不同載體填充率下一體化A/O生物膜反應器的啟動特性

龔靈瀟，彭永臻，楊慶，王淑瑩

(北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京，100124)

不同載體填充率下一體化A/O生物膜反應器的啟動特性

龔靈瀟，彭永臻，楊慶，王淑瑩

(北京工業大學 北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室，北京，100124)

以聚氨酯泡沫和聚丙烯空心環為生物膜載體，考察不同載體填充率下采用一體化缺氧/好氧(A/O)生物膜反應系統R1和R2處理低C與N質量濃度之比(ρ(C)/ρ(N))生活污水的啟動特性。系統R1中，缺氧、好氧區載體填充率分別為45%和20%；系統R2中，缺氧區和好氧區載體填充率分別為60%和30%。研究結果表明：R1和R2系統啟動周期分別為27 d和24 d，R1更宜進行實際應用；啟動完成后，R1和R2好氧區內生物膜含量分別為87.8%和79.5%，為減小一體化反應器的沉淀區體積和在后續運行中取消污泥回流提供了可能；缺氧區中，聚氨酯泡沫填充率 60%時較 45%時更有利于前置反硝化對有機物的利用。載體流化加強了好氧區生物膜的同步硝化反硝化(SND)能力和水力負荷適應性，但延長了啟動周期，SND效果可模糊反映生物膜的形成過程；固定載體縮短了好氧區的啟動周期，但形成的生物膜易受水力負荷沖擊。

一體化缺氧/好氧生物膜反應器；載體填充率；生物膜；同步硝化反硝化；啟動特性

目前，中國廣大農村地區的污水處理率較低，大量生活污水的隨意排放已超出了環境的自凈能力，嚴重破壞受納水體的生態平衡，其中營養物的超標是加速水體富營養化的主要原因[1]。收集管網的缺乏使得就地的分散處理成為村鎮生活污水處理的首選[2]，由于化學除磷相對簡單，因此，生物脫氮是目前關注的焦點。缺氧/好氧(A/O)工藝作為一種成熟的脫氮技術，在污水分散處理領域已有較多的應用[3]，是村鎮污水實現生物脫氮的理想選擇。相比于傳統活性污泥法，近年來，一體化的生物膜工藝應用于廢水的分散處理日益廣泛，運行效果穩定[4?6]，尤其是在好氧處理過程中，一定厚度生物膜所形成的缺氧“微環境”可實現同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification, SND)，強化脫氮。基于農村地區的經濟發展水平，能否快速啟動污水處理系統具有實際意義。掛膜載體的填充率是生物膜系統設計和運行的重要參數，對載體流化性能和生物膜形態[7]、微生物質量濃度[8]、群落構成[9]，生物除磷[10]、基建成本[11]等影響顯著，但對反應器啟動的影響目前鮮有報道。對于一體化A/O生物膜系統，固定床反應器構造簡單、無需機械混合、在高負荷下穩定性好[12]，是缺氧生物膜反應器的理想選擇，對于如何實現其快速啟動，國內外多集中于微生物接種方式、有機負荷的選擇和載體特性的研究[13]，對載體填充率的關注較少。而在好氧生物膜反應器中，氣提作用是實現載體流化的重要推動力，相同的曝氣條件下，填充率的差異可使載體在反應器內以固定或者流化狀態存在，進而形成好氧固定床和移動床工藝，二者目前均已廣泛應用于各種生物膜系統[14?15]，存在日常維護、運行效能、基建成本等方面的差異，但在A/O系統中進行啟動差異性的對比，有待進一步研究。啟動周期、處理效能、生物膜特征是實現生物膜系統快速、低成本啟動的關鍵指示參數，本文作者研究了不同載體填充率下一體化A/O生物膜反應器的啟動特性，為其更好地應用于村鎮污水的分散處理提供理論依據；此外，還考察了好氧區生物膜形成過程中同步硝化反硝化能力的變化，以便為好氧生物膜反應器的啟動建立新的指示參數。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置與用水

試驗用水為某大學家屬區的實際生活污水(見表1)，屬于低C/N廢水。試驗采用2套相同的推流式一體化A/O生物膜系統(R1和R2)，其示意圖如圖1所示。反應器有效容積64 L，分為7個格室，V缺氧:V好氧:V沉淀=3:4:1，其中，缺氧區分為2格，有效容積均為12 L；好氧區分為4格，有效容積均為8 L。好氧區采用鼓風曝氣，以黏砂塊作為微孔曝氣器，通過轉子流量計調節曝氣量。系統進水流量、污泥回流量、硝化液回流量均由蠕動泵控制。

表1 進水水質Table 1 Characteristics of influent wastewater

圖1 一體化A/O生物膜反應器示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated A/O biofilm reactor

1.2 接種污泥性質及掛膜方式

采用中試規模的 SBR反應器排放的剩余污泥作為接種污泥，污泥(MLSS)質量濃度約為 2 g/L。對快速排泥掛膜法[16]進行改良，將接種的活性污泥和實際生活污水按體積比為1:2混合后泵入一體化A/O生物膜反應器，停留8 h，使接種微生物與載體表面充分接觸，通過好氧曝氣保持污泥活性，之后將水全部排出系統。每天運行2個周期，持續2 d，從第3天起，以1/2設計流量連續進水，在有機物達到穩定去除、硝化效果明顯提高后，增大至設計流量運行。

1.3 試驗方案與運行參數

系統R1和R2采用相同的運行參數：硝化液回流比為200%；沉淀區的污泥回流至好氧1區，回流比為30%，缺氧和好氧區因而形成獨立的污泥齡(SRT)；根據農村地區用水與污水排放的特征，反應器在較低負荷下啟動(設計氮負荷約為 0.11 kg·N·m?3·d?1)，設計流量、曝氣量分別為80 L/d和200 L/h，好氧區的溶解氧(DO)質量濃度維持在1.0～3.0 mg/L，設計水力停留時間(HRT)為19.2 h，考慮載體所占的填充體積，實際HRT為18.8 h(厭氧為7 h，好氧為9.4 h，沉淀為2.4 h)，啟動期間未進行排泥和反沖洗。投加載體的特性和填充率如表2所示。

在無攪拌狀態下，防止堵塞是缺氧固定床反應器實現高效運行的關鍵[17]，選擇多孔隙的載體被認為可顯著減少反應器堵塞以維持高效[13]。本研究采用高空隙率(92%～94%)的聚氨酯泡沫作為缺氧區的生物載體，采用聚丙烯空心環作為好氧區的生物膜載體。在設計曝氣量下，進行清水試驗測試載體的流化能力，20%和30%的填充率可分別穩定地實現流化和固定的載體存在形態，進而在好氧區形成移動床(MBBR)和固定床(FBBR)的運行模式，達到了試驗比較的目的。

1.4 分析儀器及方法

COD質量濃度采用5B-1型COD快速測定儀(蘭州連華)測定；NH4+-N，NO2?-N，NO3?-N，MLSS 和MLVSS質量濃度采用國家標準方法測定[18]；TN質量濃度采用Multi N/C3000型TN/TOC分析儀(德國耶拿)測定；DO，pH，ORP和溫度采用德國WTW Multi 340i及相應傳感器測定；生物膜形態采用奧林巴斯 BX51及佳能EOS550D數碼相機進行觀察；采用Image-Pro Plus 6.0軟件測量生物膜厚度；載體生物膜參照劉雨等[19]推薦的方法進行預處理，脫落后生物膜質量濃度的測定與MLSS的測定方法相同。生物膜含量為生物膜質量濃度與總污泥質量濃度之比。

1.5 系統啟動的指示參數選擇

生物膜的成熟通常是生物膜反應器成功啟動的標志，物理特征(厚度、密度、質量)和物理?化學特征(胞外聚合物含量、污染物的去除效果)都可表征生物膜所處的狀態[20]。在好氧生物膜反應器中，SND的產生依賴于一定厚度的載體生物膜所創造的缺氧“微環境”[21]，因此，本研究以 SND效果的變化模糊反映A/O系統中好氧區內生物膜的逐步形成，并協同處理效能、啟動周期、載體生物膜特征等指標反映一體化A/O生物膜反應器的啟動特性。

2 試驗結果與討論

2.1 污染物的去除效果

異養菌較短的倍增周期使得系統在啟動后較快地實現了對有機物的有效去除(圖 2(a))。在系統 R1和R2中，第9天的COD去除率分別達75.8%和78.1%，并趨于穩定，受載體填充率差異的影響較小，出水中的COD已較難生物降解。在第14天以設計流量運行后，出水COD質量濃度在小幅上升后均能快速恢復，表明2個系統對有機負荷的變化具有一定的適應能力，利于處理水質、水量波動性較大的分散型村鎮污水。21 d后，系統R1和R2均實現COD的穩定去除，出水COD質量濃度均值分別為61.0 mg/L和53.1 mg/L，對應去除率為74.9%和77.9%。R2系統的有機物去除能力較系統 R1的略高，這可能是由于其缺氧區內聚氨酯泡沫填充率較高，為微生物創造了更多附著生長的空間并增加了與污水中基質接觸的時間；載體的物理吸附、生物膜的生物吸附也可能更利于系統 R2利用有機碳源進行反硝化，進而實現COD的有效去除。2個系統污染物濃度的沿程變化對比如圖3所示。從圖3可見：在無機械混合條件下，有機物在缺氧區均得到有效利用，主要為反硝化提供電子，系統 R2的前置反硝化脫氮量和COD消耗量較系統R1的更高，系統 R1和 R2的反硝化碳源利用率分別為 0.26和0.34，這也表明缺氧區中填充率為 60%的聚氨酯泡沫比填充率為45%的聚氨酯泡沫更利于前置反硝化對有機物的利用。

表2 載體特性Table 2 Characteristics of the carriers

圖2 不同載體填充率下污染物去除效果的對比Fig.2 Comparison of performance of pollutants removal with different carrier packing rates

由于硝化細菌的比增長速率較異養菌的小，在競爭溶解氧時處于劣勢[22]，因此，啟動初期系統的硝化能力較弱，直至 COD穩定地去除后，隨硝化細菌在反應器內的積累硝化能力快速提升，且系統 R2優于系統R1(圖2(b))。這是由于在相同條件下，好氧區內以固定床生物膜反應器(FBBR)運行的系統 R2，在啟動初期利于微生物在空心環表面的大量附著，生物膜形成較快；同期以移動床生物膜反應器(MBBR)運行的系統R1，流體擾動明顯，短時間內微生物難以大量牢固地在空心環表面附著，生物膜形成較慢。以設計流量運行后，增大進水流量對微生物的存在形態(主要指懸浮和附著生長型)及分布起到了選擇作用，因部分積聚、附著在空心環表面的懸浮污泥和結構松散的生物膜受到水力負荷沖擊被淘洗出好氧區，系統 R2的硝化能力下降，但設置污泥回流在一定程度上保證了回流的懸浮態微生物與空心環載體的反復接觸，微生物的附著生長促進了生物膜的形成，不排泥的運行方式延長了好氧區內的SRT，利于硝化能力的逐漸恢復，第24天，出水 NH-N質量濃度降至2 mg/L以下并保持穩定，平均去除率達96.93%，認為系統R2啟動成功；而同時，系統 R1一直處于高流體剪切作用的環境中，對水力負荷的增加表現出較強的適應性，硝化能力逐步提升，第27天，出水 NH-N質量濃度降至2 mg/L以下并保持穩定，平均去除率達96.94%，認為系統R1啟動成功。

圖3 第30天不同載體填充率下污染物的沿程變化Fig.3 Variation of pollutants along with flow path at different carrier packing rates on day 30

啟動期間，系統的脫氮和硝化性能具備相關性(圖2(b), (c))；在前25 d，系統R2良好的硝化效果使得其較系統R1有更強的脫氮能力；25 d后，在均基本實現完全硝化下，固定的硝化液回流比(200%)限制了前置反硝化的能力；在第30天，系統R1和R2脫氮率分別達 70.21%和 65.39%，好氧區均出現了明顯的氮損失，且成為2個系統脫氮性能差異的主要原因，這可能取決于載體生物膜所形成的缺氧“微環境”對同步硝化反硝化的影響。

2.2 好氧區的同步硝化反硝化

在第9，14，20，25，30天跟蹤反應器內污染物的沿程降解情況發現：系統R1和R2在好氧曝氣過程中均出現氮損失現象。

式中：RSND為SND脫氮率；ρ ( NO為好氧硝化過程始、末NO-N(x=2, 3)質量濃度的差值； ρ( NH)為好氧硝化過程中 NH-N被氧化的質量濃度。

啟動階段的同步硝化反硝化分析結果如表 3所示。從表3可知：在前14 d，系統R2的SND現象較系統R1的明顯，可能是由于FBBR中空心環無法實現有效流化，造成曝氣不均勻而影響溶解氧的分布，形成局部缺氧區域；啟動初期，系統 R2較好的硝化性能也為反硝化提供了底物，為SND的發生創造了條件。同期，MBBR中空心環載體的流化使得系統 R1在好氧區內流體混合性能較好，溶解氧分布較均勻，難以形成宏觀上的缺氧環境，由于生物膜的形成較為緩慢，懸浮的污泥絮體成為發生SND的載體，但其大多易被溶解氧所穿透，因此，同步反硝化效果較差。在啟動后期，空心環內表面的生物膜逐漸形成，一定厚度的生物膜在內層創造出更為理想的缺氧“微環境”，系統R1和R2在好氧區通過SND作用發生的氮損失分別達34.35%和22.00%。

生物膜的形成過程中主要表現為污泥質量濃度和膜厚度的增加，這是微生物發生自凝聚并在載體表面附著的結果。不同載體填充率下的好氧區的SND脫氮率與污泥質量濃度變化如圖4所示。由圖4可知：生物膜的 SND能力與污泥質量濃度的增加成正相關，SND的變化一定程度上可以模糊反映生物膜的形成過程，進而協同處理效能、啟動周期、載體生物膜特征等指示一體化A/O生物膜反應器的啟動。在好氧生物膜反應器中，當載體處于流化狀態 (MBBR)時，該種模糊指示作用更準確，這可能是由于在高剪切力作用環境中，反應器呈現完全混合流態，基質濃度和載體的分布更均勻，生物膜的形成和污泥質量濃度增長更可控；而在本研究中，固定載體的運行方式(FBBR)無法通過曝氣或攪拌作用創造出理想的混合流態，不均勻的基質分布所形成的局部缺氧區域可能是 SND發生的主要環境因素，與MBBR相比，其生物膜的形成和SND效果的正相關性較弱。

表3 啟動階段的同步硝化反硝化分析結果Table 3 Results of simultaneous nitrification and denitrification in start-up phase

圖4 不同載體填充率下好氧區的SND率與污泥質量濃度變化Fig.4 Variations of SND rates and sludge concentration in oxic zones with different carrier packing rates

2.3 載體生物膜特征

不同的載體填充率引起了污泥質量濃度的差異，由圖4可見：系統R2好氧區內的污泥質量濃度始終比系統R1的高，這主要取決于不同載體存在方式下，微生物在載體表面黏附、生長、脫落的差異性；對于生物膜含量的變化，系統R1和R2分別表現出均勻增長和先快后慢的特點，在第30天，系統R1和R2的污泥質量濃度分別達1 632 mg/L和2 018 mg/L，附著生長型微生物(生物膜)含量分別為87.8%和79.5%，在系統內占據主導，為減小一體化反應器的沉淀區體積和在后續運行中取消污泥回流提供了可能。在實際應用中，以系統 R1的填充率運行更利于降低村鎮污水分散處理的成本和維護難度。

系統啟動成功后，隨機采集系統R1和R2好氧區的空心環進行觀察，結果如圖5所示。從圖5可見：生物膜主要在載體內表面形成，有利于SRT的延長和污泥質量濃度的維持[26]；系統R1和R2的平均生物膜厚度分別達350 μm和220 μm，證實了系統內微生物形態的轉變，由懸浮生長向附著生長型發展，與普通的絮狀活性污泥相比，也更利于生物膜內層缺氧“微環境”的形成；生物膜表面后生動物(如輪蟲、線蟲)的附著表明出水水質已較穩定。掃描電鏡(SEM)結果見圖6。由圖6可知：填充率的不同引起了載體生物膜形態的差異：MBBR創造的高剪切力作用環境[27]使得系統 R1內形成的生物膜較為均勻、密實，在一定程度上有效避免了生物膜內層缺氧“微環境”的破壞，較高的單位載體生物膜質量濃度則彌補了由低填充率引起的總污泥質量濃度較低的不足，但另一方面，生物膜在高剪切力環境中易出現脫落，不利于快速掛膜；系統 R2內形成的生物膜相對雜亂、松散，平均厚度較系統 R1的小，在曝氣量大時，生物膜內層易被氧穿透，破壞缺氧環境而影響SND能力，但以FBBR的運行較易于接種污泥中微生物的快速附著，反應器啟動周期更短。絲狀菌在2個系統內都占據了一定比例，它的出現有助于形成生物膜的骨架，為其他細菌的附著生長提供穩定的環境[28]，增加了生物種群的豐富性，利于對水質波動的適應。

圖5 光學顯微鏡下載體生物膜的形態Fig.5 Morphology of carrier with biofilm

圖6 載體生物膜的SEM照片Fig.6 SEM images of carrier with biofilm

2.4 啟動評價

“低成本、易維護、高效率”是村鎮污水分散處理的目標[29]，能否合理實現運行效能與經濟成本的平衡十分關鍵。采用啟動周期、反應器的容積效能和載體投加成本等作為評價指標，不同載體填充率的啟動特性對比見表4。從表4可知：啟動完成后，載體填充率的差異對容積去除率影響較小；較低的填充率延長了啟動周期，但節省載體投加成本，高填充率則結果相反。經綜合考慮，系統 R1的載體投加參數更適宜一體化A/O生物膜反應器在農村地區污水分散處理中的應用。

表4 不同載體填充率的啟動特性對比Table 4 Comparison of start-up characteristics with different carrier packing rates

3 結論

(1) 一體化A/O生物膜反應系統R1中缺氧、好氧區載體填充率分別為45%和20%，系統R2中，當缺氧區和好氧區載體填充率分別為60%和30%時，系統R1和R2的啟動周期分別為27 d和24 d。綜合啟動效果和經濟成本，系統 R1更適宜在村鎮污水的實際處理中應用。

(2) 缺氧區中填充率為 60%的聚氨酯泡沫比填充率為45%時的聚氨酯泡末更利于前置反硝化對有機物的利用；好氧區中載體的存在形態影響系統啟動效果，載體流化加強了生物膜的同步硝化反硝化(SND)能力和水力負荷適應性，但延長了啟動周期，SND效果可模糊反映生物膜的形成過程；固定載體縮短了好氧生物膜反應器的啟動周期，但形成的生物膜易受水力沖擊。

(3) 系統啟動成功后，系統R1和R2好氧區內生物膜含量分別為 87.8%和 79.5%，為減小一體化反應器的沉淀區體積和在后續運行中取消污泥回流提供了可能；在好氧區投加20%的聚丙烯空心環更利于降低村鎮污水分散處理的成本和維護難度。

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(編輯 趙俊)

Start-up characteristics of integrated A/O biofilm reactor with different carrier packing rates

GONG Lingxiao, PENG Yongzhen, YANG Qing, WANG Shuying

(Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering,Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Start-up characteristics of the integrated anoxic/oxic (A/O) biofilm reactor with different carrier packing rates were investigated for the treatment of domestic wastewater with low content ratio of C to N using polyurethane foam and polypropylene hollow ring as biofilm carriers, respectively. In R1 system, the carrier packing rates in anoxic and oxic zones are 45% and 20% respectively, and in system R2, those are 60% and 30%, respectively. The results show that the start-up periods of R1 and R2 system are 27 d and 24 d, respectively, and R1 is more appropriate for practical application.After start-up, the content of biofilm in oxic zones of R1 and R2 system are 87.8% and 79.5%, respectively, which makes smaller volume of settler of the integrated reactor and abolishment of sludge return possible in subsequent running period.Packing rate of 60% of the polyurethane foam in anoxic zones is more conductive to the utilization of organics by pro-denitrification compared to that of 45%. Biofilm formed under condition of fluidized carriers in oxic zones has better capability of simultaneous nitrification-denitrification (SND) and suitability for hydraulic load, whereas it increases the start-up period, and the performance of SND can be regarded as a fuzzy reflection of biofilm formation; biofilm formed under condition of fixed carriers has a less star-up period, whereas the biofilm is vulnerable to the shock of hydraulic load.

integrated anoxic/oxic biofilm reactor; carrier packing rate; biofilm; simultaneous nitrification and denitrification; start-up characteristics

X703.1

A

1672?7207(2013)03?1275?08

2012?03?01；

2012?06?26

國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)項目(2011AA060903)；北京市屬高等學校人才強教計劃項目(2012)；北京工業大學第10屆研究生科技基金資助項目(ykj-2012-6912)

彭永臻(1949?)，男，黑龍江哈爾濱人，博士，教授，從事污水生物處理理論與應用研究；電話：010-67392627；E-mail: pyz@bjut.edu.cn