經成為一種成熟的工藝。20 世紀 70 年代，我國在城市污水處理系統(tǒng)中引入生物濾池，但由于生物濾池易出現(xiàn)布氣不均、易堵塞，環(huán)境衛(wèi)生較差等問題，該技術未得到廣泛應用。

近年來，針對生物濾池存在的問題和實際工程需求，科技人員將傳統(tǒng)生物濾池不斷改進，開發(fā)出許多新型生物濾池，如曝氣生物濾池（BAF）、反硝化濾池（DNBF）以及厭氧生物濾池（AF）等。并在國外各類水處理中得到了大量成功應用。我國也已逐漸應用于城市污水處理、再生水處理、農村廢水深度處理、微污染水預處理及工業(yè)廢水處理。但是，上述新型生物濾池在國內缺乏設計經驗、尚無詳細明確的工藝設計準則、缺乏實際工程運行經驗。

基于此，本文綜述了3種典型新型生物濾池的工作原理、結構、關鍵性工藝參數(shù)與應用領域，分析與探討了 BAF、DNBF 和 AF 的最新研究進展，并綜合分析國內外3種典型生物濾池的實際應用現(xiàn)狀,指出新型生物濾池的應用瓶頸及未來發(fā)展方向。

1 生物濾池的原理及類型

BAF、DNBF 及 AF 都是以濾料表面附著生長的生物膜以及濾料間隙中的生物膜為介質生化去除污染物?；谄洳煌纳δ?，生物膜中的優(yōu)勢菌種分別為異養(yǎng)好氧微生物和自養(yǎng)硝化菌、缺氧反硝化菌和厭氧微生物（產酸細菌和產甲烷細菌等）。同時，BAF、DNBF 及 AF 結構、關鍵性工藝參數(shù)與應用領域等諸多方面也各有特點。BAF 和 DNBF 在結構上略有不同，BAF 具有獨立的曝氣系統(tǒng)，而 DNBF 僅需提供缺氧環(huán)境，不需要獨立的曝氣系統(tǒng)；AF 與 BAF 和 DNBF 的結構差別較大，BAF 與 DNBF 必須具有反沖洗系統(tǒng)，AF依據(jù)所用濾料的情況可選擇不設反沖洗系統(tǒng)，同時，AF 厭氧產生甲烷需要設置沼氣收集系統(tǒng)。濾料是生物濾池的核心組成部分，它對濾池投資、運行成本和正常操作都有很大影響。BAF 濾料多以沉沒式無機濾料為主，粒徑多在 3～5 mm 范圍內，濾料層高 3～6 m。DNBF 也以無機濾料為主，材質可與BAF相同，但通常要求顆粒呈球形，有較大比表面積（（1～4）×104 cm2 /g）、孔隙率大（0.3%～0.4%）截污能力強、有較好的生物化學穩(wěn)定性，粒徑在 4～6 mm 之間，填料層高 2.5～4.5 m。早期 AF 多以石頭為填料，孔隙率小，因而濾池堵塞嚴重，隨著軟性及半軟性填料的發(fā)展，AF 的堵塞問題得到有效的緩解。BAF、DNBF 及 AF 都能承受較高負荷，與滴濾池和活性污泥法相比，BAF 可承受 BOD5 容積負荷[3]可達常規(guī)活性污泥法或接觸氧化法的 6～12 倍。

2 BAF 最新研究與工程應用

BAF 是 20 世紀 80 年代末 90 年代初在普通生物濾池的基礎上，借鑒給水濾池開發(fā)的污水處理新工藝，其最大特點是集生物接觸氧化和過濾于一體，省去了二沉池，工藝更為簡單。BAF 工藝在科學研究與工程應用方面已取得了顯著進展。

2.1 最新研究

近年來，針對 BAF 的研究主要集中于應用基礎研究和基礎研究兩個方面。一方面，旨在解決曝氣生物濾池設計與運行問題，針對影響濾池運行效果的關鍵性因素，如，濾池啟動方式、進水負荷、曝氣量及反沖洗方式等方面的研究；另一方面，探索將曝氣生物濾池與短程硝化、同步硝化反硝化等新脫氮理論結合，以進一步改進與完善生物濾池工藝。

2.1.1 關鍵性影響因素

濾料特性（材料、粒徑、孔隙度、表面粗糙度、表面電位、密度等）直接影響生物膜的形成。一般而言，表面粗糙、帶有正電荷且具有親水性的圓形填料有利于微生物附著生長。BAF 的填料粒徑越大堵塞問題相對較輕，運行周期也較長。

BAF 啟動主要有接種掛膜法、自然掛膜法。濾料、污水水質、溫度等對掛膜時間均有影響。許多研究結果顯示在室溫條件下，BAF 成功啟動一般需約1個月的時間。負荷是 BAF 設計與運行的關鍵參數(shù)，有機負荷過高，異養(yǎng)菌迅速繁殖，而使得硝化細菌生長受到抑制。當進水有機負荷控制在 1.5 kg/（m3·d）以內，才能保證較充分的硝化反應。同時，由于 BAF中首先降解有機物，而后進行硝化，當水力停留時間較短時，硝化細菌將很難在生物膜中富集。溶解氧（DO）在生物膜系統(tǒng)中的傳質阻力較大，氣水比對 BAF 去除效果也有較大影響，尤其是對氨氮去除影響較大，這主要是由于硝化細菌對氧敏感，增大氣水比可以強化硝化效果，處理污水保障氨氮去除率的氣水體積比應在 3～5:1。

反沖洗過程主要有兩方面作用，一方面，及時更新生物膜，排放過量生長的微生物；另一方面，防止過量生長的生物膜堵塞濾池，防止濾池出現(xiàn)板結等問題，保證正常的過水性能。此，反沖洗周期和強度與歷時對于保證 BAF 的穩(wěn)定高效運行至關重要，濾池一旦反沖洗出現(xiàn)問題，輕則影響出水水質，重則導致濾池無法正常運行。BAF反沖洗方式通常采用氣-水合反沖洗，氣沖強度為 12～20 L/(m·2 s)，水沖強度為 4～10 L/(m2·s)。

2.1.2

BAF 與新脫氮理論結合，近年來，許多學者研究 BAF 運行中發(fā)現(xiàn)了同步硝化反硝化、短程硝化反硝化等不同于傳統(tǒng)脫氮過程的現(xiàn)象，并以此為基點，通過運行參數(shù)調控等手段，在 BAF 中實現(xiàn)了同步硝化反硝化和短程硝化反硝化等新型脫氮方式。BAF 濾料表面的生物膜上存在基質和 DO 的濃度梯度，DO 濃度在生物膜上由外向內呈遞減趨勢，因而生物膜上形成了好氧、缺氧、厭氧的微環(huán)境，為異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌和厭氧菌等提供生存條件，也為微生物進行同步硝化反硝化提供場所。目前對同步硝化反硝化技術的研究主要集中在 SBR、RBC、生物流化床、氧化溝等。有學者研究在 20～28℃、DO 質量濃度為 0.8～1.5 mg/L的條件下同步硝化反硝化效果最明顯。BAF 中同步硝化反硝化的脫氮效果易受進水碳氮比和 DO 濃度的影響[15]，實現(xiàn)同步硝化反硝化 DO 質量濃度需控制在 1.5 mg/L以下，然而，受 BAF 結構的影響，曝氣阻力較大，相應的所需供氧壓力較大，因此，難于控制低 DO 濃度，此方面需要尋求更好的解決途徑。

短程硝化反硝化將氨氮僅氧化為亞硝酸鹽氮，而后直接進行反硝化。目前實驗室條件下雖通過控制溫度、pH 和 DO 等途徑已實現(xiàn)城市污水的短程硝化反硝化工藝，實際工程中該工藝僅用于污泥消化上清液、垃圾滲濾液等高氨氮廢水處理，而城市污水處理中難以大規(guī)模推廣。該工藝目前主要在SBR、A2/O等活性污泥法處理系統(tǒng)中實現(xiàn)，但研究發(fā)現(xiàn)亞硝酸鹽累積濃度過高時，由于游離亞硝酸的抑制作用，易發(fā)生污泥膨脹問題。BAF 等生物膜處理系統(tǒng)不僅可實現(xiàn)亞硝酸鹽累積，且無污泥膨脹等問題。目前，已有學者發(fā)現(xiàn)該工藝中可實現(xiàn)亞硝酸鹽累積，但如何保證該工藝中穩(wěn)定的亞硝酸鹽累積尚需進一步研究。

2.2 工程應用

隨著人們對 BAF 研究的深入和實際工程的需求，該工藝已從設計、運行及相關設備等方面得到了不斷的提高和改進，目前，該工藝已成為一種具有適應性強、出水水質高、占地面積小且可自動化運行等諸多優(yōu)點的重要水處理技術。在工程造價方面，與傳統(tǒng)活性污泥法相比 BAF 也有很大的技術優(yōu)勢，其占地面積是傳統(tǒng)工藝的 1/5～1/10，曝氣量降低 30%～40%，一次性投資降低 25%，運行費用降低 20%。

3 DNBF 最新研究與工程應用

DNBF 是在 BAF 基礎上改進的生物濾池，早期該工藝被當作具有反硝化作用的 BAF，隨著近年來該工藝在污水廠升級改造和再生水深度處理中的重要作用，以及與 BAF 的顯著區(qū)別，才作為一種工藝單獨提出。在 20 世紀 70 年代，DNBF 多用于污水二級處理，近年來，為了滿足最大日負荷總量的要求，歐美等發(fā)達國家在中水回用廠中引進 DNBF以提高出水水質。我國 DNBF 用于再生水處理剛剛起步，有關 DNBF 的研究多側重于工藝影響因素方面，旨在確定關鍵性設計與運行工藝參數(shù)。目前，我國部分污水處理廠的升級改造已采用該工藝，已有建成并投入運行的 DNBF工程實例。

3.1 最新研究

碳源類型及投加量是影響反硝化的關鍵性因素之一。許多學者對傳統(tǒng)碳源研究比較時發(fā)現(xiàn)以甲醇的反硝化效果為最佳，其次為乙酸、葡萄糖。雖然傳統(tǒng)碳源如甲醇、乙酸鈉、葡萄糖等都在工程上應用廣泛，但它們都存在一些不容忽視的缺點。甲醇具有毒性，因此運輸困難，運營成本較高；乙酸鈉會引起明顯的亞硝酸鹽積累[19]；葡萄糖的反硝化效果和速率不如甲醇等低分子有機物，其最佳碳氮比為 6～7，比甲醇高得多，且反硝化速率較甲醇的慢 4 倍，出水中也存在亞硝酸鹽積累現(xiàn)象。近年來, 人們又致力于開發(fā)一些新型碳源，如纖維素類固體有機物（麥秸、棉花等）。但是有研究表示纖維素類碳源反硝化效果不穩(wěn)定，易受到進水負荷及 HRT 的影響。Tak-Hyun Kim等人采用加堿水解和 γ 射線照射方法從廢棄活性污泥中回收有機碳源。此外，有學者建議采用混合碳源取代單一碳源，彌補后者成本高、運輸困難等各種問題。合適的碳源投加量有利于 DNBF 高效運行。投加量過大會直接導致出水 COD 過高，過小又難以保證反硝化效果。碳源投加控制是 DNBF 需要解決的關鍵性問題，目前國內尚未成功解決該問題。理論上達到完全反硝化所需的 C /N為3～4，但在實際工程中生物膜的生長狀態(tài)、碳源種類及操作條件等因素都會影響碳源利用，因此實際工程中的 C/N一般大于 4。此外，HRT 與溫度也是影響反硝化效果的因素。HRT 與反。反硝化細菌最合適的生長溫度為 20～35℃，低于 15℃雖然反硝化速率降低，但是在冬季，工程上可采取降低負荷、增加水力停留時間等措施保證反硝化效果。

反沖洗過程是保證 DNBF 的穩(wěn)定高效運行的關鍵性因素，由于 DNBF 效率較高，反硝化菌生長迅速等原因，DNBF 的反沖洗周期均低于 BAF，采用甲醇為碳源，硝酸鹽去除負荷為 2 kg/(d·m3)，反沖洗周期為 1 d，反沖洗周期過長將導致出水 SS 升高。DNBF 反沖洗方式與 BAF 相同，通常采用氣-水聯(lián)合反沖洗，氣沖強度 10~18L/(m2·s)，水沖強度4～8 L/(m2·s)。

3.2 工程應用

DNBF 既可用于污水處理，也可用于污水深度脫氮處理，還可以與硝化濾池、砂濾池和機械過濾技術等相結合用于再生水的生產。相比物理化學法脫氮，DNBF 在運行管理和投資耗費上更有優(yōu)勢]。依 DNBF 在工藝中位置的不同，可分為前置反硝化和后置反硝化。前置反硝化工藝設有回流系統(tǒng)，可使濾池獲得較高濾速，減少后續(xù) CN 池的數(shù)量，出水 TN 質量濃度在 3～5 mg/L，但能耗高，必須控制DNBF 進水DO不能過高；后置反硝化工藝無需回流系統(tǒng)，動力消耗少，同時反硝化速率較高，出水TN含量可達 3 mg/L以下，但通常需要外加碳源，成本相對較高。當污水或二級生物處理出水中有大量的可利用碳源，且出水水質對總氮去除要求較高時可選用前置反硝化工藝；而當進水中總氮，尤其是硝酸鹽氮較高，水中缺乏或幾乎沒有可利用有機碳源，同時對出水 TN 要求較嚴格時多采用后置反硝化工藝。