王必胜等

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。

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

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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