升流式曝氣生物濾池運行特性及動力學(xué)

賈艷萍，姜成，張?zhí)m河，張海豐，王嵬，陳子成

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升流式曝氣生物濾池運行特性及動力學(xué)

賈艷萍，姜成，張?zhí)m河，張海豐，王嵬，陳子成

（東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林吉林 132012）

研究采用升流式曝氣生物濾池（UBAF）處理亞甲基藍模擬廢水，進行了長期連續(xù)實驗，考察了UBAF啟動和掛膜情況，分析了曝氣生物濾池池體內(nèi)部生物量隨填料高度的變化及沿程污染物去除規(guī)律，根據(jù)不同水力負荷下不同填料層高度有機底物降解效果，建立了有機底物降解動力學(xué)模型。結(jié)果表明：UBAF持續(xù)掛膜43天后，填料表面附著大量的微生物，生物相豐富，COD、NH3-N和色度去除率分別為80.93%、73.81%和56.79%；在最佳工況下穩(wěn)定運行，生物膜厚度、微生物量和沿程污染物降解速率均隨填料高度增加而降低，COD、NH3-N和色度的去除主要集中在填料高度35cm以下。通過分析不同水力負荷下不同填料高度COD的變化情況，得到有機底物降解動力學(xué)模型，動力學(xué)模型參數(shù)和2分別為0.2022和0.0406。

開流式曝氣生物濾池；廢水；生物膜；動力學(xué)

曝氣生物濾池（BAF）是一種新型的好氧生物處理工藝，該工藝集濾層的截留過濾作用和生物膜的強氧化降解作用于一體[1]，具有占地面積小、運行穩(wěn)定、處理負荷大且效率高等優(yōu)點，成為目前廢水生物處理主要工藝之一[2-4]。BAF按照進水方式可分為升流式曝氣生物濾池（UBAF）和降流式曝氣生物濾池（DBAF）兩種。DBAF在運行過程中，水流可依靠重力，自行流過填料，減少運行能耗，但長時間運行會出現(xiàn)溝流和污堵問題，影響系統(tǒng)處理效果；UBAF所用填料為懸浮型，在水力作用下相互滾動、摩擦，可有效避免因濾層堆積所導(dǎo)致的污堵和溝流現(xiàn)象，在運行過程中，可承受更高的水力負荷，緩解出水產(chǎn)臭問題[5]。RYU等[6]采用四級UBAF工藝處理低C/N市政污水，分級實現(xiàn)氮的吸附、硝化、脫氮和純化過程，在進水TCOD/TKN為3/6條件下，脫氮階段出水NO3–-N濃度為2.7mg/L，NH3-N去除率可達95%～96%。TAO等[7]采用改良UBAF處理模擬生活污水，研究其脫氮和除碳效能，當(dāng)水力停留時間（HRT）為5.2h時，系統(tǒng)對NH3-N、TN和COD的去除效果最佳，其去除率分別為99.08%±8.79%、72.83%±0.68%和89.38%±1.04%，通過分析濾池內(nèi)部不同高度NH3-N、NO3–-N、NO2–-N和TN的變化規(guī)律，證明UBAF系統(tǒng)內(nèi)同時存在同步硝化反硝化及厭氧氨氧化兩種脫氮形式。生物膜是BAF工藝的核心，BAF對污染物的降解主要是由生物膜內(nèi)微生物完成，微生物數(shù)量及活性決定著系統(tǒng)對污染物的處理能力，生物膜增長及底物降解動力學(xué)是污水生物技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)[8-9]。其中，底物降解動力學(xué)建立在分子擴散理論基礎(chǔ)之上[10]，主要包括擴散與反應(yīng)兩個步驟，可反映生物膜工藝在運行過程中生物膜結(jié)構(gòu)、生物量及活性分布的不均勻性，但是目前關(guān)于不同進水負荷下UBAF底物降解規(guī)律仍不清楚。

本研究采用UBAF對模擬印染廢水進行處理，考察UBAF掛膜及運行特性，探討反應(yīng)體系沿程生物量變化及污染物去除情況。在此基礎(chǔ)上，建立底物降解動力學(xué)模型，為深入研究UBAF降解污染物機理及工藝優(yōu)化提供依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置

升流式曝氣生物濾池主體由有機玻璃制成（0.35m×0.35m×0.70m），有效容積為55.13L，裝填直徑5cm的聚丙烯多面空心球懸浮填料，填料層高度為45cm。濾池底部設(shè)有帶孔承托層，上部安放帶孔擋板，孔徑均為2cm。由曝氣風(fēng)機經(jīng)交叉孔管從濾池底部均勻曝氣，利用轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量；進水箱由聚氯乙烯塑料制作而成，容積為100L，原水由水泵提供動力從濾池底部進入，經(jīng)曝氣充氧后的原水穿過填料層，與填料上生長的微生物充分接觸，通過微生物的新陳代謝作用將污染物降解。實驗裝置如圖1所示。

采用接種掛膜的方式對UBAF進行微生物馴化，掛膜所用污泥取自吉林市七家子污水處理廠二沉池（MLSS在2500～4000mg/L之間），污泥加入量為濾池容積的1/3，同時通入低濃度（COD為80mg/L±20mg/L，NH4+-N為8mg/L±5mg/L）的亞甲基藍模擬廢水，關(guān)閉進出水閥門，以曝氣量100L/h進行悶曝，促進微生物生長，悶曝前向池內(nèi)投加450mg/L葡萄糖和40mg/L氯化銨。進水水溫為21～25℃，pH為7.0～7.5，溶解氧（DO）為4～5mg/L，悶曝3天后，將池內(nèi)污泥和水排空，5h后再泵入低濃度亞甲基藍廢水，調(diào)節(jié)曝氣量為40L/h，從第4天開始逐漸增大進水負荷，進行生物膜同步馴化與培養(yǎng)，分析污染物的降解情況和濾池掛膜程度。

實驗所用原水為亞甲基藍模擬印染廢水，其成分及水質(zhì)如表1所示，其中COD為535.28mg/L± 23.16mg/L，NH3-N為65.27mg/L±10.25mg/L，色度為1024倍。掛膜過程中，為快速馴化培養(yǎng)膜內(nèi)微生物，并增強其抗負荷沖擊能力，實驗進水水質(zhì)針對掛膜不同階段進行適當(dāng)?shù)南♂屌c營養(yǎng)成分補充。

圖1 UBAF實驗裝置圖

1—進水箱；2—轉(zhuǎn)子流量計；3—水泵；4—懸浮填料層；5—取樣口； 6—氣泵；7—出水收集

表1 模擬印染廢水組成成分及水質(zhì) 單位：g·L–1

1.2 分析項目及檢測方法

1.2.1 色度去除率

實驗所用亞甲基藍溶液在最大吸收波長（660nm）處測定溶液吸光度，其色度去除率與吸光度之間遵守朗伯-比爾定律[11]，亞甲基藍的色度去除率（，%）可采用式(1)計算。

式中，0為反應(yīng)前溶液的吸光度；為反應(yīng)一段時間后溶液的吸光度。

1.2.2 生物量測定

磷脂是細胞膜的主要成分，死細胞中磷脂含量非常低，通過對磷脂中磷的測量可檢測生物膜中生物量并間接反映微生物活性變化。實驗在反應(yīng)器不同填料層高度選取濾料，將表面生物膜進行機械剝落，剩余填料利用4mL去離子水沖洗，將生物膜與沖洗水置于250mL具塞三角瓶中，加入CH3OH、CHCl3和H2O的萃取混合液（體積比為10∶5∶2）34mL，用力振搖10min，靜置12h。再向三角瓶中加入CHCl3和H2O各10mL，萃取混合液中CHCl3、CH3OH、H2O體積比為10∶10∶9，水浴輕微沸騰，取出含有脂類組分的下層CHCl3移至50mL具塞刻度試管，水浴蒸干。向試管中加入2mL濃度為5%的K2S2O8溶液，將樣品組分中脂磷消解成正磷酸鹽，再加水至50mL刻度，以鉬酸銨分光光度法測定磷酸鹽濃度，進而表示生物量濃度[12]。其中，1nmol P相當(dāng)于大腸桿菌（E.coli）大小微生物108個[13]。

1.2.3 其他項目測定方法

COD采用重鉻酸鉀法測定（GB11914—1989）；pH采用pH計（PHS-2F，上海雷磁儀器廠）測定；DO采用便捷式溶氧儀（JYD-1A，江蘇江分電分析儀器廠）測定；NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定（GB7479—1987）[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 UBAF掛膜啟動

UBAF掛膜過程中污染物的降解情況如圖2所示。掛膜啟動初期（1～6天），污染物各項指標去除效果較好，COD、NH3-N和色度去除率分別保持在75.19%～86.48%、50.87%～71.49%和62.07%～75.12%。這是由于悶曝過程中，接種污泥活性較強，濾池環(huán)境適宜微生物生長，微生物大量繁殖，悶曝結(jié)束后，池體排空，部分活性污泥附著在填料表面、填料內(nèi)部及池體下層；另外，由于進水濃度較低，對微生物沖擊較小，因此微生物保持較高的活性及生物吸附性能。運行至第3天，NH3-N去除率呈下降趨勢，異養(yǎng)菌的增殖速率較快，而氨氧化菌與硝化菌的世代周期較長、增殖速率慢，在生存環(huán)境和溶解氧的競爭中，氨氧化菌和硝化菌較異養(yǎng)菌均處于劣勢，氨化與硝化作用受到限制，NH3-N去除效果降低；第二階段（7～21天）增大進水負荷，系統(tǒng)對污染物降解能力下降，與色度相比，COD和NH3-N去除率下降明顯，這說明掛膜初期，系統(tǒng)對色度去除以生物吸附為主，隨著進水負荷的增加，一部分微生物死亡，而保留下來的微生物則逐漸被馴化，不斷繁殖，污染物降解效果逐漸提升。第三階段（22～40天）污染物去除規(guī)律與第二階段相似，濾池連續(xù)運行至40天，可觀察到填料表面所附載生物膜厚度增加，因吸附廢水中亞甲基藍分子而呈藍色。取濾池填料層高度35～45cm和0～10cm內(nèi)填料，對其表面生物膜進行顯微鏡鏡檢，分別如圖3(a)、圖3(b)所示。圖3(a)中生物膜顏色較淺，呈淡藍色，可見單獨鐘蟲活動，活性強，說明該部分填料對廢水具有降解效果；圖3(b)因生物膜較厚，且對亞甲基藍分子吸附效果較強，呈墨藍色。該部分填料靠近進水端，有機負荷高，生物相豐富，鏡檢可檢測到表殼蟲和紅斑瓢體蟲等。同時，濾池對COD、NH3-N和色度的去除率分別為80.93%、73.81%和56.79%，生物膜成熟，反應(yīng)體系穩(wěn)定，掛膜成功。

圖2 UBAF掛膜過程中廢水中污染物指標的降解情況

掛膜結(jié)束后，通過單因素實驗確定UBAF系統(tǒng)最佳運行條件為：進水溫度為20～25℃，pH為7.9～8.6，HRT為12.25h，氣水比為10∶1。系統(tǒng)穩(wěn)定運行過程中，對填料層不同高度進行生物量檢測，磷脂是細胞膜的主要成分，其含量較穩(wěn)定，通過對脂磷的測量可檢測生物膜中生物量并間接反映微生物活性變化。生物量檢測結(jié)果如表2所示，由表2可以看出：脂磷總量隨填料層高度的增加呈逐步遞減趨勢，其中在5～15cm處，脂磷總量降低明顯，這可能是由于濾池底部緩沖區(qū)養(yǎng)分充足，游離態(tài)微生物（游泳型纖毛蟲等）較為活躍，可暫時附著在靠近緩沖區(qū)部分的填料上；而15cm處的填料，因穩(wěn)定運行后，老化生物膜堆積及填料截留作用，使得游離態(tài)微生物難以附著。隨著填料層高度增加，填料上生物膜厚度減少成為脂磷總量降低的主要原因。單位質(zhì)量或體積載體生物量變化規(guī)律與脂磷總量一致。

圖3 生物膜顯微鏡鏡檢圖片

2.2 沿程污染物去除規(guī)律

在最佳運行工況下，不同填料層高度污染物去除率的變化如圖4所示。隨填料層高度的增加，COD、NH3-N和色度的去除率明顯上升。值得注意的是，部分指標的去除率在填料層高度為0處呈負值，這是由于該反應(yīng)器為升流式，填料為懸浮型，濾池底部會保留一部分污泥成分，且菌種較為復(fù)雜；另外，接近進水口處，水質(zhì)波動較大，因此會出現(xiàn)部分出水指標高于進水指標的現(xiàn)象。0～15cm段色度去除效果明顯增加，這可能是由于濾池角落存在厭氧區(qū)域，水中大分子染料經(jīng)厭氧菌水解作用后，降解成小分子，有利于馴化后的特異性微生物對染料分子的生化降解作用，而隨著填料層高度增加，生物膜厚度降低，其內(nèi)層厭氧成分減少，同時，生物吸附作用下降，導(dǎo)致色度去除率增長緩慢。系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，池體環(huán)境養(yǎng)分充足，異養(yǎng)菌占據(jù)膜體表面，增殖迅速，COD去除率呈持續(xù)增加。在濾池高度0～10cm之間，NH3-N去除率初始值較高，進水端溶解氧及碳源充足，利于氨化菌和硝化菌生長，此外，濾池邊緣存有厭氧污泥絮體，這些因素有助于傳統(tǒng)脫氮作用及同步硝化反硝化作用發(fā)生[15]。整體而言，COD、NH3-N和色度去除主要集中在填料高度35cm以下，其變化規(guī)律符合濾池沿程生物量分布情況，即隨著填料高度增加，填料附載生物量及各污染物指標降解速率遞減。濾池沿程生物膜 形態(tài)具有明顯差異，如圖5所示。圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)分別取自填料層高度0～10cm、15～25cm、35～45cm內(nèi)填料表面生物膜。圖5(a)靠近進水端，該區(qū)域污染物的濃度高，微生物增長迅速，生物膜較厚，表面凹凸交錯，呈現(xiàn)出絲狀微生物所形成 的空間伸展結(jié)構(gòu)，這與該段填料截留懸浮物較多有關(guān)[16-17]；圖5(b)因底物及溶解氧縱向分布差異不大，其生物膜結(jié)構(gòu)與進水端相近；然而，隨著填料高度的增加，污染物濃度逐漸降低，填料上的生物量逐漸減少，出水端填料生物膜表面相對平緩，出現(xiàn)較大空洞，結(jié)構(gòu)稀疏，如圖5(c)所示，說明該反應(yīng)器對懸浮物的截留作用主要集中在進水端。

表2 不同高度填料所測生物量情況

圖4 不同填料層高度各指標變化情況

圖5 UBAF沿程生物膜形態(tài)掃描電鏡對比

2.3 動力學(xué)模型參數(shù)確定

對濾池不同高度COD分析表明，濾池縱向混合液有機物濃度由下至上逐漸降低。因此，假設(shè)BAF在運行過程中屬于理想推流式生物反應(yīng)器，其基質(zhì)降解則遵循一級反應(yīng)關(guān)系，如式(2)所示。

式中，d/d為有機物降解速率，mg/L；為有機物降解速率常數(shù)，L/(mg·h)；為生物量濃度，mg/L；為COD濃度，mg/L。

曝氣生物濾池中的生物量濃度與填料種類和表面特性有關(guān)，可以表示為=()，式中為填料比表面積（m2/m3）；將其代入式(2)，可得式(3)。

式中，0為進水COD濃度，mg/L；e為出水COD濃度，mg/L；為反應(yīng)時間，h。

然而，與濾料的容積負荷相關(guān)，生物濾池的接觸時間可用式(5)表示[10]。

式中，分別為與濾料性能有關(guān)的常數(shù)；為表面水力負荷，m3/(m2·h)；為填料層高度，m。

將式(5)代入式(4)中，令2=1，得式(6)。

式(6)即為該反應(yīng)器有機底物降解動力學(xué)模型，其中參數(shù)2和分別代表有機物降解速率及填料特性，對兩者進行確定，可反映所處理水的可生化性及填料性能；此外，2和確定后所得模型可達到根據(jù)進水COD預(yù)估出水COD的目的。

在不同的水力負荷下，對沿程進、出水COD進行測量，可得出0和e，如表3所示。

由式(6)以為橫坐標，ln(S/e)為縱坐標，建立線性回歸方程（圖6），即可確定不同值所對應(yīng)的2/q的值。

不同水力負荷所對應(yīng)的2/、ln、ln值如表4所示。

由式(7)以ln為橫坐標，ln為縱坐標，建立線性回歸方程（圖7），即可確定2和值?？纱_定=0.2022，ln2= –3.2037，2=0.0406。

表3 不同水力負荷下沿程COD進出水值

表4 不同水力負荷對應(yīng)的K2/qn、lnM、lnq值

圖6 不同水力負荷下的線性回歸方程

圖7 不同水力負荷下的線性回歸方程

將2和代入方程(6)，得式(8)。

3 結(jié)論

（1）采用接種掛膜的方式對UBAF進行掛膜啟動，該過程持續(xù)43天，COD、NH3-N和色度去除率分別達到80.93%、73.81%和56.79%，填料表面附著藍色生物膜，可觀察到膜內(nèi)有鐘蟲、表殼蟲、紅斑瓢體蟲等大量微生物。

（2）在進水溫度為20～25℃、pH為7.9～8.6、HRT為12.25h、氣水比為10∶1的條件下，UBAF反應(yīng)器運行穩(wěn)定后，生物膜厚度、膜內(nèi)微生物量和沿程污染物降解速率均隨填料高度增加而降低。COD、NH3-N和色度的去除主要集中在填料高度35cm以下，其變化規(guī)律符合濾池沿程生物量分布 情況。

（3）在不同的水力負荷條件下，通過分析沿程COD的變化，建立UBAF反應(yīng)器有機底物降解動力學(xué)模型，動力學(xué)模型參數(shù)和2分別為0.2022和0.0406。

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使得：yTα=0，其中a為拉格朗日乘子(0≤αi≤C)；e表示數(shù)值全為1的向量；Q是l乘l的半正定矩陣，Qij≡yiyjK(xi,xj)，K(xi,xj)≡?(xi)T?(xj)，K為核函數(shù)，?是訓(xùn)練向量低xi維空間到高維空間的映射函數(shù)。最終得到二分類訓(xùn)練決策模型：

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Study on operation characteristics and dynamics of upflow biological aerated filter

JIA Yanping，JIANG Cheng，ZHANG Lanhe，ZHANG Haifeng，WANG Wei，CHEN Zicheng

（School of Chemical Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin 132012，Jilin，China）

The simulated methylene blue wastewater was treated continuously for a long-term time by using upflow biological aerated filter（UBAF）in this study. The conditions of the start-up and domestication were investigated and the changes of biomass with the filling height and the regularity of pollutants removal in UBAF were analyzed. Furthermore，the degradation dynamic model of organic substrate was established，which based on the performance analysis of substrate degradation under different hydraulic loads. The results showed that the removal rate of COD，ammonia nitrogen and chroma were 80.93%，73.81% and 56.79%，respectively. Rich microorganisms and biota were adhered on the surface of filling after the reactor was continuously domesticated for 43 days. When the reactor was stably operated under the optimal parameters，the film thickness，microbial biomass and linear degradation rate of pollutants decreased with increasing filling height. The removal of COD，ammonia nitrogen and chroma mainly concentrated in the packing height 35cm below. The kinetic model was determined by analyzing the COD of different height fillings and hydraulic loadings. The model parametersand2of organic compound degradation kinetic were 0.2022 and 0.0406, respectively.

upflowbiological aerated filter；waste water；biofilm；kinetics

X703.1

A

1000-6613（2017）10-3897-07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0655

2017-04-13；

2017-06-09。

國家自然科學(xué)基金（51678119）及吉林省科技發(fā)展計劃（20150204052SF，20160101268JC，20150519020JH）項目。

賈艷萍（1973—），女，博士，副教授，主要從事廢水及廢氣的生物處理理論與工藝研究。E-mail：1252589367@qq.com。

張?zhí)m河，博士，教授，主要從事廢水及廢氣的治理工作。E-mail： zhanglanhe@163.com。