性炭BAF和懸浮填料BAF處理后 TN濃度平均分別下降至3.2~3.6 mg ·L-1和2.8~3.7 mg ·L-1.
圖 5 沿程TN變化情況
活性炭BAF在沿程≤1500 mm時TN去除效果明顯，主要是由于活性炭填料沉于濾池底部，曝氣時濾池底部溶解氧高，濾池上部溶解氧低所致，當沿程≥1500 mm時TN去除效果放緩. 懸浮填料BAF在沿程上TN去除效果與活性炭BAF趨勢大致相同. 懸浮填料BAF在沿程≤900 mm時TN去除效果明顯，當沿程≥900 mm時TN去除效果放緩. TN濃度的下降說明活性炭BAF中除了少量同化作用外還存在一定量反硝化現象. 一些研究[22,23,24,25]發現硝化和反硝化可同時進行，認為對于一定厚度的生物膜，氧只能滲透到填料外層的某一深度，即外層為好氧層，發生硝化反應，內層為缺氧層，反硝化菌利用硝化菌產生的硝酸鹽進行脫氮.
值得一提的是，懸浮填料BAF去除效果主要集中在進水端，這對于處理TN高的廢水有一定的指導意義. 于鵬飛[26]研究表明內循環懸浮填料對TN去除率最高可達92%，本試驗懸浮填料BAF的TN去除效果與活性炭BAF相仿，但去除率不高，主要是由于懸浮填料孔徑大，擾動較大，氧傳質效率高，導致厭氧條件不足，通過調節曝氣量改變其擾動方式，可能會提高TN的去除效果. 2.4 對氨氮的去除
運行期間，進水氨氮為0.47~0.59 mg ·L-1，已經達到一級A排放標準5 mg ·L-1的要求. 活性炭BAF和懸浮填料BAF出水氨氮分別為0.28~0.35 mg ·L-1和0.40~0.45 mg ·L-1. 活性炭BAF在沿程≤1500 mm時氨氮降解趨勢緩慢，是由于進水端有機物濃度較高，異養菌較硝化細菌占優勢，在沿程≥1500 mm時氨氮降解趨勢明顯，是由于隨著沿程的增加，硝化細菌較異養菌逐漸占優勢. 懸浮填料BAF降解趨勢與活性炭BAF類似，在沿程≤1500 mm時氨氮降解趨勢緩慢，在≥1500 mm時氨氮降解趨勢明顯，懸浮填料呈完全流化狀態，氨氮去除效果略低于活性炭BAF.
曝氣生物濾池內部由于無污泥，其微生物主要附著在填料生物膜上，世代較長的硝化細菌也得以繁殖，故曝氣生物濾池對氨氮有較好去除效果. 在氨氮濃度低于1 mg ·L-1時，活性炭BAF和懸浮填料BAF對氨氮都有一定的去除效果，根據羅榮強等[27]的研究，氨氮主要先吸附在填料上，再由填料表面生物膜上的硝化細菌去除，由于活性炭填料吸附性能大于懸浮填料，故活性炭BAF對氨氮去除效果略高于懸浮填料BAF. 2.5 沿程UV254的變化
運行期間，UV254通常表征具有苯環的芳香族化合物或含共軛雙鍵的一類有機物，可以作為總有機碳(TOC)、 溶解性有機碳(DOC)以及三鹵甲烷(THMs)的前驅物等指標的替代參數[28]. 試驗期間沿程UV254變化如圖 6所示. 進水UV254為0.606~0.658 cm-1，經活性炭BAF和懸浮填料BAF處理后分別下降至為0.436~0.437 cm-1和0.560~0.613 cm-1.
圖 6 沿程UV254變化情況
值得注意的是，活性炭BAF在沿程≤1800 mm對UV254有很好去除效果，在1800 mm之后去除效果逐漸變緩慢. 由于UV254在一定程度上可以表征有機物，活性炭BAF中UV254的沿程變化規律對有機物去除有一定的參照意義. 李俊生[29]在用活性炭BAF深度處理染紗廢水的研究中發現，顆粒活性炭對棉紗染色廢水二級處理出水的有機物UV254吸附能力較好. 其吸附等溫式為q=14.3913ce0.5272，吸附曲線其相關性較好，故活性炭BAF因為活性炭的吸附作用在沿程上對UV254有持續的降解作用，而懸浮填料BAF的懸浮填料吸附性能相對較弱，對UV254去除效果較差. 2.6 BAF沿程生物量變化
運行期間，同步采用脂磷法和稱重法兩種方法測定同一填料生物量，懸浮填料BAF由于呈完全流化狀態，以平均生物量表示. 活性炭BAF沿程生物量變化如表 1所示，脂磷法和稱重法測量的生物量沿程變化趨勢一致，隨著沿程變化生物量先增加后降低，在沿程1800 mm處達到最大值23.0 nmol ·g-1，整個沿程平均生物量為16.4 nmol ·g-1.
表 1 活性炭BAF沿程生物量變化
沿程≤900 mm時活性炭生物量較低，從300、 600和900 mm處取出的填料可以看出，生物膜較薄，手觸滑膩感較低，是由于曝氣時氣泡隨著高度增加體積逐漸增大，在濾池上端時對活性炭填料擾動較大，此外水流的作用使得濾池上層擾動大，水流與氣泡的剪切力共同作用所致. 而沿程≥1800 mm時生物量逐漸降低，是由于有機物濃度的逐漸被降解，微生物的營養物質也逐漸降低所致. 一些學者[30,31,32]對曝氣生物濾池沿程的生物量進行研究，發現沿水流方向生物量和生物活性逐漸減小，進水端生物量較高，且有機物濃度對于生物量和生物活性的大小有很大影響. 文獻中主要是針對上向流曝氣生物濾池而言，而對下向流曝氣生物濾池沿程試驗的研究較少，本試驗采用的是下向流的曝氣生物濾池，而且中試進水流量較大，水流對填料沖擊影響較大，導致進水端生物量較低.
懸浮填料可形成較豐富的生物膜[33,34]，而本研究中懸浮填料BAF中填料的平均生物量僅為2.3 nmol ·g-1，遠低于活性炭BAF的生物量，主要是因為懸浮填料粗糙度低、 比表面積小、 生物膜難以附著，其次是由于懸浮填料呈完全流化狀態，填料不斷處于擾動中，增加了生物膜附著的難度. 更改懸浮填料的比表面積、 孔徑大小、 材質等條件可能會增加其生物量.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
3 結論
(1)本研究只采集3次水樣，尚不足以揭示污染物隨時間的變化，然而研究結果在一定程度上揭示了COD、 色度、 TN和氨氮等污染物隨沿程的變化規律. 在設計BAF高度時，要充分考慮所需降解污染物的沿程變化特征.
(2)活性炭BAF和懸浮填料BAF出水COD和色度等都能達到一級A標準. 不同的是，懸浮填料BAF達到一級A標準所需濾床高度為2400 mm，比活性炭BAF的1800 mm高出了三分之一. 活性炭BAF沿程生物量先逐漸增加后逐漸降低.
(3)經過80 d的運行，懸浮填料替代活性炭應用于該污水廠二級生物處理出水在技術上是可行的，但仍需要對填料大小和材質進行優化改造，增大生物量，必要時可考慮使用活性炭和懸浮填料的組合工藝減少造價成本.(來源及作者：浙江清華長三角研究院生態環境研究所劉俊峰、范舉紅、劉銳、陳呂軍、張永明)
