水力負(fù)荷對Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)凈化效果的影響

王必勝，金明姬，徐明哲，齊書亭

(1.延邊大學(xué)理學(xué)院自然地理，吉林 延吉 133002；2.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002；3.延吉市污水處理有限公司，吉林 延吉 133000)

水力負(fù)荷對Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)凈化效果的影響

王必勝1，金明姬2*，徐明哲2，齊書亭3

(1.延邊大學(xué)理學(xué)院自然地理，吉林 延吉 133002；2.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002；3.延吉市污水處理有限公司，吉林 延吉 133000)

本文采用Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)處理模擬廢水，調(diào)查分析了水力負(fù)荷(4.3、8.5、12.7、17.0、21.3 m/d)對系統(tǒng)處理特性的影響。結(jié)果表明，水力負(fù)荷對COD、TN、TP具有不同程度的影響，COD、TN、TP最佳去除率分別出現(xiàn)17.0、17.0、21.3 m/d。在17.0～21.3 m/d負(fù)荷范圍內(nèi)，COD、TN出水濃度滿足了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，TP滿足一級B標(biāo)準(zhǔn)。在所有運(yùn)行范圍內(nèi)，系統(tǒng)COD、TN、TP去除速率相對恒定。系統(tǒng)水力負(fù)荷與進(jìn)出水濃度比(C/CO)擬合結(jié)果，水力負(fù)荷與系統(tǒng)處理特性具有一定相關(guān)性。綜合水力負(fù)荷對系統(tǒng)處理特性的影響，水力負(fù)荷為17.0 m/d時，Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系統(tǒng)處理效果較優(yōu)。

Atmosphere-Exposed Biofilm；水力負(fù)荷；處理特性；去除速率

隨著我國經(jīng)濟(jì)和人口的不斷增長，水污染問題日益受到重視，更多水處理技術(shù)被眾多學(xué)者所研究。生物膜技術(shù)由于具有濾料比表面積大、不需要污泥回流、運(yùn)行管理方便、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域[1-3]。

Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系統(tǒng)是一種從濾料及曝氣方式上進(jìn)行改進(jìn)的生物膜法。濾料作為微生物附著生長的場所，是生物膜法的核心[4-5]。AEB系統(tǒng)采用HBC Ring新型軟性纖維濾料，HBC Ring是由聚偏氯乙烯為材質(zhì)的線絲組合而成的線團(tuán)，每條線絲厚度為100DENIER，大量線絲增加了HBC Ring比表面積。同時，線絲帶有電荷，極大提高了微生物附著性能[6-7]。在AEB系統(tǒng)中，濾料懸掛于反應(yīng)器內(nèi)，微生物直接暴露于空氣中，通過與空氣的接觸吸收所需的氧，無需曝氣。這種運(yùn)行模式，很大程度上簡化了系統(tǒng)運(yùn)行管理工作，減少了運(yùn)行費(fèi)用。綜上，本文擬采用AEB系統(tǒng)處理模擬廢水，調(diào)查分析不同水力負(fù)荷對系統(tǒng)處理特性的影響，以期為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行管理提供依據(jù)。

圖1 Atmosphere-Exposed Biofilm實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Schematic of Atmosphere-Exposed Biofilm

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由3部分組成。裝置上部為濾料層，每一濾料層有效容積為9 L，濾料層表面積為0.05 m2，濾料層內(nèi)均勻懸掛長度為0.12 m HBC Ring，層內(nèi)濾料填充率為600 m/m3；濾料層兩側(cè)設(shè)有通風(fēng)口，用于空氣的流通。裝置底部為蓄水池，其有效容積為19 L；池內(nèi)部設(shè)有循環(huán)泵，用于水的內(nèi)循環(huán)。裝置頂部設(shè)有噴水裝置，用于水的均勻噴灑；噴水裝置與水量調(diào)節(jié)閥相連，用于控制水力負(fù)荷。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水及接種污泥

實(shí)驗(yàn)采用模擬廢水，其主要由葡萄糖、MnSO4·H2O、FeSO4·7H2O、NaHCO3、MgSO4·7H2O、(NH4)2SO4、K2HPO4、KCl、CaCl2等微生物生長所需的營養(yǎng)元素與微量元素配置而成。實(shí)驗(yàn)用污泥取自城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池回流污泥。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

待掛膜成功后，實(shí)驗(yàn)將水力負(fù)荷從4.3 m/d依次提高到8.5、12.7、17.0、21.3 m/d，調(diào)查分析了水力負(fù)荷對系統(tǒng)處理效果的影響。為避免填充高度對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響，實(shí)驗(yàn)選取0.12、0.24、0.36、0.48 m等4個不同高度進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果取4組平均值。實(shí)驗(yàn)采用間歇式運(yùn)行模式，日處理量8 L，HRT為24 h，有機(jī)負(fù)荷控制在0.67 kg COD/m3/d，處理水通過循環(huán)泵在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行內(nèi)循環(huán)。COD、TN與TP等水質(zhì)指標(biāo)分析，均按標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)檢測方法進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 水力負(fù)荷對COD去除效果的影響

不同水力負(fù)荷條件下，系統(tǒng)COD的去除效果如圖2。在所有運(yùn)行范圍內(nèi)，COD去除率均大于95.0 %，系統(tǒng)去除效果顯著，且受水力負(fù)荷影響較小。隨負(fù)荷的增加COD去除率呈先上升后下降趨勢，在17.0 m/d條件下，去除率最優(yōu)，達(dá)96.1 %。水力負(fù)荷影響廢水與生物膜的接觸，同時對生物膜上微生物的生長、繁殖和脫落也產(chǎn)生影響。在4.3～17.0 m/d范圍內(nèi)，提高水力負(fù)荷有助于廢水與生物膜的充分接觸，加速生物膜的更新，增強(qiáng)微生物的活性，故COD去除率上升[8-9]。而過高的水力負(fù)荷，可縮短廢水與生物膜的接觸時間，生物膜易脫落，微生物量減少，故在17.0～21.3 m/d范圍內(nèi)，隨負(fù)荷增加COD去除率降低[10]。在17.0～21.3 m/d范圍內(nèi)，COD出水濃度滿足了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)50 mg/L。

圖2 水力負(fù)荷對COD去除效果的影響Fig.2 Effect of hydraulic loading on COD removal efficiency

2.2 水力負(fù)荷對TN去除效果的影響

不同水力負(fù)荷條件下，系統(tǒng)TN去除效果如圖3。相比COD，水力負(fù)荷對TN的影響程度要顯著。隨負(fù)荷的增加，TN去除率呈先下降后上升再下降趨勢，在17.0 m/d條件下，去除率最優(yōu)，為90.5 %。在低水力負(fù)荷范圍內(nèi)，負(fù)荷增加，有機(jī)負(fù)荷也隨之增加，降解有機(jī)物的異養(yǎng)菌成為優(yōu)勢菌群，抑制自氧硝化菌的生長，故負(fù)荷從4.3 m/d上升至8.5 m/d，去除率呈下降趨勢[11]。而隨負(fù)荷的不斷增加，微生物可利用的底物增多，微生物生長旺盛，生物膜厚度增加，使生物膜內(nèi)易形成氧濃度梯度，對生物膜內(nèi)同步硝化反硝化有促進(jìn)作用[12]，故在8.5～17.0 m/d范圍內(nèi)，隨負(fù)荷增加，去除率呈上升趨勢。但負(fù)荷上升至21.3 m/d高負(fù)荷時，由于生物膜的沖刷脫落，較難形成同步硝化反硝化的好氧/厭氧環(huán)境，故去除率隨之下降[13-15]。在所有運(yùn)行范圍內(nèi)，TN出水濃度滿足了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級A標(biāo)準(zhǔn)15 mg/L。

2.3 水力負(fù)荷對TP去除效果的影響

如圖4所示，隨負(fù)荷的增加，TP去除率呈先下降再上升趨勢。生物除磷過程較為復(fù)雜，需在厭氧、好氧交替作用下完成[16-17 ]。同時，生物脫氮過程中產(chǎn)生的硝酸鹽對生物除磷有抑制作用[18-20]。在低水力負(fù)荷范圍內(nèi)，微生物生長所需底物濃度低，微生物生長緩慢，生物膜以好氧生物膜為主。在此范圍內(nèi)，增加水力負(fù)荷，加強(qiáng)生物脫氮過程中的好氧硝化作用，系統(tǒng)內(nèi)硝酸鹽含量增多，抑制生物除磷過程。故在4.3～12.7 m/d低水力負(fù)荷范圍內(nèi)，隨負(fù)荷增加，去除率呈下降趨勢。而隨負(fù)荷的不斷增加，微生物可利用底物增多，生物膜厚度增加，在生物膜內(nèi)形成厭氧/好氧環(huán)境，故在12.7～21.3 m/d范圍

圖3 水力負(fù)荷對TN去除效果的影響Fig.3 Effect of hydraulic loading on TN removal efficiency

內(nèi)，隨負(fù)荷增加，去除率呈上升趨勢。在17.0、21.3 m/d負(fù)荷條件下，TP出水濃度最低，為1.0 mg/L, 滿足了《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)1.0 mg/L；但所有條件下，出水濃度均超出了一級A標(biāo)準(zhǔn)0.5 mg/L。

2.4 水力負(fù)荷對去除速率的影響

如圖5所示，在所有運(yùn)行范圍內(nèi)，系統(tǒng)COD、TN、TP去除速率分別維持在574.4～600.4 mg COD/L/d、11.2～12.4 mg TN/L/d、1.78～2.03 mg TP/L/d范圍，去除速率相對恒定；從變化幅度看，水力負(fù)荷對COD去除速率影響較大，變化幅度為26.0 mg COD/L/d；對TN、TP去除速率影響較小，變化幅度僅為1.2 mg TN/L/d、0.25 mg TP/L/d。COD、TN、TP最大去除速率分別出現(xiàn)在17.0、4.3、21.3 m/d負(fù)荷條件。

2.5 水力負(fù)荷與系統(tǒng)處理特性的關(guān)系

隨水力負(fù)荷的變化，系統(tǒng)COD、TN、TP出水(C)與進(jìn)水(CO)濃度比(C/CO)也發(fā)生變化。如圖6所示，文中利用Origin軟件，通過非線性方程(Gauss與Logistic)分別對水力負(fù)荷與COD、TN、TP 的進(jìn)出水比(C/CO)進(jìn)行擬合，其結(jié)果COD、TN、TP 3組方程擬合優(yōu)度R2分別為0.94、0.85、0.95，整體擬合度較高，COD、TP擬合優(yōu)度優(yōu)于TN，水力負(fù)荷與系統(tǒng)處理特性具有一定相關(guān)性。

圖4 水力負(fù)荷對TP去除效果的影響Fig.4 Effect of hydraulic loading on TP removal efficiency

圖5 水力負(fù)荷對去除速率的影響Fig.5 Effect of hydraulic loading on removal rates

圖6 水力負(fù)荷與進(jìn)出水濃度比(C/CO)非線性擬合Fig.6 Non-linear fitting of hydraulic loading and C/CO

從圖6可知，當(dāng)負(fù)荷調(diào)整到17.0 m/d 時，COD進(jìn)出水比(C/CO)從下降趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙厔?，即?7.0 m/d附近系統(tǒng)處理效果最佳。TN進(jìn)出水比(C/CO)在負(fù)荷4.3～8.5 m/d出現(xiàn)1個小的峰值外，在其它負(fù)荷范圍內(nèi)基本無明顯變化。TP進(jìn)出水比(C/CO)，在負(fù)荷12.7～17.0 m/d有個較大的降幅，即系統(tǒng)處理效果隨負(fù)荷的增加，有明顯的提高；在負(fù)荷17.0～21.3 m/d，TP進(jìn)出水比(C/CO)雖也有小的降幅，但馬上趨于穩(wěn)定，即在17.0 m/d附近，系統(tǒng)處理效果基本達(dá)到最佳。

3 小結(jié)與討論

水力負(fù)荷作為影響生物膜處理效果的重要因素，在Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系統(tǒng)中，對COD、TN、TP均具有不同程度的影響。在4.3～21.3 m/d實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，COD、TN、TP最高去除率分別出現(xiàn)17.0、17.0、21.3 m/d。在17.0～21.3 m/d負(fù)荷范圍內(nèi)，COD、TN出水濃度滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，TP滿足一級B標(biāo)準(zhǔn)。

在所有運(yùn)行范圍內(nèi)，系統(tǒng)COD、TN、TP去除速率相對恒定，其中COD去除速率變化幅度較大于TN、TP。通過Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系統(tǒng)水力負(fù)荷與進(jìn)出水濃度比(C/CO)擬合結(jié)果，水力負(fù)荷與系統(tǒng)處理特性具有一定相關(guān)性。

綜合不同水力負(fù)荷條件下，系統(tǒng)的COD、TN、TP去除效果、去除速率及方程擬合結(jié)果等各方面因素，水力負(fù)荷為17.0 m/d時，Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系統(tǒng)處理效果較優(yōu)。

[1]Wiesmann U, Lindemann J. Single-disc investigations on nitrogen removal of higher loads in sequencing batch and continuously operated RDR systems[J]. Water Sci. Technol., 2000，41:7.

[2]劉景濤，符征鴿，梅自力，等. 懸掛式生物膜載體處理果糖廢水的響應(yīng)面優(yōu)化[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2012,35(6I):281-284.

[3]林偉雄，孫水裕，黃紹松，等. 生物膜法處理硫化鉛鋅礦尾礦庫外排廢水[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2014,8(1):67-71.

[4]潘 科，祝其麗，湯曉玉，等. 填料在生活污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究[J]. 中國沼氣，2013,31(4):17-20.

[5]張 磊，郎建峰，牛姍姍. 生物膜法在污水處理中的研究進(jìn)展[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù)，2010(5):38-41.

[6]Seyfield C F，Brockman M F.Membranes in wastewater treatment biological aspect of the separation of biomass with a microfiltration unit[J].New and Emerging Environmental Technologies and Products for Wastewater Treatment and Stormwater Collection，1995(5):4-7.

[7]Sung-Joon Kim，Ming-Ji Jin，Chan-Hee Won，et al. Kinetic study on the brewery wastewater treatment by atmosphere-exposed biofilm[J]. Journal of Korean Society of Water Science and Technology，2011，19(6):49-58.

[8]周愛姣，陶 濤，邊朝輝，等. 水力負(fù)荷對木炭填料生物濾池處理污水的影響[J]. 中國給水排水，2009,25(21):72-77.

[9]韋彥斐，張 剛，周 童，等. 水力負(fù)荷和HRT對前置反硝化BAF工藝的影響[J]. 中國給水排水，2011,27(3):94-97.

[10]鄒海明，謝 越，王 艷,等. 水力負(fù)荷和回流比對前置反硝化BAF系統(tǒng)處理玉米青貯液的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2013,7(10):3939-3945.

[11]周文娟，李如忠，崔康平. 生物接觸氧化法深度處理氯堿廢水的中試研究[J]. 安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2011,19(2):70-73.

[12]郭小馬，趙 焱，王開演，等. 分格復(fù)合填料曝氣生物濾池脫氮除磷特性及微生物群落特征分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2015，35(1):152-160.

[13]王 威，曲克明，王海增，等. 水力負(fù)荷對3種濾料生物掛摸和溶解無機(jī)氮去除效果的初步研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報，2012,12(1):66-71.

[14]嚴(yán) 森，吳為中，楊春平，等. 水力負(fù)荷及固相碳源對BAF+多級土壤滲濾組合工藝處理污水的影響研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012,32(8):1793-1800.

[15]宋 斐，王 軍，何 云，等. 不同水力負(fù)荷對改良式地下滲濾系統(tǒng)處理效果研究[J].城市環(huán)境與城市生態(tài)，2015,28(2):43-46.

[16]Yong-Zhi Chen,Bai-Kun Li,Liu Ye,et al. The combined effects of COD/N ratio and nitrate recycling ratio on nitrogen and phosphorus removal in anaerobic/anoxic/aerobic(A2O)-biological aerated filter (BAF) systems[J]. Biochemical Engineering Journal, 2015, 93:235-242.

[17]曾 薇， 楊瑩瑩， 李 磊，等. SBR短程脫氮系統(tǒng)中亞硝酸鹽積累對生物除磷的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2011, 31(2):236-244.

[18]王 建, 陳文兵, 黃轉(zhuǎn)偉, 等. 序批式生物膜法除磷技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 水科學(xué)與工程技術(shù), 2008(S):22-24.

[19]方 茜，韋朝海，張朝升，等. 序批式生物膜反應(yīng)器的除磷特性及影響因素[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報，2006, 34(5):20-25.

[20]李亞峰，郝 瀅，張曉寧. 碳源和硝酸鹽對SBBR反硝化除磷影響的試驗(yàn)研究[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2012, 38(1):15-18.

(責(zé)任編輯 陳 虹)

Effect of Hydraulic Loading on Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)

WANG Bi-sheng1， JIN Ming-ji2*，XU Ming-zhe2，QI Shu-ting3

(1.Department of Physical Geography, Sciences College of Yanbian University, Yanji Jilin 133002, China; 2.Agricultural College of Yanbian University, Jilin Yanji 133002, China; 3.Yanji Treatment of Sewage Co.Ltd., Jilin Yanji 133000, China)

The imitated waste water was treated by the Atmosphere-Exposed Biofilm (AEB), and the effects of the hydraulic loading(4.3, 8.5, 12.7, 17.0, 21.3 m/d) on its characteristics were analyzed. The results showed that hydraulic loading had different effects on the COD, TN and TP, and the best removal efficiency of COD, TN and TP was at 17.0, 17.0 and 21.3 m/d, respectively. The effluents of COD and TN satisfied first level A criteria specified of the ‘Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant’at 17.0-21.3 m/d, and the effluents of TP satisfied first level B. The removal rates of COD, TN and TP were stability in the system. There was a good correlation between hydraulic loading and characteristics in the system by analyzing the relationship between hydraulic loading and the effluent concentrations. Combining with the effect of the hydraulic loading on the characteristics, the best removal efficiency was at 17.0 m/d in Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB).

Atmosphere-Exposed Biofilm; Hydraulic loading; Treatment characteristics; Removal rate

1001-4829(2016)12-2971-04

10.16213/j.cnki.scjas.2016.12.036

2015-11-08

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51269032)

王必勝(1988-)，男，吉林白城人，碩士，主要從事水處理方面研究，350321632@qq.com；*為通訊作者:金明姬(1977-)，女，朝鮮族，吉林延吉人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)，E-mail：jinmingji@ybu.edu.cn。

S152.7

A