載體對短程硝化生物膜特性的影響

序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)，即通過在SBR反應(yīng)器中投加生物膜填料，并采用序批模式運行的新型工藝。該工藝兼具SBR法和生物膜法的優(yōu)點，不但能提升抗沖擊負荷的能力，也保留了SBR控制靈活方便的特性，具有良好的發(fā)展前景。SBBR反應(yīng)器可以將生物膜中微生物的污泥齡控制在較高水平，有利于世代時間較長的硝化細菌的生長，有利于硝化過程的進行。

傳統(tǒng)脫氮主要利用的是全程硝化反硝化工藝，即氨氧化細菌(AOB)將污水中的NH4+-N氧化為NO2-N，再由亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)將NO2--N氧化為NO3--N。而短程硝化是將硝化反應(yīng)控制在NO2-N階段，可縮短反應(yīng)流程，減少建設(shè)投資，節(jié)省曝氣能耗和反硝化碳源，具有良好的應(yīng)用前景。短程硝化一般通過富集AOB和抑制NOB來實現(xiàn)。AOB的氧飽和常數(shù)較NOB低，說明AOB能夠更好地適應(yīng)低DO的環(huán)境。而生物膜中存在一定的溶解氧梯度，因此在對DO的競爭方面，AOB比NOB更有優(yōu)勢，能夠獲得更好的生長環(huán)境，有利于短程硝化的實現(xiàn)。另外，研究表明，間歇進水的方式比連續(xù)進水更容易實現(xiàn)短程硝化，其可以通過控制DO、游離氨、溫度、pH等參數(shù)來實現(xiàn)短程硝化。

本研究以模擬城市生活污水作為處理對象，采用SBBR反應(yīng)器考察了不同載體對短程硝化生物膜特性的影響，以及對高DO的沖擊適應(yīng)性，以期找到更適合短程硝化啟動和運行的填料。

1、材料與方法

1.1 試驗裝置

SBBR反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。反應(yīng)器為圓柱形，直徑20cm，有效水深30cm，有效容積約為9.4L。反應(yīng)器材質(zhì)為有機玻璃，裝置底部設(shè)有剛玉曝氣盤，通過轉(zhuǎn)子流量計與曝氣泵相連。SBBR反應(yīng)器放置于25℃的恒溫槽內(nèi)，裝置上部分別放置DO探頭和pH探頭，實時監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)溫度、DO和pH的變化。

1.2 試驗水質(zhì)和接種污泥

試驗中的3組反應(yīng)器均采用人工配水，其中，進水NH4+-N60mg/L左右，由氯化銨提供;進水COD300mg/L左右，由醋酸鈉提供;進水TP約為6mg/L，由磷酸二氫鉀提供。1L污水中投加0.5mL營養(yǎng)液，為微生物生長提供必要的微量元素。營養(yǎng)液主要成分：FeSO4?7H2O1mg/L，H3BO30.2mg/L，CuSO4.5H2O0.1mg/L，MgSO4?7H2O0.1mg/L，MnCl2?4H2O0.2mg/L，ZnSO4?7H2O0.2mg/L，CoSO4?6H2O0.3mg/L，NiCl2?6H200.2mg/L。根據(jù)反應(yīng)器運行情況投加碳酸氫鈉，pH維持在7.6~7.8。接種污泥為北京市某污水處理廠回流污泥，其硝化性能良好，MLVSS/MLSS在0.7左右，SVI在90左右。

1.3 試驗方案

試驗共設(shè)置A、B、C3個試驗組，各組試驗條件與采用的反應(yīng)器均相同，選擇鮑爾環(huán)和海綿2種類型的載體進行填充，填充比25%。其中，A組投加鮑爾環(huán)填料，B組投加海綿填料，C組投加體積比為1：1的海綿和鮑爾環(huán)混合填料。鮑爾環(huán)填料的比表面積為280~670m/m，孔隙率為50%~75%，吸附能力較弱。海綿填料的比表面積為2500m/m左右，孔隙率為75%~90%，吸附能力較強。

A、B、C3組試驗均采用完全排泥法進行“掛膜啟動”。即首先進行48h悶曝，然后排空反應(yīng)器內(nèi)的活性污泥，從而在生物膜掛膜階段消除反應(yīng)器內(nèi)活性污泥對營養(yǎng)物質(zhì)的競爭。通過對比3組試驗的短程硝化運行效果和“掛膜”情況等，并結(jié)合EPS、SEM和高通量分析，得出不同填料投加對短程硝化特性的影響。在初始階段，控制曝氣時間為6h，以出水NH4+-N<5mg/L作為硝化反應(yīng)完全的標準進行監(jiān)測調(diào)整，防止出現(xiàn)過量曝氣，并定期觀察填料上生物膜生長狀況，最終實現(xiàn)短程硝化的啟動和穩(wěn)定運行。

試驗中采用氨氮去除率(AAR)評價硝化性能，采用亞硝酸鹽氮積累率(NAR)評價短程硝化的成功啟動，以NAR的穩(wěn)定性作為短程硝化穩(wěn)定運行的指標參數(shù)。

1.4 分析項目與方法

NH4+-N采用納式試劑分光光度法測定;NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定;NO3-N采用麝香草酚分光光度法測定;MLSS和MLVSS采用質(zhì)量法測定。DO、pH和溫度采用WTW在線監(jiān)測探頭進行監(jiān)測。

生物膜內(nèi)總EPS采用熱處理方法提取，采用考馬斯亮藍G-250法測定總蛋白含量，采用蒽酮比色法測定總糖含量。生物膜樣品送到生工生物工程(上海)股份有限公司進行高通量測序。

2、結(jié)果與討論

2.1不同填料試驗組的掛膜啟動

分別對A、B、C3組反應(yīng)器進行掛膜啟動，以掛膜填料上生物量的多少來指示“掛膜”是否成功，并對3組試驗中“掛膜”時間的長短進行比較。圖2為反應(yīng)器啟動和穩(wěn)定運行過程中生物量和ARR的變化情況。

MLVSS表示活性污泥混合液中有機固體物質(zhì)的濃度，可以用來表征活性污泥中生物量的濃度水平。從圖2(a)可以看到，3個試驗組在悶曝48h并完全排空活性污泥后，生物量的變化規(guī)律有較大差異。A組第1天截留的生物量最少，MLVSS為116mg/L，說明鮑爾環(huán)的截留能力較差;隨著時間的增加，A組生物量逐漸增加，14d以后MLVSS穩(wěn)定在2021mg/L左右，說明掛膜啟動成功。B組第1天截留的微生物最多，MLVSS為2395mg/L，說明海綿具有很強的截留能力，這和海綿的多孔特性相關(guān)。由于海綿初期只有物理攔截作用，隨著水力剪切和進水的稀釋，生物量逐漸減低，第5天達到最低值，MLVSS為1656mg/L，但仍是同期3組中的最高值;之后系統(tǒng)內(nèi)生物量逐漸升高，10d后MLVSS穩(wěn)定在2100mg/L左右，成功實現(xiàn)了掛膜。C組第1天的MLVSS為1354mg/L，其變化趨勢介于A組與C組之間，11d后實現(xiàn)了成功掛膜。3組掛膜成功后的生物量大致相同，MLVSS均在1950~2200mg/L范圍內(nèi)。

由圖2(b)可知，A、B、C3組試驗中ARR的變化規(guī)律與生物量相似，且對ARR的去除分別在14d后、10d后、11d后達到穩(wěn)定。3組試驗達到穩(wěn)定后的ARR均保持在80%左右，差異不大。試驗結(jié)果表明，海綿填料由于具有比表面積大、吸附能力強的特性，在前期可以吸附截留更多的微生物，有利于微生物的附著和增殖，能夠更快地實現(xiàn)掛膜啟動。

在實際運行中，發(fā)現(xiàn)B組曝氣能耗相對較大。由于海綿填料具有一定厚度，需要保持較高的曝氣量，并增加額外的攪拌裝置，才能使90%以上的海綿填料呈流化狀態(tài)，使海綿內(nèi)部的微生物與溶解氧和污染物能夠充分接觸。此外，由于海綿填料的機械強度較低，長期的機械攪拌和水力剪切容易造成填料的磨損和破裂，而重新投加補充新填料又需要一定的培養(yǎng)周期，會影響處理系統(tǒng)的處理效率，并對出水水質(zhì)造成影響。鮑爾環(huán)填料雖然掛膜時間較長，但僅靠曝氣帶動的水力攪拌就可達到較好的流化狀態(tài)，且鮑爾環(huán)填料為剛性填料，不易發(fā)生磨損和破裂。

2.2 DO對不同填料試驗組短程硝化穩(wěn)定性的影響

為了研究DO對不同填料試驗組短程硝化穩(wěn)定性的影響，將3組試驗均分為3個階段：第1階段是1~20d的掛膜啟動階段，主要完成填料的掛膜和穩(wěn)定運行，這一階段控制DO在1mg/L左右;第2階段是21~35d，增加DO至3.3mg/L，用高DO沖擊來破壞短程硝化;第3階段是36~50d，進一步增加DO至5.6mg/L，增加其對短程硝化的沖擊。不同DO下3組試驗AAR和NAR的變化如圖3所示。

研究表明，AOB的氧飽和系數(shù)是0.2~0.4mg/L，NOB的氧飽和系數(shù)是1.2~1.6mg/L。G.Ciudad等研究發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)短程硝化需要控制DO<1.4mg/L。也有一些研究表明，在生物膜反應(yīng)器中，可以在較高的DO條件下實現(xiàn)短程硝化。張永祥等應(yīng)用鮑爾環(huán)填料，通過控制DO在2.9~5.0mg/L，實現(xiàn)了短程硝化;周鑫等以海綿作為微生物填料處理NH4+-N廢水，通過控制DO在0.8~2.6mg/L，實現(xiàn)了短程硝化，NAR最大值為72.2%。

從圖3可知，在高DO的沖擊下，A組的短程硝化效果保持相對穩(wěn)定，NAR僅下降了8%左右。而對于B組與C組，高DO的沖擊破壞了其短程硝化效果。第50天，B組的NAR降低為41.5%，C組的NAR降低為65.0%。從短程硝化運行的抗DO沖擊特性來說，3個試驗組的抗沖擊能力從高到低依次為A>C>B。

鮑爾環(huán)與海綿填料在抵抗高DO沖擊方面的差異性主要體現(xiàn)在以下3個方面：

(1)生物膜厚度的差異。鮑爾環(huán)填料與海綿填料在達到穩(wěn)定運行后的NAR與生物量基本相同，但是鮑爾環(huán)填料的比表面積遠遠小于海綿填料，這說明鮑爾環(huán)填料上的生物膜厚度要遠遠高于海綿填料。而生物膜的厚度直接影響到DO的傳質(zhì)效果，生物膜越厚，DO與污染物傳遞到生物膜內(nèi)層的阻力越大，這就導致高DO沖擊下，鮑爾環(huán)填料生物膜內(nèi)部仍能保持合適的低DO環(huán)境，來維持AOB的富集與NOB的抑制。

(2)EPS的分泌不同。EPS是微生物通過新陳代謝分泌出來的高分子聚合物，能夠包裹在微生物細胞的表面，有利于微生物的聚集與附著生長，具有保護和維持生物膜的作用。鮑爾環(huán)填料在低比表面積的情況下，仍然有與海綿填料相同的生物量，這就意味著鮑爾環(huán)填料中微生物分泌的EPS較高，對生物膜的保護也較高。

(3)生物膜的分層結(jié)構(gòu)。在鮑爾環(huán)填料的生物膜中，由于生物膜厚度較厚，DO和有機物在不同厚度的生物膜上具有不同的濃度梯度，這樣微生物就會根據(jù)對DO和有機物的不同需求，在不同的生物膜位置生長。而在海綿填料中，由于生物膜厚度較低，分層結(jié)構(gòu)不明顯，生物膜很容易被高DO沖擊穿透。

2.3 鮑爾環(huán)與海綿填料的短程硝化特性

鮑爾環(huán)填料和海綿填料均能達到短程硝化的穩(wěn)定運行，為了比較這2種填料的短程硝化效果的差異，在短程硝化穩(wěn)定期(第20天)，對C組中的鮑爾環(huán)填料和海綿填料分別進行了沿程變化小試，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知，試驗進行1h時，鮑爾環(huán)填料反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N降低了9.61mg/L，而海綿填料反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N降低了22.84mg/L。這是因為海綿填料的表面積較大，海綿填料生物膜與進水中污染物的接觸面積也較大，污染物能夠更多地被微生物所吸附，從而導致海綿填料反應(yīng)器內(nèi)NH4+-N下降較快。鮑爾環(huán)填料與海綿填料的NH4+-N去除率均在90%左右，鮑爾環(huán)填料的NH4+-N去除率為93.84%，稍高于海綿填料的89.28%。這可能是由于鮑爾環(huán)填料中AOB的活性較海綿填料要稍高一些。對于2種填料，NO3-N濃度均維持在一個較低的水平，從試驗開始到結(jié)束(反應(yīng)6h)，鮑爾環(huán)填料反應(yīng)器中的NO5-N從2.08mg/L升高至4.38mg/L，而海綿填料反應(yīng)器中的NO5-N從1.90mg/L升高至7.56mg/L，說明海綿填料中NOB的活性更高一些，鮑爾環(huán)填料對NOB的抑制作用更強。

2.4 SEM、EPS和高通量分析

在第20天短程硝化穩(wěn)定期，取出C組試驗中投加的鮑爾環(huán)填料和海綿填料進行SEM分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看到，鮑爾環(huán)生物膜細胞表面有較多的細胞間物質(zhì)，生物膜表面較平整光滑;海綿填料生物膜細胞表面細胞間物質(zhì)較少，生物膜相對比較粗糙。生物膜中細胞間物質(zhì)主要成分是EPS，其對微生物起到保護作用，是組成和維持生物膜的重要部分。與海綿填料相比，鮑爾環(huán)填料生物膜中的EPS相對較多，因此其對高DO的傳質(zhì)阻力更大，短程硝化抗高DO沖擊的能力更強。

取第37天C組中的鮑爾環(huán)和海綿填料，測定其生物膜上的EPS。結(jié)果表明，鮑爾環(huán)填料生物膜中的TOC、PN(蛋白質(zhì))、PS(多糖)分別為165、76.8、16mg/L，海綿填料生物膜中的TOC、PN、PS分別為98、51.6、12mg/L，鮑爾環(huán)填料生物膜中的總EPS(TOC)、PN和PS均較顯著地高于海綿填料。同時，計算得出鮑爾環(huán)和海綿填料生物膜中的PN/PS分別為4.8、4.3。綜上，可以看出鮑爾環(huán)填料上的生物膜更穩(wěn)定。

對第37天C組中鮑爾環(huán)和海綿填料上的生物膜進行高通量測序，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，海綿填料生物膜中共有14種主要菌屬，鮑爾環(huán)填料生物膜中共有11種主要菌屬，與海綿填料相比，鮑爾環(huán)上的微生物群落結(jié)構(gòu)更加趨于專性，特別是不動桿菌屬(Acinetobacter)的占比進一步擴大，可能表明功能菌群的優(yōu)勢較為明顯。海綿填料和鮑爾環(huán)填料生物膜樣品的Shannon-Wiener指數(shù)分別為4.2和3.3，表明海綿填料生物膜中的微生物更具多樣性，反過來也同樣表明鮑爾環(huán)填料生物膜中的微生物相對更專性，這也是其生物膜更穩(wěn)定的一種表現(xiàn)。

3、結(jié)論

(1)在25℃條件下，在SBBR反應(yīng)器中分別投加鮑爾環(huán)填料、海綿填料和體積比為1：1的混合填料進行掛膜啟動，結(jié)果表明，3個試驗組實現(xiàn)短程硝化所需時間分別為14、10、11d，氨氮去除率均能達到80%以上，均能實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化。鮑爾環(huán)填料雖然掛膜時間較長，但是僅靠曝氣帶動的水力攪拌就可以達到較好的流化狀態(tài)，且較海綿填料節(jié)省能耗，不易發(fā)生磨損和破裂。

(2)SEM分析表明，鮑爾環(huán)填料生物膜中的EPS要多于海綿填料。在高DO沖擊下，鮑爾環(huán)填料中較多的EPS對高DO的傳質(zhì)有更大的阻力，能夠保持相對穩(wěn)定的DO梯度，對內(nèi)部微生物的保護效果更好，且穩(wěn)定的DO梯度使微生物的種類更多樣，分層更合理，生物膜結(jié)構(gòu)更牢固。鮑爾環(huán)填料對高DO的沖擊適應(yīng)性更強，能夠在高DO下實現(xiàn)短程硝化的穩(wěn)定運行。

(3)EPS分析表明，鮑爾環(huán)填料生物膜中的TOC、PN和PS均較顯著地高于海綿填料，且鮑爾環(huán)生物膜中的PN/PS較高，說明鮑爾環(huán)上的生物膜更穩(wěn)定。高通量測序結(jié)果表明，鮑爾環(huán)填料生物膜中的微生物群落結(jié)構(gòu)相比于海綿填料更加趨于專性，這也是其生物膜較穩(wěn)定的原因之一。（來源：西安高新區(qū)污水處理有限公司，北京城市排水集團有限責任公司，北京工業(yè)大學，煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室）