环境科学  2016, Vol. 37 Issue (7): 2632-2638   PDF    
引用本文
刘春, 张晶, 张静, 陈晓轩, 张磊, 曹丽亚 . 中试规模微气泡曝气生物膜反应器运行性能评估[J]. 环境科学,2016, 37(7): 2632-2638.
LIU Chun, ZHANG Jing, ZHANG Jing, CHEN Xiao-xuan, ZHANG Lei, CAO Li-ya . Performance Evaluation of a Pilot-scale Microbubble-aerated Biofilm Reactor[J]. Environmental Science,2016, 37(7): 2632-2638.
中试规模微气泡曝气生物膜反应器运行性能评估
刘春 , 张晶 , 张静 , 陈晓轩 , 张磊 , 曹丽亚     
河北科技大学环境科学与工程学院, 河北省污染防治生物技术重点实验室, 石家庄 050018
收稿日期: 2016-01-24; 修订日期: 2016-02-29.
基金项目:河北省自然科学基金项目(E2015208140)
作者简介: 刘春(1976~),男,博士,教授,主要研究方向为废水生物处理技术,E-mail:liuchun@hebust.edu.cn
摘要: 运行中试规模微气泡曝气生物膜反应器处理校园生活污水,对其运行性能进行评估,并与传统生物处理工艺比较.结果表明,采用中试系统处理校园生活污水原水时,平均COD去除率和去除负荷分别为57.0%和2.68 kg·(m3·d)-1,平均氨氮去除率和去除负荷分别为17.4%和0.17 kg·(m3·d)-1,平均TN去除率和去除负荷分别为15.8%和0.21 kg·(m3·d)-1,平均氧利用率达到100%.采用中试系统处理可生化性较差的生物接触氧化池出水,平均COD去除率和去除负荷分别为46.0%和1.53 kg·(m3·d)-1;平均氨氮去除率和去除负荷分别为17.1%和0.32 kg·(m3·d)-1;平均TN去除率和去除负荷分别为14.1%和0.28 kg·(m3·d)-1;平均氧利用率高于50%.由于微气泡曝气能够加速氧传质过程并提高氧利用率,因此相同进水条件下,中试系统污染物去除能力显著优于传统生物接触氧化工艺和传统曝气生物滤池工艺.
关键词: 微气泡曝气      生物膜反应器      中试规模      性能评估      OHR混合器     
Performance Evaluation of a Pilot-scale Microbubble-aerated Biofilm Reactor
LIU Chun , ZHANG Jing , ZHANG Jing , CHEN Xiao-xuan , ZHANG Lei , CAO Li-ya     
Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China
Abstract: A pilot-scale microbubble-aerated biofilm reactor was operated to treat campus domestic wastewater and its performance was evaluated and compared with conventional biological treatment processes. The results indicated that when the raw campus domestic wastewater was treated in the pilot system, the average COD removal efficiency and loading rate removed were 57.0% and 2.68 kg·(m3·d)-1; the average ammonia nitrogen removal efficiency and loading rate removed were 17.4% and 0.17 kg·(m3·d)-1; the average total nitrogen (TN) removal efficiency and loading rate removed were 15.8% and 0.21 kg·(m3·d)-1; and the average oxygen utilization efficiency reached 100%. When the effluent of biological contact oxidation tank with poor biodegradability was treated in the pilot system, the average COD removal efficiency and loading rate removed were 46.0% and 1.53 kg·(m3·d)-1; the average ammonia nitrogen removal efficiency and loading rate removed were 17.1% and 0.32 kg·(m3·d)-1; the average total nitrogen (TN) removal efficiency and loading rate removed were 14.1% and 0.28 kg·(m3·d)-1; and the average oxygen utilization efficiency was higher than 50%. Furthermore, the contaminant removal performance of the pilot system was much more efficient than conventional biological contact oxidation tank and biological aeration filter tank with the same influent quality, since oxygen transfer and oxygen utilization could be enhanced by microbubble aeration.
Key words: microbubble aeration      biofilm reactor      pilot scale      performance evaluation      OHR mixer     

微气泡(一般直径小于50 μm)技术具有促进气液传质和提高污染物去除性能的潜在优势，在环境污染控制领域日益受到关注[1~4]，其中微气泡臭氧氧化去除难降解污染物是研究热点之一[5~8]. 微气泡曝气技术在废水生物处理中的应用亦受到重视[9, 10]，基于SPG膜微气泡曝气的生物膜反应器能够实现连续稳定运行，并具有较好的污染物去除性能和极高的氧利用率[11~14]. 但目前微气泡曝气生物膜反应器的研究仍限于实验室规模和处理模拟生活污水，难以对其实际应用的运行性能进行有效评估，因此需构建中试规模微气泡曝气生物膜反应器并研究其处理实际生活污水的运行性能.

由于SPG(shirasu porous glass)膜曝气量的限制和存在膜污染现象[15, 16]，难以应用于较大规模处理系统. OHR(original hydrodynamic reaction)混合器微气泡曝气系统具有曝气量大、 不堵塞、 免维护等优点，适用于规模化废水处理系统. 因此，本研究率先采用OHR混合器微气泡曝气系统，搭建了中试规模微气泡曝气生物膜反应器，对实际校园生活污水进行处理.

本研究采用2种策略运行中试规模微气泡曝气生物膜反应器，考察中试系统污染物去除性能和氧利用率，并与传统废水生物处理工艺(生物接触氧化工艺和曝气生物滤池工艺)进行比较，评估中试系统的运行性能，以期为微气泡曝气生物膜反应器在废水好氧生物处理中的实际应用提供参考.

1 材料与方法 1.1 实验装置

中试规模微气泡曝气生物膜反应器系统如图 1所示. 系统采用OHR混合器(MX-F40，OHR Laboratory Corporation，日本)微气泡发生装置进行微气泡曝气. 中试反应器高、 直径和有效容积分别为3.15m、 1.25 m和4.0 m3. 反应器内安装普通悬挂弹性纤维填料，如图 1所示，共计1750片. 反应器接种市政污水处理厂活性污泥，接种初始污泥浓度约为0.35 g·L-1，采用排泥法挂膜，促进填料上生物膜的形成，而后开始连续稳定运行.

图 1 中试系统实验装置示意 Fig. 1 Pilot system with OHR microbubble aeration system

1.2 运行策略及运行条件

中试规模微气泡曝气生物膜反应器建设于校园污水处理站，处理校园生活污水. 校园污水处理站处理规模2800 m3·d-1，包括2个传统生物处理单元，分别为： ①二级生物处理——生物接触氧化池，安装与中试系统相同填料，处理校园污水原水； ②深度生物处理——曝气生物滤池，铺设2 m陶粒滤床，进一步处理生物接触氧化池出水.

中试规模微气泡曝气生物膜反应器先后采用2种运行方式，分别处理校园污水原水和生物接触氧化池出水，并与校园污水处理站传统生物处理工艺进行比较，以评估其在二级生物处理和深度生物处理中的运行性能. 中试系统运行方式1和运行方式2的水质条件和运行条件如表 1和表 2所示. 可以看到，校园生活污水原水COD浓度较高，可生化性较好，BOD5/COD可以达到0.455； 生物接触氧化池出水COD浓度降低，且可生化性变差，BOD5/COD仅为0.131.

表 1 中试系统运行方式1与生物接触氧化池运行条件 Table 1 Operating conditions of pilot plant and biological contact oxidation tank in operation strategy 1

表 2 中试系统运行方式2与曝气生物滤池的运行条件 Table 2 Operating conditions of pilot plant and biological aeration filter tank in operation strategy 2

1.3 指标检测方法

COD、 氨氮均采用国标方法测定[17]； TN采用TOC分析仪(TOC-VCPN，岛津，日本)测定； 溶解氧(DO)采用便携式溶解氧测定仪(WTW cellOx 325，WTW，德国)测定. 生物膜耗氧速率(OUR)测定，包括碳氧化活性和硝化活性参见文献[18, 19].

2 结果与讨论 2.1 中试系统运行方式1的运行性能 2.1.1 DO浓度

中试系统在运行方式1下反应器底部、 中部和上部的日均DO浓度如图 2所示. 整个运行过程中，中试系统底部、 中部和上部的平均DO浓度分别为5.33、 3.18和2.94 mg·L-1. 底部进水与微气泡充分接触，DO浓度最高； 随着上升过程中COD和氨氮去除对DO的消耗，DO浓度降低. 中部和上部DO 浓度基本相当，表明反应器内污染物好氧降解可能主要在中下部进行.

图 2 运行方式1下中试系统溶解氧(DO)浓度随时间的变化 Fig. 2 Variation of dissolved oxygen (DO) concentration with time in the pilot system in operation strategy 1

2.1.2 COD去除性能

运行方式1条件下，中试系统和生物接触氧化池进出水COD浓度如图 3所示，COD去除负荷如图 4所示. 可以看到，进水平均COD浓度为382.3 mg·L-1，中试系统出水COD平均浓度为159.1 mg·L-1，COD平均去除率和去除负荷分别为57.0%和2.68 kg·(m3·d)-1. 生物接触氧化池出水COD浓度、 COD 去除率和去除负荷分别为144.3 mg·L-1、 62.3%和0.79 kg·(m3·d)-1. 可见，尽管中试系统HRT较短，进水负荷较高，但其COD去除效果与生物接触氧化池基本相当，而COD去除负荷约为生物接触氧化池的3.4倍，表明中试系统可以提供远高于传统生物处理工艺的COD去除能力.

图 3 运行方式1条件下中试系统和生物接触氧化池进出水COD浓度 Fig. 3 COD concentrations in the influent and the effluent of the pilot system and biological contact oxidation tank in operation strategy 1

图 4 运行方式1条件下中试系统和生物接触氧化池COD去除负荷 Fig. 4 COD loading rate removed of the pilot system and biological contact oxidation tank in operation strategy 1

2.1.3 氨氮去除性能

运行方式1条件下，中试系统和生物接触氧化池进出水氨氮浓度如图 5所示，氨氮去除负荷如图 6所示. 进水氨氮平均浓度为80.3 mg·L-1，中试系统出水氨氮平均浓度为66.1 mg·L-1，氨氮平均去除率和去除负荷分别为17.4%和0.17 kg·(m3·d)-1. 生物接触氧化池对氨氮几乎没有去除，出水氨氮平均浓度为81.0 mg·L-1. 由于氨氮进水负荷较高，因此中试系统氨氮去除率较低，但去除负荷高于实验室规模微气泡曝气生物膜反应器[11~13].

图 5 运行方式1条件下中试系统和生物接触氧化池进出水氨氮浓度 Fig. 5 Ammonia concentrations in the influent and the effluent of the pilot system and biological contact oxidation tank in operation strategy 1

图 6 运行方式1条件下中试系统和生物接触氧化池氨氮去除负荷 Fig. 6 Ammonia loading rate removed of the pilot system and biological contact oxidation tank in operation strategy 1

2.1.4 总氮去除性能

运行方式1条件下，中试系统和生物接触氧化池进出水TN浓度如图 7所示，TN去除负荷如图 8所示. 进水TN平均浓度为110.7 mg·L-1，中试系统出水TN平均浓度为92.8 mg·L-1，TN平均去除率、 去除负荷分别为15.8%和0.21 kg·(m3·d)-1； 生物接触氧化池出水TN、 TN去除率和去除负荷分别为86.97 mg·L-1、 20.7%和0.078 kg·(m3·d)-1. 可见，中试系统反应器内存在同步硝化反硝化(SND)作用，实现了对TN的去除. 生物接触氧化池基本没有硝化作用，可能通过反硝化作用去除硝酸盐氮，实现总氮去除. 中试系统TN去除负荷更高，约为生物接触氧化池的2.7倍.

图 7 运行方式1条件下中试系统和生物接触氧化池进出水TN浓度 Fig. 7 TN concentrations in the influent and the effluent of the pilot system and biological contact oxidation tank in operation strategy 1

图 8 运行方式1条件下中试系统和生物接触氧化池TN去除负荷 Fig. 8 TN loading rate removed of the pilot system and biological contact oxidation tank in operation strategy 1

2.1.5 氧利用率情况

基于COD和氨氮的去除负荷，计算污染物去除所消耗的溶解氧量，同时计算微气泡曝气系统理论上的供氧量，在此基础上估算中试系统的氧利用率[11]. 运行方式1中，COD和氨氮去除所消耗溶解氧量为13.05 kg·d-1，微气泡曝气系统理论供氧量为12.28 kg·d-1，以此估算中试系统氧利用率为106.3%. 显然，基于污染物去除的氧利用率估算存在正偏差，其原因可能是除好氧代谢作用外，存在其他污染物去除过程，包括细胞同化作用、 微型动物吞噬作用等. 尽管如此，中试系统氧利用率仍显著高于传统气泡曝气方式(<25%[20, 21]).

2.2 运行方式2的运行性能 2.2.1 DO浓度

中试系统在运行方式2下反应器底部、 中部和上部的日均DO浓度如图 9所示. 运行过程中，中试系统底部、 中部和上部的平均DO浓度分别为4.54、 4.39和4.40 mg·L-1. 同样，中试系统底部DO浓度最高； 中部和上部DO浓度几乎相同，且与底部DO浓度差异较小，整体DO浓度高于运行方式1. 可见，运行方式2下污染物好氧降解亦主要发生在中下部，且由于进水负荷相对较低，因此反应器内DO浓度较高.

图 9 运行方式2下中试系统溶解氧(DO)浓度随时间的变化 Fig. 9 Variation of dissolved oxygen (DO) concentration with time in the pilot system in operation strategy 2

2.2.2 COD去除性能

运行方式2条件下，中试系统和曝气生物滤池进出水COD浓度如图 10所示，COD去除负荷如图 11所示. 进水COD平均浓度为138.3 mg·L-1，中试系统出水COD平均浓度为74.5 mg·L-1，COD平均去除率、 去除负荷分别为46.0%和1.53 kg·(m3·d)-1. 曝气生物滤池出水COD、 COD去除率和去除负荷分别为74.5 mg·L-1、 46.1%和0.77 kg·(m3·d)-1. 可以看出，中试系统与曝气生物滤池对COD的去除效率几乎一致，但中试系统HRT较短，COD去除负荷更高，约为曝气生物滤池的2倍. 中试系统在运行方式2中，COD去除率和去除负荷均比运行方式1有明显下降，COD处理能力降低，这主要是由于运行方式2进水为生物接触氧化池出水，可生化性较差.

图 10 运行方式2条件下中试系统和曝气生物滤池进出水COD浓度 Fig. 10 COD concentrations in the influent and the effluent of the pilot system and biological aeration filter tank in operation strategy 2

图 11 运行方式2条件下中试系统和曝气生物滤池COD去除负荷 Fig. 11 COD loading rate removed of the pilot system and biological aeration filter tank in operation strategy 2

2.2.3 氨氮去除性能

运行方式2条件下，中试系统和生物接触氧化池进出水氨氮浓度如图 12 所示，氨氮去除负荷如图 13所示. 进水氨氮平均浓度为76.9 mg·L-1，中试系统出水氨氮平均浓度为63.8 mg·L-1，氨氮平均去除率、 去除负荷分别为17.1%和0.32 kg·(m3·d)-1. 生物接触氧化池出水氨氮、 氨氮去除率和去除负荷分别为63.8 mg·L-1、 17.0%和0.16 kg·(m3·d)-1. 和COD去除相似，中试系统和曝气生物滤池对氨氮的去除效果几乎一致，但中试系统氨氮去除负荷约为曝气生物滤池的2倍. 中试系统在运行方式2中，氨氮去除率与运行方式1相当，但氨氮去除负荷约为运行方式1的1.9倍. 这主要是由于运行方式2下DO浓度较高，且生物膜生物量较低(运行方式2约为3.65 g·L-1，运行方式1下>5.0g·L-1)，有助于生物膜内DO扩散传质，促进硝化作用进行.

图 12 运行方式2条件下中试系统和曝气生物滤池进出水氨氮浓度 Fig. 12 Ammonia concentrations in the influent and the effluent of the pilot system and biological aeration filter tank in operation strategy 2

图 13 运行方式2条件下中试系统和曝气生物滤池氨氮去除负荷 Fig. 13 Ammonia loading rate removed of the pilot system and biological aeration filter tank in operation strategy 2

2.2.4 总氮去除性能

运行方式2条件下，中试系统和生物接触氧化池进出水TN浓度如图 14所示，TN去除负荷如图 15所示. 进水TN平均浓度为81.5 mg·L-1，中试系统出水TN平均浓度为70.0 mg·L-1，TN平均去除率、 去除负荷分别为14.1%和0.28 kg·(m3·d)-1. 曝气生物滤池出水TN、 TN去除率和去除负荷分别为63.9 mg·L-1、 21.6%和0.21 kg·(m3·d)-1. 中试系统TN去除负荷仍高于曝气生物滤池，约为其1.3倍. 同时，中试系统内DO浓度较高且生物膜内DO传质较好，不利于反硝化作用进行，因此TN去除能力小于氨氮去除能力.

图 14 运行方式2条件下中试系统和曝气生物滤池进出水TN浓度 Fig. 14 TN concentrations in the influent and the effluent of the pilot system and biological aeration filter tank in operation strategy 2

图 15 运行方式2条件下中试系统和曝气生物滤池TN去除负荷 Fig. 15 TN loading rate removed of the pilot system and biological aeration filter tank in operation strategy 2

2.2.5 生物活性

运行方式2中，测定中试系统运行中生物膜耗氧速率(OUR)，以评价生物膜活性，结果如图 16所示. 可以看到，运行过程中生物膜总氧化活性、 碳氧化活性和硝化活性均呈现逐渐升高的趋势，运行至28 d以后趋于稳定，此时总氧化活性、 碳氧化活性和硝化活性分别为51.32、 27.26和24.06 mg·(g·h)-1. 中试系统生物膜生物活性逐渐升高的趋势与其运行过程中COD、 氨氮去除能力逐渐提高相一致.

图 16 运行方式2下中试系统生物膜活性 Fig. 16 Development of biofilm bioactivity in the pilot system in operation strategy 2

2.2.6 氧利用率

运行方式2中，COD和氨氮去除所消耗溶解氧量为10.49kg·d-1，微气泡曝气系统理论供氧量为12.28 kg·d-1，以此估算中试系统氧利用率为85.4%，低于运行方式1. 进水的生物可降解性较差，COD去除负荷较低，可能是运行方式2氧利用率较低的原因.

总体而言，微气泡曝气生物膜反应器中试系统能够加速氧传质过程并提高氧利用率，其对污染物的去除能力显著高于传统生物处理工艺.

3 结论

(1) 采用中试规模微气泡曝气生物膜反应器处理校园生活污水原水，平均COD 去除率和去除负荷分别为57.0%和2.68kg·(m3·d)-1； 平均氨氮去除率和去除负荷分别为17.4%和0.17 kg·(m3·d)-1； 平均TN去除率和去除负荷分别为15.8%和0.21 kg·(m3·d)-1； 平均氧利用率达到100%. 整体处理能力显著优于相同进水条件下传统生物接触氧化工艺.

(2) 采用中试规模微气泡曝气生物膜反应器处理可生化性较差的生物接触氧化池出水，平均COD去除率和去除负荷分别为46.0%和1.53 kg·(m3·d)-1； 平均氨氮去除率和去除负荷分别为17.1%和0.32 kg·(m3·d)-1； 平均TN去除率和去除负荷分别为14.1%和0.28 kg·(m3·d)-1； 平均氧利用率高于50%. 整体处理能力显著优于相同进水条件下传统曝气生物滤池工艺.

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