王必勝等

摘要：采用Atmosphere-Exposed Biofilm（AEB）處理模擬廢水，考察了400、500、600 和700 m/m3等不同濾料填充率運(yùn)行條件下系統(tǒng)的處理特性，并確定了最佳濾料填充率。結(jié)果表明，在濾料填充率為400～700 m/m3時，COD（化學(xué)需氧量）、TN（總氮）及TP（總磷）出水濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級B標(biāo)準(zhǔn)；填充率為600 m/m3時，COD、TN出水濃度最低，去除率最高。在400～700 m/m3運(yùn)行范圍內(nèi)，濾料填充率與單位長度濾料上污染物去除速率具有很好的相關(guān)性。結(jié)合AEB系統(tǒng)處理特性及單位容積、單位長度濾料上污染物去除速率，確定系統(tǒng)最佳濾料填充率為600 m/m3。

關(guān)鍵詞：Atmosphere-Exposed Biofilm（AEB）；濾料填充率；去除速率

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）16-3914-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.16.021

Research on Optimizing the Packing Rate of Media in Atmosphere-Exposed Biofilm（AEB）

WANG Bi-sheng1a，JIN Ming-ji1b，WANG Xu-chi1b，WON Chan-hee2

（1a.Department of Physical Geography， Science College；1b. Department of Agricultural Resources and Environment，Agricultural College，Yanbian University， Yanji 133000，Jilin，China；2. Department of Environmental Engineering， Chonbuk National University，

Jeonju 561-756，Korea）

Abstract： Imitated wastewater was treated by the Atmosphere-Exposed Biofilm（AEB）， the performance of AEB was investigated at different packing rate of media such as 400、500、600and 700 m/m3 to determine the best packing rate of media. The results showed that when the packing rate of media was 400～700 m/m3， the effluent concentrations of COD（chemical oxygen demand）， TN（total nitrogen）， TP（total phosphorus） in AEB met the first level B criteria specified of the ‘Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant. The effluent concentrations of COD， TN were the lowest and the removal rate was the highest when the packing rate of media was 600 m/m3. The good correlation existed between the packing rate of media and the removal rate of pollutants on the unit length media in this condition. Combining the performance， the removal rate of pollutants in unit volume and the removal rate of pollutants on unit length media， the best packing rate of media was 600 m/m3 in AEB.

Key words：Atmosphere-Exposed Biofilm； packing rate of media； removal rate

Atmosphere-Exposed Biofilm（AEB）是一種投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便的新型生物膜法。與傳統(tǒng)生物膜法相比，AEB系統(tǒng)是從曝氣方式及濾料上進(jìn)行改進(jìn)的生物膜法。氧作為影響微生物活性的主要因素，在好氧生物處理中對系統(tǒng)處理特性及運(yùn)行成本起重要作用[1，2]。AEB系統(tǒng)是在無曝氣條件下運(yùn)行的生物膜法，系統(tǒng)中濾料懸掛于空氣中，生物膜通過與空氣的直接接觸吸收所需的氧；無曝氣的運(yùn)行模式減少了系統(tǒng)的運(yùn)行成本。此外，濾料作為微生物賴以生存的場所、生物膜技術(shù)的核心[3，4]，對生物膜的性狀、氧的傳遞速率及水力分布等產(chǎn)生重要影響[5]。AEB系統(tǒng)中采用一種新型軟性纖維濾料HBC Ring（Hanging Bio-Contactor），HBC Ring由大量聚偏氯乙烯為材質(zhì)的線絲組合而成，大量線絲增加了比表面積，同時，每條線絲帶有電荷，有利于微生物的附著[6]。

本研究采用AEB系統(tǒng)處理模擬廢水，在AEB系統(tǒng)中，濾料填充率對系統(tǒng)的生物膜量、充氧能力、處理效果及投資成本等產(chǎn)生直接影響[7，8]。濾料填充率低，附著生長的微生物量少，造成不必要的空間浪費(fèi)；濾料填充率高，氧在反應(yīng)器內(nèi)的自由流通及氧向生物膜內(nèi)的滲透受到阻礙[9]。因此，本研究通過調(diào)查分析不同濾料填充率對AEB系統(tǒng)處理特性的影響，優(yōu)化系統(tǒng)的濾料填充率，為系統(tǒng)的工程實(shí)踐提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

如圖1所示，試驗裝置采用有機(jī)玻璃加工制作而成。裝置主要由底部的蓄水池、上部的濾料填充層與水循環(huán)系統(tǒng)組成。蓄水池有效容積為19 L，濾料填充層有效容積為9 L。濾料填充層內(nèi)部均勻懸掛長度為0.12 m的HBC Ring，填充層兩側(cè)設(shè)有通風(fēng)口，利于空氣向反應(yīng)器內(nèi)部的自由流通。水循環(huán)系統(tǒng)主要由蓄水池內(nèi)的循環(huán)泵、試驗裝置上部的噴水裝置與水量調(diào)節(jié)閥構(gòu)成。

1.2 試驗用水及接種污泥

試驗采用自配的模擬廢水，其成分主要有葡萄糖（500.00 mg/L）、MnSO4·H2O（55.00 mg/L）、FeSO4·7H2O（2.22 mg/L）、NaHCO3（300.00 mg/L）、MgSO4·7H2O（50.00 mg/L）、（NH4）2SO4（47.10 mg/L）、K2HPO4（13.70 mg/L）、KCl（7.00 mg/L）與CaCl2（3.76 mg/L）。此時，廢水的COD濃度為500 mg/L。試驗接種污泥取自城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池回流污泥。

1.3 試驗設(shè)計

待生物膜掛膜成功后，試驗以濾料填充率為變量，考察了不同填充率運(yùn)行條件下，AEB系統(tǒng)的處理特性。試驗將濾料填充率從400 m/m3依次調(diào)整到500、600與700 m/m3，分析了廢水中COD（化學(xué)需氧量）、TN（總氮）、TP（總磷）的去除效果。COD、TN、TP的測定分別采用重鉻酸鉀法、硫酸鉀消解紫外分光光度法與過硫酸鉀消解鉬酸銨分光光度法。

反應(yīng)器采用間歇式運(yùn)行模式，其日處理量為8 L、HRT（水力停留時間）為24 h，處理水在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。在所有試驗階段反應(yīng)器有機(jī)容積負(fù)荷和表面水力負(fù)荷分別控制在0.67 kg/（m3·d）和17.0 m3/（m2·d）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濾料填充率下系統(tǒng)的出水水質(zhì)

在400、500、600與700 m/m3等不同濾料填充率運(yùn)行條件下，COD、TN、TP的進(jìn)出水濃度如圖2所示。隨填充率的增加，COD平均出水濃度依次為45.6、41.1、33.3與39.9 mg/L；TN平均出水濃度依次為 2.6、1.7、1.3與3.3 mg/L；填充率600 m/m3時，COD、TN出水濃度均為最低值。在400～600 m/m3范圍內(nèi)，COD、TN出水濃度隨填充率的增加呈下降趨勢；而在600～700 m/m3范圍內(nèi)，COD、TN出水濃度隨填充率的增加呈上升趨勢。在AEB系統(tǒng)中，濾料填充率對系統(tǒng)內(nèi)生物膜量與結(jié)構(gòu)的組成影響較大[10]。填充率增加，微生物附著生長的載體表面積增大，系統(tǒng)中的微生物量增多[11-13]；但過高的填充率阻礙了氧在反應(yīng)器內(nèi)的自由流通，在生物膜上易形成好氧、缺氧和厭氧等不同的生物膜結(jié)構(gòu)。在400～600 m/m3范圍內(nèi)，填充率的增加使反應(yīng)器內(nèi)微生物量增多，同時也形成適宜的好氧、缺氧等生物脫氮環(huán)境，使系統(tǒng)COD、TN出水濃度呈下降趨勢；而填充率大于600 m/m3時，阻礙了氧在反應(yīng)器內(nèi)的自由流通，降低了好氧段異氧微生物與硝化微生物活性，使COD、TN出水濃度呈上升趨勢。

隨填充率的增加，TP平均出水濃度依次為0.30、0.71、0.73和0.36 mg/L，出現(xiàn)與COD、TN相反的趨勢；但出水濃度均小于1.00 mg/L，變化幅度較小，系統(tǒng)較為穩(wěn)定。就生物除磷過程而言，分前置厭氧釋磷與后置好氧吸磷兩個階段[14，15]。而COD與TN生物降解過程與TP相反，COD主要在好氧段異氧微生物作用下得到分解，TN通過前置好氧硝化與后置缺氧反硝化過程得到排除，故TP出水濃度變化趨勢與COD、TN相反。同時，據(jù)研究表明，硝化過程中產(chǎn)生的硝酸鹽對生物除磷過程有抑制作用[16]。因此，在硝化作用加強(qiáng)，硝酸鹽含量增多的400～600 m/m3范圍內(nèi)，TP出水濃度上升；而在硝化作用減弱，硝酸鹽含量下降的600～700 m/m3范圍內(nèi)，TP出水濃度下降。

填充率在400～700 m/m3運(yùn)行條件下，AEB系統(tǒng)COD、TN與TP出水濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)的60、20與1 mg/L。

2.2 不同濾料填充率下系統(tǒng)的去除效果

在400、500、600與700 m/m3等不同濾料填充率運(yùn)行條件下，COD、TN、TP平均去除率如圖3所示。隨填充率的增加，COD平均去除率依次為90.0%、91.3%、92.9%與91.3%，去除率均大于90.0%，效果顯著。而TN平均去除率依次為75.4%、79.7%、84.7%與68.0%；TP平均去除率依次為80.2%、61.9%、61.1%與76.1%，去除率均低于COD。隨填充率的增加，COD、TN去除率呈先上升后下降的趨勢，而TP與COD、TN呈相反趨勢。在所有運(yùn)行范圍內(nèi)，COD的去除率變化幅度較小，TN、TP的去除率變化幅度較大。生物脫氮除磷過程，需要好氧、缺氧及厭氧等不同的微生物生長環(huán)境，而填充率對系統(tǒng)內(nèi)生物膜量和結(jié)構(gòu)的組成影響較大。在一定范圍內(nèi)，隨填充率增加系統(tǒng)內(nèi)生物膜量增多，同時氧在反應(yīng)器內(nèi)的自由流通及氧向生物膜內(nèi)的滲透受到阻礙，生物膜上易形成好氧、缺氧及厭氧等不同的環(huán)境，故TN、TP的處理受填充率影響較大。而COD主要在好氧段異養(yǎng)微生物作用下得到分解的同時，在缺氧段反硝化過程中也得到部分分解，因此，其去除率受填充率影響較小。

填充率在400～700 m/m3運(yùn)行條件下，當(dāng)填充率為600 m/m3時，COD和TN去除率最高，TP去除率最低。

2.3 不同濾料填充率下系統(tǒng)的去除速率

在不同濾料填充率條件下，單位長度濾料上COD、TN、TP的去除速率如圖4所示。在所有運(yùn)行范圍內(nèi)，單位長度濾料上COD、TN、TP去除速率隨填充率增加呈下降趨勢。隨填充率的增加，系統(tǒng)內(nèi)附著生長的微生物量增多，污泥負(fù)荷降低；同時，反應(yīng)器內(nèi)氧的傳遞效率下降；故出現(xiàn)生物膜好氧段微生物活性降低，反硝化過程中缺乏碳源等問題。因此，污染物去除速率呈下降趨勢。

由圖4和表1可知，濾料填充率與單位長度濾料上COD、TN、TP去除速率擬合結(jié)果，在400～700 m/m3范圍內(nèi)，濾料填充率與單位長度濾料上污染物去除速率具有很好的相關(guān)性。為進(jìn)一步驗證其相關(guān)性及擬合方程的科學(xué)性，本研究將單位長度濾料上COD、TN、TP去除速率的實(shí)測值與擬合方程預(yù)測值進(jìn)行了比較，比較采用卡方（χ2）檢驗。結(jié)果見表1，COD、TN、TP的χ2值分別為0.640、0.130和0.002，χ2<χ20.05，3=7.82；則P>0.05，故COD、TN、TP實(shí)測值與預(yù)測值無顯著差異；濾料填充率與單位長度濾料上污染物去除速率相關(guān)性很好；擬合方程可較好地預(yù)測單位長度濾料上污染物去除速率，在實(shí)際工程中具有一定的應(yīng)用意義。

2.4 最佳濾料填充率的確定

綜上所述，隨濾料填充率的增加，單位長度濾料上污染物去除速率下降，但低濾料填充率會造成系統(tǒng)不必要的空間浪費(fèi)。在不同濾料填充率條件下，單位容積反應(yīng)器COD、TN、TP去除速率如圖5所示，COD、TN與TP去除速率最高值分別出現(xiàn)在填充率為600、400與400 m/m3條件下，但TN與TP去除速率變化幅度小。故本研究綜合考慮不同濾料填充率條件下系統(tǒng)的COD、TN、TP出水濃度、去除率及去除速率等的變化趨勢，確定AEB系統(tǒng)最佳填充率為600 m/m3。

3 小結(jié)

在濾料填充率運(yùn)行范圍為400～700 m/m3時，AEB系統(tǒng)COD、TN與TP出水濃度均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)。在填充率為600 m/m3時，COD與TN出水濃度最低，去除率最高；而此時TP出水濃度最高，去除率最低。

在濾料填充率運(yùn)行范圍為400～700 m/m3時，濾料填充率與單位長度濾料上COD、TN與TP去除速率具有很好的相關(guān)性。其擬合方程可較好的預(yù)測單位長度濾料上污染物的去除速率，在實(shí)際工程中具有一定的應(yīng)用意義。

在濾填充率運(yùn)行范圍為400～700 m/m3時，通過綜合考慮AEB系統(tǒng)對COD、TN及TP的處理特性，以及單位容積反應(yīng)器與單位長度濾料上污染物去除速率變化趨勢，確定AEB系統(tǒng)最佳濾料填充率為600 m/m3。

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