1. 引言
随着“十五五”规划内容的发布，我国对环境的治理仍持续重视，进一步推动全面绿色转型至关重要[1]。目前我国在机场飞机除冰废水的回收和治理上仍存在较大问题，大多数机场的飞机除冰废水具有成分复杂、污染浓度高、量大难处理的特点。若直接外排，会对周围环境造成危害[2]。根据现场调研，机场飞机除冰废水的浓度在区域上存在差异，大多数北方机场除冰废水COD含量较高，而南方机场COD浓度相对较低，造成该现象的原因为大多数机场没有有效的飞机除冰废水处理方法，除冰废水处于闲置状态，南方雨量较大致使除冰废水被稀释。
我国针对飞机除冰废水的处理设施具有实际应用的只有大兴机场，采用蒸馏法[3]，而其他机场在该方面较为薄弱。目前，针对飞机除冰废水的处理主要有蒸馏法、生物法、高级氧化法等[3]-[5]。蒸馏法对高浓度除冰废水的治理具有显著优势，但在低浓度上能耗较高[6]；生物法以及高级氧化法在低浓度飞机除冰废水的治理上具有显著优势，但高级氧化法的成本较高[7]。针对低浓度除冰废水的处理成本估算见表1。
Table 1. Estimation table of treatment costs for low-concentration deicing wastewater by different processes
表1. 不同工艺低浓度除冰废水的处理成本估算表
工艺 |
蒸馏法 |
生物法(MBBR) |
高级氧化法 |
能耗估算(kWh/m3) |
80~120 |
0.3~0.9 |
25~40 |
成本估算(元/m3) |
45~70 |
8~15 |
30~50 |
主要依据与说明 |
低浓度下需蒸发大量水分，能耗极高，经济性差。 |
MBBR典型能耗范围为0.3~0.6 kWh/m3，通过优化可进一步降低；综合处理成本参考一般工业废水生物处理范围。 |
以芬顿氧化等为代表，需投加药剂并消耗能量，运行成本较高[4]。 |
故本试验针对低浓度飞机除冰废水展开试验，采用就地处理的方式，使其出水达到工业污水排放标准(COD < 500 mg/L)，排至市政管网[8]。通过对本试验的研究，以期对低浓度飞机除冰废水的治理提供参考借鉴。
2. 试验部分
2.1. 试验用水
本试验废水分为两部分，小试试验部分为某公司生产的Ⅰ型飞机除冰液，稀释至COD为1500~2000 mg/L；中试试验部分为实际低浓度飞机除冰废水。
2.2. 试验装置
试验分为小试试验以及中试试验，其具体装置如图1和图2所示。
Figure 1. Diagram of the laboratory-scale test device
图1. 小试试验装置图
Figure 2. Diagram of the pilot-scale test device
图2. 中试试验装置图
MBBR小试处理装置由流体输送、反应、曝气、尾水收集单元组成，流体输送单元采用BT100S-1-CE精密蠕动泵(配19#耐腐管)控进水流量；MBBR反应单元为40 L透光耐碱塑料容器，填充40% Kaldnes K5填料，便于观察生物膜；反应器底部安装曝气装置ACO-004曝气机，控制反应器内溶解氧为2~4 mg/L [9]，并促填料流化；尾水收集采用30 L PP箱，设溢流、取样口便于采水，同时设排泥管。运行时，废水泵入容器，曝气促水与填料接触降解，尾水溢流至收集箱。
中试试验与小试试验主体工艺一致，为提高活性污泥浓度，填料改用薯片填料，同时池体采用“缺氧池 + 好氧池”联合工艺，池体容积约1吨。
2.3. 试验内容设计与关键工艺参数
MBBR反应器采用分阶段驯化启动，定向培养适配飞机除冰废水的功能微生物，保障生物膜稳定性与降解活性。阶段1 (1~3天)为闷曝驯化，注入COD 1000 ± 50 mg/L、C:N:P = 100:5:1的葡萄糖模拟废水，闭阀闷曝(DO 2~4 mg/L)，使市政污水厂好氧池接种污泥中的微生物附着于Kaldnes K5填料表面；阶段2 (4~7天)循环进水驯化，保持水质不变，以反应器有效容积1/2·h⁻¹的流量循环，强化微生物与填料动态接触，促进生物膜生长；阶段3 (8~14天)实际废水驯化，连续进水(初始 COD ≈ 1000 mg/L，HRT 8h)，逐步提升废水浓度，待生物膜呈稳定棕褐色、COD去除率连续3天 ≥ 60%，判定驯化完成。
正式处理试验以实际除冰废水为对象，维持曝气(DO 2~4 mg/L)与40%填料填充比稳定，控制水力停留时间24 h，重点探究反应器对COD的去除效能。
小试试验与中试试验具体工艺参数见表2。
Table 2. Comparison of process parameters between laboratory-scale test and pilot-scale test
表2. 小试试验与中试试验工艺参数对比
参数类别 |
参数名称 |
小试试验 |
中试试验 |
反应器基本参数 |
有效容积(L) |
40 |
1000 |
运行温度(℃) |
环境温度(15~25) |
环境温度(7~18) |
填料参数 |
填料类型 |
Kaldnes K5 (聚乙烯) |
薯片填料(聚乙烯) |
比表面积(m2/m3) |
800 |
>1000 |
填充率(%) |
40 |
40 |
水力与负荷参数 |
水力停留时间(HRT, h) |
24 |
60 |
体积负荷(kg /(m3∙d)) |
1.5 |
0.8 |
回流比(%) |
/ |
100~200 (沉淀池至缺氧池) |
运行控制参数 |
溶解氧(DO, mg/L) |
2~4 (好氧区) [9] |
缺氧区 < 0.5；好氧区2~4 |
生物膜特性 |
MLVSS/MLSS |
0.6~0.8 |
0.6~0.8 |
2.4. 测试项目与方法
针对低浓度(COD为2015 mg/L)飞机除冰废水的具体测量结果见表3。
Table 3. Project detection table of low-concentration aircraft deicing wastewater
表3. 低浓度飞机除冰废水项目检测表
测试项目 |
单位 |
结果 |
pH值 |
— |
6.5 (24.9℃) |
化学需氧量(CODcr) |
mg/L |
2.01 × 103 |
乙二醇 |
mg/L |
1.83 × 103 |
总氮(以N计) |
mg/L |
3.75 |
总磷(以P计) |
mg/L |
<0.005 |
氨氮(以N计) |
mg/L |
0.117 |
硝态氮(以N计) |
mg/L |
<0.005 |
亚硝态氮(以N计) |
mg/L |
<0.005 |
数据表明，除冰废水中主要成分为COD以及总氮，但总氮含量较少，故测试项目只为COD，方法为HJ/T 399-2007 (水质化学需氧量的测定快速消解分光光度法) [10]。
3. 结果与讨论
3.1. 小试试验
3.1.1. MBBR对低浓度飞机除冰废水中COD的处理效果
Figure 3. Graph of COD removal efficiency
图3. COD去除效率图
由图3稳定运行阶段监测数据可知，进水COD浓度在1917~2103 mg/L区间小幅震荡，出水COD浓度集中于312~396 mg/L，COD去除率维持在80.0%~84.8%，平均去除率达82.6% [11]。MBBR工艺处理低浓度飞机除冰废水时，具有“进水波动、去除率较稳”的特点。主要是由于Kaldnes K5填料表面形成“好氧–兼性–厌氧”分层结构的成熟生物膜体系，富集的乙二醇降解菌可合成特异性酶系，通过“乙二醇→乙酸→三羧酸循环”的完整代谢链实现污染物高效矿化[12]；同时，40%的填料填充比使填料在曝气作用下形成“气–液–固”三相流化体系，既打破生物膜表面扩散边界层加速传质。
3.1.2. MBBR对低浓度飞机除冰废水中TN的处理效果
根据图4可知，MBBR工艺对飞机除冰废水中总氮(TN)的处理过程中，运行期内进水TN为8.54~10.55 mg/L，对应的出水TN则稳定在0.61~1.24 mg/L区间，TN去除率以87.53%为基准，多数运行时段稳定在90%以上，后期最高可达93.10%。
这一稳定高效的表现，源于稳定运行下生物膜体系的成熟代谢与碳氮协同效应：经前期驯化后的Kaldnes填料表面，已形成结构稳定的“好氧–兼性”分层生物膜—好氧层的氨氧化菌(AOB)、亚硝酸盐氧化菌(NOB)活性持续稳定，可高效将进水氨氮(除冰废水TN核心组分)转化为硝态氮[13]；兼性层反硝化菌则依托废水中残留的乙二醇(碳源)，持续完成反硝化脱氮，碳氮比的适配性已趋于稳定，保障了脱氮代谢的连续性。同时，流化状态的填料持续打破生物膜表面扩散边界层，确保TN底物与功能菌的充分接触，避免了局部传质受限问题[14]。
3.2. 中试试验
中试试验依托小试试验基础，试验用水为中部某机场实际飞机除冰废水，模仿处理废水现场试验条件。其处理数据如图5所示。
Figure 4. Graph of TN removal efficiency
图4. TN去除效率图
Figure 5. Graph of COD removal efficiency
图5. COD去除效率图
如图5所示，为MBBR工艺在中试阶段(11.25~12.4)处理低浓度飞机除冰废水的COD效率图，11月25日中试数据测量时，驯化的生物膜量较少，以乙二醇降解菌为核心的功能菌群代谢活性暂未达峰值，故COD去除率为74.14%；随运行推进，薯片填料在中试反应器内的流化状态趋于均匀，气–液–固三相传质效率逐步优化，功能菌群完成空间分布调整与乙醇脱氢酶等降解酶的活性恢复，对除冰废水中主导COD的乙二醇降解效率提升，至11月29日出水COD降至258 mg/L，COD去除率升至79.14%；12月1日之后，出水COD维持在266~321 mg/L区间小幅波动、COD去除率稳定在78.88%~82.50%的范围。
该中试数据直观验证了MBBR工艺从试验室小试到中试规模试验的可行性，其在中试工况下仍能实现低浓度除冰废水COD的较好处理，为后续工程化应用提供了直接的中试级数据支撑。
根据试验数据推算，若某机场的低浓度飞机除冰废水年处理量为100吨，则设计采用序批式MBBR工艺。核心在于将废水分为多批次处理，以克服极小流量下连续流运行不稳定的问题；生物膜面积负荷为5 g COD/(m2·d)。经物料衡算，设计反应器有效容积为30 m3，投加薯片填料约1.14吨，总占地面积约30~35 m2。处理全过程预估能耗约336.6 kWh，折合单位处理成本约7.7元/吨。工程实施需重点关注反应器保温加热、自动批次控制及启动驯化策略，以确保在季节性运行条件下实现稳定高效处理，为同类小规模、间歇性高浓度有机废水处理提供了可量化的工程参考。
4. 总结与展望
MBBR工艺对低浓度飞机除冰废水具有较好的处理效能，小试与中试试验均验证了其技术可行性。小试阶段，在进水COD浓度1917~2103 mg/L、TN浓度8.54~10.55 mg/L的条件下，COD平均去除率达82.6%，TN去除率多数时段在90%以上，最高可达93.10%；中试阶段处理实际低浓度飞机除冰废水时，COD去除率为78.88%~82.50%，展现出良好的规模放大效应。
在技术方向可尝试将MBBR工艺与预处理或深度处理单元耦合，例如构建“预处理-MBBR-臭氧氧化”联合工艺，实现对高浓度除冰废水的高效处理，完善全浓度梯度除冰废水处理技术体系。同时可深入解析生物膜内功能微生物(如乙二醇降解菌、氨氧化菌)的代谢机制与菌群互作关系，明确关键降解酶的作用路径，为工艺参数优化与高效菌种筛选提供理论支撑。
基金项目
国家重点研发计划“飞机除冰废水高效回收利用技术及道面除冰液生物安全性研究”(2022YFB2602005)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。