《Sustainable Chemistry One World》：Filling Ratio as a Design Driver in Municipal Wastewater Treatment Using an Aerobic PVC Honeycomb-Structured Biofilm Contact Reactor: Multi-Scale Evidence Linking Biofilm Architecture and Treatment Kinetics
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摘要固定床生物膜反应器中载体介质的填充率是影响生物膜发育、传质及处理性能的重要设计参数。本研究以处理市政污水的好氧聚氯乙烯蜂窝结构生物膜接触反应器为对象，探讨了填充率作为结构设计参数的作用。试验设置了30%、40%和50%三种填充率，以考察载体填充密度与生物膜发育、反应器性能
摘要
固定床生物膜反应器中载体介质的填充率是影响生物膜发育、传质及处理性能的重要设计参数。本研究以处理市政污水的好氧聚氯乙烯蜂窝结构生物膜接触反应器为对象，探讨了填充率作为结构设计参数的作用。试验设置了30%、40%和50%三种填充率，以考察载体填充密度与生物膜发育、反应器性能及生物动力学特性之间的关系。结果显示，提高填充率可增强污染物去除效果，其中50%填充率配置的综合处理性能最优。在该填充率下，化学需氧量的去除率为94.20%，氨氮为92.23%，亚硝酸盐为94.52%，硝酸盐为63.49%，有机氮为71.33%，凯氏总氮为87.02%，总磷为89.82%。生物膜表征结果表明，较高的填充率有利于蜂窝载体上形成更广泛且相对均匀的生物膜，这与处理性能的改善密切相关。最优配置下，化学需氧量去除速率常数为0.42 h?1，最大比生长速率为1.92 d?1，半饱和常数为241.67 mg/L。研究结果表明，在试验范围内，提高聚氯乙烯蜂窝介质的填充率可以增强处理性能，其中50%在可用载体表面积与生物膜发育之间取得了最有利于处理性能的平衡。这些发现强调了优化载体填充率的重要性，应根据填料材料的几何形状和特性进行调整，而非将其视为一种普遍固定的运行参数。
引言
用于生物处理的固定床生物膜反应器中所采用的生物膜载体介质是污水处理工艺中的一种常见选择。生物膜技术在污水处理中的全球应用正在快速增长，各类材料、形态和尺寸的载体被设计用于最大化生物膜附着的比表面积。通常，比表面积的设计范围为100至820 m2/m3，空隙率为15%至98%；或比表面积为100 m2/m3，空隙率为90%至95%。此外，支撑材料的填充率对有机物和营养物质去除效果有显著影响，降低有机物和营养物质的最佳填充率介于30%至40%之间。载体介质的物理特性也会影响生物膜的发育速率，以及污染物去除过程中涉及的相互作用和传质过程。
附着型生物膜菌群多样性丰富且增殖迅速，这与载体介质上的初始附着过程和生物膜发育有关。在固定床生物膜反应器系统中，生物膜对载体介质的早期附着至关重要。载体介质的理化参数影响生物量的附着。采用生物膜工艺的污水处理系统，如固定床生物膜反应器，已被广泛用于去除有机物和营养污染物。根据所生成的微生物和需从污水中去除的污染物，该系统可在好氧或厌氧条件下运行。与常规活性污泥技术相比，该系统具有污泥产量较低、生物量截留率高以及对冲击性毒物具有耐受性等优点。
蜂窝聚氯乙烯载体介质是一种由聚氯乙烯板组成的结构化介质，用于固定式生物反应器中。该介质具有比表面积为250 m2/m3、成本低廉、易于挤出成型以及在酸碱条件下均具有稳定性等优势。聚氯乙烯的水接触角为72°，表明该介质具有亲水性。水接触角在0°至90°之间的载体介质具有亲水特性。在印度尼西亚，聚氯乙烯蜂窝载体介质在污水处理方面的应用已在大规模和实验室规模上得到了广泛研究。因此，蜂窝聚氯乙烯是处理生活污水的一种合适载体介质。这表明填充率可能不仅仅是一种运行设置，而是作为生物膜发育和系统动力学的结构调节器发挥作用。
影响固定床生物膜反应器在污水处理中性能的一个关键因素是填充率。在采用聚乙烯载体介质的流化床生物膜反应器系统中，最佳填充率为30%和40%。以海绵为载体、在30%填充率下运行的好氧流化床生物膜反应器，其总氮水平比20%填充率降低10%以上。此前研究表明，采用聚丙烯介质的流化床生物膜反应器最佳填充率为40%。此外，采用聚氨酯泡沫为载体介质、在40%填充率下运行的好氧流化床生物膜反应器，其氨氮去除效率高于20%填充率的系统。
虽然先前的研究表明增加生物膜载体密度可以提升处理性能，但其控制机制仍不明确，特别是在结构化系统中，填充密度仍被视为运行调整而非设计参数。本研究将填充率重新定义为聚氯乙烯蜂窝结构生物膜接触反应器中控制生物膜结构、传质和反应器动力学的主要设计驱动因素。在相同的水力和好氧条件下，对三种填充率水平进行了评估，以阐明其在控制生物膜发育和处理动力学中的作用。系统通过蜂窝聚氯乙烯介质上42天的生物膜成熟期实现稳定，以确保成熟的微生物定殖。此外，利用牛津纳米孔测序技术进一步分析了微生物群落动态，以解析参与碳和营养转化的功能性微生物联合体。本研究有望提供机制层面的见解，阐明填充率如何影响聚氯乙烯蜂窝结构生物膜接触反应器中生物膜结构、微生物分层以及控制有机物和营养物质去除的系统级动力学，特别关注氨、亚硝酸盐、硝酸盐和磷的转化途径，从而实现对固定床生物膜系统更具设计导向性的理解。
章节摘要
人工污水和接种污泥的制备
人工污水以葡萄糖作为碳源制备，同时使用氯化铵和磷酸二氢钾分别提供氮和磷。使用前，对自来水的有机组成和营养含量进行了分析。研究表明，自来水不含有机物和营养物质，水质相对稳定。因此，预计自来水不会对接种和运行产生偏差影响。
生物膜形成
接种过程旨在培养载体介质上的微生物，共持续42天。在此期间，挥发性悬浮物浓度被密切监测，数值介于2000至4000 mg/L之间。悬浮生物量浓度以挥发性悬浮固体浓度表示，而附着生物量浓度则根据挥发性附着固体值估算。随着悬浮固体和基质浓度的变化，挥发性附着固体浓度呈现上升趋势。此外，
结论
本研究证明，填充率并非仅仅是一种运行参数，而是聚氯乙烯蜂窝结构生物膜接触反应器中控制生物膜结构、微生物分层和反应器尺度动力学的重要结构设计驱动因素。对填充率水平的系统评估显示，性能呈现非线性改善，即提高填充率可增强有机物和营养物质（包括氨氮、亚硝酸盐
CRediT作者贡献声明
Rifky Adhia Pratama：撰写—审稿与编辑、可视化、软件、形式分析。Wilma Nurrul Adzillah：撰写—审稿与编辑、可视化、软件。Miftahir Rizka：软件、调查研究、形式分析。Ansiha Nur：可视化、软件、资源、方法论。Muammar Qadafi：撰写—审稿与编辑、可视化、验证、软件。Zulfa Amala：撰写—审稿与编辑、可视化、软件。Prayatni Soewondo：撰写—审稿与编辑、验证，
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争财务利益或个人关系。
致谢
本研究由万隆理工学院研究、社区服务与创新计划资助。
Mhd. Fauzi|Prayatni Soewondo|Marisa Handajani|Teddy Tedjakusuma|Wilma Nurrul Adzillah|Rifky Adhia Pratama|Ansiha Nur|Miftahir Rizka|Zulfa Amala|Muammar Qadafi
