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摘要：利用以火山岩为填料的曝气生物滤池（BAF）进行了预处理污染水源水的试验研究。试验结果表明，BAF能够有效的去除氨氮，NO2--N及锰。当进水氨氮＜2.7mg/L时，BAF可在滤速为25m/h的水力负荷下运行,氨氮去除率大于81%。当进水氨氮介于2.7-4mg/L时，BAF可在滤速为16m/h的水力负荷下运行,氨氮去除率为95%。BAF对CODMn的去除率平均22%。反冲洗对火山岩表面附着的生物膜影响很小，处理效果在反冲洗后0.5-1h内能恢复到反冲洗前的水平。当水温达到一定值时，BAF处理效果趋于稳定。
关键词： 火山岩，曝气生物滤池，预处理，污染原水
Research on biological aerated filter with volcanic filler for pretreatment of polluted source water
Wenchao Guo, Haiping Sun, Zhimin Ma, Xiaolong Zhou，Xiaohe Tian (1-College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou Zhejiang 310014, China; 2- Jiayuan Water and Wastewater Co., Ltd., Jiaxing Zhejiang 314000, China)
Abstract: Biological aerated filter (BAF) with volcanic filler was used for pretreatment of the polluted source water. The experiment result showed BAF had high removal rate for ammonia-nitrogen, nitrite and Mn. Under the conditions of influent ammonia-nitrogen being less than 2.7mg/L and the hydraulic load of filter velocity 25m/h in BAF, the removal rate of ammonia-nitrogen in BAF was more than 81%. Under the conditions of influent ammonia-nitrogen being 2.7-4mg/L and the hydraulic load of filter velocity 25m/h in BAF, the removal rate was more than 95%. The removal rate of CODMn by BAF averaged 22%. Backwashing process of the BAF had little influence on the biofilm, and the treatment effect could recover within half to one hour after the backwashing. when the water temperature reaches a certain value, the treatment effect tend to be more stable.
Keywords: volcanic filler, biological aerated filter, pretreatment, polluted water.
中图分类号：R122.7 文献标识码：文章编号：
对于以有机物（以CODMn计）污染与氨氮污染的水源水，常规处理工艺对氨氮、有机物等去除率低，出水水质不能满足中国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的要求。为了提高处理工艺对污染物的去除能力，进行生物预处理是必要的。本研究利用火山岩填料为载体的生物曝气滤池（BAF）作为水处理的预处理工艺，在嘉兴市贯泾港水厂进行了生物预处理试验。
1 装置与方法
1.1 BAF实验装置
试验装置如图1 所示。
1.反冲空气转子流量计；2.曝气转子流量计；3-4.刀阀；5-6.液体转子流量计； 7.刀阀；8.球阀；9.滤板；10.承托层；11.取样口；12.滤层；
图1.BAF实验装置
Figure1. Schematic diagram of BAF experimental equipment
BAF 滤柱用有机玻璃制作，规格为Φ100mm×4000mm，内装火山岩滤料，粒径3-5mm，外表为灰褐色，堆积密度0.992g/cm3，孔隙率58.33%，比表面积3.978cm2 /g，填料层高度为2.0m，在滤料层与滤板之间设卵石层。以滤板为零点，在滤柱壁上每隔30cm设置一个取样口，取样管内径25mm，以利于取水样与填料样品。BAF运行方式为气、水同向流(气水均为下进上出)，气冲强度为10-15 L/(m2·s)和水冲强度为10 L/(m2·s)。
1.2 原水水质
试验用水采用嘉兴贯泾港水厂进厂水，试验期间源水水质变化范围见表1。
表1 原水水质
Table1 Quality of souce water
1.3 主要检测项目与方法
氨氮：纳氏试剂分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法； CODMn：酸性高锰酸钾法；锰：过硫酸铵分光光度法；水温：温度计。
2 结果与讨论
试验采用直接进原水挂膜，挂膜期滤速5.5m/h，气水比1:1，挂膜期间每天测氨氮，当氨氮的去除率在90%左右时即认为挂膜成熟。试验期间，水温变化范围为8.6-24℃，曝气量按气水比计为1:1。
2.1 BAF對氨氮的去除情况
图2BAF对氨氮的去除效果
Figure2. Ammonia nitrogen removal effect by BAF
实验期间氨氮变化如图2所示，原水氨氮最大值为3.49mg/L，最小值为1．49mg/L，平均值为2.2mg/L；BAF出水氨氮最大值为0.13mg/L，最小值为0.08mg/L，平均值为0.1mg/L；BAF对原水的氨氮去除率为95.17%。火山岩BAF对氨氮有着较高的去除率，原因可能是BAF中的火山岩填料表面粗糙，比表面积大，孔隙率高，为微生物提供了理想的生长和繁殖场所，有利于微生物附着生长，因此生长较慢的微生物如亚硝化细菌和硝化细菌可以较好生长，从而使BAF对氨氮具有良好的去除效果。
2.2BAF对亚硝酸盐的去除情况
图3. BAF对亚硝酸盐（NO2--N）的去除效果
Figure3. Nitrite nitrogen removal effect by BAF
试验期间NO2--N变化如图3所示，原水NO2--N最大值为0.394mg/L，最小值为0.115mg/L，平均值为0.254mg/L；经过BAF后，NO2--N最大值为0.039mg/L，最小值为0.002g/L，平均值为0.016mg/L；NO2--N平均去除率为92.73%。BAF稳定运行期间，BAF没有出现NO2--N的积累现象，滤层生物膜中亚硝化菌与硝化细菌能保持平衡，BAF有着很强的硝化作用。
2.3 BAF对CODMn 的去除情况
图4. BAF对CODMn的去除效果
Figure 4.CODMn removal effect by BAF
试验期间CODMn变化如图4所示，原水CODMn最大值为6.82mg/L，最小值为5.69mg/L，平均值为6.16mg/L；经过BAF后，CODMn 最大值为5.2mg/L，最小值为4.5mg/L，平均值为4.8mg/L；BAF对原水的CODMn 平均去除率为22%。去除率波动范围较大，但总体上对有机物（CODMn）有一定的去除。BAF对CODMn的去除原理主要有两方面：一方面在于粒状滤料的机械截留作用，能去除部分胶体状有机物；另一方面，是依靠火山岩表面生物膜的接触絮凝、生物氧化作用达到对水中悬浮物质、胶体颗粒和溶解性物质等污染物质的去除[1]。
2.4BAF对锰和铁的去除情况
稳定运行时，当进水锰介于0.317-0.558mg/L时，出水锰均值为0.082mg/L，BAF对锰的去除率为77.96%；本试验BAF对铁的去除率为52.45%，出水中铁的浓度为0.611mg/L。火山岩BAF对锰有着较好的去除作用，出水锰能达到国标要求，出水铁虽不能达到国标限值，但在后续处理工艺中仍可有效去除。
2.5滤速对BAF运行效果的影响
图5. 滤速对BAF运行效果的影响
Figure 5. The influence of BAF filter velocity for running effect
当水温14.2-24℃、气水比为1:1。滤速分别在5.5、16、25 m/h运行时，对氨氮、NO2--N、有机物的去除效果影响见图5。
由图5可知，当滤速≥8m/h时，BAF去除CODMn有一定的影响，去除率从12%下降到4%左右，因此对于去除CODMn 來说，最大滤速不能超过8m/h，即水力停留时间不小于15min。滤速对氨氮去除也有一定影响，当原水氨氮小于2.7mg/L时， BAF可在滤速25m/h高滤速下运行，氨氮去除率大于81%。当进水氨氮为2.7-4mg/L时，BAF可在滤速为16m/h的水力负荷下运行,氨氮去除率为95%，当滤速小于16m/h，水力负荷对NO2--N的去除没有影响，没有造成NO2--N的累积，滤层生物膜中亚硝化菌与硝化细菌能保持平衡，BAF在滤速16-25m/h运行时有时会出现一定的NO2--N的积累。
2.6 反冲洗对BAF的影响
BAF稳定运行时反冲洗周期为四周，采用气水联合反冲，先气冲10min，再水冲10分钟，气冲强度为10-15L/(m2·s)，水冲强度为10 L/(m2·s)。反冲洗0.5-1h后取样测定，氨氮的去除率大于90%，CODMn 的去除率也恢复到正常的水平，在反冲洗后从BAF对氨氮及有机物的去除效果来看适宜的反冲洗强度和反冲洗时间几乎不会对生物滤池的去除效果产生影响，而且反冲洗后处理效果恢复很快。
2.7 温度对BAF处理效果的影响
当水温大于10℃时，氨氮的去除效果趋于稳定，稳定大于14℃时，CODMn的去除效果趋于稳定。当水温介于8.6-10℃时，氨氮的去除率在50%-70%，当水温大于10℃时，氨氮的去除效果达到了90%以上；当水温介于8.6-14℃时，CODMn 的去除率仅为11.3%，当水温大于14℃时，CODMn 的去除率达到了22%。随着水温的进一步提高，当污染水中氨氮及有机物的含量较低时，达到一定的停留时间（氨氮5min、有机物15min），温度不再是主要的影响因素。BAF是利用微生物对污染物质进行氧化分解，必然受到温度的影响，但这种能够影响是试验范围内对装置的运行是可以接受的。
3 结论
（1）将火山岩BAF作为污染水源水预处理工艺可有效去除氨氮、NO2--N，若以去除氨氮为目的，当进水氨氮＜2.7mg/L时，BAF可在滤速为25m/h的水力负荷下运行,氨氮去除率大于81%
（2）BAF 对水中有机物有一定去除作用，对CODMn的去除率为22%左右。
（3）反冲洗对火山岩BAF的影响小，处理效果在反冲洗能够快速恢复。
（4）温度对BAF的运行有一定影响，但在可接受范围内。
参考文献(References)
[1] 王健, 陆少鸣.BAF+常规工艺中砂滤池净水效果研究[J]. 环境工程学报,2010, 4 (3):599-602.
关键词： 火山岩，曝气生物滤池，预处理，污染原水
Research on biological aerated filter with volcanic filler for pretreatment of polluted source water
Wenchao Guo, Haiping Sun, Zhimin Ma, Xiaolong Zhou，Xiaohe Tian (1-College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou Zhejiang 310014, China; 2- Jiayuan Water and Wastewater Co., Ltd., Jiaxing Zhejiang 314000, China)
Abstract: Biological aerated filter (BAF) with volcanic filler was used for pretreatment of the polluted source water. The experiment result showed BAF had high removal rate for ammonia-nitrogen, nitrite and Mn. Under the conditions of influent ammonia-nitrogen being less than 2.7mg/L and the hydraulic load of filter velocity 25m/h in BAF, the removal rate of ammonia-nitrogen in BAF was more than 81%. Under the conditions of influent ammonia-nitrogen being 2.7-4mg/L and the hydraulic load of filter velocity 25m/h in BAF, the removal rate was more than 95%. The removal rate of CODMn by BAF averaged 22%. Backwashing process of the BAF had little influence on the biofilm, and the treatment effect could recover within half to one hour after the backwashing. when the water temperature reaches a certain value, the treatment effect tend to be more stable.
Keywords: volcanic filler, biological aerated filter, pretreatment, polluted water.
中图分类号：R122.7 文献标识码：文章编号：
对于以有机物（以CODMn计）污染与氨氮污染的水源水，常规处理工艺对氨氮、有机物等去除率低，出水水质不能满足中国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的要求。为了提高处理工艺对污染物的去除能力，进行生物预处理是必要的。本研究利用火山岩填料为载体的生物曝气滤池（BAF）作为水处理的预处理工艺，在嘉兴市贯泾港水厂进行了生物预处理试验。
1 装置与方法
1.1 BAF实验装置
试验装置如图1 所示。
1.反冲空气转子流量计；2.曝气转子流量计；3-4.刀阀；5-6.液体转子流量计； 7.刀阀；8.球阀；9.滤板；10.承托层；11.取样口；12.滤层；
图1.BAF实验装置
Figure1. Schematic diagram of BAF experimental equipment
BAF 滤柱用有机玻璃制作，规格为Φ100mm×4000mm，内装火山岩滤料，粒径3-5mm，外表为灰褐色，堆积密度0.992g/cm3，孔隙率58.33%，比表面积3.978cm2 /g，填料层高度为2.0m，在滤料层与滤板之间设卵石层。以滤板为零点，在滤柱壁上每隔30cm设置一个取样口，取样管内径25mm，以利于取水样与填料样品。BAF运行方式为气、水同向流(气水均为下进上出)，气冲强度为10-15 L/(m2·s)和水冲强度为10 L/(m2·s)。
1.2 原水水质
试验用水采用嘉兴贯泾港水厂进厂水，试验期间源水水质变化范围见表1。
表1 原水水质
Table1 Quality of souce water
1.3 主要检测项目与方法
氨氮：纳氏试剂分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法； CODMn：酸性高锰酸钾法；锰：过硫酸铵分光光度法；水温：温度计。
2 结果与讨论
试验采用直接进原水挂膜，挂膜期滤速5.5m/h，气水比1:1，挂膜期间每天测氨氮，当氨氮的去除率在90%左右时即认为挂膜成熟。试验期间，水温变化范围为8.6-24℃，曝气量按气水比计为1:1。
2.1 BAF對氨氮的去除情况
图2BAF对氨氮的去除效果
Figure2. Ammonia nitrogen removal effect by BAF
实验期间氨氮变化如图2所示，原水氨氮最大值为3.49mg/L，最小值为1．49mg/L，平均值为2.2mg/L；BAF出水氨氮最大值为0.13mg/L，最小值为0.08mg/L，平均值为0.1mg/L；BAF对原水的氨氮去除率为95.17%。火山岩BAF对氨氮有着较高的去除率，原因可能是BAF中的火山岩填料表面粗糙，比表面积大，孔隙率高，为微生物提供了理想的生长和繁殖场所，有利于微生物附着生长，因此生长较慢的微生物如亚硝化细菌和硝化细菌可以较好生长，从而使BAF对氨氮具有良好的去除效果。
2.2BAF对亚硝酸盐的去除情况
图3. BAF对亚硝酸盐（NO2--N）的去除效果
Figure3. Nitrite nitrogen removal effect by BAF
试验期间NO2--N变化如图3所示，原水NO2--N最大值为0.394mg/L，最小值为0.115mg/L，平均值为0.254mg/L；经过BAF后，NO2--N最大值为0.039mg/L，最小值为0.002g/L，平均值为0.016mg/L；NO2--N平均去除率为92.73%。BAF稳定运行期间，BAF没有出现NO2--N的积累现象，滤层生物膜中亚硝化菌与硝化细菌能保持平衡，BAF有着很强的硝化作用。
2.3 BAF对CODMn 的去除情况
图4. BAF对CODMn的去除效果
Figure 4.CODMn removal effect by BAF
试验期间CODMn变化如图4所示，原水CODMn最大值为6.82mg/L，最小值为5.69mg/L，平均值为6.16mg/L；经过BAF后，CODMn 最大值为5.2mg/L，最小值为4.5mg/L，平均值为4.8mg/L；BAF对原水的CODMn 平均去除率为22%。去除率波动范围较大，但总体上对有机物（CODMn）有一定的去除。BAF对CODMn的去除原理主要有两方面：一方面在于粒状滤料的机械截留作用，能去除部分胶体状有机物；另一方面，是依靠火山岩表面生物膜的接触絮凝、生物氧化作用达到对水中悬浮物质、胶体颗粒和溶解性物质等污染物质的去除[1]。
2.4BAF对锰和铁的去除情况
稳定运行时，当进水锰介于0.317-0.558mg/L时，出水锰均值为0.082mg/L，BAF对锰的去除率为77.96%；本试验BAF对铁的去除率为52.45%，出水中铁的浓度为0.611mg/L。火山岩BAF对锰有着较好的去除作用，出水锰能达到国标要求，出水铁虽不能达到国标限值，但在后续处理工艺中仍可有效去除。
2.5滤速对BAF运行效果的影响
图5. 滤速对BAF运行效果的影响
Figure 5. The influence of BAF filter velocity for running effect
当水温14.2-24℃、气水比为1:1。滤速分别在5.5、16、25 m/h运行时，对氨氮、NO2--N、有机物的去除效果影响见图5。
由图5可知，当滤速≥8m/h时，BAF去除CODMn有一定的影响，去除率从12%下降到4%左右，因此对于去除CODMn 來说，最大滤速不能超过8m/h，即水力停留时间不小于15min。滤速对氨氮去除也有一定影响，当原水氨氮小于2.7mg/L时， BAF可在滤速25m/h高滤速下运行，氨氮去除率大于81%。当进水氨氮为2.7-4mg/L时，BAF可在滤速为16m/h的水力负荷下运行,氨氮去除率为95%，当滤速小于16m/h，水力负荷对NO2--N的去除没有影响，没有造成NO2--N的累积，滤层生物膜中亚硝化菌与硝化细菌能保持平衡，BAF在滤速16-25m/h运行时有时会出现一定的NO2--N的积累。
2.6 反冲洗对BAF的影响
BAF稳定运行时反冲洗周期为四周，采用气水联合反冲，先气冲10min，再水冲10分钟，气冲强度为10-15L/(m2·s)，水冲强度为10 L/(m2·s)。反冲洗0.5-1h后取样测定，氨氮的去除率大于90%，CODMn 的去除率也恢复到正常的水平，在反冲洗后从BAF对氨氮及有机物的去除效果来看适宜的反冲洗强度和反冲洗时间几乎不会对生物滤池的去除效果产生影响，而且反冲洗后处理效果恢复很快。
2.7 温度对BAF处理效果的影响
当水温大于10℃时，氨氮的去除效果趋于稳定，稳定大于14℃时，CODMn的去除效果趋于稳定。当水温介于8.6-10℃时，氨氮的去除率在50%-70%，当水温大于10℃时，氨氮的去除效果达到了90%以上；当水温介于8.6-14℃时，CODMn 的去除率仅为11.3%，当水温大于14℃时，CODMn 的去除率达到了22%。随着水温的进一步提高，当污染水中氨氮及有机物的含量较低时，达到一定的停留时间（氨氮5min、有机物15min），温度不再是主要的影响因素。BAF是利用微生物对污染物质进行氧化分解，必然受到温度的影响，但这种能够影响是试验范围内对装置的运行是可以接受的。
3 结论
（1）将火山岩BAF作为污染水源水预处理工艺可有效去除氨氮、NO2--N，若以去除氨氮为目的，当进水氨氮＜2.7mg/L时，BAF可在滤速为25m/h的水力负荷下运行,氨氮去除率大于81%
（2）BAF 对水中有机物有一定去除作用，对CODMn的去除率为22%左右。
（3）反冲洗对火山岩BAF的影响小，处理效果在反冲洗能够快速恢复。
（4）温度对BAF的运行有一定影响，但在可接受范围内。
参考文献(References)
[1] 王健, 陆少鸣.BAF+常规工艺中砂滤池净水效果研究[J]. 环境工程学报,2010, 4 (3):599-602.