三段式硝化型生物接觸氧化反應器的啟動及特性

張 淼，彭永臻*，王 聰，汪傳新，薛曉飛，龐洪濤（.北京工業(yè)大學北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室，北京 004；.北京北控水務（中國）投資有限公司，北京 004）

三段式硝化型生物接觸氧化反應器的啟動及特性

張 淼1，彭永臻1*，王 聰1，汪傳新1，薛曉飛2，龐洪濤2（1.北京工業(yè)大學北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室，北京 100124；2.北京北控水務（中國）投資有限公司，北京 100124）

采用實際生活污水，研究了三段式串聯的硝化型生物接觸氧化反應器的掛膜啟動及各段的硝化特性.試驗結果表明:利用中間沉淀池出水作為生物接觸氧化反應器的進水進行自然掛膜，在無需投加接種污泥的情況下，20d掛膜成熟，NH4+-N的去除率達到98%以上.反應器中隨著沿程推流，三段的生物量和生物膜厚度逐漸降低，最大的生物量和生物膜厚度分別為1271.25mg/L和119.45μm.分析各段的硝化特性，發(fā)現三段在低溫15℃條件下仍具有較高的比硝化速率，并且在同一溫度下（15，23，32℃），第2、3段的比硝化速率均大于第1段.針對上述現象，根據比耗氧速率SOUR粗略估計了AOB和NOB在各段中的相對比例.3段AOB的百分比分別為（25.64+4.89）%， （34.59+5.02）%，（42.50+1.57）%，而NOB的百分比為（23.52+3.35）%， （39.65+4.26）%， （40.69+2.19）%. 此外，系統運行125d的FISH結果表明，3段的微生物菌群分布確實存在差異.與第1段相比，后2段的AOB和NOB更容易成為優(yōu)勢菌.

生物接觸氧化反應器；生物膜；比硝化速率；比耗氧速率；啟動；熒光原位雜交（FISH）

近年來，隨著新型填料的開發(fā)和應用，生物膜工藝成為城市污水處理中的研究熱點，并且在發(fā)展過程中衍生出了多種變形工藝［1］.AAO-BAF（Anaerobic Anoxic Oxic-Biological Aerated Filter）工藝正是典型的泥膜結合的雙污泥處理系統，該工藝將硝化過程從AAO中分離出去，成功解決了傳統工藝中各菌群間的競爭性矛盾；尤其是在低C/N比條件下利于反硝化聚磷菌DPAOs成為優(yōu)勢菌，實現了碳源的高效利用，污泥產率低，運行效果穩(wěn)定［2-3］.但由于BAF對SS的截留作用使其易堵塞［4］，存在水頭損失，需定期的反沖洗［5］，同時對風壓要求高，運行管理復雜等問題限制了其進一步的推廣應用.

生物接觸氧化（BCO）兼有活性污泥法和生物膜法的特點，主要是在池內設置填料，從池底曝氣使其處于流動狀態(tài)，從而保證污染物、微生物、氧氣三者的充分接觸.其具有處理負荷高、抗沖擊能力強、不易堵塞、勿需反沖洗、運行穩(wěn)定、維護管理簡單［6-7］等優(yōu)點，正逐步應用于實驗室和大規(guī)模的污水處理及改造系統［8］.本研究提出了一種3段式硝化型生物接觸氧化反應器，并在此基礎上形成一種新型的AAO-生物接觸氧化耦合工藝.

由于填料在生物接觸氧化反應器中處于流化狀態(tài)，會不斷受到水流和氣體的擾動［9］，所以生物接觸氧化反應器的啟動，特別是懸浮填料上能否成功掛膜是整個系統運行的前提和關鍵.目前許多學者關于填料掛膜方式的選擇仍存在分歧［10-14］，特別是在實際工程應用中，尋求更便捷更有效的掛膜方式顯得尤為重要.啟動周期、處理效能、生物膜特性等是表征生物膜系統的重要參數［11］，AAO-生物接觸氧化作為一種新型改進工藝，目前尚未進行大規(guī)模的推廣應用，如何實現生物接觸氧化反應器快速啟動和參數優(yōu)化具有十分重要的研究意義.此外，生物接觸氧化反應器中這種完全混合式與推流式相結合的運行模式對沿程三段性能的影響尚不明確.本研究以實際生活污水為處理對象，以AAO-生物接觸氧化工藝為研究主體，著重考察生物接觸氧化反應器的掛膜和啟動過程，并探索串聯3段的硝化特性以及微生物特性，以期為實際工程的應用管理提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

AAO-生物接觸氧化工藝主要由A2O反應器、中間沉淀池、生物接觸氧化反應器順序連接組成，系統裝置見圖1.A2O反應器與生物接觸氧化反應器設有密閉隔板使兩者隔離，A2O反應器的出水進入中間沉淀池，完成泥水分離后，上清液經中間進水泵進入生物接觸氧化反應器，沉淀污泥回流到A2O反應器的厭氧區(qū)；含有氨氮的上清液在生物接觸氧化反應器3格內沿程推流，完成氨氮的氧化，硝化液經斜板沉淀后回流到A2O反應器的缺氧區(qū).

圖1 AAO-生物接觸氧化工藝裝置示意Fig.1 Schematic diagram of the AAO-BCO process

生物接觸氧化反應器3格串聯，分別記為N1，N2，N3，總有效容積24L，內設聚丙烯懸浮填料，填充率為45%；平均氨氮負荷0.24～0.45kg N/（m3·d），總氣量為0.18～0.24m3/h，該階段主要完成氨氮的氧化，硝化液回流比200% ～ 300%.

1.2 污水水質及接種污泥

試驗用水取自某大學化糞池的實際生活污水，水質情況見表1，屬于典型的低C/N污水.反應器的接種污泥取自校園處理生活污水的中試SBR裝置，污泥具有正常的脫氮除磷功能，且沉降性能良好.

1.3 填料特性及掛膜方式

填料是微生物賴以棲息的場所，填料的選擇對微生物的生長、繁殖以及生物膜形態(tài)等至關重要［12］.此外，填料的掛膜特性不僅影響硝化效果，而且與基建費用［13］、運行成本等密切相關.綜合上述考慮，本試驗選用江蘇裕隆環(huán)保有限公司生產的高活性懸浮生物填料，主要材質為聚丙烯，其表面粗糙度大，密度略低于水，可在水中處于懸浮狀態(tài).圓柱體中心呈網格結構，比表面大，較大的孔隙率使其在運行過程中不堵塞，并具有良好的通氣、過水特性，且價格低廉.填料的具體性能見表2.

表1 試驗進水水質Table 1 Characteristics of influent wastewater

表2 懸浮填料特性Table 2 Characteristics of suspended carriers

生物接觸氧化反應器中生物膜的培養(yǎng)采用的是以中間沉淀池出水作為進水的自然掛膜［14］方式.將填料按一定的填充率投加，同時將實際生活污水泵入反應器，開始以2L/h的初始流量連續(xù)進水，待出水濃度接近于零，去除率保持穩(wěn)定后，逐步加大進水流量到設計值.在這個過程中，溶解氧DO充足，以保證填料處于流化狀態(tài)，并使其與底物充分接觸.

1.4 常規(guī)項目監(jiān)測

1.5 硝化特性的批次試驗

將生物接觸氧化反應器內3個格室的填料取出，按照反應器內的填充比，對各格室分別進行比硝化速率（SNUR）及比耗氧速率（SOUR）的測定.其中比硝化速率主要考察了15， 23， 32℃ 3個不同溫度的影響，而其他試驗條件保持相同.采用NH4Cl配水，初始濃度20mg/L左右，溶解氧充足，pH值控制在7.5.間隔10min取樣，檢測、、濃度隨時間的變化，最后根據生物量計算比硝化速率.

比耗氧速率的測定通過投加烯丙基硫脲（ATU）和NaClO3選擇性的抑制氨氧化菌AOB和亞硝酸鹽氧化菌NOB的活性［18］.試驗分3組同時進行，第1組投加NaClO3（0.02mol/L），第2組投加ATU（5mg/L），第3組不投加任何抑制劑，根據公式（1）（2）分別計算AOB、NOB以及異養(yǎng)菌在3段中的相對比例.試驗條件采用配水，水溫23.8℃，初始COD為20mg/L（乙酸鈉）濃度10mg/L，濃度5mg/L.配水完成后對溶液充氧，使DO飽和或接近飽和，然后加入填料，在密閉容器中監(jiān)測DO濃度隨時間t的變化，再根據生物量計算比耗氧速率.

式中: SOURT， SOURH為總比耗氧速率，異養(yǎng)菌比耗氧速率， mgO2/（gMLSS·h）； SOURAOB，SOURNOB為AOB、NOB比耗氧速率， mgO2/（gMLSS·h）.

2 結果與討論

2.1 生物接觸氧化反應器的掛膜啟動

掛膜期間水溫20～25℃，啟動過程分3個階段，前7d進水流量為2L/h，待去除率保持穩(wěn)定后，加大進水流量為3L/h，再經過7d后，出水濃度趨于零，此時將流量加大為4L/h.初投反應器的填料是白色，到啟動的第4d，填料顏色轉為淡黃，但是肉眼觀察不到生物膜，1周后，填料表面出現點狀、片狀的黃褐色黏膜.填料粗糙的表面和較大的比表面積，為微生物的附著生長提供了棲息空間，同時較大的孔隙率有利于提高傳質效率，便于生物膜的形成.反應器啟動15d后，刮下部分生物膜鏡檢，可觀察到鐘蟲、纖毛蟲等原生動物以及少量的輪蟲、線蟲等微型后生動物，生物相較豐富，表明填料上的生物膜已形成一個相對完整的體系.

圖2 啟動過程中去除效果Fig.2 The performance ofduring the start up process

根據啟動結束拍攝的掃描電鏡照片（圖3）也可以看出，生物膜形態(tài)飽滿致密，微生物菌群以球菌、桿菌為主，并且球菌的比例較高，附著生長在填料內表面，并伴有少量絲狀菌、螺旋菌和累枝蟲出現.絲狀菌的出現有利于形成生物膜骨架，為其他微生物的附著提供棲息繁殖的環(huán)境［16］，而累枝蟲可作為水質澄清良好的指示性生物，在一定程度上標志著填料掛膜的成熟.

圖3 填料掛膜成熟時SEM圖片Fig.3 The SEM images of the mature biofilm

2.2 生物膜特性

圖4給出了在啟動過程中，生物接觸氧化反應器內填料上的生物量和生物膜厚度隨掛膜時間的變化情況.由于生物接觸氧化反應器3格的混合液濁度均比較低（NTU＜15），平均SS含量在20 ～ 30mg/L，僅占總生物量的2% ～ 4%，所以計算生物量時忽略了混合液中SS的含量.可以發(fā)現3段的生物量梯度降低，即第1段最高，第2段次之，第3段最低.啟動的第5d到第20d，第1段的MLSS從699.71mg/L上升為1271.25mg/L，第2段從465.32mg/L上升為989.15mg/L，第3段從345.41mg/L上升為698.92mg/L，到掛膜第15d，3段的生物量已基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，平均MLSS分別為1032.59， 756.47， 563.79mg/L.這是因為隨著反應器沿程推流，氨氮濃度逐漸降低，底物濃度限制了微生物的生長.對于傳統活性污泥法，普通好氧池的平均MLSS基本在3000mg/L左右［21］，相比之下，本反應器中的生物量大大減少，僅為前者的1/3 ～ 1/4，節(jié)約曝氣量，污泥產率低，不存在污泥膨脹，一定程度上緩解了污泥處置和能耗問題，同時降低了運行費用.

圖4 啟動過程中生物量和生物膜厚度的變化Fig.4 The variations of MLSS and biofilm thickness during the start up process

相應地，3段的生物膜厚度與生物量呈現了相似的變化規(guī)律，生物膜厚度隨著生物量的增長而增加，從第5d的61.85， 56.23， 44.77μm增大為第20d的119.45， 97.97， 82.30μm，3段的平均生物膜厚度分別為116.09， 83.3， 67.54μm. Manser等［22］采用激光散射法考察了MBR和CAS（傳統活性污泥法）系統中的污泥絮體的粒徑，研究表明:污泥絮體的大小直接影響硝化過程中基質的擴散和傳質，并且通過對比兩個系統中污泥粒徑發(fā)現，與CAS系統相比，MBR系統的平均粒徑范圍130 ～ 240μm，對底物具有較強的親和力.本試驗中生物接觸氧化反應器的平均生物膜厚度僅為60 ～ 120μm，生物膜更薄，便于硝化過程的傳質，為氨氮的高效氧化奠定了基礎.

2.3 生物膜系統的硝化特性

2.3.1 比硝化速率 由于AOB和NOB的最適生長溫度存在一定的差別，溫度發(fā)生變化時會導致這兩類微生物生長速率的變化，因此硝化菌對溫度很敏感［23-24］.近年來，有研究報道溫度的變化還會引起AOB菌群數量的改變［25］，溫度不但影響硝化菌的比增長速率，而且影響硝化菌的活性，所以溫度是影響比硝化速率的一個重要因素.

由圖5可知，隨著溫度升高，3段的比硝化速率均呈上升趨勢.溫度為15℃時， 3段的比硝化速率分別為7.62，12.69，12.45mg N/（gMLSS·h）；而溫度為32℃時， 3段的比硝化速率增大為16.17，23.68，24.32mg N/（gMLSS·h）.楊敏等［26］采用SPR-1型懸浮填料（與本論文填料性能相似）在低溫條件下對不同填充率的比硝化速率研究表明，溫度為15.6℃，40%填充率下的比硝化速率為6.82mg N /（gMLSS·h），而本系統在相同條件下，最高比硝化速率可達上述的2倍.因此，該工藝尤其在低溫季節(jié)、氨氮負荷較高、占地面積有限的情形下具備潛力和優(yōu)勢，同時也為現有污水處理廠的升級改造提供了思路［27］.

對于同一段而言，23℃的比硝化速率是15℃的1.52倍，32℃的比硝化速率是15℃的1.98倍，因此在15℃～32℃范圍內，溫度越高，硝化菌的活性越高，對氨氮的氧化越有利，這與許多現有的研究報道一致.Zhang等［28］研究了溫度T對硝化動力學的影響，并給出了溫度與最大比降解速率μ之間的關系（3），由此可計算3段的溫度修正系數θ分別為1.045±0.008、1.038±0.011、1.041±0.011，與其研究結論（θ=1.109～1.119）相比數值偏低.說明溫度的突然升高或突然降低，對系統中比硝化速率的影響不會特別顯著，因此抗沖擊性強.

此外，在同一溫度下（15℃、23℃、32℃），第2、3段的比硝化速率均大于第1段，即第1段雖然生物量最高，對的去除率最大，但比硝化速率卻是最小的，相反，生物量相對較低的第2、3段的比硝化速率較高.后2段的比硝化速率相差不大很好理解，因為隨著沿程推流，氨氮的濃度逐漸降低，3段的平均氨氮負荷也呈下降趨勢，分別為（0.60±0.12），（0.48±0.08），（0.06±0.02）kg N/（m3·d），進入第3段的氨氮濃度已經很低，因此該段的比硝化速率與第2段相比沒有太大提升.對于第1的反?，F象，可能是微生物菌群與后2段區(qū)別較大導致，但由于生物量較高，整體體現出了較高的去除率.

圖5 生物接觸氧化反應器中3段在不同溫度下的比硝化速率Fig.5 The SNUR of three stages at different temperatures in BCO reactor

2.3.2 比耗氧速率 比耗氧速率SOUR是表征微生物生理狀態(tài)和代謝活性的重要指標，在許多時候可以用來粗略指示活細胞的數量［29］，并且該方法簡單易行，操作方便.圖6給出了生物接觸氧化反應器中N1，N2，N3分別投加ATU、NaClO3和未投加抑制劑3種情況下的SOUR，R2均在0.95以上，擬合相關性較好（表3）.活性污泥法的SOUR通常為8 ～ 20mg O2/（gMLSS·h），而本系統的測量值普遍高于此范圍，表明微生物有較好的代謝活性.

表3 生物接觸氧化反應器中3段的比耗氧速率Table 3 The SOUR at three stages in BCO reactor

圖6 生物接觸氧化反應器中3段比耗氧速率和菌群數量的對比Fig.6 The comparison of SOUR and bacterial percentage at three stages in BCO reactor

從整體趨勢上看，第1段的SOURH+ SOURAOB和SOURH+ SOURNOB基本相等，說明AOB和NOB比例相當；第2段和第3段的變化規(guī)律相似，SOURT和SOURH+ SOURAOB相差不大，即SOURNOB所占比例較小.計算結果表明生物接觸氧化反應器串聯3段的AOB和NOB的相對比例確實存在較大差異，其中3段AOB的相對比例分別為25.69%，52.61%，56.55%，而NOB的相對比例為19.99%， 10.35%，11.54%，即硝化菌總比例為45.68%， 62.96%，68.09%.說明與第1段相比，后2段的硝化菌含量較高，因此出現了2.3.1中第2、3段比硝化速率大于第1段的現象.

在整個AAO-生物接觸氧化系統中，雖然進入生物接觸氧化反應器的可降解COD已所剩不多，在這里主要進行氨氮的氧化，但填料上會不可避免的存在異養(yǎng)菌，尤其是第1段的異養(yǎng)菌比例相對較高，然而經過第1段的篩選，第2、3段更利于硝化菌的生長.由于在啟動初期AOB比NOB的增殖速度快［30］，使得第2、3段中AOB占據了絕大比例（運行期間系統平均亞硝積累率33.73% ～ 47.45%）.隨著系統連續(xù)運行的不斷淘洗，AOB和NOB在生物接觸氧化反應器各段中的相對比例可能會發(fā)生變化，但是可以確定的是硝化菌含量會越來越高.

2.4 生物膜系統的微生物特性

圖7 生物接觸氧化反應器中3段AOB的FISH檢測結果Fig.7 The FISH results of AOB at three stages in BCO reactor

圖8 生物接觸氧化反應器中3段NOB的FISH檢測結果Fig.8 The FISH results of NOB at three stages in BCO reactor FITC標記EUBmix，目標為Eubacteria；Cy3標記NSO1225，目標為β-AOB； Cy3標記NIT3，目標為Nitrobacteria

在系統連續(xù)運行125d，從反應器3格N1，N2，N3分別取出生物膜樣品，采用FISH方法對AOB和NOB進行定量分析.如圖7、圖8所示，從第1段到第3段，AOB和NOB占總菌數的百分比均呈上升趨勢，其中3段AOB占總菌數的百分比分別為（25.64±4.89）%，（34.59±5.02）%，（42.50± 1.57）%，而NOB的百分比為（23.52± 3.35）%，（39.65±4.26）%， （40.69±2.19）%.說明與第1段相比，后2段的AOB和NOB已成為明顯的優(yōu)勢菌.基于以上分析，可得出結論:這種3段式的串聯運行方式，可實現硝化菌的篩選和富集，并且推流過程環(huán)境的變化會導致微生物空間分布的差異.

基于3段式生物接觸氧化反應器的啟動和特性研究，對工程實踐具有重要的指導意義:抗沖擊能力強，可實現對低溫條件、高氨氮廢水的穩(wěn)定運行；為工藝參數的優(yōu)化提供參考，第1段可相對縮小容積，盡可能的充分發(fā)揮后2段的硝化作用；系統中AOB和NOB易成為優(yōu)勢菌，硝化效果穩(wěn)定；無需反沖洗，節(jié)能降耗，運行管理方便，適合污水處理廠的升級改造.

3 結論

3.1 采用實際生活污水，利用中間沉淀池出水作為生物接觸氧化反應器的進水進行自然掛膜，生物接觸氧化反應器無需投加接種污泥20d掛膜成熟的去除率達到98%以上.填料表面的生物膜飽滿致密，微生物菌群以球菌、桿菌為主.整個啟動過程無需反沖洗，掛膜速度較快，對氨氮具有徹底高效的去除效果.

3.2 反應器中隨著沿程推流，3段的生物量和生物膜厚度逐漸降低，最大的生物量和生物膜厚度分別為1271.25mg/L和119.45μm.生物量僅為傳統活性污泥法的1/3～1/4，一定程度上緩解了污泥處置和能耗問題，同時較薄的生物膜為氨氮的高效氧化奠定了基礎.

3.3 在15℃～32℃范圍內，溫度越高，比硝化速率越大，并且生物接觸氧化反應器的3段在低溫15℃條件下仍具有較高的比硝化速率；在同一溫度下，第2、3段的比硝化速率均大于第1段.此外，溫度修正系數θ的求解反映出生物接觸氧化反應器具有較好的抗沖擊性.

3.4 生物接觸氧化反應器中SOUR與FISH的試驗結果均表明，三段的微生物菌群分布確實存在差異.與第1段相比，后2段的AOB和NOB更容易成為優(yōu)勢菌.因此這種三段式的串聯運行方式，可實現硝化菌的篩選和富集，并且推流過程環(huán)境的變化會導致微生物空間分布的差異.

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The start-up and characterization of a three-stage nitrification biological contact oxidation reactor.

ZHANG Miao1，PENG Yong-zhen1*， WANG Cong1， WANG Chuan-xin1， XUE Xiao-fei2， PANG Hong-tao2（1.Key laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment recovery engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China；2.Beijing Enterprises Water Group （China） Investment Limited， Beijing 100124， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：101～109

The start-up and characterization of a three-stage nitrification biological contact oxidation reactor were studied using actual sewage. The experimental results showed that by using the intermediate sedimentation tank effluent as influent for the biofilm incubation in biological contact oxidation reactor， the biofilm matured within 20 day without additional inoculation sludge， and the NH4+-N removal efficiency reached above 98%. The biomass and biofilm thickness of three stages gradually decreased in the flow direction， and the highest biomass and biofilm thickness were 1271.25mg/L and 119.45 μm respectively. By analyzing the nitrifying characteristics， the results revealed that the three stages had higher specific nitrification uptake rate （SNUR） even at low temperature of 15℃， and the second and third stages were both higher than the first stage at the same temperature （15， 23， 32℃）. In view of the above phenomenon， the ammonia oxidizing bacteria （AOB） and nitrite oxidizing bacteria （NOB） ratio in each stage were roughly estimated according to the specific oxygen uptake rate （SOUR）. The AOB of three stages were （25.64+4.89）%， （34.59+5.02）% and（42.50+1.57）% while the NOB were （23.52+3.35）%， （39.65+4.26）%， （40.69+2.19）% respectively. In addition， the fluorescence in situ hybridization （FISH） results derived on day 125after initial operation showed that the bacterial distribution of three stages do exist differences.The AOB and NOB were more dominant in the second and third stages，compared to the first stage.

biological contact oxidation reactor；biofilm；specific nitrification uptake rate；specific oxygen uptake rate；start-up；fluorescence in situ hybridization （FISH）

X703.5

A

1000-6923（2015）01-0101-09

張 淼（1989-），女，江蘇徐州人，北京工業(yè)大學博士研究生，主要從事污水生物處理理論與應用研究.

2014-04-09

國家”863”計劃項目（2012AA063406）；北京市科技計劃項目（D12110900010000）

* 責任作者， 教授， pyz@bjut.edu.cn