升流式曝气生物滤池运行特性及动力学

贾艳萍，姜成，张兰河，张海丰，王嵬，陈子成



升流式曝气生物滤池运行特性及动力学

贾艳萍，姜成，张兰河，张海丰，王嵬，陈子成

（东北电力大学化学工程学院，吉林吉林 132012）

研究采用升流式曝气生物滤池（UBAF）处理亚甲基蓝模拟废水，进行了长期连续实验，考察了UBAF启动和挂膜情况，分析了曝气生物滤池池体内部生物量随填料高度的变化及沿程污染物去除规律，根据不同水力负荷下不同填料层高度有机底物降解效果，建立了有机底物降解动力学模型。结果表明：UBAF持续挂膜43天后，填料表面附着大量的微生物，生物相丰富，COD、NH3-N和色度去除率分别为80.93%、73.81%和56.79%；在最佳工况下稳定运行，生物膜厚度、微生物量和沿程污染物降解速率均随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。通过分析不同水力负荷下不同填料高度COD的变化情况，得到有机底物降解动力学模型，动力学模型参数和2分别为0.2022和0.0406。

开流式曝气生物滤池；废水；生物膜；动力学

曝气生物滤池（BAF）是一种新型的好氧生物处理工艺，该工艺集滤层的截留过滤作用和生物膜的强氧化降解作用于一体[1]，具有占地面积小、运行稳定、处理负荷大且效率高等优点，成为目前废水生物处理主要工艺之一[2-4]。BAF按照进水方式可分为升流式曝气生物滤池（UBAF）和降流式曝气生物滤池（DBAF）两种。DBAF在运行过程中，水流可依靠重力，自行流过填料，减少运行能耗，但长时间运行会出现沟流和污堵问题，影响系统处理效果；UBAF所用填料为悬浮型，在水力作用下相互滚动、摩擦，可有效避免因滤层堆积所导致的污堵和沟流现象，在运行过程中，可承受更高的水力负荷，缓解出水产臭问题[5]。RYU等[6]采用四级UBAF工艺处理低C/N市政污水，分级实现氮的吸附、硝化、脱氮和纯化过程，在进水TCOD/TKN为3/6条件下，脱氮阶段出水NO3–-N浓度为2.7mg/L，NH3-N去除率可达95%～96%。TAO等[7]采用改良UBAF处理模拟生活污水，研究其脱氮和除碳效能，当水力停留时间（HRT）为5.2h时，系统对NH3-N、TN和COD的去除效果最佳，其去除率分别为99.08%±8.79%、72.83%±0.68%和89.38%±1.04%，通过分析滤池内部不同高度NH3-N、NO3–-N、NO2–-N和TN的变化规律，证明UBAF系统内同时存在同步硝化反硝化及厌氧氨氧化两种脱氮形式。生物膜是BAF工艺的核心，BAF对污染物的降解主要是由生物膜内微生物完成，微生物数量及活性决定着系统对污染物的处理能力，生物膜增长及底物降解动力学是污水生物技术发展的理论基础[8-9]。其中，底物降解动力学建立在分子扩散理论基础之上[10]，主要包括扩散与反应两个步骤，可反映生物膜工艺在运行过程中生物膜结构、生物量及活性分布的不均匀性，但是目前关于不同进水负荷下UBAF底物降解规律仍不清楚。

本研究采用UBAF对模拟印染废水进行处理，考察UBAF挂膜及运行特性，探讨反应体系沿程生物量变化及污染物去除情况。在此基础上，建立底物降解动力学模型，为深入研究UBAF降解污染物机理及工艺优化提供依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验装置

升流式曝气生物滤池主体由有机玻璃制成（0.35m×0.35m×0.70m），有效容积为55.13L，装填直径5cm的聚丙烯多面空心球悬浮填料，填料层高度为45cm。滤池底部设有带孔承托层，上部安放带孔挡板，孔径均为2cm。由曝气风机经交叉孔管从滤池底部均匀曝气，利用转子流量计控制曝气量；进水箱由聚氯乙烯塑料制作而成，容积为100L，原水由水泵提供动力从滤池底部进入，经曝气充氧后的原水穿过填料层，与填料上生长的微生物充分接触，通过微生物的新陈代谢作用将污染物降解。实验装置如图1所示。

采用接种挂膜的方式对UBAF进行微生物驯化，挂膜所用污泥取自吉林市七家子污水处理厂二沉池（MLSS在2500～4000mg/L之间），污泥加入量为滤池容积的1/3，同时通入低浓度（COD为80mg/L±20mg/L，NH4+-N为8mg/L±5mg/L）的亚甲基蓝模拟废水，关闭进出水阀门，以曝气量100L/h进行闷曝，促进微生物生长，闷曝前向池内投加450mg/L葡萄糖和40mg/L氯化铵。进水水温为21～25℃，pH为7.0～7.5，溶解氧（DO）为4～5mg/L，闷曝3天后，将池内污泥和水排空，5h后再泵入低浓度亚甲基蓝废水，调节曝气量为40L/h，从第4天开始逐渐增大进水负荷，进行生物膜同步驯化与培养，分析污染物的降解情况和滤池挂膜程度。

实验所用原水为亚甲基蓝模拟印染废水，其成分及水质如表1所示，其中COD为535.28mg/L± 23.16mg/L，NH3-N为65.27mg/L±10.25mg/L，色度为1024倍。挂膜过程中，为快速驯化培养膜内微生物，并增强其抗负荷冲击能力，实验进水水质针对挂膜不同阶段进行适当的稀释与营养成分补充。

图1 UBAF实验装置图

1—进水箱；2—转子流量计；3—水泵；4—悬浮填料层；5—取样口； 6—气泵；7—出水收集

表1 模拟印染废水组成成分及水质 单位：g·L–1

1.2 分析项目及检测方法

1.2.1 色度去除率

实验所用亚甲基蓝溶液在最大吸收波长（660nm）处测定溶液吸光度，其色度去除率与吸光度之间遵守朗伯-比尔定律[11]，亚甲基蓝的色度去除率（，%）可采用式(1)计算。

式中，0为反应前溶液的吸光度；为反应一段时间后溶液的吸光度。

1.2.2 生物量测定

磷脂是细胞膜的主要成分，死细胞中磷脂含量非常低，通过对磷脂中磷的测量可检测生物膜中生物量并间接反映微生物活性变化。实验在反应器不同填料层高度选取滤料，将表面生物膜进行机械剥落，剩余填料利用4mL去离子水冲洗，将生物膜与冲洗水置于250mL具塞三角瓶中，加入CH3OH、CHCl3和H2O的萃取混合液（体积比为10∶5∶2）34mL，用力振摇10min，静置12h。再向三角瓶中加入CHCl3和H2O各10mL，萃取混合液中CHCl3、CH3OH、H2O体积比为10∶10∶9，水浴轻微沸腾，取出含有脂类组分的下层CHCl3移至50mL具塞刻度试管，水浴蒸干。向试管中加入2mL浓度为5%的K2S2O8溶液，将样品组分中脂磷消解成正磷酸盐，再加水至50mL刻度，以钼酸铵分光光度法测定磷酸盐浓度，进而表示生物量浓度[12]。其中，1nmol P相当于大肠杆菌（E.coli）大小微生物108个[13]。

1.2.3 其他项目测定方法

COD采用重铬酸钾法测定（GB11914—1989）；pH采用pH计（PHS-2F，上海雷磁仪器厂）测定；DO采用便捷式溶氧仪（JYD-1A，江苏江分电分析仪器厂）测定；NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定（GB7479—1987）[14]。

2 结果与讨论

2.1 UBAF挂膜启动

UBAF挂膜过程中污染物的降解情况如图2所示。挂膜启动初期（1～6天），污染物各项指标去除效果较好，COD、NH3-N和色度去除率分别保持在75.19%～86.48%、50.87%～71.49%和62.07%～75.12%。这是由于闷曝过程中，接种污泥活性较强，滤池环境适宜微生物生长，微生物大量繁殖，闷曝结束后，池体排空，部分活性污泥附着在填料表面、填料内部及池体下层；另外，由于进水浓度较低，对微生物冲击较小，因此微生物保持较高的活性及生物吸附性能。运行至第3天，NH3-N去除率呈下降趋势，异养菌的增殖速率较快，而氨氧化菌与硝化菌的世代周期较长、增殖速率慢，在生存环境和溶解氧的竞争中，氨氧化菌和硝化菌较异养菌均处于劣势，氨化与硝化作用受到限制，NH3-N去除效果降低；第二阶段（7～21天）增大进水负荷，系统对污染物降解能力下降，与色度相比，COD和NH3-N去除率下降明显，这说明挂膜初期，系统对色度去除以生物吸附为主，随着进水负荷的增加，一部分微生物死亡，而保留下来的微生物则逐渐被驯化，不断繁殖，污染物降解效果逐渐提升。第三阶段（22～40天）污染物去除规律与第二阶段相似，滤池连续运行至40天，可观察到填料表面所附载生物膜厚度增加，因吸附废水中亚甲基蓝分子而呈蓝色。取滤池填料层高度35～45cm和0～10cm内填料，对其表面生物膜进行显微镜镜检，分别如图3(a)、图3(b)所示。图3(a)中生物膜颜色较浅，呈淡蓝色，可见单独钟虫活动，活性强，说明该部分填料对废水具有降解效果；图3(b)因生物膜较厚，且对亚甲基蓝分子吸附效果较强，呈墨蓝色。该部分填料靠近进水端，有机负荷高，生物相丰富，镜检可检测到表壳虫和红斑瓢体虫等。同时，滤池对COD、NH3-N和色度的去除率分别为80.93%、73.81%和56.79%，生物膜成熟，反应体系稳定，挂膜成功。

图2 UBAF挂膜过程中废水中污染物指标的降解情况

挂膜结束后，通过单因素实验确定UBAF系统最佳运行条件为：进水温度为20～25℃，pH为7.9～8.6，HRT为12.25h，气水比为10∶1。系统稳定运行过程中，对填料层不同高度进行生物量检测，磷脂是细胞膜的主要成分，其含量较稳定，通过对脂磷的测量可检测生物膜中生物量并间接反映微生物活性变化。生物量检测结果如表2所示，由表2可以看出：脂磷总量随填料层高度的增加呈逐步递减趋势，其中在5～15cm处，脂磷总量降低明显，这可能是由于滤池底部缓冲区养分充足，游离态微生物（游泳型纤毛虫等）较为活跃，可暂时附着在靠近缓冲区部分的填料上；而15cm处的填料，因稳定运行后，老化生物膜堆积及填料截留作用，使得游离态微生物难以附着。随着填料层高度增加，填料上生物膜厚度减少成为脂磷总量降低的主要原因。单位质量或体积载体生物量变化规律与脂磷总量一致。

图3 生物膜显微镜镜检图片

2.2 沿程污染物去除规律

在最佳运行工况下，不同填料层高度污染物去除率的变化如图4所示。随填料层高度的增加，COD、NH3-N和色度的去除率明显上升。值得注意的是，部分指标的去除率在填料层高度为0处呈负值，这是由于该反应器为升流式，填料为悬浮型，滤池底部会保留一部分污泥成分，且菌种较为复杂；另外，接近进水口处，水质波动较大，因此会出现部分出水指标高于进水指标的现象。0～15cm段色度去除效果明显增加，这可能是由于滤池角落存在厌氧区域，水中大分子染料经厌氧菌水解作用后，降解成小分子，有利于驯化后的特异性微生物对染料分子的生化降解作用，而随着填料层高度增加，生物膜厚度降低，其内层厌氧成分减少，同时，生物吸附作用下降，导致色度去除率增长缓慢。系统运行稳定后，池体环境养分充足，异养菌占据膜体表面，增殖迅速，COD去除率呈持续增加。在滤池高度0～10cm之间，NH3-N去除率初始值较高，进水端溶解氧及碳源充足，利于氨化菌和硝化菌生长，此外，滤池边缘存有厌氧污泥絮体，这些因素有助于传统脱氮作用及同步硝化反硝化作用发生[15]。整体而言，COD、NH3-N和色度去除主要集中在填料高度35cm以下，其变化规律符合滤池沿程生物量分布情况，即随着填料高度增加，填料附载生物量及各污染物指标降解速率递减。滤池沿程生物膜 形态具有明显差异，如图5所示。图5(a)、图5(b)、图5(c)分别取自填料层高度0～10cm、15～25cm、35～45cm内填料表面生物膜。图5(a)靠近进水端，该区域污染物的浓度高，微生物增长迅速，生物膜较厚，表面凹凸交错，呈现出丝状微生物所形成 的空间伸展结构，这与该段填料截留悬浮物较多有关[16-17]；图5(b)因底物及溶解氧纵向分布差异不大，其生物膜结构与进水端相近；然而，随着填料高度的增加，污染物浓度逐渐降低，填料上的生物量逐渐减少，出水端填料生物膜表面相对平缓，出现较大空洞，结构稀疏，如图5(c)所示，说明该反应器对悬浮物的截留作用主要集中在进水端。

表2 不同高度填料所测生物量情况

图4 不同填料层高度各指标变化情况

图5 UBAF沿程生物膜形态扫描电镜对比

2.3 动力学模型参数确定

对滤池不同高度COD分析表明，滤池纵向混合液有机物浓度由下至上逐渐降低。因此，假设BAF在运行过程中属于理想推流式生物反应器，其基质降解则遵循一级反应关系，如式(2)所示。

式中，d/d为有机物降解速率，mg/L；为有机物降解速率常数，L/(mg·h)；为生物量浓度，mg/L；为COD浓度，mg/L。

曝气生物滤池中的生物量浓度与填料种类和表面特性有关，可以表示为=()，式中为填料比表面积（m2/m3）；将其代入式(2)，可得式(3)。

式中，0为进水COD浓度，mg/L；e为出水COD浓度，mg/L；为反应时间，h。

然而，与滤料的容积负荷相关，生物滤池的接触时间可用式(5)表示[10]。

式中，分别为与滤料性能有关的常数；为表面水力负荷，m3/(m2·h)；为填料层高度，m。

将式(5)代入式(4)中，令2=1，得式(6)。

式(6)即为该反应器有机底物降解动力学模型，其中参数2和分别代表有机物降解速率及填料特性，对两者进行确定，可反映所处理水的可生化性及填料性能；此外，2和确定后所得模型可达到根据进水COD预估出水COD的目的。

在不同的水力负荷下，对沿程进、出水COD进行测量，可得出0和e，如表3所示。

由式(6)以为横坐标，ln(S/e)为纵坐标，建立线性回归方程（图6），即可确定不同值所对应的2/q的值。

不同水力负荷所对应的2/、ln、ln值如表4所示。

由式(7)以ln为横坐标，ln为纵坐标，建立线性回归方程（图7），即可确定2和值。可确定=0.2022，ln2= –3.2037，2=0.0406。

表3 不同水力负荷下沿程COD进出水值

表4 不同水力负荷对应的K2/qn、lnM、lnq值

图6 不同水力负荷下的线性回归方程

图7 不同水力负荷下的线性回归方程

将2和代入方程(6)，得式(8)。

3 结论

（1）采用接种挂膜的方式对UBAF进行挂膜启动，该过程持续43天，COD、NH3-N和色度去除率分别达到80.93%、73.81%和56.79%，填料表面附着蓝色生物膜，可观察到膜内有钟虫、表壳虫、红斑瓢体虫等大量微生物。

（2）在进水温度为20～25℃、pH为7.9～8.6、HRT为12.25h、气水比为10∶1的条件下，UBAF反应器运行稳定后，生物膜厚度、膜内微生物量和沿程污染物降解速率均随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，其变化规律符合滤池沿程生物量分布 情况。

（3）在不同的水力负荷条件下，通过分析沿程COD的变化，建立UBAF反应器有机底物降解动力学模型，动力学模型参数和2分别为0.2022和0.0406。

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使得：yTα=0，其中a为拉格朗日乘子(0≤αi≤C)；e表示数值全为1的向量；Q是l乘l的半正定矩阵，Qij≡yiyjK(xi,xj)，K(xi,xj)≡ϕ(xi)Tϕ(xj)，K为核函数，ϕ是训练向量低xi维空间到高维空间的映射函数。最终得到二分类训练决策模型：

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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。

国家自然科学基金（51678119）及吉林省科技发展计划（20150204052SF，20160101268JC，20150519020JH）项目。

贾艳萍（1973—），女，博士，副教授，主要从事废水及废气的生物处理理论与工艺研究。E-mail：1252589367@qq.com。

张兰河，博士，教授，主要从事废水及废气的治理工作。E-mail： zhanglanhe@163.com。