摘要：曝气生物滤池是九十年代初兴起的一种新型污水处理工艺，由于占地少、处理效果好和同时脱氮等优点，目前这种工艺在污水处理领域越来越受到重视。实验以改性沸石作为滤料的曝气生物滤池的滤料，在其对水产养殖废水处理的最佳工艺条件下，进行动力学方程的推导以及动力学参数的求解。
工艺研究表明，在曝气生物滤池中，挂膜结束后，稳定运行得出该反应器的最优化工艺条件为：pH7.5-9.0，水力负荷为0.25m3•m-2•h-1，气水比为30:1。
关键词：曝气生物滤池，水产养殖废水，动力学
中国是世界渔业大国，其水产养殖产量约占全球的70%[1]。而浙江又是渔业大省，得天独厚的水乡环境带动了水产养殖业的快速发展。但随着集约化养殖的迅猛发展，水质恶化与废水排放直接制约了水产品质量改善和产业可持续发展，加剧了水体富营养化和水资源匮乏。
在水产养殖的过程中，养殖用水原有的体系中浮游植物、藻类等初级生产者种类单纯、数量少，不能满足饲养密度高的养殖对象的生长需要，因此要添加大量人工配置的饵料来满足养殖生物的生长所需。人工添加的饵料量营养丰富，可以大大提高养殖生物的生长速率。然而养殖条件下投放的饵料，不能全部被养殖对象有效地利用，剩余的部分以污染物的形式排放到环境中。残余的饵料同养殖对象的排泄物一起进入水体，构成养殖废水最主要的污染物来源。
曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式，也可看作是生物接触氧化法的一种特殊形式，即在生物反应器内装填高比表面积的颗粒填料，以提供微生物膜生长的载体。它与传统的生物滤池不同，采用人工曝气供氧，与生物接触氧化工艺具有更多的共同点，不过比传统的生物接触氧化池填料的尺寸更小。国内清华大学、同济大学、哈工大等科研单位对曝气生物滤池也进行了试验研究。随着曝气生物滤池在世界范围内的不断推广和普及，很多学者在其结构、水力特性、滤料、生物膜的研究等方面也取得了很多的成果[2]。
1材料与方法
1.1曝气生物滤池装置
整个系统由生物滤池主体、风机和进水系统、反冲系统、电控系统及管道组成，实验装置工艺流程图详见图1。
图1ZBAF装置工艺流程图
曝气生物滤池主体材料为有机玻璃圆管，考虑到后期的反硝化功能，故设计时滤池主体分为两段，上段滤料高度850mm，下段填料高度300mm，总滤料高1150mm，总有效体积(滤料体积)为2.22dm3。在装有滤料部分，每300mm设一取水样口以便分析水质，对侧设取填料口以便生物样品分析。
风机系统由使用电磁式空气泵ACO-016(浙江森森实业有限公司)，功率380W，风压0.045MPa，排气量230L/min，出气嘴直径16mm，重量8.5Kg。该风机提供曝气生物滤池的供氧，管路中设置气体流量计以控制气水比。
进水系统使用计量泵(日本易威奇公司，SEBW4)，通过调节旋钮控制进水流量，以考察不同工艺条件下的反应器性能，反应器底部进水，进水采用连续流。
反冲系统使用增压泵(上海新西山，Q=20L/min)，反冲流量和强度使用液体流量计控制。
1.2生物滤池滤料
本实验采用沸石作为曝气生物滤池的滤料，沸石为浙江缙云斜发沸石，该天然沸石平均粒径3-6mm，真密度2.304g/mL，堆积密度0.988g/mL，表观密度1.546g/mL，空隙率50.08%，比表面积15.01m2/g。
1.3分析方法
常规水质指标监测方法如表1。
表1水质指标分析方法
1.4实验方案
1.4.1进水水质
实验用水为污水加入一定量的河水组成的半模拟废水，污水取自新教学楼后面的上塘河水，然后加入淀粉和氮磷等药品，通过计量泵从反应器底部进水，主要水质指标如表2所示。
表2进水水质
1.4.2动力学研究
反应器以水力负荷为0.10m3/(m2•h)启动挂膜，挂膜成功后，通过单因素实验确定反应器运行的最优工艺条件，然后在最优的工艺条件下进行ZBAF去除有机物的动力学模型研究。
研究基于生物膜反应——扩散理论的经验模型，根据实验数据确定生物降解的速率方程级数。在总反应级数确定的条件下进行动力学模型的建立和推导，并通过实验数据确定动力学相关常数。
2结果与讨论
2.1pH值
由于ZBAF对污染物的去除实质上是微生物对底物的降解过程，而生物化学反应大多需要在细胞内部由酶催化进行的，而反应体系中的氢离子浓度过高或过低会导致酶蛋白中关键基团的分解或直接使酶蛋白变性失活，因而过高或过低的pH值对酶促反应有显著的影响。所以，具有特定净化功能的生物反应器必然要提供一个能够适应于特定微生物生存的最佳pH值条件，以取得最大的污染物去除效能。因此，研究探讨不同pH值条件对ZBAF去除COD和氨氮的影响。
实验在保持水力负荷0.10m3/(m2•h)时，以不同的pH值进水并稳定运行一段时间，考察COD和NH4+-N的去除情况。实验结果如图2所示。
图2pH值对COD和氨氮的去除率影响
由图2显然可知，ZBAF中pH值的变化对COD去除率的影响较小，对NH4+-N去除率的影响较大，在pH为7.5-9.0左右时，COD和NH4+-N的去除率都达到最大。最佳的进水pH值应为7.5-9.0。
2.2水力负荷
在最佳的pH值7.5-9.0条件下，DO≥4mg/L以维持反应器内好养条件下，ZBAF运行稳定，实验考察四种水力负荷对COD和氨氮的去除影响，结果如图3。总体上看，随着水力负荷的增加，COD和氨氮的去除率呈不断下降趋势。水力负荷由0.10m/h提高到0.25m/h时，COD和NH4+-N的去除率分别下降了4.4%和5.0%；当水力负荷升高到0.40m/h时，COD去除率下降不明显，而NH4+-N的去除率迅速下降，从平均去除率为64.1%下降到45.6%，去除率下降了40%之多。所以，为了达到COD和氨氮的较好的去除效率，而又使反应器高效运行，实验最佳进水负荷设定为0.25m/h为宜。
