載體特性對活性污泥掛膜效果的影響

張偉煊 黃巢芫 陳明杰 張培璇 羅威 朱瀟楓 胡真虎

摘 要：實驗研究了填裝四種不同物質的填料物反應器在活性污泥法掛模方式下的掛膜情況，結果表明，氨氮與cod去除率隨著反應器運行時間的延長而逐漸上升，但是活性炭反應器中氨氮與cod的去除率增長得最快，同時活性炭反應器中的填料上生物膜的干重與胞外聚合物的含量增長最快，由此得出結論：活性炭反應器中生物掛膜效果最好。

在1920s，美德兩國已經將填料運用到“接觸曝氣法”中，這種方法在兩國逐漸被認可。但是由于當時制作出來的填料比表面積較小，而且構造不合理，水處理效果時好時壞，因而并沒有得到深入的研究和進一步的推廣。直至上世紀70年代初期，本小島貞男制作出了蜂窩管式的接觸填料，該填料具有耗費較小、孔隙率比較大的優點。但是在長期污水處理使用的過程中，這種蜂窩填料的缺陷逐漸顯露出來：比表面積小、生物膜量少、不易掛膜氣水分布不均勻，易堵塞。而近年來，生物膜法的填料不斷研發、處理工藝不斷改進，此種方法逐漸憑借處理 效率高、剩余污泥量少、無需污泥回流、運行管理方 便等特點得到快速發展和廣泛應用。這種技術處理效果的好壞在于生物膜的附著情況，因此在生物反應器的設計中，填料的選擇將成為研究的重點。填料種類通常有沸石，活性炭，活性炭與沸石的的混合填料，金屬，聚乙烯等等。掛膜效果的好壞要從填料上生物膜的干重以及EPS含量來進行評估。

本文主要在活性炭、聚乙烯、沸石、以及沸石和活性炭的混合填料在活性污泥掛膜方式的情況下進行研究，找到了一種較為適合掛膜的生物填料，有利于提高實際生產中的掛膜效率。

1.實驗材料與方法

1.1材料準備

沸石（120-200目，交換量≥100mmol/100g±（相當沸石總量40%））購于鞏義市恒諾濾料有限公司。流化床填料（比重>0.96 g/cm3，有效表面積>500 m2/m3，COD氧化效率2000-15000gCOD/m3.d）購于河南博旭環保科技有限公司。活性炭（400目，碘吸附值>650，亞甲基藍≥8）購于鄭州申淘友儀器有限公司。其余材料均由實驗室提供。

1.2實驗裝置與載體填料制作

本實驗裝置的主體是反應器，有效容積為2L。用注射器控制進出水。

本實驗前期打算采用4個反應器，均為好氧。好氧反應器12h排一半的水（HRT=12h）。分別放入等量的四種填料，填料種類見下表1。實驗開始前先加入適宜的培養液，接種普通活性污泥。廢水需要現配現用，為使廢水的PH在適宜的范圍內，加入緩沖溶液，調節進水PH值在7左右，4個反應器中加入等量的相同碳源。定時對各項指標進行檢測。結合生物載體基本要求與本研究需要，選擇濾料為活性炭，沸石，活性炭與沸石混合濾料，選擇載體為聚乙烯，制作沸石填料，將沸石粉末與聚乙烯放入反應釜中，先在反應釜中放入四至五個聚乙烯填料，再用沸石粉末覆蓋聚乙烯填料并蓋上一層錫箔紙。接著在第二層放上四至五個聚乙烯填料，將沸石粉末覆蓋在聚乙烯填料上并且在這一層上覆蓋一層錫箔紙;如此在反應釜中放入四層。壓實，擰緊反應釜的蓋子，放入馬弗爐中升溫至209攝氏度，便可以制成沸石填料。其他兩種填料制作方法相同。

1.3 試驗用水

本研究試驗用水采用人工配制模擬生活污水和實際生活污水。模擬廢水按表2配置。設計模擬廢水300 mg/L。試驗采用營養液是由合肥工業大學給排水實驗室制得，調節 pH 值為7左右， 為現配現用，將所需藥劑加入裝有一定量自來水的配水箱中，采用手動攪拌。實驗采用由朱磚井污水處理廠實際生活污水進行污泥接種。

1.4實驗方案

接種活性污泥4gMLSS/L，將醋酸鈉，氯化銨，磷酸二氫鉀，七水硫酸鎂，二水氯化鈣，微量元素液按比例溶解共2L加到每個反應器中，控制進水氨氮在20mg/L，打開閥門進行曝氣，水力停留時間（HRT）為12小時。

從每個反應器中取30個填料，均分為十組，每組綁一種顏色的細線，稱量每組的質量并記錄;待污泥接種之后，將每種填料各放入一個反應器之中。反應器啟動之后，每隔2天，取上清液測量氨氮的去除率和COD的去除率，每隔四天烘干一組綁線的填料稱量得到填料表面生物膜的質量并記錄，每隔四天取三個未綁線的填料測量表面EPS的含量并記錄。

1.5實驗指標測定方法

COD：重鉻酸鉀滴定法（GB 11914）

氨氮：納氏試劑分光光度法（HJ 535-2009）

生物膜胞外聚合物（EPS）：測定多糖采用苯酚-硫酸法，測定蛋白質采用洛瑞法

生物膜質量干重：稱量法

2.實驗結果與討論

2.1填料形態分析

為了了解掛膜后的填料表面的掛膜情況，實驗利用電鏡掃描了掛膜之前四種填料表面的的結構。

從上圖可以看出，沸石填料表面和聚乙烯填料表面較為光滑，這表明與微生物的有效接觸面積不大，將不利于微生物附著在上面，從而導致這兩種填料的掛膜效果不好;相比之下，活性炭填料和混合填料表面較為粗糙，與微生物的有效接觸面積較大，將有利于微生物的附著，因此，這兩種填料的掛膜效果將比沸石填料和聚乙烯填料更好。此外，沸石粉末的粒徑比活性炭粉末的粒徑小，在混合填料中，沸石粉末能夠填充活性炭粉末之間的空隙，因而混合填料表面的孔隙率小于活性炭填料表面的孔隙率，微生物在混合填料表面更不利于停留，因而相比混合填料，活性炭填料更有利于微生物掛膜。然后我們通過比表面積出發，了解到[6]一種填料對微生物的親和性越強，那么掛膜越容易，并且親和性與生物的表面積相關，本次選的填料中活性炭填料對于微生物的親和性最高，其次才是沸石，所以我們測得的生物膜重量中活性炭填料里的生物膜重量相對而言最重，更容易掛膜。

2.2不同填料下的出水水質隨著時間變化

由圖可以看出，在進水cod濃度均為200mg/L、曝氣量、溫度和PH等條件相同的情況下，經過不同填料處理后的cod去除率有所不同，但是隨著時間的推移，不同種類填料的cod出水濃度的變化趨勢逐漸固定。于前中期而言，可以從圖中看出各種填料出水cod濃度在不斷變化，除了空白填料出水濃度最低之外，其他三種填料的cod濃度沒有固定的大小比較關系。而當反應進行到后期，各反應器的cod出水濃度出現了空白填料≈活性炭填料<活性炭沸石填料<沸石填料的情況。這表明了在一定的掛膜條件下，隨著時間的推移，各反應器經歷了活性污泥階段向生物膜階段的邁進[1]，并且都將處于不同程度的泥膜共存階段。 [2]對于前中期而言，生物膜處于生長期，掛膜量相對較少，反應器中主要通過活性污泥來進行對于有機物的降解，而通過一段時間后，生物膜生長穩定，這時候生物膜開始參與對于有機物的利用吸收利用，并逐漸處于主導地位。

2.3不同填料出水氨氮濃度變化

采用納氏試劑分光光度法測出取樣后的出水氨氮濃度，從圖中可看出，在掛膜過程中，進水氨氮濃度均為20mg/L，每種填料對氨氮去除率變化都有所不同，活性炭載體填料平均去除率為38.46%，沸石填料平均去除率為28.08%，混合填料平均去除率為31.54%，空白填料平均去除率為32.31%，氨氮的去除是由于微生物對氮源的分解和利用，因此可利用生物膜對氨氮去除率間接反映不同載體生物膜變化情況，由于以活性炭為載體的生物膜對氨氮的平均去除率較高和對氨氮去除變化較明顯，可初步判斷以活性炭為生物膜載體的填料對掛膜產生的效果較好。啟動反應器初，此時微生物生長處于適應期，不同反應器出水氨氮無明顯變化，隨著時間推移，四個反應器的出水氨氮濃度均有所降低，變化幅度為活性炭填料>空白填料>混合填料>沸石填料，由此可確定活性炭反應器去除氨氮效果較其他反應器明顯，可確定四種填料中以活性炭為載體的生物膜生長最有利[5]。

2.4不同填料eps含量變化

EPS即是在一定環境條件下由微生物，分泌于體外的一些高分子聚合物。是一些高分子物質，如多糖、蛋白質等物質。EPS普遍存在于填料的表面，具有重要的生理功能，能富集營養物質，還能起到抵御外界傷害的作用。這次實驗中，我們通過測量蛋白質和多糖來反應EPS的含量。在這四種填料進行掛膜的過程中，系統都是在溫度，ph，營養條件，曝氣程度相同的情況下運行的，但從結果來看，活性炭填料最后測量得出的PN含量與PS含量是最多的，并且其含量隨著時間的增加而增加，其次是活性炭沸石填料和沸石填料，而與前面兩者相比，空白填料所含的PN和PS含量是最少的。這一數據表明了活性炭沸石填料所含EPS相對而言是最多的，而其余的三種填料相較而言EPS含量較少。于是我們從EPS著手分析查閱相關文獻，有關文獻指出[3]，在高有機負荷的環境中，才會出現EPS含量高而緊密，微生物的活性更好，生長速率更快;低負荷組微生物的活性略差，便會EPS含量低而稀疏，出現了微生物衰亡的情況，雖然我們實驗是在同一有機負荷下進行，但是卻出現了EPS含量不同的情況，并且[7]相關文獻表明，PN與PS相比，更能反映出在一個反應器中EPS的波動變化。所以根據這兩點我們能得出，由于活性炭的PN最高EPS含量最高，相較而言其微生物的活性自然是最好的，所以其生長速率最快，這能直接反映出活性炭的掛膜量相對較多，同理由于其他幾種填料EPS含量少，生物活性低，我們推測其掛膜量與活性炭相比較少。

2.5填料上附著的生物膜干重的變化

從上圖可以看出，隨著反應器啟動時間的延長，四種填料上附著的生物膜的質量均持續上升，但是在相同的反應時間內，不同填料上附著生物膜質量和變化快慢有所不同，活性炭填料在同一時間點較其他填料具有較高的附著生物膜含量，其他填料彼此之間附著生物膜質量相接近。填料上生物膜的干重可直接表示填料表面附著的微生物的多少，填料表面生物膜干重越大，表明填料表面附著的微生物越多，掛膜效果越好。從上圖可以看出，在反應時間之內，四種填料表面微生物干重的上升速度基本相同，但是活性炭填料表面的生物膜干重始終比其他填料的大，從圖像可以看出四種填料對細菌的親和性依次為：活性炭填料>沸石填料>混合填料>空白填料，由此可以得出結論，活性炭填料對微生物吸附作用在四種填料中最好，沸石次之，其他兩種填料掛膜能力相近。這是因為活性炭填料和沸石填料比表面積比其他兩種填料更大，因而前兩者比后兩者的掛膜效果更佳;而活性炭填料表面孔隙率大于沸石填料表面孔隙率[2]，因而活性炭填料的掛膜效果比沸石填料的掛膜效果好。同時這也解釋了在出水水質測量時空白填料反應器的出水cod濃度始終處于一個較低的位置，由于其干重增長最少即生物膜掛膜最少，其值小于其他三種填料，所以可以推測出該反應器主要通過活性污泥對于有機物的降解，而不是生物膜。前者在我們的實驗條件下對于有機物的利用效率高于后者。

3.結論

（1）不同填料處理后的cod去除率有所不同，但是隨著時間的推移，不同種類填料的cod出水濃度的變化趨勢逐漸固定。

（2）當系統運行到一定天數后， 4種填料的PN濃度和PS濃度逐步提高，即EPS的含量逐步提高： 但相對而言，活性炭填料中的PN、PS濃度上升相對較快，且它的總量一直居于高位，可判斷出以活性炭填料為生物膜載體的掛膜效率最高。

（3）在掛膜過程中，以活性炭為載體的生物膜對氨氮的平均去除率較高和對氨氮去除變化較明顯，可初步判斷以活性炭為生物膜載體的填料對掛膜產生的效果較好。

（4）在SBR反應器啟動過程中，活性炭填料在同一時間點較其他填料具有較高的附著生物膜含量，且生物膜質量增長較快，可判斷活性炭對微生物具有親和力最強，即活性炭對生物掛膜產生效果最好。

（5）活性炭填料表面比表面積較大，且孔隙率高，因而有利于微生物的掛膜。

參考文獻：

[1]尤星怡，丁鑫，黃勇，潘楊.不同負荷下懸浮生物填料的性能優化研究[J/OL].水處理技術：1-5[2020-04-24].

[2]劉亞敏，崔海波，郝卓莉.填料在廢水生物處理方面應用的研究進展[J].化學工程與裝備，2008（11）：115-116+71.

[5]梁心怡，趙元琛，黃一荻，夏圣驥.長江原水臭氧-生物活性炭掛膜中試研究[J].環境科學學報，2019，39（10）：3310-3316.

[1]尤星怡，丁鑫，黃勇，潘楊.不同負荷

[3]李粉玲，趙慶鵬.城市生活污水處理中活性污泥法與生物膜法工藝綜述與比較[J].河北企業，2010（09）：68-69.

[4]尤星怡，丁鑫，黃勇，潘楊.不同負荷下懸浮生物填料的性能優化研究[J/OL].水處理技術：1-5[2020-04-01].

[6] 菊池弘太郎， 朱永良譯.高效率魚類生產的水質凈化技術—利用微生物凈化氨.國外水產1990， 3（4）：33 37

[7] WANG H， DENG H， MA L， et al. Influence of operating conditionson extracellular polymeric substances and surface properties of sludgeflocs[J].Carbohydrate Polymers，2013，92（1）：510-515.

項目基金來源為“合肥工業大學2020年國家校級大學生創新創業訓練計劃項目資助（項目編號：X201910359206）