C/N对Atmosphere -Exposed Biofilm体系处理特性影响

郝艾波， 王序驰， 金明姬

(延边大学农学院，吉林 延吉 133002)

生物膜法因其占用面积小、抗负荷能力强、管理方便、污染物处理效果高效稳定等优点，在污水处理领域被广泛应用[1-2]。Atmosphere-Exposed Biofilm是一种新型生物膜法[3]，体系中滤料直接暴露于空气之中，附着于滤料上的微生物通过与空气直接接触吸收所需的氧气，无曝气的运行模式降低了体系的运行费用[4-5]。此外，体系采用一种新型软性纤维填料HBC Ring(Hanging Bio-Contactor)，已有研究表明，该种填料比表面积大，且带有电荷，有利于微生物的大量附着生长[6]。鉴于此，本研究采用Atmosphere-Exposed Biofilm体系处理模拟废水，考察在不同C/N条件下体系的处理特性。从而为该体系的优化升级以及推广应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置如图1所示，该装置分为上部滤料层和下部蓄水层2部分，均由有机玻璃加工制成。上部滤料层有效积容体积为6 L(28 cm×18 cm×12 cm)，上层两侧设置利于体系内空气自由流通的通气口。此外，上层内部均匀悬挂有HBC Ring软性纤维填料，其长度为12 cm，此时滤料填充率为600 m/m3。下部蓄水池有效容积为19 L(28 cm×18 cm×38 cm)，内设循环泵，用于处理水的内循环。体系顶部装有调节阀，用于控制水量。

图1 Atmosphere-Exposed Biofilm体系示意图

1.2 实验用水及接种污泥

本实验采用人工合成废水，废水组成见表1。实验所用挂膜方式为闭合循环式，该体系所用污泥取自于延吉市污水处理厂二级沉淀池。

表1 模拟废水成分及用量

1.3 实验设计

待挂膜成功后，实验将C/N从低C/N的5、10、15，增加到高C/N的50、75、100，分析了不同条件下体系对污染物(COD、NH4+-N、TN及TP等)的处理特性。实验运行模式均为间歇式，共运行70 d，其日处理量为8 L，HRT(水力停留时间)为24 h，表面水力负荷为17 m3/(m2·d)。

1.4 采样和分析方法

采集装置的进水和出水，用于评价水质性能。测定水中COD、NH4+-N、TN及TP含量，测定均参照《水和废水监测分析方法》(第四版)[7]。

2 结果与分析

2.1 处理特性

2.1.1 COD处理特性

在C/N为5、10、15、50、75和100等不同条件下，体系内COD的去除特性如图2,3所示。

体系出水中COD平均质量浓度随C/N的增加逐渐下降，而平均去除率呈上升趋势，依次为81.9%、86.4%、88.5%、93.8%、94.4%和95.1%。在低C/N(5、10、15，下同)条件下，COD去除率随C/N增加显著上升(P<0.05)；而高C/N(50、75、100，下同)条件下无统计学差异(P>0.05)。低C/N条件下，硝化菌的优势地位显著，限制了异养微生物活性，导致COD去除率较低；而随C/N的增加，异养微生物逐渐占主导地位，COD去除率逐渐上升[8-9]。当C/N增加至一定程度时，生物膜厚度增大，好氧异养微生物活性受到限制，但同时因厌氧释磷过程及反硝化过程均消耗部分碳源，其去除率仍有小幅上升[10-11]。在C/N为5、10、15、50、75和100条件下，COD去除速率依次为261.2、294.5、279.7、310.7、303和1、304.2 g/(m3·d)，C/N从5上升至10时，COD去除速率出现最大变幅，而C/N为50时，COD去除速率出现最大值。

图2 不同C/N条件下COD处理特性

图3 不同C/N条件下COD去除速率

2.1.2 NH4+-N处理特性

在不同C/N条件下，体系内NH4+-N的去除效果如图4，5所示。

随着C/N增加，体系出水中NH4+-N平均质量浓度降低，而平均去除率大体呈波动式下降，依次为91.4%、87.5%、81.1%、74.7%、75.3%和73.6%。在低C/N条件下，NH4+-N去除率随C/N的增加呈显著降低的趋势(P<0.05)；而高C/N条件下的变化未达到显著水平(P>0.05)。随C/N的增加，体系内硝化菌的优势地位减弱，导致NH4+-N去除率呈下降趋势；而C/N增加到一定程度时，生物膜增厚，好氧异养微生物活性受到抑制，硝化细菌活性有所增强，NH4+-N去除率呈小幅上升[12-13]。在C/N为5、10、15、50、75和100条件下，NH4+-N去除速率依次为58、29.4、17.3、4.7、3.1和2.3 g/(m3·d)，C/N为5时，NH4+-N去除达到最大化。

图4 不同C/N条件下NH4+-N处理特性

图5 不同C/N条件下NH4+-N去除速率

2.1.3 TN处理特性

在不同C/N条件下，体系内TN的去除效果如图6，7所示。

随着C/N的增加，体系出水中TN平均质量浓度逐渐降低，而平均去除率先上升后下降，依次为41.4%、57.4%、65.3%、71.5%、72.9%和70.2%。在低C/N条件下，TN去除率随C/N的增加而增加，并达到显著水平(P<0.05)；而高C/N条件下无统计学差异(P>0.05)。结合生物脱氮过程，在低C/N条件下，体系内生物脱氮过程主要受反硝化过程影响,反硝化微生物以有机物为电子供体，硝态氮被还原为N2[14]；低C/N条件下，碳源缺乏，反硝化过程受到抑制，故TN去除率较低[15]。而随C/N的增加，碳源增多，TN去除率也随之上升。但在C/N大于75条件下，TN去除率逐渐降低；在高C/N条件下，体系内生物脱氮主要受硝化反应的影响[16]；高C/N比条件下好氧异养微生物大量繁殖，硝化菌在氧的争夺中处于劣势，硝化过程受到抑制，故TN去除率也随之下降[17-18]。在C/N为5、10、15、50、75和100条件下，体系TN去除速率依次为26.3、20.2、14、4.5、3和2.2 g/(m3·d)，C/N为5时，出现最大去除速率。

图6 不同C/N条件下TN处理特性

图7 不同C/N条件下TN去除速率

2.1.4 TP处理特性

在不同C/N条件下，体系内TP的去除效果如图8、9 所示。

随着C/N的增加，体系出水中TP平均质量浓度先下降后上升；而TP平均去除率先上升后下降，依次为57.1%、61.7%、64.7%、74.2%、73.4%和71.1%。在低C/N条件下，随C/N的增加，TP去除率显著上升(P<0.05)；而高C/N条件下差异未达到显著水平(P>0.05)。生物除磷过程主要分厌氧释磷和好氧吸磷2个阶段，在低C/N条件下，随C/N的增加，聚磷菌从水中获得更多的有机碳源，PAOs(聚磷菌)的释磷量和吸磷量增多，TP去除率也随之增加[19-20]。而高C/N条件下，随C/N的不断增加，好氧异养微生物大量繁殖，生物膜以好氧生物膜为主，厌氧释磷受到抑制[21]，且生物脱氮过程中的硝酸盐累积也阻碍生物除磷过程[22-23]，故去除率随之下降。在C/N为5、10、15、50、75和100条件下，体系TP去除速率依次为0.71、0.81、0.84、0.90、0.96和0.93 g/(m3·d)，C/N为75时，TP去除速率出现最大值。

图8 不同C/N条件下TP处理特性

图9 不同C/N条件下TP去除速率

2.2 C/N与污染物进出水浓度相关性分析

随C/N的增加，体系内污染物出水浓度(Se)与进水浓度(So)之比(Se/So)也发生变化，故本文针对C/N与污染物进出水浓度比(Se/So)进行非线性拟合，其结果如图10、表2 。

图10 不同C/N条件下污染物进出水浓度比(Se/So)

表2 C/N与污染物进出水浓度比(Se/So)相关性

3 讨论与结论

1) 在Atmosphere-Exposed Biofilm体系中，随C/N的变化，体系内污染物处理特性也发生相应变化。在C/N为5、10、15、50、75、100时，随C/N增加，COD去除率大体呈波动上升趋势，NH4+-N去除率大体呈波动下降趋势，而TN与TP去除率大体呈先上升后下降趋势。而在低C/N条件下(C/N为5、10、15时)，体系中污染物去除率随C/N的增加变化显著，但在高C/N条件下(C/N为50、75、100时)，去除率随C/N的变化不明显。

2) 在Atmosphere-Exposed Biofilm体系中，C/N为5～100时，C/N与污染物(COD、NH4+-N、TN及TP)进出水浓度比(Se/So)具有较好的相关性，其拟合方程能较好的预测体系中污染物的处理效果，在工程实际中具有意义。