随着当今石油工业生产的迅速发展，原油加工能力的提高，大量的水资源被耗用，使得原有的供水设施远不能满足要求。炼油行业面临日益严重的水资源短缺危机，节水和成为企业可持续发展的必由之路。污水深度处理就是以二级处理后的污水为源水，再经深度处理后回用。污水深度处理工艺很多，对应不同的污水性质，可以采用不同的工艺方法。以某石化污水处理场曝气生物滤池工艺为研究对象，对该工艺的运行特点进行分析，共同探讨曝气生物滤池在炼油污水深度处理中的应用。
1 污水深度处理工艺流程
某石化污水处理场二级处理出水先经过后气浮进一步去除石油类和COD，经过调节池提升至曝气生物滤池(简称BAF) 去除部分氨氮和COD，再通过活性碳塔过滤，进入流砂过滤装置去除悬浮物，从而完成污水深度处理流程。工艺流程图如下:
图1 污水深度处理工艺流程
2 曝气生物滤池设计
2. 1 设计参数
设计处理水量200 m3 /h，设计进出水水质见表1，曝气生物滤池设计参数见表2。
表1 曝气生物滤池进出水水质mg /L
表2 曝气生物滤池主要设计参数
2. 2 BAF 装置的构成
BAF 由生物滤池、曝气供风系统、反冲洗供风系统、反冲洗系统、反冲洗废水池(泥水分离池) 、反冲洗清水池、自控系统组成。
(1) 曝气生物滤池
某石化污水深度处理曝气生物滤池工艺采用的是内循环式固定生物氧化床工艺(简称IRBAF工艺) 。即在曝气区充氧的同时，将污水沿曝气器管道提升，再经过反应器生物床，在填料区形成循环水流，从而达到去除污染物的目的。
BAF 反应池共设置5 间，单间池体规格:8 000 mm × 5 000 mm × 5 000 mm，每间处理水量为40 m3 /h。滤池自上而下依次分为生物滤料、承托层填料、曝气提升回流器、主曝气系统(含曝气头) 、进水布水器、反冲洗布水系统、反冲洗布气系统、配水器。
承托层采用的是瓷球，粒径40 ～ 55mm。
滤料采用沸石填料，比表面积5. 5 ～ 7. 8 ×104 cm2 /g，填装高度2. 5 m。
(2) 曝气供风系统
污水处理场生化系统由2 台离心鼓风机统一供风。
(3) 反冲洗供风系统
反冲洗供风系统主要采用非净化风系统，要求风压不低于0. 45 MPa。由于非净化风系统波动较大，而且考虑到BAF 反冲洗的强度和用风量，在BAF 系统前设置非净化风缓冲罐，满足单池反洗的风量。
(4) 反冲洗系统
某石化污水深度处理BAF 工艺反冲洗系统由调节池、反洗水泵以及和BAF 池连接的管道、阀门和自动控制系统组成。采用气-水联合反冲洗技术，即采用较大强度的反冲气流冲击生物滤床，使池内水体以较大的速度向上膨胀，从而提高滤料层扰动强度和系统应力中的附加切应力。生物膜及杂质在强烈的剪切、碰撞作用下快速脱落，从而提高系统的反冲洗效果，避免滤料的粘结堵塞，保持反应器的活性，达到稳定处理的目的。
整个反冲洗系统采用PLC 控制。反应池共5间，每间池安装气动阀3 台，电磁阀1 台，依次为出水气动阀、反冲洗进水气动阀、反冲洗出水气动阀、反冲洗风电磁阀。分别控制出水、反冲洗进水、反冲洗进风的打开与关闭，从而进行BAF 池反冲洗的自动控制。
(5) 反冲洗废水池
主要用来存储BAF 反冲洗时产生的废水。
3 运行调试
由于在运输和投加的过程中，造成滤池内比较脏，所以在调试前，先要利用气冲和水洗将陶粒中的脏东西淘洗干净，然后再进入正式挂膜阶段。
3. 1 启动挂膜
合适的启动方式对BAF 装置效能发挥作用明显，也是保证BAF 装置快速启动的决定性因素。某石化BAF 装置启动采用的是接种挂膜法。即通过提升泵将生化系统活性污泥投加到滤池中作为种泥，然后以小流量进水，通气闷曝，使微生物逐渐接种在滤料上，附着生长，控制污水中溶解氧浓度大于或等于2 mg /L。停留时间达到8 h，排出上清液，增大进水流量(即增加水力负荷) ，逐渐减少停留时间，继续闷曝一段时间。每次增加的负荷量约为30% 左右，直至达到处理能力。在挂膜期间，每天对进出水的COD 和氨氮进行监测，当出水的COD≤60 mg /L 和出水氨氮≤5 mg /L 时，即可认为挂膜完成，此时生物相对比较稳定。挂膜时间需要20 ～ 30 d 左右。这种挂膜的方法能够迅速启动BAF 装置，完成挂膜。
3. 2 生物相分析
曝气生物滤池的生物膜是由滤料表面和滤料空隙之间截留的悬浮物、吸附胶体和繁殖的微生物组成。生物膜的微型动物大部分是单细胞的原生动物，如肉足虫、鞍毛虫、纤毛虫和吸管虫，也有比较复杂的后生动物，如轮虫等。
通过对曝气生物滤池从运行初期到运行一段时间后的观察，生物膜上的生物均是由低等向高等演变。在曝气生物滤池的挂膜过程中，先出现菌胶团和丝状菌，出水外观浑浊。系统刚刚运行时，只见到大量的细菌，其它微生物很少或不出现。系统正常运行和生物膜降解良好时，相应地出现许多较高等的微生物，出水外观清澈，镜检可以观察到生物膜，还有浅色菌胶团、丝状菌和固着型纤毛虫。生物相中占优势的原生动物以固着型的纤毛虫为主，如钟虫、等枝虫等。系统运行稳定后，生物膜上的生物相也相对稳定。如果进水的营养状况有较大的改变，即系统非正常运行时，则原生动物中的游动型纤毛虫突然增加，固着型纤毛虫减少，伴随着丝状菌稀少和菌胶团松散，此时出水水质变差[1]。
3. 3 调试
在调试期间，应尽可能保证进水水质和水量的稳定。水质严重恶化时，应降低滤速，以保证污染物负荷的稳定。要达到稳定的去除效果，调试和运行时，为确保滤池中的生物膜，防止污泥堵塞滤料，应调节各池布气量，保持曝气强度的稳定和曝气时间的连续[2]。
BAF 运行一段时间后，生物膜渐渐增厚，生长过量的微生物也聚集在滤池表面和滤料空隙中，滤料间截留大量悬浮物，造成填料的空隙度减小，水头损失增大。总的水头损失可能达到或者接近设计流量通过BAF 装置所必需的水头损失，或者是出现滤料颗粒穿透，在任一情况出现之前，BAF 装置应停止运行进行反冲洗。某石化BAF 装置采用自动气-水联合反冲洗，反洗采用脉冲反洗技术，即在气水联洗阶段，利用反洗进风阀的瞬间开启和闭合进行反洗。
反冲洗周期视进水COD 负荷和悬浮物浓度确定，进水COD 越低、悬浮物越低，则反冲洗周期越长，反之越短。由于炼油污水处理的特点，进水的水质水量波动比较大，工业运行中BAF 池的容污周期不同，反冲洗周期也不同，故组态时只考虑了对反冲洗动作和时间的控制，没有对反洗周期控制。反冲洗周期可以根据运行情况定期调整设定。BAF 池采用单池依此反冲洗的方式，而现场采用的非净化风罐容量较小，一次实际只能满足单池反洗，反洗完后风罐要一定时间恢复反洗所需压力(0. 45 MPa) ，因此反洗程序实际只考虑为单池各阀门和反洗泵的开关控制，动作持续时间和各阀泵联锁时间。调试期间进出水COD 及处理效果变化情况见图3。
4 BAF 的反冲洗
BAF 滤池反冲洗是保证滤池效能的关键步骤。反冲洗的目的是在较短的时间内，使滤料得到清洗，恢复其除污能力，即清除滤料颗粒间所截留的悬浮物及滤料表面脱离的老化生物膜，但必须保留适量的生物膜，这对于曝气生物滤池反应器是至关重要的。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。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，但出水仍达不到要求[3]。
BAF 反冲洗的过程可分为三个阶段: 反冲开始滤层膨胀阶段、滤层悬浮平衡阶段和后期的悬浮滤层沉降阶段。由于第一阶段的特征是滤层变速膨胀，颗粒拥挤上升，碰撞摩擦剧烈，再加上反冲气/水的剪切、摩擦作用使滤料净化效率最高; 而第二和第三阶段颗粒碰撞摩擦的机会极少使碰撞摩擦作用减弱，而且反冲气/水对滤料的剪切和摩擦强度也会由于滤层处于平衡状态而有所降低，因此冲洗效果主要取决于第一阶段[4]。
4. 1 反冲洗气强度的确定
根据有关资料，气反冲效率的影响明显大于水冲强度变化的影响。因此，这里只考查了气冲强度变化对反冲洗的影响。首先固定水冲强度，对比反冲洗气强度在20 ～ 40 m3 /min 的气冲效率，通过分析反冲洗液中的总固体含量来选择控制范围。
当气冲强度小于20 m3 /min 时，滤床无搅动、膨胀现象，只是滤层中下段发生蠕动，生物膜及杂质的剥落仅通过水流的剪力和分散气泡引起的小范围滤料的碰撞摩擦作用，由水流的漂洗脱离滤床，因而老的生物膜未完全脱落，反冲洗液中的固体含量不高; 当气冲强度增加到20 ～ 30Nm3 /min 时，在滤层底部即可形成大气泡，并以不连续的方式跳跃上升，引起整个滤层剧烈的碰撞摩擦，同时滤层出现流化置位现象，滤料在气流的携带下有小部分流失，提高了去除效果; 由于污水场的风压达不到0. 45 MPa，因此无法考查当气冲强度增大到40 Nm3 /min 以上时的状况，但根据气冲强度在20 ～ 30 Nm3 /min 的状况可以推断出，当气冲强度增大到40 Nm3 /min 以上时，滤层会更加剧烈的流化脉动，滤料将会在气流的携带下流失。
图4 不同反冲洗时间下反冲洗液总固体含量对比
4. 2 反冲洗周期的确定
在反冲洗强度一定的条件下，反冲洗周期与进水有机负荷、进水悬浮物有关。当曝气生物滤池进水水质达到稳定后，摸索最佳的BAF 反冲洗周期。固定水反冲强度和气冲强度，反冲洗时间为5 min，在反冲洗后分别间隔运行4 h，考查BAF 对COD 的去除效果。
图5 不同运行时间BAF 对COD 去除率的对比
从上图看，COD 的去除率在反冲洗后初期有明显的上升趋势，主要是因为反冲洗后微生物处于内源呼吸状态，其活性逐渐恢复; 当滤池运行到中期(24 h) 时，COD 有较高的去除率; 但运行到后期(48 h) 时，因截留的悬浮物和脱落的生物膜堵塞滤床而不利于溶解氧的传输，导致异养菌活性下降，去除效率下降。
为了达到较高的去除率，确定反冲洗周期为24 h。
4. 3 反冲洗时间的确定
这里所讨论的反冲洗时间为气水联洗阶段的时间。在BAF 反冲洗的过程中，水反冲洗强度、气反冲洗强度和气水同时反冲洗时间对反冲洗效果有较大的影响，而气水同时反冲洗是气水联合反冲洗过程中最关键的一步。为摸索最适合的反冲洗时间，固定水反冲强度和气冲强度，分别考查反冲洗时间为5 min、10 min 条件下BAF 对COD 的去除效果。
图6 不同反冲洗时间BAF 对COD 去除率对比
从上图可以看出，在同等采样时间下，反冲5 min 比10 min 对COD 的去除效率更高; 同等去除效率的前提下，BAF 从反冲洗完成到出水正常时间，即BAF 的滤层恢复时间，反冲5 min 比10min 要短。这说明反冲5 min 时滤料表层的有机活性生物膜层仍有适当存余，反冲后滤层只需短暂的稳定即可达到较高的COD 去除效率，而反冲10 min 则使生物膜几乎全部冲脱，滤层的恢复仅依赖于生物膜的重新形成，因而速度较慢[3]。曝气生物滤池反冲后的恢复速度决定于滤料上活性生物膜层的存在与否，因此确定反冲时间为5 min。
5 工程运行结果
工程运行几个月后，曝气生物滤池水力负荷达到3. 0 kg /m3˙d，反冲洗周期24 h 后，反冲洗气冲强度控制在20 ～ 30 Nm3 /min ，气水联合冲洗5 min，对COD 有较高的去除效果，平均去除率高达51%。
6 结语
曝气生物滤池内填料的物理吸附和过滤截留作用及生物膜的生物氧化作用能够高效去除污水中的有机物。曝气生物滤池工艺已广泛应用于污水回用或者污水深度处理。在今后的运行实践中还需继续摸索曝气生物滤池与其它工艺优化组合，进一步发挥其高效的去污能力。
