基于ISBS 生物反應器的剩余污泥減量研究

張婷婷，謝海燕，張芳袁

（1.新疆農業大學資源與環境學院，烏魯木齊 830052；2.中國科學院新疆生態與地理研究所國家荒漠-綠洲生態建設工程研究中心，烏魯木齊 830011）

剩余污泥是污水處理過程的副產物，其成分復雜，既包括致癌致畸致基因突變的難降解有機污染物、病原性微生物，還包括有毒有害的重金屬元素等[1]。生物膜法工藝系統投加載體，微生物不是漂浮在水中，而是附著在載體表面，有利于大型生物的生長生存，其污泥濃度可以保持在6 000 ～7 000 mg/L，有利于形成系統的食物鏈，因此生物膜法是污泥減量的重要工具[2]。生物膜法污泥減量技術的研究方向主要有兩種，一是填料優化，二是開發生物膜組合工藝或者研發新的反應器。蜂窩式固定床生物反應器（ISBS）是課題組前期以污泥減量為目標設計的，其能實現微生物高濃度負載，微生物分區段排布：將高濃度的、可自我調節的、具有協同功效的菌群按污水流進的方向固定在不同載體上，污水不用回流，從而使每個載體上的微生物能夠單元化地、專一地處理污水。這種設計不會造成菌種快速漲落而出現污泥膨脹現象，污泥產生量也大大降低。前期試驗結果顯示，在工藝運行的55 d 內，ISBS 生物反應器每處理1 萬t 廢水，產生0.36 t 剩余污泥（濕污泥）。本文將ISBS 生物反應器應用于中試，分析化學需氧量（COD）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）和鹽分等常規指標的沿程變化規律，考察反應器單元格的污水處理效能并探索微生物的生長環境，從脫氫酶活性和胞外聚合物（EPS）兩方面討論反應器與污泥減量的聯系，全面系統的研究可以為ISBS 生物反應器處理醫藥廢水提供科學依據和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 系統裝置與運行

如圖1 所示，ISBS 生物反應器是由多階段工藝技術單元、系統和設備構成的綜合體系，反應器的尺寸為10.5 m×3.2 m×2.4 m，總容積為80 m3，反應器主體結構材質選擇的是環氧涂層鋼（RST37-2），功能區設有曝氣裝置與三維特有編織膜（見圖2），其有效比表面積為252 m2/m3。ISBS 生物反應器由6 個區域組成，每個區域都填充多層惰性載體，它屬于連續流生物反應器，配備固定生物質和特定空氣擴散系統，攪拌效果良好。試驗填料采用三維特有編織結構的聚酰胺生物載體，用于取樣的載體長為30 cm，寬為22 cm，具有較大的比表面積，載體凈質量為50 ～55 g，兩端用軋帶系上鋼管固定，以懸掛的方式浸沒于水中，每兩排填料間隔11 cm 左右。

圖1 ISBS 生物反應器

圖2 惰性載體

1.2 采樣和分析方法

1.2.1 采樣

每日監測水質指標，從系統的進水口和出水口分別采樣，在實驗室進行水質分析。系統穩定運行時期，每隔3 d 進行一次生物膜特征和細菌種群分析。以ISBS 生物反應器前端與后端作為比較對象，分別從2 區與5 區設置的采樣載體中剪取50 g 左右的生物膜，用200 mL 蒸餾水對其反復沖刷，收集沖刷液，取兩滴于載玻片上并立即進行鏡檢。其余沖刷液分別裝入兩個含有100 mL 硫代硫酸鈉的取樣瓶中，放入冰箱-80 ℃保存。樣品編號由采樣次序與區域編號組成，分別為1-2、1-5、2-2、2-5、3-2、3-5、4-2、4-5、5-2、5-5。

按照標準方法測定混合液懸浮物（MLSS）、硝態氮（NO3-N）、TN、COD 和總磷（TP）。DO 測定使用溶解氧快速測定儀，鹽分測定使用鹽分快速測定儀，pH 測定使用pH 快速測定儀。

1.2.2 生物脫氫酶活性分析方法

微生物對污水中污染物的降解主要是依靠微生物體內各種酶催化作用下的生物氧化反應，脫氫酶尤為關鍵。脫氫酶活性既可以表征廢水中有機物降解活性的強弱，又能表征污泥的活性。試驗脫氫酶活性采取脫氫酶試劑盒測定，其原理與2,3,5-三苯基氯化四氮唑分光光度法原理一致[3]。

1.2.3 胞外聚合物分析方法

生物膜一般由微生物細胞與胞外聚合物（EPS）組成。胞外聚合物由細胞產物、分解產物、從污泥中吸附的有機物質等組成，其主要成分為蛋白質和多糖，與污泥源頭息息相關[4]。COLLIVIGNARELLI 等[5]首次確定污泥產量與胞外聚合物的組分相關，后續研究提出多糖在EPS 中的比例可以說明生物膜附著性能，蛋白質中的胞外酶是促進大分子胞外聚合物分解成小分子而被微生物吸收的主要成分，一定程度上反映生物膜活性。

另外，EPS 結構組成因微生物不同而各異，按聚合物與微生物細胞的結合程度，可將污泥EPS 分為黏液層（S-EPS）、松散結合的胞外聚合物（LB-EPS）和緊密結合的胞外聚合物（TB-EPS）[6]，提取方法是根據CHENG 等[7]樣品處理方法稍加改動而獲得。

將上述步驟得到的三種粗提取EPS 過0.45 μm濾膜進行過濾，然后放置在3 500 Da 透析袋內，4 ℃下透析2 d，其間每隔8 h 換水一次。本研究將3 層胞外聚合物分別提取出來，混合均勻后檢測每份樣品的蛋白質含量、多糖含量和EPS 含量，由于試驗條件限制，EPS 含量以多糖和蛋白質含量之和粗略估算。蛋白質的測定采用改進型勞里法（Lowry），以牛血清蛋白作為標準物質[8]。多糖測定采用苯酚-硫酸法，以葡萄糖作為標準物質[9]。

2 結果與討論

2.1 污染物的沿程變化規律

從圖3（a）可知，沿著進水方向，單元格的COD 去除能力呈現明顯遞減的變化規律。其中，1 區和2 區主要承擔COD 去除功能，3 區和4 區的COD濃度有一定變化，最后兩個區域COD 濃度變化不明顯。經分析，原因可能是前兩個區微生物有充足的底物營養，活躍性較高，可以優先去除易降解的有機物。后面的幾個單元格則是通過微生物作用將難降解的有機物先轉化為易降解的小分子物質，再去除一部分有機物質。從圖3（b）可以看出，整個系統對NH3-N的去除效果很好，其中反應器的前兩個區主要承擔去除NH3-N 的任務。從1 區到3 區，NH3-N 濃度有明顯的下降，反應器后面的區域NH3-N 濃度也呈現下降趨勢。根據生物脫氮原理，好氧池發生硝化作用，其將銨離子（NH4+）與亞硝酸根離子（NO2-）轉換成硝酸根（NO3-），這是NH3-N 濃度下降的主要原因。從圖3（c）可以看出，除了6 區，ISBS 生物反應器的其他5 個區對TN 的去除能力相當。NH3-N 與TN的沿程變化規律表明，ISBS 生物反應器內，在充足的氧氣條件下，亞硝化菌與硝化菌能很好地將NH3-N轉化，去除NH3-N，而ISBS 生物反應器內生物膜的厭氧結構可能不夠豐富，造成反硝化能力不足，致使TN 依然存在于系統中。

圖3 常規污染物的沿程變化規律

2.2 DO 的沿程變化規律

ISBS 生物反應器DO 濃度沿程變化如圖4 所示。ISBS 生物反應器內，DO 濃度沿著水流方向呈現梯度式增加。1 區和2 區去除掉8 月26 日DO 濃度數據，平均DO 濃度分別為1.3 mg/L、1.9 mg/L，其余四個區域的平均DO 濃度分別為3.5 mg/L、3.9 mg/L、5.3 mg/L、5.7 mg/L。污水中的有機物和氧氣分別從生物膜的兩側進入，即兩者的濃度梯度相反，這對水解水中有機物有利[10]。ISBS 生物反應器的前端有機物濃度最大，但DO 濃度最小，而反應器后端則恰好相反，微生物生長的兩個影響因子得以相互協調和抑制，從而促使生物膜協調地生長在相對穩定的厚度范圍，既有利于污染成分的有效去除，又能減少生物膜脫落，從而產生更少的污泥。根據污染物的沿程變化規律，ISBS 生物反應器前兩個區域DO 濃度控制在1.3 ～3.5 mg/L，該工藝具有良好的脫氮性能與有機物去除能力。

圖4 DO 沿程變化規律

2.3 pH 的沿程變化規律

理論上，引起ISBS 生物反應器pH 變化的主要過程有反硝化、聚磷菌攝食磷、異氧微生物分解代謝過程產生CO2、好氧池曝氣將CO2帶離水體[11]。進水pH 基本保持在7 ～8，污水進入好氧池，pH 有所升高。ISBS 生物反應器的pH 在8.5 ～9.0 波動，比較穩定，相比原水，pH 有所升高，這是各種反應過程協同的結果。好氧池的pH 不盡相同，并不具備規律性。資料顯示，pH 保持在7.0 ～8.0，硝酸與反硝化細菌具有最強的活性，而ISBS 生物反應器幾乎所有區域pH都較高，可能會限制反硝化范圍。

2.4 脫氫酶活性

如圖5 所示，整個系統的微生物活性均保持在30 IU/g 以上，由于中試進水濃度的不確定性，微生物活性隨進水濃度呈現一定的變化，但變化不大。經微生物相比較，ISBS 生物反應器2 區的微生物活性大于5 區，原因可能是前端有機物濃度高于后端，即微生物活性與底物濃度成正比[12]。5 區位于ISBS 生物反應器后端，后端存在許多微型動物，微型動物主要攝食細菌和污泥碎塊，后端酶活性較低。微型動物的捕食作用對污泥脫氫酶活性有一定的抑制作用。2 區與5 區脫氫酶活性相差不大，經分析，原因可能是底物濃度不足，微生物會消耗自身儲存的營養進行代謝，根據內源代謝特點，污泥產生量可以得到削減。

圖5 不同樣品的脫氫酶活性

2.5 胞外聚合物

ISBS 生物反應器不同樣品的蛋白質、多糖和EPS 變化如圖6 所示。隨著系統的運行，ISBS 生物反應器前端與后端的多糖含量都呈現上升趨勢，系統環境適合微生物生長，生物膜對污泥產生量減少有促進作用。相比5 區，2 區多糖含量較高，原因可能是ISBS 生物反應器后端存在微型動物，微型動物捕食細菌，對細菌包裹的胞外聚合物進行拉扯、破壞和攝食。系統前端EPS 含量逐漸上升，尤其是最后兩次采樣，這種現象可能與系統的再啟動有關，第4 次與第5 次采樣時，系統啟動運行3 d，突然的進水沖擊可能導致生物膜活性增長，微生物吸收消耗營養底物的速度加快，胞外聚合物中有機物含量增多。除了第2 次采樣，后端幾次采樣EPS 含量只有很小的差異，EPS 總量對生物絮凝能力、沉降性能和表面負荷有重要影響，顆粒物水解能夠限制污泥減量[13]，可也從側面反映后端微型動物捕食的污泥減量能力。

圖6 不同樣品的蛋白質、多糖和EPS 含量

3 結論

ISBS 生物反應器前兩個單元格主要用于去除大部分污染物，后面的單元格則能分解難降解的大分子物質，從而使整個系統呈現優秀的污水處理能力。DO 濃度沿水流方向增加，ISBS 生物反應器的6 個區域平均DO 濃度分別為1.3 mg/L、1.9 mg/L、3.5 mg/L、3.9 mg/L、5.3 mg/L 和5.7 mg/L，當前兩個區域DO 濃度控制在1.3 ～3.5 mg/L 時，該工藝具有良好的脫氮性能與有機物去除能力。整個系統的脫氫酶活性均保持在30 IU/g 以上，ISBS 生物反應器前端的微生物活性大于后端，前端底物充足，微生物活躍性高。后端微型動物的攝食作用抑制微生物活性，使得后端細菌通過消耗自身儲存的營養進行代謝，依據內源代謝原理，污泥產生量得到削減。ISBS 生物反應器可以為不同微生物提供穩定的生長區域，使生物膜微生物量一直保持動態平衡，微生物也更加豐富，這是強化污泥減量的重要原因。