王必胜１ａ，金明姬１ｂ，王序驰１ｂ，元灿喜２
（１．延边大学，ａ．理学院自然地理系；ｂ．农学院农业资源与环境系，吉林 延吉 １３３０００；
２．全北大学环境工程专业，韩国 全州 ５６１－７５６）
摘要：采用Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ－Ｅｘｐｏｓｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ（ＡＥＢ）处理模拟废水，考察了４００、５００、６００ 和７００ ｍ／ｍ３等不同滤料填充率运行条件下系统的处理特性，并确定了最佳滤料填充率。结果表明，在滤料填充率为４００～７００ ｍ／ｍ３时，ＣＯＤ（化学需氧量）、ＴＮ（总氮）及ＴＰ（总磷）出水浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级Ｂ标准；填充率为６００ ｍ／ｍ３时，ＣＯＤ、ＴＮ出水浓度最低，去除率最高。在４００～７００ ｍ／ｍ３运行范围内，滤料填充率与单位长度滤料上污染物去除速率具有很好的相关性。结合ＡＥＢ系统处理特性及单位容积、单位长度滤料上污染物去除速率，确定系统最佳滤料填充率为６００ ｍ／ｍ３。
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关键词 ：Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ－Ｅｘｐｏｓｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ（ＡＥＢ）；滤料填充率；去除速率
中图分类号：Ｘ７０３ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）16－3914-04
ＤＯＩ：１０．１４０８８／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎ０４３９－８１１４．２０１５．１６.021
收稿日期：２０１５－０５－２８
基金项目：国家自然科学基金项目（５１２６９０３２）
作者简介：王必胜（１９８８－），男，吉林白城人，在读硕士研究生，研究方向为水处理，（电话）１８９４３３２０９５９（电子信箱）３５０３２１６３２＠ｑｑ．ｃｏｍ；通信作者，金明姬（１９７７－），女，吉林延边人，副教授，博士，主要从事水处理方面的研究，（电话）０４３３－２４３５６１３（电子信箱）ｊｉｎｍｉｎｇｊｉ＠ｙｂｕ．ｅｄｕ．ｃｎ。
Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ－Ｅｘｐｏｓｅｄ Ｂｉｏｆｉｌｍ（ＡＥＢ）是一种投资少、运行费用低、管理方便的新型生物膜法。与传统生物膜法相比，ＡＥＢ系统是从曝气方式及滤料上进行改进的生物膜法。氧作为影响微生物活性的主要因素，在好氧生物处理中对系统处理特性及运行成本起重要作用［１，２］。ＡＥＢ系统是在无曝气条件下运行的生物膜法，系统中滤料悬挂于空气中，生物膜通过与空气的直接接触吸收所需的氧；无曝气的运行模式减少了系统的运行成本。此外，滤料作为微生物赖以生存的场所、生物膜技术的核心［３，４］，对生物膜的性状、氧的传递速率及水力分布等产生重要影响［５］。ＡＥＢ系统中采用一种新型软性纤维滤料ＨＢＣ Ｒｉｎｇ（Ｈａｎｇｉｎｇ Ｂｉｏ－Ｃｏｎｔａｃｔｏｒ），ＨＢＣ Ｒｉｎｇ由大量聚偏氯乙烯为材质的线丝组合而成，大量线丝增加了比表面积，同时，每条线丝带有电荷，有利于微生物的附着［６］。
本研究采用ＡＥＢ系统处理模拟废水，在ＡＥＢ系统中，滤料填充率对系统的生物膜量、充氧能力、处理效果及投资成本等产生直接影响［７，８］。滤料填充率低，附着生长的微生物量少，造成不必要的空间浪费；滤料填充率高，氧在反应器内的自由流通及氧向生物膜内的渗透受到阻碍［９］。因此，本研究通过调查分析不同滤料填充率对ＡＥＢ系统处理特性的影响，优化系统的滤料填充率，为系统的工程实践提供依据。
１ 材料与方法
１．１ 试验装置
如图１所示，试验装置采用有机玻璃加工制作而成。装置主要由底部的蓄水池、上部的滤料填充层与水循环系统组成。蓄水池有效容积为１９ Ｌ，滤料填充层有效容积为９ Ｌ。滤料填充层内部均匀悬挂长度为０．１２ ｍ的ＨＢＣ Ｒｉｎｇ，填充层两侧设有通风口，利于空气向反应器内部的自由流通。水循环系统主要由蓄水池内的循环泵、试验装置上部的喷水装置与水量调节阀构成。
１．２ 试验用水及接种污泥
试验采用自配的模拟废水，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）与ＣａＣｌ２（３．７６ ｍｇ／Ｌ）。此时，废水的ＣＯＤ浓度为５００ ｍｇ/Ｌ。试验接种污泥取自城镇污水处理厂二沉池回流污泥。
１．３ 试验设计
待生物膜挂膜成功后，试验以滤料填充率为变量，考察了不同填充率运行条件下，ＡＥＢ系统的处理特性。试验将滤料填充率从４００ ｍ/ｍ３依次调整到５００、６００与７００ ｍ/ｍ３，分析了废水中ＣＯＤ（化学需氧量）、ＴＮ（总氮）、ＴＰ（总磷）的去除效果。ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ的测定分别采用重铬酸钾法、硫酸钾消解紫外分光光度法与过硫酸钾消解钼酸铵分光光度法。
反应器采用间歇式运行模式，其日处理量为８ Ｌ、ＨＲＴ（水力停留时间）为２４ ｈ，处理水在反应器内进行内循环。在所有试验阶段反应器有机容积负荷和表面水力负荷分别控制在０．６７ ｋｇ/（ｍ３·ｄ）和１７．０ ｍ３/（ｍ２·ｄ）。
２ 结果与分析
２．１ 不同滤料填充率下系统的出水水质
在４００、５００、６００与７００ ｍ/ｍ３等不同滤料填充率运行条件下，ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ的进出水浓度如图２所示。随填充率的增加，ＣＯＤ平均出水浓度依次为４５．６、４１．１、３３．３与３９．９ ｍｇ/Ｌ；ＴＮ平均出水浓度依次为 ２．６、１．７、１．３与３．３ ｍｇ/Ｌ；填充率６００ ｍ/ｍ３时，ＣＯＤ、ＴＮ出水浓度均为最低值。在４００～６００ ｍ/ｍ３范围内，ＣＯＤ、ＴＮ出水浓度随填充率的增加呈下降趋势；而在６００～７００ ｍ/ｍ３范围内，ＣＯＤ、ＴＮ出水浓度随填充率的增加呈上升趋势。在ＡＥＢ系统中，滤料填充率对系统内生物膜量与结构的组成影响较大［１０］。填充率增加，微生物附着生长的载体表面积增大，系统中的微生物量增多［１１－１３］；但过高的填充率阻碍了氧在反应器内的自由流通，在生物膜上易形成好氧、缺氧和厌氧等不同的生物膜结构。在４００～６００ ｍ／ｍ３范围内，填充率的增加使反应器内微生物量增多，同时也形成适宜的好氧、缺氧等生物脱氮环境，使系统ＣＯＤ、ＴＮ出水浓度呈下降趋势；而填充率大于６００ ｍ／ｍ３时，阻碍了氧在反应器内的自由流通，降低了好氧段异氧微生物与硝化微生物活性，使ＣＯＤ、ＴＮ出水浓度呈上升趋势。
随填充率的增加，ＴＰ平均出水浓度依次为０．３０、０．７１、０．７３和０．３６ ｍｇ/Ｌ，出现与ＣＯＤ、ＴＮ相反的趋势；但出水浓度均小于１．００ ｍｇ／Ｌ，变化幅度较小，系统较为稳定。就生物除磷过程而言，分前置厌氧释磷与后置好氧吸磷两个阶段［１４，１５］。而ＣＯＤ与ＴＮ生物降解过程与ＴＰ相反，ＣＯＤ主要在好氧段异氧微生物作用下得到分解，ＴＮ通过前置好氧硝化与后置缺氧反硝化过程得到排除，故ＴＰ出水浓度变化趋势与ＣＯＤ、ＴＮ相反。同时，据研究表明，硝化过程中产生的硝酸盐对生物除磷过程有抑制作用［１６］。因此，在硝化作用加强，硝酸盐含量增多的４００~６００ ｍ/ｍ３范围内，ＴＰ出水浓度上升；而在硝化作用减弱，硝酸盐含量下降的６００～７００ ｍ／ｍ３范围内，ＴＰ出水浓度下降。
填充率在４００～７００ ｍ/ｍ３运行条件下，ＡＥＢ系统ＣＯＤ、ＴＮ与ＴＰ出水浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级Ｂ标准的６０、２０与１ ｍｇ/Ｌ。
２．２ 不同滤料填充率下系统的去除效果
在４００、５００、６００与７００ ｍ／ｍ３等不同滤料填充率运行条件下，ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ平均去除率如图３所示。随填充率的增加，ＣＯＤ平均去除率依次为９０．０％、９１．３％、９２．９％与９１．３％，去除率均大于９０．０％，效果显著。而ＴＮ平均去除率依次为７５．４％、７９．７％、８４．７％与６８．０％；ＴＰ平均去除率依次为８０．２％、６１．９％、６１．１％与７６．１％，去除率均低于ＣＯＤ。随填充率的增加，ＣＯＤ、ＴＮ去除率呈先上升后下降的趋势，而ＴＰ与ＣＯＤ、ＴＮ呈相反趋势。在所有运行范围内，ＣＯＤ的去除率变化幅度较小，ＴＮ、ＴＰ的去除率变化幅度较大。生物脱氮除磷过程，需要好氧、缺氧及厌氧等不同的微生物生长环境，而填充率对系统内生物膜量和结构的组成影响较大。在一定范围内，随填充率增加系统内生物膜量增多，同时氧在反应器内的自由流通及氧向生物膜内的渗透受到阻碍，生物膜上易形成好氧、缺氧及厌氧等不同的环境，故ＴＮ、ＴＰ的处理受填充率影响较大。而ＣＯＤ主要在好氧段异养微生物作用下得到分解的同时，在缺氧段反硝化过程中也得到部分分解，因此，其去除率受填充率影响较小。
填充率在４００～７００ ｍ/ｍ３运行条件下，当填充率为６００ ｍ/ｍ３时，ＣＯＤ和ＴＮ去除率最高，ＴＰ去除率最低。
２．３ 不同滤料填充率下系统的去除速率
在不同滤料填充率条件下，单位长度滤料上ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ的去除速率如图４所示。在所有运行范围内，单位长度滤料上ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ去除速率随填充率增加呈下降趋势。随填充率的增加，系统内附着生长的微生物量增多，污泥负荷降低；同时，反应器内氧的传递效率下降；故出现生物膜好氧段微生物活性降低，反硝化过程中缺乏碳源等问题。因此，污染物去除速率呈下降趋势。
由图４和表１可知，滤料填充率与单位长度滤料上ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ去除速率拟合结果，在４００～７００ ｍ／ｍ３范围内，滤料填充率与单位长度滤料上污染物去除速率具有很好的相关性。为进一步验证其相关性及拟合方程的科学性，本研究将单位长度滤料上ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ去除速率的实测值与拟合方程预测值进行了比较，比较采用卡方（χ２）检验。结果见表１，ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ的χ２值分别为０．６４０、０．１３０和０．００２，χ２＜χ２０．０５，３＝７．８２；则Ｐ＞０．０５，故ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ实测值与预测值无显著差异；滤料填充率与单位长度滤料上污染物去除速率相关性很好；拟合方程可较好地预测单位长度滤料上污染物去除速率，在实际工程中具有一定的应用意义。
２．４ 最佳滤料填充率的确定
综上所述，随滤料填充率的增加，单位长度滤料上污染物去除速率下降，但低滤料填充率会造成系统不必要的空间浪费。在不同滤料填充率条件下，单位容积反应器ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ去除速率如图５所示，ＣＯＤ、ＴＮ与ＴＰ去除速率最高值分别出现在填充率为６００、４００与４００ ｍ/ｍ３条件下，但ＴＮ与ＴＰ去除速率变化幅度小。故本研究综合考虑不同滤料填充率条件下系统的ＣＯＤ、ＴＮ、ＴＰ出水浓度、去除率及去除速率等的变化趋势，确定ＡＥＢ系统最佳填充率为６００ ｍ／ｍ３。
３ 小结
在滤料填充率运行范围为４００～７００ ｍ／ｍ３时，ＡＥＢ系统ＣＯＤ、ＴＮ与ＴＰ出水浓度均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级Ｂ标准。在填充率为６００ ｍ／ｍ３时，ＣＯＤ与ＴＮ出水浓度最低，去除率最高；而此时ＴＰ出水浓度最高，去除率最低。
在滤料填充率运行范围为４００～７００ ｍ／ｍ３时，滤料填充率与单位长度滤料上ＣＯＤ、ＴＮ与ＴＰ去除速率具有很好的相关性。其拟合方程可较好的预测单位长度滤料上污染物的去除速率，在实际工程中具有一定的应用意义。
在滤填充率运行范围为４００～７００ ｍ/ｍ３时，通过综合考虑ＡＥＢ系统对ＣＯＤ、ＴＮ及ＴＰ的处理特性，以及单位容积反应器与单位长度滤料上污染物去除速率变化趋势，确定ＡＥＢ系统最佳滤料填充率为６００ ｍ/ｍ３。
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