生物膜-活性污泥耦合工藝研究及應用分析

王寶賀，王 帆

（1.哈爾濱國環宏節能環保技術有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150000；2.吉林省城市污水處理重點實驗室，吉林 長春 130012）

1 概述

污水處理中較為常用的是生物處理法，生物處理法包括活性污泥法和生物膜法兩大類。活性污泥法，微生物呈絮狀在反應池中懸浮流動，通過吸附、生物降解等作用去除污水中的污染物。生物膜使微生物附著于填料表面呈膜狀，污水流動，其中的有機污染物通過生物膜表面的附著水層進入生物膜得到降解，通過水流作用，填料上老化的生物膜脫落，以此達到生物膜的更新。

活性污泥法應用較為廣泛，技術規范、設計參數方面比較成熟，然而活性污泥法占地面積大、容積負荷低、剩余污泥量大，容易發生污泥膨脹。生物膜法因其運行管理簡單、占地面積小、出水水質好等優點，越來越多的應用于污水處理中[1]。同時生物膜法也存在一定缺陷，如傳質速率慢，微生物更新速度慢，掛膜啟動時間長，在生物除磷方面效果不佳[2]。因此活性污泥法和生物膜法相結合構成耦合系統，在同一反應器中實現生物膜與活性污泥共存，結合了二者的優點，彌補了二者的不足，提高了處理效果，同時該工藝比單純采用活性污泥法或生物膜法的工藝啟動要快，運行更穩定[3]。

2 生物膜-活性污泥耦合工藝的運行效果

生物膜-活性污泥耦合工藝復雜的生態系統和雙泥齡多應用于傳統污水處理工藝的改造和處理含有難降解有機污染物的污廢水。鄭志佳等[4]通過投加填料對北方原活性污泥處理工藝進行改造，顯著提高了脫氮除磷效果。李衛平等[5]采用耦合工藝處理農藥含酚廢水，進水酚濃度為36.70-86.56mg/L，出水穩定在2mg/L 以下。吳迪等[6]將該工藝應用于處理高鹽廢水，在進水氯離子含量為5000-12000mg/L 及以上時，系統仍可實現出水氨氮、TN 等各指標穩定達標，具有耐高鹽性能。

2.1 強化脫氮除磷

耦合系統與單純生物膜法或活性污泥法相比，由于生物量的增加和氧傳質效率的提高，污染物的去除效果得到了顯著的提高[7]。生物膜具有較長的污泥齡，世代周期長、生長緩慢的硝化菌得以生長富集[8]，懸浮態泥齡可以相應縮短，這有利于生物質磷積累，二者共同實現系統的同步強化脫氮除磷[9]。附著生長的生物膜對脫氮優勢菌種有著良好的聚集作用，表現出高效脫氮能力[10]，系統可以在低溫、低碳源條件下保證污水處理廠具有較高的反硝化能力[11]。

因為傳質阻力作用，溶解氧（DO）在生物膜分布不均，生物膜由外到內依次形成好氧、缺氧、厭氧的微環境，這可能為反硝化菌、反硝化聚磷菌創造了合適的生長環境，為同步硝化反硝化（SND）、短程硝化反硝化（PND）和反硝化除磷提供了可能。潘松青等[12]在試驗運行中發現實際TN 去除率比理論值要高，且在好氧池中存在0-30mg/L 的所以認為系統中存在PND 過程。DO 分布不均導致對DO 需求較低的AOB 富集，而對NOB 抑制作用更強，從而提高了PND 作用[13]。顧升波等[14]認為耦合系統中 SND 對 TN 去除率的貢獻最高可達30%。在穩定運行的情況下，耦合工藝的比硝化、比反硝化和比吸磷、比釋磷速率均高于活性污泥反應器[15]。

2.2 提高抗沖擊負荷

通過對耦合工藝的呼吸測試結果分析，耦合系統比單獨的活性污泥或生物膜具有更強的抗沖擊負荷能力[16]。耦合系統生物量的增加，活性污泥和生物膜耦合對沖擊負荷的緩沖作用均提高了系統的抗沖擊負荷能力[17]。

由于填料的投加，系統內生物群落的結構更加穩定多樣，生物量更加豐富，在受到有機負荷沖擊時，短時間內可以恢復穩定狀態[18]。通過DGGE 圖譜分析，懸浮污泥和生物膜中的AOB 和NOB 優勢菌屬有較大的區別，但是優勢菌屬在系統中保持穩定，不易更替，受進水負荷提高影響較小，菌群演變過程比較穩定[19]。污染物在反應裝置流動過程中隨微生物的降解逐漸降低，因此生物膜內的微生物受污染物影響較小，耐抑制性物質和抗沖擊負荷的能力更強[20]。陳月芳等[21]在試驗中提高水力沖擊負荷，COD 平均去除率達到92%，出水穩定在30mg/L 以下，TN 出水濃度也穩定在15mg/L 以下，表現出較強的抗沖擊負荷能力。

2.3 節省成本

耦合系統將填料投加到現有的曝氣池中，可以有效減少占地面積，王丹等[22]將其應用于原廢水回收處理設施的改造，在充分利用現有設施和土地面積的基礎上，改造成本最低。與活性污泥法相比，同等運行條件下耦合工藝能夠提高日處理能力約33%，具有較強的節地潛力[23]，不需要擴大池容，可以在現有工藝的基礎上進一步提高處理效果。同時載體表面和內部負載大量球菌、絲狀菌，極大提高了系統內的污泥微生物保有量和微生物多樣性，相比傳統活性污泥法具有污泥減量化的特性[24]，節省后續污泥處理的成本。生物膜-活性污泥耦合工藝應用于化工廢水的處理，有效提高了傳統生物處理法的處理效果，可有效替代化學處理，節省藥劑的投加，降低化學泥漿的產生量。

3 生物膜-活性污泥耦合工藝的設計運行

3.1 掛膜啟動的研究

生物膜-活性污泥耦合工藝的啟動重點在于填料的掛膜，填料的掛膜有自然富集培菌掛膜和人工接種掛膜兩種方式。研究表明同等工況下，采用兩種掛膜方法取均能實現穩定的掛膜啟動[24-25]。韓劍宏等[26]提出自然掛膜法形成的生物膜比接種掛膜法形成的生物膜更穩定，并且生物膜與載體之間的粘合度更高。然而自然掛膜法往往掛膜啟動較慢，接種特定的菌種或污泥，有利于反應器的快速掛膜啟動，王丹等[22]在水溫低于10℃時，通過投加耐冷菌群，在18 天實現了生物膜-活性污泥耦合工藝的快速啟動，并且處理效果穩定。因此試驗多采用在設計流速下接種污泥的連續流掛膜方式，以這種方式進行耦合工藝的掛膜啟動效果較好，較為適合實際工程應用及試驗研究。

通常情況我們都是以出水的各個指標參數來判斷耦合系統的掛膜啟動是否成功，余春菲[27]在研究耦合系統中生物膜的表面粗糙度時提出生物膜表面粗糙度也可以作為指示生物膜的成熟的標志，可以為判斷耦合系統是否啟動成功作參考。

3.2 設計參數對耦合系統的影響

（1）溶解氧的影響：由于填料的投加提高了對鼓風曝氣氣泡的剪切力，促進了氧的溶解，提高了氧氣利用率，相同曝氣量下，耦合系統的DO 濃度高于傳統活性污泥系統[28]。由于生物膜的傳質阻力大，需要有足夠的DO，才能確保生物膜的生物降解反應，DO 過高或過低均不利于耦合系統中SND 的進行[29]。研究認為 DO 在4mg/L 時處理效果最佳[7]。

（2）溫度的影響：因為生物膜系統對溫度的敏感性相比活性污泥低，所以投加填料增強了耦合工藝系統在低溫條件下的反硝化能力[11]。耦合工藝較單純的生物膜法，低溫適應性更強[30]。Young 等[31]首次發現生物膜耦合系統在1℃以下仍能保持一定的硝化活性。研究發現20-30℃時，泥相內細菌平均數量高于膜相，10-15℃時，膜相內硝化細菌平均數量則高于泥相[32]。

（3）污泥回流的影響：生物膜-活性污泥耦合工藝設有污泥回流裝置，這有區別于傳統的生物接觸法，對污染物的去除有一定的促進作用。污泥回流的增加會降低生物膜相微生物的活性，提高懸浮相微生物活性[33]。耦合工藝具有顯著的反硝化除磷效果，當回流比為200%時，反硝化除磷效果最佳[34]。楊曉南等[35]提出生物膜-活性污泥耦合工藝合理的污泥回流比為150%-200%之間，過高或過低的污泥回流比均不利于污染物的去除和系統的穩定。

（4）水力停留時間（HRT）的影響：由于生物膜的長污泥齡使得耦合系統HRT 可以適當縮短，可以為反硝化等異養菌提供更多的營養物質，促使其大量繁殖，增加生物膜的厚度，進而促進SND 的進行[36]。HRT 縮短也會導致污染物的去除效率下降，當HRT 小于3h，自養生物和異養生物都在生物膜中生長，不利于污染物的去除[37]。

3.3 填料的選擇與投加

填料對生物膜-活性污泥耦合系統的影響在于其掛膜效果，材質親水性高，載體掛膜較快，有利于硝化細菌的生長，然而親水性強，形成的生物膜過厚，會導致傳質阻力增大，脫膜效果不好[38]。同時孔隙率較高、密度更接近于水的填料，通氣、過水性能越好，越有利于生物膜附著生長，同時反應器內流化效果也較好，廢水與生物膜的接觸效率高，填料的掛膜啟動和運行穩定性更好，能快速適應水質變化和負荷提升[39]。

生物膜-活性污泥耦合系統的載體填充率較單純的生物膜法要小，關于具體的填充率設計還沒有相關規范參考，進行實際設計運行時可以采用分批掛膜投加的方式，根據實際流化效果確定最終填充率。在傳統活性污泥法改造的工程中，由于填料在夏季對系統硝化效果增益較小，可以選擇在夏季移除填料，節省曝氣費用。

4 結論

（1）生物膜-活性污泥耦合系統由于載體的投加提高了生物量，生物環境更加復雜。具有強化脫氮除磷效果，提高抗沖擊負荷等優點，運行效果更穩定。該工藝對化工廢水等難處理污廢水均有良好的處理效果，得到越來越廣泛的應用。

（2）生物膜-活性污泥耦合工藝采用接種快速排泥的方法可以在低溫、低碳源的情況下快速掛膜，對于耦合工藝影響因素的研究表明，耦合工藝具有較強的適應性，在低溫條件下仍能取得較好的去除效果。

（3）關于耦合系統的填料的選擇，需要考慮填料的親水性、比表面積以及密度。應根據實際情況，結合當地條件，選擇掛膜效果好，價格合理的生物膜載體。除了傳統的聚乙烯等塑料載體，植物纖維、新型材質載體逐漸進入人們視野中，得到了很好的利用。