郝艾波， 王序馳， 金明姬

(延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002)

生物膜法因其占用面積小、抗負荷能力強、管理方便、污染物處理效果高效穩(wěn)定等優(yōu)點，在污水處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-2]。Atmosphere-Exposed Biofilm是一種新型生物膜法[3]，體系中濾料直接暴露于空氣之中，附著于濾料上的微生物通過與空氣直接接觸吸收所需的氧氣，無曝氣的運行模式降低了體系的運行費用[4-5]。此外，體系采用一種新型軟性纖維填料HBC Ring(Hanging Bio-Contactor)，已有研究表明，該種填料比表面積大，且?guī)в须姾?，有利于微生物的大量附著生長[6]。鑒于此，本研究采用Atmosphere-Exposed Biofilm體系處理模擬廢水，考察在不同C/N條件下體系的處理特性。從而為該體系的優(yōu)化升級以及推廣應(yīng)用提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示，該裝置分為上部濾料層和下部蓄水層2部分，均由有機玻璃加工制成。上部濾料層有效積容體積為6 L(28 cm×18 cm×12 cm)，上層兩側(cè)設(shè)置利于體系內(nèi)空氣自由流通的通氣口。此外，上層內(nèi)部均勻懸掛有HBC Ring軟性纖維填料，其長度為12 cm，此時濾料填充率為600 m/m3。下部蓄水池有效容積為19 L(28 cm×18 cm×38 cm)，內(nèi)設(shè)循環(huán)泵，用于處理水的內(nèi)循環(huán)。體系頂部裝有調(diào)節(jié)閥，用于控制水量。

圖1 Atmosphere-Exposed Biofilm體系示意圖

1.2 實驗用水及接種污泥

本實驗采用人工合成廢水，廢水組成見表1。實驗所用掛膜方式為閉合循環(huán)式，該體系所用污泥取自于延吉市污水處理廠二級沉淀池。

表1 模擬廢水成分及用量

1.3 實驗設(shè)計

待掛膜成功后，實驗將C/N從低C/N的5、10、15，增加到高C/N的50、75、100，分析了不同條件下體系對污染物(COD、NH4+-N、TN及TP等)的處理特性。實驗運行模式均為間歇式，共運行70 d，其日處理量為8 L，HRT(水力停留時間)為24 h，表面水力負荷為17 m3/(m2·d)。

1.4 采樣和分析方法

采集裝置的進水和出水，用于評價水質(zhì)性能。測定水中COD、NH4+-N、TN及TP含量，測定均參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第四版)[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 處理特性

2.1.1 COD處理特性

在C/N為5、10、15、50、75和100等不同條件下，體系內(nèi)COD的去除特性如圖2,3所示。

體系出水中COD平均質(zhì)量濃度隨C/N的增加逐漸下降，而平均去除率呈上升趨勢，依次為81.9%、86.4%、88.5%、93.8%、94.4%和95.1%。在低C/N(5、10、15，下同)條件下，COD去除率隨C/N增加顯著上升(P<0.05)；而高C/N(50、75、100，下同)條件下無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。低C/N條件下，硝化菌的優(yōu)勢地位顯著，限制了異養(yǎng)微生物活性，導(dǎo)致COD去除率較低；而隨C/N的增加，異養(yǎng)微生物逐漸占主導(dǎo)地位，COD去除率逐漸上升[8-9]。當(dāng)C/N增加至一定程度時，生物膜厚度增大，好氧異養(yǎng)微生物活性受到限制，但同時因厭氧釋磷過程及反硝化過程均消耗部分碳源，其去除率仍有小幅上升[10-11]。在C/N為5、10、15、50、75和100條件下，COD去除速率依次為261.2、294.5、279.7、310.7、303和1、304.2 g/(m3·d)，C/N從5上升至10時，COD去除速率出現(xiàn)最大變幅，而C/N為50時，COD去除速率出現(xiàn)最大值。

圖2 不同C/N條件下COD處理特性

圖3 不同C/N條件下COD去除速率

2.1.2 NH4+-N處理特性

在不同C/N條件下，體系內(nèi)NH4+-N的去除效果如圖4，5所示。

隨著C/N增加，體系出水中NH4+-N平均質(zhì)量濃度降低，而平均去除率大體呈波動式下降，依次為91.4%、87.5%、81.1%、74.7%、75.3%和73.6%。在低C/N條件下，NH4+-N去除率隨C/N的增加呈顯著降低的趨勢(P<0.05)；而高C/N條件下的變化未達到顯著水平(P>0.05)。隨C/N的增加，體系內(nèi)硝化菌的優(yōu)勢地位減弱，導(dǎo)致NH4+-N去除率呈下降趨勢；而C/N增加到一定程度時，生物膜增厚，好氧異養(yǎng)微生物活性受到抑制，硝化細菌活性有所增強，NH4+-N去除率呈小幅上升[12-13]。在C/N為5、10、15、50、75和100條件下，NH4+-N去除速率依次為58、29.4、17.3、4.7、3.1和2.3 g/(m3·d)，C/N為5時，NH4+-N去除達到最大化。

圖4 不同C/N條件下NH4+-N處理特性

圖5 不同C/N條件下NH4+-N去除速率

2.1.3 TN處理特性

在不同C/N條件下，體系內(nèi)TN的去除效果如圖6，7所示。

隨著C/N的增加，體系出水中TN平均質(zhì)量濃度逐漸降低，而平均去除率先上升后下降，依次為41.4%、57.4%、65.3%、71.5%、72.9%和70.2%。在低C/N條件下，TN去除率隨C/N的增加而增加，并達到顯著水平(P<0.05)；而高C/N條件下無統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。結(jié)合生物脫氮過程，在低C/N條件下，體系內(nèi)生物脫氮過程主要受反硝化過程影響,反硝化微生物以有機物為電子供體，硝態(tài)氮被還原為N2[14]；低C/N條件下，碳源缺乏，反硝化過程受到抑制，故TN去除率較低[15]。而隨C/N的增加，碳源增多，TN去除率也隨之上升。但在C/N大于75條件下，TN去除率逐漸降低；在高C/N條件下，體系內(nèi)生物脫氮主要受硝化反應(yīng)的影響[16]；高C/N比條件下好氧異養(yǎng)微生物大量繁殖，硝化菌在氧的爭奪中處于劣勢，硝化過程受到抑制，故TN去除率也隨之下降[17-18]。在C/N為5、10、15、50、75和100條件下，體系TN去除速率依次為26.3、20.2、14、4.5、3和2.2 g/(m3·d)，C/N為5時，出現(xiàn)最大去除速率。

圖6 不同C/N條件下TN處理特性

圖7 不同C/N條件下TN去除速率

2.1.4 TP處理特性

在不同C/N條件下，體系內(nèi)TP的去除效果如圖8、9 所示。

隨著C/N的增加，體系出水中TP平均質(zhì)量濃度先下降后上升；而TP平均去除率先上升后下降，依次為57.1%、61.7%、64.7%、74.2%、73.4%和71.1%。在低C/N條件下，隨C/N的增加，TP去除率顯著上升(P<0.05)；而高C/N條件下差異未達到顯著水平(P>0.05)。生物除磷過程主要分厭氧釋磷和好氧吸磷2個階段，在低C/N條件下，隨C/N的增加，聚磷菌從水中獲得更多的有機碳源，PAOs(聚磷菌)的釋磷量和吸磷量增多，TP去除率也隨之增加[19-20]。而高C/N條件下，隨C/N的不斷增加，好氧異養(yǎng)微生物大量繁殖，生物膜以好氧生物膜為主，厭氧釋磷受到抑制[21]，且生物脫氮過程中的硝酸鹽累積也阻礙生物除磷過程[22-23]，故去除率隨之下降。在C/N為5、10、15、50、75和100條件下，體系TP去除速率依次為0.71、0.81、0.84、0.90、0.96和0.93 g/(m3·d)，C/N為75時，TP去除速率出現(xiàn)最大值。

圖8 不同C/N條件下TP處理特性

圖9 不同C/N條件下TP去除速率

2.2 C/N與污染物進出水濃度相關(guān)性分析

隨C/N的增加，體系內(nèi)污染物出水濃度(Se)與進水濃度(So)之比(Se/So)也發(fā)生變化，故本文針對C/N與污染物進出水濃度比(Se/So)進行非線性擬合，其結(jié)果如圖10、表2 。

圖10 不同C/N條件下污染物進出水濃度比(Se/So)

表2 C/N與污染物進出水濃度比(Se/So)相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

1) 在Atmosphere-Exposed Biofilm體系中，隨C/N的變化，體系內(nèi)污染物處理特性也發(fā)生相應(yīng)變化。在C/N為5、10、15、50、75、100時，隨C/N增加，COD去除率大體呈波動上升趨勢，NH4+-N去除率大體呈波動下降趨勢，而TN與TP去除率大體呈先上升后下降趨勢。而在低C/N條件下(C/N為5、10、15時)，體系中污染物去除率隨C/N的增加變化顯著，但在高C/N條件下(C/N為50、75、100時)，去除率隨C/N的變化不明顯。

2) 在Atmosphere-Exposed Biofilm體系中，C/N為5～100時，C/N與污染物(COD、NH4+-N、TN及TP)進出水濃度比(Se/So)具有較好的相關(guān)性，其擬合方程能較好的預(yù)測體系中污染物的處理效果，在工程實際中具有意義。