沸石顆粒填料固定床生物膜免曝氣污水處理工藝

郭其藝,成亮,黎啟明,吳向陽

（江蘇大學 環境與安全工程學院，江蘇 鎮江 212013）

隨著城市化和工業化的快速發展，對高效、節能、環境可持續污水處理技術的需求日益增長[1-2]。目前，市政污水處理工藝以生化法為主導（約80%），按照微生物的形態其工藝可分為：基于懸浮態的活性污泥法和基于固定態的生物膜法。其中，活性污泥法處理工藝主要有厭氧—好氧工藝法（A/O）、厭氧—缺氧—好氧工藝法（A2/O）、序批式活性污泥工藝法（SBR）等，生物膜法的污水處理工藝主要有移動床生物膜反應器（MBBR）、生物接觸氧化法等。這些工藝的一個共同特點是通過向水體曝氣的方式為微生物提供氧氣作為電子受體，用于降解污水中污染物。然而，這種氧傳輸方式效率較低，能耗較大。對污水處理廠實際曝氣過程進行分析，結果表明，氧傳輸效率（OTE）一般在4.8%～34.1%范圍內[3-5]，較低的OTE 導致曝氣系統的能耗通常占整個污水處理工藝能耗的50%以上[6-8]。因此，提高氧傳輸效率、降低曝氣能耗是實現低能耗污水處理工藝的關鍵。

已有研究證實，在厭氧條件下，交替厭氧—好氧環境能夠促使聚糖菌(Glycogen Accumulating Organisms,GAOs)富集并利用糖原代謝所產生的能量將有機碳源（例如乙酸、丙酸等）轉化為胞內聚羥基烷酸（PHAs）[9]。同時，在好氧狀態下，GAOs可進行有氧呼吸，分解胞內PHAs 并合成糖原[10]。在厭氧條件下，部分具有反硝化功能的聚糖菌（DGAOs）能夠利用細胞內儲存的PHAs 作為電子供體，用于硝酸根與亞硝酸根的反硝化[5,11-12]。因此，Flavigny 等[5]利用聚糖菌（GAOs）在厭氧狀態下將有機碳轉化為PHAs 的特點，構建了以GAOs 為主導的固定床生物膜反應器，通過進水厭氧—排水好氧的運行方式，利用空氣在多孔填料內的自然流通為生物膜提供氧氣，成功地在免曝氣情況下實現了較高的COD 去除率（94.3%）。為了提高污水的氨氮去除效率，Hossain 等[13-15]和Cheng 等[16]在Flavigny 等[5]的生物膜基礎上負載了沸石粉末，通過沸石的離子交換作用強化了厭氧條件下的氨氮吸附[17]。研究結果顯示，在厭氧條件下，通過GAOs 與沸石的共同作用實現了COD 和氨氮的共同去除。該工藝被命名為被動曝氣同步硝化反硝化（PASND）工藝。與傳統活性污泥工藝相比，基于PASND 工藝的生物膜反應器的能量需求在理論上可以降低約50%[18-19]。

雖然PASND 工藝具有較高的去除COD 和脫氮能力，但是在長期運行過程中黏附在生物膜上的沸石粉末容易隨著生物膜的脫落而損失，從而導致氨氮去除效率的下降。筆者以固定化離子交換材料沸石顆粒為生物填料，以有效解決離子交換材料損失的問題，并研究了一種低能耗的固定床生物膜免曝氣污水處理工藝。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

所用沸石顆粒是一種天然斜沸石原料（河南景盈水處理材料有限公司）。使用前，用去離子水反復洗滌，除去附著的污垢和可溶性雜質，并在105 ℃下干燥24 h。經振動篩將干燥沸石顆粒分為5～10 mm、10～16 mm 和>16 mm 三種不同尺寸。經試驗測得5～10 mm、10～16 mm 和>16 mm 每克沸石顆粒的氨氮飽和吸附量分別為27.15、15.73、11.08 μg NH4+-N。根據文獻[5]，使用的人工合成污水組成見表1。

表1 人工合成污水的組成（含微量元素溶液）Table 1 Composition of artificial wastewater (trace elements included)

1.2 反應器的構建和運行

反應器裝置如圖1（a）所示，由2 個獨立的φ6 cm×30 cm 柱狀有機玻璃容器、蠕動泵等組成。反應器A 內填充均勻混合的不同粒徑沸石顆粒，其中5～10 mm、10～16 mm 和>16 mm 的沸石顆粒質量占比分別為60%、35%和5%。反應器B 內填充尺寸為φ25 mm×12 mm 的高密度聚乙烯填料（HDPE），用作對比測試。2 個反應器分別接種活性污泥（來自鎮江市水業總公司城市有機質協同處理中心），接種生物量約為10 g。

圖1 試驗裝置和工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of bioreactor and treatment procedure

反應器以序批式厭氧—好氧的模式運行，工藝流程如圖1（b）所示。整個處理周期分為兩個階段，第1 階段為注水/厭氧階段，人工合成污水由蠕動泵從儲水水箱送至反應器中，完全充滿并保持厭氧狀態6 h；第2 階段為排水/好氧階段，厭氧處理后的污水通過蠕動泵從反應器排空，空氣從反應器上端端口進入，反應器保持好氧狀態6 h。各階段具體運行時段為：進水10 min、厭氧350 min、排水10 min 和好氧350 min，即整體水力停留時間HRT 為12 h。整個試驗過程反應器溫度維持在（25±2）℃。

經測定，厭氧段反應器內DO 為0 mg/L，好氧段反應器中DO 最低為7.5 mg/L。為測定反應器對各項污染物的去除效果，厭氧階段中，在反應器中段取10 mL 水樣，使用0.22 μm 的水相濾頭過濾，進行COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N 和總磷（TP）測定。

1.3 分析和測試方法

污水COD 測量采用重鉻酸鉀氧化消解光度法，銨根、亞硝酸鹽、硝酸鹽和總磷濃度按照標準方法測定[20]。由于系統中有機氮的含量很低，故總氮（TN）為NH4+-N、NO2--N、NO3--N 之和。使用液相色譜儀測量污水中乙酸鹽濃度[21]。

糖原采用蒽酮法[22-23]測定，具體過程為：將所取生物膜在磷酸鹽緩沖液中進行攪拌，取得填料上的生物膜，8 000 r/min 離心10 min 后取沉淀冷凍干燥制備成凍干泥。取2 mg 凍干泥加入5 mL 的5%HCl 溶液，在100 ℃下消解3 h，冷卻后離心，之后取1 mL 上清液到消解管中，加入4 mL 蒽酮—硫酸溶液（0.2%蒽酮+80%硫酸），在100 ℃下水浴10 min，冷卻后使用分光光度計在波長625 nm 下測定吸光度。依據文獻[24-26]的方法，PHAs 的測試過程為：在消解管中分別加入上述制備的20 mg 凍干泥、1.45 mL 正丙醇—濃鹽酸（V正丙醇：VHCl=4：1）、1.5 mL 二氯甲烷和50 uL 苯甲酸溶液（2 g 苯甲酸加入100 mL 正丙醇），在100 ℃下消解4 h，冷卻后加入3 mL 去離子水，振蕩后靜置分液，取1 mL 下層有機相，加入無水硫酸鈉干燥后轉移至氣相小瓶中。將1 μL 樣品加入Shimazu 氣相色譜儀，進樣口設定溫度為275 ℃。初始柱溫為80 ℃，以8 ℃/min 的速度上升到150 ℃，然后保持1 min，再以25 ℃/min 的速度上升到255 ℃，柱溫保持3 min。測試過程中分別采用葡萄糖（AR，aladdin）和PHAs 標準樣品（86%PHB 和14%PHV，sigma）作為標準樣繪制標準曲線。為了揭示反應系統中生物膜微生物群落的演化，在不同時間段采集生物膜樣品進行高通量生物16S rDNA 測序[5]，將得到的OTU（Operitional Taxonomic Unit）與Silva 庫進行對比聚類，結合分類學分析方法進行分析。

2 試驗結果與討論

2.1 生物膜反應器啟動

沸石顆粒固定床生物膜反應器經過2 周啟動運行后，COD 去除率達到86%，COD 降低至70 mg/L，氨氮去除率達到80%，出水中氨氮濃度降低至8 mg/L。值得注意的是，由于本工藝在厭氧狀態下對污水進行處理，出水中的硝酸根與亞硝酸根均為0 mg/L，因此，氨氮去除率等同于總氮去除率（見圖2（a））。以上結果表明，使用沸石顆粒作為填料和活性污泥作為接種污泥時，系統大約需要2 周的啟動時間，相比于Hossain 等[13]的研究，馴化時間減少了約30 d。

圖2 固定式生物膜反應器對COD 及氨氮的去除Fig.2 Removal of COD and ammonia nitrogen by fixed biofilm reactor

塑料填料反應器B 運行約21 d 后，系統COD去除率逐漸穩定（約60%），出水COD 達到200 mg/L 左右。氨氮去除率始終維持在30%以下，出水中氨氮濃度在28.5 mg/L 左右。在之后一個月內，COD 及氨氮去除率無明顯變化（見圖2（b））。對比沸石顆粒填料反應器和塑料填料反應器的氨氮去除率可知，沸石顯著提高了反應器的氨氮去除性能，這主要與沸石顆粒在厭氧條件下對氨氮的吸附有關。同時，使用沸石顆粒作為填料對COD 去除率有所提高，這可能是由于不同填料表面用于去除COD 的微生物（如聚糖菌GAOs）的豐度差異性所致。

2.2 生物膜反應器厭氧段去除效率

圖3 是反應器內污水COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N 和總磷（TP）的濃度變化，由圖3（a）可見，COD 在厭氧階段的前1 h 內急劇降低約85%，在隨后5 h 內COD 幾乎不變；約75%的NH4+-N 在前1 h內被快速吸附去除，在后5 h 內緩慢降低，最終去除率達到約85%；厭氧處理階段未產生NO2--N 與NO3--N，因此，TN 濃度及變化趨勢與NH4+-N 十分相近，最終TN 濃度為7.1 mg/L。

圖3 穩定運行期反應器厭氧段COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、總氮（TN）和總磷（TP）的濃度變化Fig.3 Changes in the concentration of COD,ammonia nitrogen,nitrate,nitrite,TN and TP during the anaerobic phase at stable operation

圖3（b）顯示了沸石顆粒反應器在厭氧階段總磷（TP）的濃度變化，可見總磷濃度在厭氧階段基本保持不變。通常來說，聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）都能夠在厭氧條件下以溶液中可溶性有機碳作為碳源合成胞內聚羥基烷酸（PHAs），以滿足生長需要。然而，PAOs 能夠在好氧（缺氧）條件下超量吸附磷、累積聚磷酸鹽，在厭氧條件下分解聚磷酸鹽并釋放到環境中。由于本研究的反應器在厭氧階段并未監測到TP 的增加，因此，可以認為厭氧條件下COD 的去除主要是由于聚糖菌（GAOs）的作用。

2.3 生物膜反應器好氧段反硝化

試驗結果證實了在厭氧條件下沸石固定床生物膜反應器能夠持續有效地去除COD 和脫氮。厭氧條件下氨氮濃度的快速降低主要歸因于沸石顆粒對銨根離子的化學吸附[27]。然而，長期穩定的氨氮去除效果則主要歸因于沸石顆粒的周期性再生，即在排水好氧階段，硝化細菌氧化沸石顆粒所吸附的氨氮生成硝酸根或亞硝酸根。Cheng 等[16]證實了在好氧條件下由于生物膜內缺氧區的存在，反硝化反應得以進行。因此，為了驗證在本系統中好氧階段是否存在反硝化反應，在厭氧段結束后立即取部分填料置于300 mL 密閉反應器中，其中空隙體積約為180 mL。向反應器注入180 mL 氦氣（80%）和氧氣（20%）的混合氣體，密封并監測氧氣和氮氣的濃度變化[16]，結果見圖4。試驗結果表明，好氧階段6 h內約有29 mL 的氧氣消耗和6.5 mL 的氮氣生成，其中氮氣的生成證明了生物膜內反硝化過程的存在。已有研究結果表明[17,28-29]，好氧階段反應器內生物過程主要包括：氨氮的硝化反應（氧氣消耗）、胞內PHAs 的好氧分解（氧氣消耗）及以胞內PHAs 為碳源的反硝化反應（氮氣生成）。好氧條件下生物膜的反硝化過程可歸因于生物膜內溶解氧濃度梯度的變化，其使得生物膜內存在缺氧區。例如，Stewart 等[30]和Cooney 等[31]認為，在生物膜內175～220 μm（生物膜由表面往內的深度）處氧氣已經完全被消耗。

圖4 排水好氧過程中反應器內氮氣的生成和氧氣的消耗Fig.4 Production of nitrogen and consumption of oxygen during the aerobic phase of bioreactor

2.4 生物膜反應器厭氧—好氧段胞內PHAs 變化

已有研究發現，蘇丹黑B 對胞內PHAs 染色為陽性[24,32]。因此，為了解反應器不同運行階段（厭氧—好氧）微生物胞內PHAs 的變化，對生物膜進行蘇丹黑B 和番紅染色。圖5（a）為顯微鏡下厭氧階段結束時的生物膜染色圖，結果顯示，微生物細胞內有明顯的黑色胞內脂質顆粒。圖5（b）為同一批生物膜好氧階段結束時的染色圖，結果顯示，細胞未出現特征性染色。這一變化證實了厭氧階段生物膜細胞內PHAs 的累積，且在經過好氧階段后PHAs降解消失。這一發現與Hossain 等[33]的觀察結果一致，間接證明了生物膜內聚糖菌GAOs 的存在。

圖5 生物膜蘇丹黑B 和番紅染色圖Fig.5 Staining pattern with Sudan black B and safranine

為了獲得反應周期中PHAs 和糖原的最大值/最小值，在厭氧段結束和好氧段結束時分別取生物膜（厭氧結束段為A1，好氧結束段為A0），測定微生物胞內PHB（PHAs 的一種）和糖原的含量，結果見表2。測試結果顯示，厭氧階段結束時反應器生物膜胞內PHB 含量明顯高于好氧段結束時，糖原含量的變化趨勢則相反，這與Wei 等[29]得出的GAOs 細胞內PHAs 和糖原的變化規律相同。

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表2 反應器生物膜胞內PHB 和糖原的含量Table 2 PHB and glycogen contents in biofilm of the bioreactor

2.5 生物膜反應器長期運行情況

圖6 是沸石顆粒固定床生物膜反應器長期運行情況。結果顯示，反應器具有穩定的COD 和氨氮去除效率，其中，出水COD 平均值為（62.2±10.2）mg/L，NH4+-N平均濃度為（7.1±1.1）mg/L，二者平均去除率分別為87.0%±3.2%和82.7%±2.1%，且出水中不含硝態氮。與Hossain 等[15]和Cheng等[16]使用沸石粉改性HDPE 塑料懸浮填料生物膜反應器相比，COD 去除率降低了約7%，而氨氮去除率升高了10%。該結果表明，在長期運行過程中，采用沸石顆粒作為生物填料能夠穩定去除污水中的氨氮。同時，相比于Hossain[33]研究中采用沸石粉作為氨氮吸附材料，在長期運行過程中，氨氮去除率逐步下降（運行90 d 下降約10%），在長期運行工況下（運行80 d），本研究有著更加穩定的氨氮和總氮去除率。

圖6 固定床生物膜反應器長期運行條件下COD 和氨氮的去除效果Fig.6 Removal effect of COD and ammonia nitrogen under long-term operation condition of fixed-bed biofilm reactor

2.6 生物膜反應器微生物群落分析

為了揭示固定生物膜反應器運行過程中微生物群落結構的動態變化，在第46 天和第84 天采集生物膜樣品進行高通量16S rRNA 擴增子測序分析，結果如圖7 所示。

圖7 OTUs 在屬級分類上的相對豐度Fig.7 The relative abundance of OTUs in genera classification

初始活性污泥中，脫氯單胞菌Dechloromonas（6.28%）、硝化菌Nitrospira（3.23%）和陶厄氏菌屬Thauera（2.55%）是優勢菌種，其中，Dechloromonas在強化生物除磷反應器（EBPR）中較為常見，具有反硝化和積累磷酸鹽的作用[34]。Nitrospira(NOB)在活性污泥廢水處理系統中較為常見，具有亞硝酸鹽氧化還原酶基因，因此被認為是亞硝酸鹽氧化菌[35]。有研究表明[36]，陶厄氏菌具有高效的異養硝化—好氧反硝化能力。

反應器運行第46 天，生物膜中占主導地位的3種菌屬依次是Thauera（13.8%）、Candidatus Competibacter（GAOs，12.4%）和Nitrospira（2.26%）。與馴化前的活性污泥相比，GAOs的豐度增加了10 倍，具有好氧反硝化功能的陶厄氏菌屬Thauera的豐度增加了6 倍，表明本工藝能富集GAOs，同時增強好氧反硝化作用。此外，與原始活性污泥相比，生物膜中氨氧化菌（Ammonium Oxidizing Bacteria,AOB）豐度上升了0.3%。

反應器運行第84 天，生物膜中占主導地位的3種菌屬分別為Candidatus Competibacter（GAOs）、Uliginosibacterium和Thauera，其各自占比分別9.79%、6.32% 和6.25%，其中Uliginosibacterium同樣能在細胞內積累聚-β-羥丁酸（PHB），起到厭氧狀態下去除COD 的作用[37]。與第46 天的微生物群落結構相比，GAOs 的豐度略有下降，從12.4%下降至9.79%，Thauera的豐度同樣下降，而Dechloromonas和Uliginosibacterium豐度出現增長。Dechloromonas和Thauera的豐度變化可能是反應器內不同菌屬對氨氮氧化產物亞硝酸根和硝酸根競爭的結果。

3 結論

1）構建了基于沸石顆粒載體的固定床生物膜單反應器，該反應器通過序批式進水（厭氧）—排水（好氧）的運行方式，可以在免曝氣的條件下穩定去除COD 并脫氮。

2）以活性污泥為接種污泥，通過交替性進水（厭氧）—排水（好氧）工藝成功馴化出富含以Candidatus Competibacter等GAOs（12.4%）為主的生物膜。

3）在進水（厭氧）過程中，通過GAOs 和沸石顆粒的共同作用可有效去除污水中的COD 和氨氮，其中COD 和氨氮平均去除率分別為87.0%±3.2%和82.7%±2.1%，且出水中未檢測出硝態氮。在排水（好氧）過程中，依靠自由流通的空氣為生物膜供氧。