水力负荷对Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)净化效果的影响

王必胜，金明姬，徐明哲，齐书亭

(1.延边大学理学院自然地理，吉林 延吉 133002；2.延边大学农学院，吉林 延吉 133002；3.延吉市污水处理有限公司，吉林 延吉 133000)

水力负荷对Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)净化效果的影响

王必胜1，金明姬2*，徐明哲2，齐书亭3

(1.延边大学理学院自然地理，吉林 延吉 133002；2.延边大学农学院，吉林 延吉 133002；3.延吉市污水处理有限公司，吉林 延吉 133000)

本文采用Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)处理模拟废水，调查分析了水力负荷(4.3、8.5、12.7、17.0、21.3 m/d)对系统处理特性的影响。结果表明，水力负荷对COD、TN、TP具有不同程度的影响，COD、TN、TP最佳去除率分别出现17.0、17.0、21.3 m/d。在17.0～21.3 m/d负荷范围内，COD、TN出水浓度满足了《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，TP满足一级B标准。在所有运行范围内，系统COD、TN、TP去除速率相对恒定。系统水力负荷与进出水浓度比(C/CO)拟合结果，水力负荷与系统处理特性具有一定相关性。综合水力负荷对系统处理特性的影响，水力负荷为17.0 m/d时，Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系统处理效果较优。

Atmosphere-Exposed Biofilm；水力负荷；处理特性；去除速率

随着我国经济和人口的不断增长，水污染问题日益受到重视，更多水处理技术被众多学者所研究。生物膜技术由于具有滤料比表面积大、不需要污泥回流、运行管理方便、抗冲击负荷能力强等优点广泛应用于污水处理领域[1-3]。

Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系统是一种从滤料及曝气方式上进行改进的生物膜法。滤料作为微生物附着生长的场所，是生物膜法的核心[4-5]。AEB系统采用HBC Ring新型软性纤维滤料，HBC Ring是由聚偏氯乙烯为材质的线丝组合而成的线团，每条线丝厚度为100DENIER，大量线丝增加了HBC Ring比表面积。同时，线丝带有电荷，极大提高了微生物附着性能[6-7]。在AEB系统中，滤料悬挂于反应器内，微生物直接暴露于空气中，通过与空气的接触吸收所需的氧，无需曝气。这种运行模式，很大程度上简化了系统运行管理工作，减少了运行费用。综上，本文拟采用AEB系统处理模拟废水，调查分析不同水力负荷对系统处理特性的影响，以期为系统优化设计与运行管理提供依据。

图1 Atmosphere-Exposed Biofilm实验装置Fig.1 Schematic of Atmosphere-Exposed Biofilm

1 材料与方法

1.1 实验装置

如图1所示，实验装置由3部分组成。装置上部为滤料层，每一滤料层有效容积为9 L，滤料层表面积为0.05 m2，滤料层内均匀悬挂长度为0.12 m HBC Ring，层内滤料填充率为600 m/m3；滤料层两侧设有通风口，用于空气的流通。装置底部为蓄水池，其有效容积为19 L；池内部设有循环泵，用于水的内循环。装置顶部设有喷水装置，用于水的均匀喷洒；喷水装置与水量调节阀相连，用于控制水力负荷。

1.2 实验用水及接种污泥

实验采用模拟废水，其主要由葡萄糖、MnSO4·H2O、FeSO4·7H2O、NaHCO3、MgSO4·7H2O、(NH4)2SO4、K2HPO4、KCl、CaCl2等微生物生长所需的营养元素与微量元素配置而成。实验用污泥取自城镇污水处理厂二沉池回流污泥。

1.3 实验设计

待挂膜成功后，实验将水力负荷从4.3 m/d依次提高到8.5、12.7、17.0、21.3 m/d，调查分析了水力负荷对系统处理效果的影响。为避免填充高度对实验结果造成的影响，实验选取0.12、0.24、0.36、0.48 m等4个不同高度进行了重复实验，结果取4组平均值。实验采用间歇式运行模式，日处理量8 L，HRT为24 h，有机负荷控制在0.67 kg COD/m3/d，处理水通过循环泵在系统内进行内循环。COD、TN与TP等水质指标分析，均按标准水质检测方法进行测定。

2 结果与分析

2.1 水力负荷对COD去除效果的影响

不同水力负荷条件下，系统COD的去除效果如图2。在所有运行范围内，COD去除率均大于95.0 %，系统去除效果显著，且受水力负荷影响较小。随负荷的增加COD去除率呈先上升后下降趋势，在17.0 m/d条件下，去除率最优，达96.1 %。水力负荷影响废水与生物膜的接触，同时对生物膜上微生物的生长、繁殖和脱落也产生影响。在4.3～17.0 m/d范围内，提高水力负荷有助于废水与生物膜的充分接触，加速生物膜的更新，增强微生物的活性，故COD去除率上升[8-9]。而过高的水力负荷，可缩短废水与生物膜的接触时间，生物膜易脱落，微生物量减少，故在17.0～21.3 m/d范围内，随负荷增加COD去除率降低[10]。在17.0～21.3 m/d范围内，COD出水浓度满足了《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准50 mg/L。

图2 水力负荷对COD去除效果的影响Fig.2 Effect of hydraulic loading on COD removal efficiency

2.2 水力负荷对TN去除效果的影响

不同水力负荷条件下，系统TN去除效果如图3。相比COD，水力负荷对TN的影响程度要显著。随负荷的增加，TN去除率呈先下降后上升再下降趋势，在17.0 m/d条件下，去除率最优，为90.5 %。在低水力负荷范围内，负荷增加，有机负荷也随之增加，降解有机物的异养菌成为优势菌群，抑制自氧硝化菌的生长，故负荷从4.3 m/d上升至8.5 m/d，去除率呈下降趋势[11]。而随负荷的不断增加，微生物可利用的底物增多，微生物生长旺盛，生物膜厚度增加，使生物膜内易形成氧浓度梯度，对生物膜内同步硝化反硝化有促进作用[12]，故在8.5～17.0 m/d范围内，随负荷增加，去除率呈上升趋势。但负荷上升至21.3 m/d高负荷时，由于生物膜的冲刷脱落，较难形成同步硝化反硝化的好氧/厌氧环境，故去除率随之下降[13-15]。在所有运行范围内，TN出水浓度满足了《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准15 mg/L。

2.3 水力负荷对TP去除效果的影响

如图4所示，随负荷的增加，TP去除率呈先下降再上升趋势。生物除磷过程较为复杂，需在厌氧、好氧交替作用下完成[16-17 ]。同时，生物脱氮过程中产生的硝酸盐对生物除磷有抑制作用[18-20]。在低水力负荷范围内，微生物生长所需底物浓度低，微生物生长缓慢，生物膜以好氧生物膜为主。在此范围内，增加水力负荷，加强生物脱氮过程中的好氧硝化作用，系统内硝酸盐含量增多，抑制生物除磷过程。故在4.3～12.7 m/d低水力负荷范围内，随负荷增加，去除率呈下降趋势。而随负荷的不断增加，微生物可利用底物增多，生物膜厚度增加，在生物膜内形成厌氧/好氧环境，故在12.7～21.3 m/d范围

图3 水力负荷对TN去除效果的影响Fig.3 Effect of hydraulic loading on TN removal efficiency

内，随负荷增加，去除率呈上升趋势。在17.0、21.3 m/d负荷条件下，TP出水浓度最低，为1.0 mg/L, 满足了《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级B标准1.0 mg/L；但所有条件下，出水浓度均超出了一级A标准0.5 mg/L。

2.4 水力负荷对去除速率的影响

如图5所示，在所有运行范围内，系统COD、TN、TP去除速率分别维持在574.4～600.4 mg COD/L/d、11.2～12.4 mg TN/L/d、1.78～2.03 mg TP/L/d范围，去除速率相对恒定；从变化幅度看，水力负荷对COD去除速率影响较大，变化幅度为26.0 mg COD/L/d；对TN、TP去除速率影响较小，变化幅度仅为1.2 mg TN/L/d、0.25 mg TP/L/d。COD、TN、TP最大去除速率分别出现在17.0、4.3、21.3 m/d负荷条件。

2.5 水力负荷与系统处理特性的关系

随水力负荷的变化，系统COD、TN、TP出水(C)与进水(CO)浓度比(C/CO)也发生变化。如图6所示，文中利用Origin软件，通过非线性方程(Gauss与Logistic)分别对水力负荷与COD、TN、TP 的进出水比(C/CO)进行拟合，其结果COD、TN、TP 3组方程拟合优度R2分别为0.94、0.85、0.95，整体拟合度较高，COD、TP拟合优度优于TN，水力负荷与系统处理特性具有一定相关性。

图4 水力负荷对TP去除效果的影响Fig.4 Effect of hydraulic loading on TP removal efficiency

图5 水力负荷对去除速率的影响Fig.5 Effect of hydraulic loading on removal rates

图6 水力负荷与进出水浓度比(C/CO)非线性拟合Fig.6 Non-linear fitting of hydraulic loading and C/CO

从图6可知，当负荷调整到17.0 m/d 时，COD进出水比(C/CO)从下降趋势转变为上升趋势，即在17.0 m/d附近系统处理效果最佳。TN进出水比(C/CO)在负荷4.3～8.5 m/d出现1个小的峰值外，在其它负荷范围内基本无明显变化。TP进出水比(C/CO)，在负荷12.7～17.0 m/d有个较大的降幅，即系统处理效果随负荷的增加，有明显的提高；在负荷17.0～21.3 m/d，TP进出水比(C/CO)虽也有小的降幅，但马上趋于稳定，即在17.0 m/d附近，系统处理效果基本达到最佳。

3 小结与讨论

水力负荷作为影响生物膜处理效果的重要因素，在Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系统中，对COD、TN、TP均具有不同程度的影响。在4.3～21.3 m/d实验范围内，COD、TN、TP最高去除率分别出现17.0、17.0、21.3 m/d。在17.0～21.3 m/d负荷范围内，COD、TN出水浓度满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，TP满足一级B标准。

在所有运行范围内，系统COD、TN、TP去除速率相对恒定，其中COD去除速率变化幅度较大于TN、TP。通过Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系统水力负荷与进出水浓度比(C/CO)拟合结果，水力负荷与系统处理特性具有一定相关性。

综合不同水力负荷条件下，系统的COD、TN、TP去除效果、去除速率及方程拟合结果等各方面因素，水力负荷为17.0 m/d时，Atmosphere-Exposed Biofilm(AEB)系统处理效果较优。

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(责任编辑 陈 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

国家自然科学基金项目(51269032)

王必胜(1988-)，男，吉林白城人，硕士，主要从事水处理方面研究，350321632@qq.com；*为通讯作者:金明姬(1977-)，女，朝鲜族，吉林延吉人，副教授，博士，硕士生导师，研究方向为环境科学，E-mail：jinmingji@ybu.edu.cn。

S152.7

A