印染废水是色度高、 可生化性差、 水质水量波动大的一类工业废水. 印染行业废水的80%为纺织废水. 2008年纺织工业废水排放量23亿t，居各工业行业第3位，占全国工业废水排放量的10.60%[1]. 纺织工业排放废水中化学需氧量(COD)排放量31.4万t，居各工业行业第4位，占全国工业废水COD的7.76%. 废水排放标准日趋严格，其污水处理厂排放废水要求由城镇污水厂污染物排放标准(GB 18918-2002) 中的一级B排放标准提升到一级A排放标准，其主要水质问题是该厂出水COD和色度难以达到一级A排放标准，急需一种对其出水可以进行有效处理的工艺.
曝气生物滤池(biological aerated filter,BAF)是一种运行稳定、 占地面积小、 水力停留时间短，对于深度处理十分有效的污水处理工艺，对于低浓度难降解污水有进一步的去除效果[2,3,4,5,6]. 笔者前期试验采用活性炭以及陶粒处理该厂二级生物处理废水，其中陶粒运行效果不佳，而活性炭应用于处理十分有效，但是活性炭价格昂贵、 再生困难[7]. 希望能够用价格低廉、 轻型的悬浮填料替代活性炭. 本研究在相同的条件下使用大小和材质有差异的活性炭和悬浮填料两种生物填料BAF对印染废水进行深度处理，对比考察了BAF在稳定运行时沿程的污染物浓度变化规律，探讨悬浮填料替代活性炭的可行性，以期为降低滤池成本、 优化滤池结构提供数据支持.
1 材料与方法
1.1 试验用水
某污水处理厂主要处理数十家以印染企业为主的生产废水. 本研究以污水厂二级生物处理经过石英砂滤池过滤后的出水作为原水，其COD、 色度、 TN和氨氮分别为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. 该污水厂水质主要问题是COD和色度不能达到一级A标准，即COD小于50 mg ·L-1，色度小于30倍. 1.2 试验装置与方法
两套曝气生物滤池试验装置如图 1所示，该污水处理厂生化处理采用CASS工艺，CASS出水经潜水泵打入前端石英砂滤池，去除悬浮物质以方便准确进行沿程试验研究，同时减少后续BAF处理负荷和减缓反冲洗频率. 再经抽滤泵抽吸，均以15 t ·d-1的流量并联流入活性炭BAF和悬浮填料BAF，水力停留时间分别为1 h和2 h，溶解氧均控制在4 mg ·L-1左右. 最后经过两套BAF处理排出. 滤池反冲洗采用“气冲 (气冲+水冲) 水漂洗”的方式. 先气冲10 min，再气水联合冲洗10 min，最后水漂洗5 min的方式. 中试装置从10月下旬至次年1月中旬连续通水运行80 d. 运行前30 d视为挂膜启动阶段. 第31 d开始连续监测出水水质，评估BAF沿高程的净化效果，沿程试验期间水温为15~20℃.
图 1 试验装置
两个BAF尺寸为700 mm×H5350 mm，卵石承托层高300 mm，填料填装厚度为2100 mm，水位高度为2700 mm. BAF沿程各设9个取样口，每个取样口相隔300 mm，水流上进下出. 其中活性炭BAF滤料处于600~2700 mm; 悬浮填料BAF由于曝气时呈完全流化状态，滤料布满整个滤池. 1.3 填料选择
BAF所采用的煤质活性炭和中空改性塑料悬浮填料如图 2所示. 其主要性能参数: 煤质活性炭尺寸0.5 mm，孔隙率50%~55%，堆积密度350 kg ·m-3，比表面积为960 m2 ·g-1; 中空改性塑料悬浮填料尺寸20 mm，孔隙率97%，堆积密度71 kg ·m-3，比表面积为140 m2 ·m-3. 对于采用大小和材质有差异的填料，主要控制相同的填充率来运行[8,9]. 本试验对两个BAF采用相同的填充厚度，即2100 mm填料. 所采用活性炭属于微观比表面填料[10]，悬浮填料属于表观比表面填料[11]，虽然它们的比表面积相差较大，但是后者表面组成几乎是有效的，利于微生物生长[12]. 且所选用的悬浮填料尺寸适中，改性塑料材质填料去污能力强、 表面亲水性强、 投资运行成本低.
图 2 活性炭和悬浮填料
1.4 分析方法
常规水质指标采用文献[13]的方法测定; UV254采用紫外分光光度法; 浊度采用浊度仪. 生物量同步采用脂磷法[14]和称重法测定. 脂磷法根据文献中的方法，结果以nmol ·g-1(干重填料)表示,1 nmol ·g-1相当于含有108个大肠杆菌. 称重法步骤：取适量填料和空白填料放入已烘干称重的称量瓶中，在105℃的烘箱烘干、 冷却和称重(干重填料)，结果以g ·g-1表示. 试验期间共进行沿程测试3次，每次间隔20 d，具有一定代表性.
2 结果与讨论 2.1 沿程COD的变化
运行前30 d视为挂膜启动阶段,31 d开始连续监测出水水质，滤池进水COD为47.9~52.5 mg ·L-1，平均为50.2 mg ·L-1. 两BAF沿程上对COD的去除效果如图 3所示. 经活性炭BAF和悬浮填料BAF处理后出水COD均有所下降，分别为33.2~36.7 mg ·L-1和42.4~46.2 mg ·L-1，平均分别为35.0 mg ·L-1和44.3 mg ·L-1.
图 3 沿程COD变化情况
活性炭BAF中0~600 mm段中，气流作用带起少量活性炭，结合此段生物量可知，由于生物量较少COD仅有少量去除. 活性炭BAF的COD浓度在600~1500 mm段下降较为明显，在1500 mm处COD去除率为17.9%，1500 mm之后COD浓度仍有一定的下降，下降趋势变缓，最终出水COD去除率为30.3%，这与一些学者的研究结论相似[15,16]，主要是由于进水端有机物浓度较高、 营养物质丰富、 异养菌占优势，加上活性炭填料本身的吸附和截留作用，所以在进水端COD降解较为明显，在1500 mm之后有机物浓度逐渐降低，硝化细菌等自养菌含量较异养菌处于劣势，COD降解速率逐渐变缓慢; 悬浮填料BAF的COD随着沿程的增加仅有少量去除效果，在2400 mm处可稳定达到一级A标准，COD去除率为11.0%，最终COD去除率仅为11.8%. 悬浮填料BAF的COD去除效果不佳主要由于悬浮填料在曝气状态下呈完全流化状态，填料扰动较大，生物量较少. 此外原水经过了石英砂滤池处理，其减少了悬浮填料BAF有机物的浓度. 活性炭BAF较悬浮填料BAF在整个沿程COD去除效果更好，在沿程≥1500 mm时，活性炭BAF的COD出水浓度能稳定达到一级A标准50 mg ·L-1，悬浮填料BAF在≥2400 mm能达到一级A标准. 说明悬浮填料对于去除COD效果较活性炭低，但在本试验进水COD浓度较低时，可以达到一级A标准，在COD去除效果上可以替代活性炭.
邹士洋等[17]的研究表明3种悬浮填料比表面积依次为236 m2 ·m-3,360 m2 ·m-3,470 m2 ·m-3时,比表面积更高的填料出水有机物去除能力更好. 陈月芳等[18]采用3种不同比表面积填料也验证了比表面积更高的填料有机物去除能力更高. 本研究中悬浮填料尺寸20 mm，单位容积比表面积仅为140 m2 ·m-3，若增加填料比表面积出水有机物去除能力有可能会得到提高. 2.2 沿程色度的变化
运行期间，BAF沿程上对色度的去除效果如图 4所示. 该厂出水经石英砂滤池处理后色度几乎无去除效果，主要由两个BAF去除，进水色度为51~65倍，平均为58倍. 经活性炭BAF和悬浮填料BAF处理后色度分别为15~20倍和23~28倍，平均分别为18倍和26倍.
图 4 沿程色度变化情况
两个BAF在整个沿程上对色度都有较为明显的去除. 活性炭BAF在沿程各个阶段均有较好去除效果，在2100 mm之后去除效果略有降低，其色度在沿程≥1800 mm时达到一级A排放标准，在1800 mm处色度去除率为55.2%，最终出水色度去除率为69.0%; 悬浮填料BAF在沿程对色度也有较好的去除效果，在沿程1500 mm之后去除效果略有降低，在沿程≥2400 mm时达到一级A排放标准要求，在2400 mm处色度去除率为51.7%，最终出水色度去除率为55.2%. 目前，对曝气生物滤池沿程中色度变化的研究较少，且多以活性炭为主去除色度. 文献[19,20,21]用悬浮填料反应器处理有色废水，发现对废水的色度有很好的去除效果. 需要指出的是，本试验中悬浮填料BAF处理印染废水二级生物处理出水，色度从58倍降到26倍，去除率达到55.2%，说明本试验中的悬浮填料对色度也有很好去除效果，而且价格低廉，有很好的开发前景，可以用来代替活性炭去除一些色度超标的废水. 2.3 沿程TN的变化
运行期间，BAF沿程上对TN的去除效果如图 5所示. 进水TN浓度为4.4~5.9 mg ·L-1，已达到一级A排放标准15 mg ·L-1的要求. 经活性炭BAF和悬浮填料BAF处理后 TN浓度平均分别下降至3.2~3.6 mg ·L-1和2.8~3.7 mg ·L-1.
图 5 沿程TN变化情况
活性炭BAF在沿程≤1500 mm时TN去除效果明显，主要是由于活性炭填料沉于滤池底部，曝气时滤池底部溶解氧高，滤池上部溶解氧低所致，当沿程≥1500 mm时TN去除效果放缓. 悬浮填料BAF在沿程上TN去除效果与活性炭BAF趋势大致相同. 悬浮填料BAF在沿程≤900 mm时TN去除效果明显，当沿程≥900 mm时TN去除效果放缓. TN浓度的下降说明活性炭BAF中除了少量同化作用外还存在一定量反硝化现象. 一些研究[22,23,24,25]发现硝化和反硝化可同时进行，认为对于一定厚度的生物膜，氧只能渗透到填料外层的某一深度，即外层为好氧层，发生硝化反应，内层为缺氧层，反硝化菌利用硝化菌产生的硝酸盐进行脱氮.
值得一提的是，悬浮填料BAF去除效果主要集中在进水端，这对于处理TN高的废水有一定的指导意义. 于鹏飞[26]研究表明内循环悬浮填料对TN去除率最高可达92%，本试验悬浮填料BAF的TN去除效果与活性炭BAF相仿，但去除率不高，主要是由于悬浮填料孔径大，扰动较大，氧传质效率高，导致厌氧条件不足，通过调节曝气量改变其扰动方式，可能会提高TN的去除效果. 2.4 对氨氮的去除
运行期间，进水氨氮为0.47~0.59 mg ·L-1，已经达到一级A排放标准5 mg ·L-1的要求. 活性炭BAF和悬浮填料BAF出水氨氮分别为0.28~0.35 mg ·L-1和0.40~0.45 mg ·L-1. 活性炭BAF在沿程≤1500 mm时氨氮降解趋势缓慢，是由于进水端有机物浓度较高，异养菌较硝化细菌占优势，在沿程≥1500 mm时氨氮降解趋势明显，是由于随着沿程的增加，硝化细菌较异养菌逐渐占优势. 悬浮填料BAF降解趋势与活性炭BAF类似，在沿程≤1500 mm时氨氮降解趋势缓慢，在≥1500 mm时氨氮降解趋势明显，悬浮填料呈完全流化状态，氨氮去除效果略低于活性炭BAF.
曝气生物滤池内部由于无污泥，其微生物主要附着在填料生物膜上，世代较长的硝化细菌也得以繁殖，故曝气生物滤池对氨氮有较好去除效果. 在氨氮浓度低于1 mg ·L-1时，活性炭BAF和悬浮填料BAF对氨氮都有一定的去除效果，根据罗荣强等[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细菌去除，由于活性炭填料吸附性能大于悬浮填料，故活性炭BAF对氨氮去除效果略高于悬浮填料BAF. 2.5 沿程UV254的变化
运行期间，UV254通常表征具有苯环的芳香族化合物或含共轭双键的一类有机物，可以作为总有机碳(TOC)、 溶解性有机碳(DOC)以及三卤甲烷(THMs)的前驱物等指标的替代参数[28]. 试验期间沿程UV254变化如图 6所示. 进水UV254为0.606~0.658 cm-1，经活性炭BAF和悬浮填料BAF处理后分别下降至为0.436~0.437 cm-1和0.560~0.613 cm-1.
图 6 沿程UV254变化情况
值得注意的是，活性炭BAF在沿程≤1800 mm对UV254有很好去除效果，在1800 mm之后去除效果逐渐变缓慢. 由于UV254在一定程度上可以表征有机物，活性炭BAF中UV254的沿程变化规律对有机物去除有一定的参照意义. 李俊生[29]在用活性炭BAF深度处理染纱废水的研究中发现，颗粒活性炭对棉纱染色废水二级处理出水的有机物UV254吸附能力较好. 其吸附等温式为q=14.3913ce0.5272，吸附曲线其相关性较好，故活性炭BAF因为活性炭的吸附作用在沿程上对UV254有持续的降解作用，而悬浮填料BAF的悬浮填料吸附性能相对较弱，对UV254去除效果较差. 2.6 BAF沿程生物量变化
运行期间，同步采用脂磷法和称重法两种方法测定同一填料生物量，悬浮填料BAF由于呈完全流化状态，以平均生物量表示. 活性炭BAF沿程生物量变化如表 1所示，脂磷法和称重法测量的生物量沿程变化趋势一致，随着沿程变化生物量先增加后降低，在沿程1800 mm处达到最大值23.0 nmol ·g-1，整个沿程平均生物量为16.4 nmol ·g-1.
表 1 活性炭BAF沿程生物量变化
沿程≤900 mm时活性炭生物量较低，从300、 600和900 mm处取出的填料可以看出，生物膜较薄，手触滑腻感较低，是由于曝气时气泡随着高度增加体积逐渐增大，在滤池上端时对活性炭填料扰动较大，此外水流的作用使得滤池上层扰动大，水流与气泡的剪切力共同作用所致. 而沿程≥1800 mm时生物量逐渐降低，是由于有机物浓度的逐渐被降解，微生物的营养物质也逐渐降低所致. 一些学者[30,31,32]对曝气生物滤池沿程的生物量进行研究，发现沿水流方向生物量和生物活性逐渐减小，进水端生物量较高，且有机物浓度对于生物量和生物活性的大小有很大影响. 文献中主要是针对上向流曝气生物滤池而言，而对下向流曝气生物滤池沿程试验的研究较少，本试验采用的是下向流的曝气生物滤池，而且中试进水流量较大，水流对填料冲击影响较大，导致进水端生物量较低.
悬浮填料可形成较丰富的生物膜[33,34]，而本研究中悬浮填料BAF中填料的平均生物量仅为2.3 nmol ·g-1，远低于活性炭BAF的生物量，主要是因为悬浮填料粗糙度低、 比表面积小、 生物膜难以附着，其次是由于悬浮填料呈完全流化状态，填料不断处于扰动中，增加了生物膜附着的难度. 更改悬浮填料的比表面积、 孔径大小、 材质等条件可能会增加其生物量.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。
3 结论
(1)本研究只采集3次水样，尚不足以揭示污染物随时间的变化，然而研究结果在一定程度上揭示了COD、 色度、 TN和氨氮等污染物随沿程的变化规律. 在设计BAF高度时，要充分考虑所需降解污染物的沿程变化特征.
(2)活性炭BAF和悬浮填料BAF出水COD和色度等都能达到一级A标准. 不同的是，悬浮填料BAF达到一级A标准所需滤床高度为2400 mm，比活性炭BAF的1800 mm高出了三分之一. 活性炭BAF沿程生物量先逐渐增加后逐渐降低.
(3)经过80 d的运行，悬浮填料替代活性炭应用于该污水厂二级生物处理出水在技术上是可行的，但仍需要对填料大小和材质进行优化改造，增大生物量，必要时可考虑使用活性炭和悬浮填料的组合工艺减少造价成本.(来源及作者：浙江清华长三角研究院生态环境研究所刘俊峰、范举红、刘锐、陈吕军、张永明)