不同水力停留時(shí)間下兩級(jí)A/O-PBG/MBBR 污水脫氮性能及生物膜活性變化研究*

王 博，劉永紅，王 寧，王全紅

（西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程系，陜西 西安 710048）

我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)活動(dòng)及生活污水排放等迅 速增加導(dǎo)致河流中氮含量上升。當(dāng)水體中TN 超過(guò)0.2mg·L-1時(shí)，將會(huì)發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象，從而引起環(huán)境嚴(yán)重污染[1]。相對(duì)于現(xiàn)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，近期各地方對(duì)氮的排放指標(biāo)提出了更高的要求。與國(guó)標(biāo)一級(jí)A類(lèi)-N 出水限值5mg·L-1相比，2016 年上海地區(qū)將全市城鎮(zhèn)污水廠-N 出水限值提升為1.5 mg·L-1[2]。目前，我國(guó)大部分污水處理廠主要采用傳統(tǒng)活性污泥法（如A2/O、SBR 等）進(jìn)行脫氮，但會(huì)產(chǎn)生大量剩余污泥[3]。

為解決污水處理廠面臨污水排放標(biāo)準(zhǔn)提高，污泥處置費(fèi)用高等問(wèn)題，以多級(jí)A/O 和MBBR（移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器，Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR）為代表的新型污水處理工藝成為當(dāng)前研發(fā)重點(diǎn)領(lǐng)域之一。多級(jí)A/O 工藝是由多組缺氧和好氧串聯(lián)組成，該工藝具有運(yùn)行成本低、操作靈活等優(yōu)勢(shì)，能耗較低并能充分發(fā)揮微生物的降解功能[4]。MBBR 是通過(guò)向反應(yīng)器中投加懸浮填料，以提高整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)微生物量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)含氮污染物高效去除的污水處理工藝[5]。

在懸浮填料研究過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用聚乙烯、聚氨酯泡沫和陶粒等并實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用[6]。黃崇[7]等對(duì)西安第四污水廠利用聚乙烯K3 型填料形成MBBR 工藝處理生活污水進(jìn)行提標(biāo)改造研究，改造后工藝出水TN 濃度下降4.93~5.60mg·L-1，通過(guò)高通量測(cè)定發(fā)現(xiàn)脫氮菌屬占比提升至19.29%。近期相關(guān)研究[8]顯示，聚氨酯PBG（porous bio-gel）懸浮填料是性能優(yōu)異的親水性生物填料，對(duì)強(qiáng)化脫氮、污泥減量具有明顯效果。Lim[9]等采用聚氨酯泡沫填料（2cm×2cm×2cm）的MBBR 工藝處理低C/N 廢水，TN 去除率達(dá)到84%。目前，大量研究主要集中在聯(lián)合工藝的處理效果，對(duì)系統(tǒng)環(huán)境改變時(shí)填料生物膜變化與微生物活性變化情況研究甚少涉及。

因此，本研究將兩級(jí)A/O 工藝與移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器耦合，在好氧池投加PBG 填料，基于兩級(jí)A/O工藝與MBBR 的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，形成A/O-PBG/MBBR 工藝，研究不同HRT 工藝條件對(duì)系統(tǒng)脫氮和填料上微生物附著量、微生物類(lèi)別以及脫氫酶活性（DHA）的影響，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 工藝流程及裝置

本實(shí)驗(yàn)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 兩級(jí)A/O-MBBR 工藝流程Fig.1 Two-stage A/O-MBBR process

兩級(jí)A/O-PBG/MBBR 系統(tǒng)缺氧段與好氧段體積比為1∶2，缺氧池由2 個(gè)方形反應(yīng)器（有效容積均25L）構(gòu)成；PBG/MBBR 反應(yīng)器由2 個(gè)方形反應(yīng)器（有效容積分別為50、25L）構(gòu)成；沉淀池有效容積為12L。水力停留時(shí)間設(shè)置為15、12.5 和10h[10]。

污水進(jìn)入缺氧池自反應(yīng)器高度差流入好氧池O-I，好氧系統(tǒng)DO 控制在2~4 mg·L-1。一級(jí)A/O 池出水進(jìn)入二級(jí)A/O 池，出水在沉淀池泥水分離后，部分污泥回流至缺氧池A-I 和部分作為剩余污泥排除系統(tǒng)。

1.2 接種污泥和實(shí)驗(yàn)用水

接種污泥取自西安某高校污水站好氧池污泥，污泥濃度為5.5mg·L-1；以葡萄糖為碳源，NH4Cl 為氮源，KH2PO4為磷源人工配置進(jìn)水，COD 為300~500mg·L-1-N 為10~25mg·L-1，TN 為10~25mg·L-1，TP 為3~5mg·L-1，pH 值為7~8。

1.3 PBG 填料

山東省某公司PBG（Porous bio-gel）聚氨酯類(lèi)多孔生物凝膠填料（見(jiàn)圖2），具有良好親水性且孔隙率為98%，吸水膨脹后體積接近（20±1）mm 的正方體，密度與水接近且比表面積大于4000m2·m-3等特點(diǎn)[8]。選取前期實(shí)驗(yàn)中掛膜成熟的PBG 填料投加于好氧池，其微生物附著量達(dá)9g·L-1PBG。

圖2 空白PBG 填料實(shí)物圖（a）和SEM 圖（b）Fig.2 Solid figure（a）and SEM figure（b）of blank PBG filler

1.4 分析方法

1.4.1 常規(guī)指標(biāo)檢測(cè) COD 采用5B-3C 快速測(cè)定儀法，-N采用納氏比色法直接測(cè)定法，TN 采用堿性過(guò)硫酸鉀氧化法，pH 值采用PHS-3C 型pH 計(jì)直接測(cè)定法，DO 采用便攜式溶解氧儀法，PBG 填料上的微生物形態(tài)特征利用掃描電鏡（VEGA ⅡXMU型）與顯微鏡（光學(xué)N-180m 型）觀察。

1.4.2 填料生物附著量及生物膜DHA 檢測(cè)

PBG 生物填料附著生物量測(cè)定 從反應(yīng)器中隨機(jī)取出10 個(gè)填料放入清水中備用；隨機(jī)取10 個(gè)空白填料，仔細(xì)用清水反復(fù)清洗沖洗揉捏，清除內(nèi)部可能存在的雜質(zhì)物質(zhì)；將清洗干凈的空白填料與已掛膜的填料放入65℃的烘箱至烘干，然后放入干燥器冷卻至常溫，對(duì)填料進(jìn)行稱(chēng)重計(jì)算。

DHA 采用TTC（2，3，5-氯化三苯基四氮唑）比色法測(cè)定，根據(jù)吸光度數(shù)據(jù)計(jì)算DHA 含量[11]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同HRT 下兩級(jí)A/O-PBG/MBBR 工藝主要污染物的去除效果

2.1.1 COD 的去除效果 HRT 為15、12.5 和10h時(shí)，工藝對(duì)COD 的去除效果見(jiàn)圖3。

圖3 COD 的去除效果Fig.3 Removal effect of COD

由圖3 可見(jiàn)，工藝運(yùn)行期間，系統(tǒng)進(jìn)水COD 在300~500mg·L-1之間，平均出水COD 濃度為42.6mg·L-1，去除率穩(wěn)定在85%以上。HRT 為15、12.5 和10 h時(shí)，COD 平均去除率分別為89.4%、92.0%和89.2%，平均出水COD 濃度分別為43.7、36.2 和48.0 mg·L-1。當(dāng)HRT 為12.5h 后，COD 去除率變化緩慢且趨于穩(wěn)定。

圖4 -N 的去除效果Fig.4 Removal effect of -N

2.1.3 TN 的去除效果 HRT 為15、12.5 和10 h時(shí)，工藝對(duì)TN 的去除效果見(jiàn)圖5。

圖5 TN 的去除效果Fig.5 Removal effect of TN

由圖5 可見(jiàn)，整個(gè)工藝系統(tǒng)進(jìn)水TN 濃度在10~25 mg·L-1之間，平均出水TN 濃度為3.32 mg·L-1，平均去除率為85.4%。HRT 為15、12.5 和10h 時(shí)，TN平均去除率分別為88.3%、90.7%和82.2%，平均出水TN 濃度為2.86、2.29 和4.43 mg·L-1。

綜上所述，本工藝在HRT 為12.5h 時(shí)，對(duì)有機(jī)物及含氮物質(zhì)去除效果最佳。HRT 調(diào)控階段，-N去除率波動(dòng)較小，但對(duì)TN 影響較大。這是因?yàn)橄到y(tǒng)TN 去除主要通過(guò)缺氧池的反硝化反應(yīng)和好氧池填料的同步硝化反硝化作用（Simultaneous nitrification and denitrification，SND）。HRT 為10h 時(shí)，系統(tǒng)TN 去除效果明顯下降，這是由于污水停留時(shí)間過(guò)短使微生物與底物接觸時(shí)間不足難以將其降解。在此過(guò)程中，HRT 降低會(huì)阻礙有機(jī)物與生物膜傳質(zhì)，反硝化過(guò)程受限，造成TN 去除效果下降。

PBG 填料的特點(diǎn)在于可形成外部好氧、表面缺氧以及內(nèi)部厭氧的生態(tài)系統(tǒng)，這為SND 反應(yīng)提供有利場(chǎng)所，每個(gè)填料類(lèi)似一個(gè)微型反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)含氮物質(zhì)的高效降解[12]。調(diào)控HRT 會(huì)引起系統(tǒng)水力負(fù)荷、進(jìn)水流量等條件變化，影響微生物生長(zhǎng)繁殖，導(dǎo)致生物膜脫落等情況的發(fā)生。對(duì)比蔣士龍[10]運(yùn)用多級(jí)A/O 工藝進(jìn)行生活污水處理研究，系統(tǒng)在HRT 為13和19 h 階段對(duì)-N和TN 的去除率分別為98%和78%。本實(shí)驗(yàn)采用PBG 填料有利于維持微生物系統(tǒng)的穩(wěn)定，在HRT 為12.5 h 階段對(duì)TN 的去除率達(dá)90.7%，有效提高系統(tǒng)對(duì)TN 的去除能力。

2.2 不同HRT 下PBG 填料生物膜活性變化

調(diào)控工藝參數(shù)時(shí)，填料生物附著量和生物膜DHA 活性也隨之變化。而生物膜附著、增加和脫落對(duì)生物膜功能和MBBR 工藝具有重要意義，污水中有機(jī)物質(zhì)的去除是依靠微生物多種酶催化氧化還原反應(yīng)將其分解，脫氫酶能使被氧化的有機(jī)物氫原子活化并傳遞給特定的受氫體，生物膜DHA 含量可以反應(yīng)生物系統(tǒng)活性[13]。HRT 為15、12.5 和10 h 條件下，PBG 填料平均生物附著量及生物膜DHA 變化見(jiàn)表1。

表1 不同HRT 條件PBG 填料平均生物附著量及生物膜DHA 變化Tab.1 Average bioadhesion of PBG fillers and biofilm DHA changes under different HRT conditions

由表1 可見(jiàn)，O-I 中填料平均生物附著量隨HRT 的減小而降低，生物膜DHA 隨HRT 的減小而升高；O-II 中填料平均生物附著量隨HRT 的減小而明顯降低，生物膜DHA 隨HRT 的減小而降低。

在HRT 減小期間，O-I 填料平均生物附著量變化較小，而O-II 填料生物膜脫落量達(dá)21.6%~41.5%。這是因?yàn)镺-I 中微生物優(yōu)先利用污水中有機(jī)物進(jìn)行增殖代謝；二級(jí)A/O 進(jìn)水底物濃度減小，無(wú)法滿(mǎn)足大量微生物生存需求。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷較低時(shí)，生物膜內(nèi)部微生物得不到足夠營(yíng)養(yǎng)而死亡，生物膜容易解體脫落[13]。

從O-I 系統(tǒng)看出，當(dāng)填料生物膜量接近時(shí)，3 個(gè)階段中填料生物膜DHA 含量差距較大。因此，生物膜量高不代表生物活性也較高。陳勝[14]發(fā)現(xiàn)在生物膜增長(zhǎng)過(guò)程中，非活性物質(zhì)積累量也在增加。從O-II 系統(tǒng)看出，調(diào)控HRT 對(duì)O-II 中填料影響較大，填料生物附著量和生物膜DHA 隨HRT 的減小而降低。生物膜DHA 含量會(huì)隨外界環(huán)境發(fā)生改變，當(dāng)系統(tǒng)基質(zhì)過(guò)多或微生物總量過(guò)少時(shí)，DHA 含量會(huì)升高；當(dāng)系統(tǒng)基質(zhì)過(guò)少或微生物量過(guò)多時(shí)，DHA 呈降低趨勢(shì)。在進(jìn)水基質(zhì)含量一定的情況下，完全降解這些基質(zhì)所產(chǎn)生的脫氫酶活性是一定的[15]。

從O-I 和O-II 系統(tǒng)變化發(fā)現(xiàn)，在HRT 為15h時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)生物總量達(dá)到最大值，但系統(tǒng)脫氮效果未達(dá)到最佳狀態(tài)；在HRT 為10h 時(shí)，填料生物膜DHA 含量達(dá)最大值，但系統(tǒng)脫氮效果最差。結(jié)合圖4、5 發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)脫氮效果隨HRT 的減小先升高后降低。當(dāng)HRT 為12.5h 時(shí)，填料生物附著量和生物膜DHA 含量均處于最高水平，系統(tǒng)的脫氮效果最佳。

劉永紅[8]等運(yùn)用多級(jí)A/O 耦合PBG/MBBR 工藝進(jìn)行生活污水處理研究，在HRT 為18h 時(shí)，投加PBG 填料系統(tǒng)比活性污泥系統(tǒng)TN 去除率達(dá)到74%。可以看出，適宜的HRT 條件有利于PBG/MBBR 系統(tǒng)脫氮。

2.3 PBG 填料的SEM 表征

為分析工藝在HRT 為12.5h 運(yùn)行階段PBG 填料中微生物富集情況，采用掃描電鏡對(duì)O-I 和O-II系統(tǒng)中填料表面和剖面進(jìn)行觀察測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 O-Ⅰ和O-Ⅱ系統(tǒng)中PBG 填料的SEM 圖Fig.6 SEM images of PBG filler in O-I and O-II systems

由圖6 可見(jiàn)，兩級(jí)A/O-PBG/MBBR 工藝在12.5h 運(yùn)行期間，PBG 填料表層和內(nèi)層均附著了大量絲狀菌、球菌等微生物，并觀察到生物膜中微生物數(shù)量多且種類(lèi)豐富，出現(xiàn)了大量原生動(dòng)物和后生動(dòng)物，如獨(dú)縮蟲(chóng)、鐘蟲(chóng)、輪蟲(chóng)和線蟲(chóng)等，說(shuō)明PBG/MBBR系統(tǒng)內(nèi)形成了較長(zhǎng)的生態(tài)食物鏈。工藝中使用的PBG 填料，其特有的多孔空間結(jié)構(gòu)有利于微生物附著生長(zhǎng)，提升了整個(gè)系統(tǒng)的微生物量，豐富的微生物種群可以利用污水中的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)和增殖，多種微生物協(xié)同作用，消化代謝系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物和含氮物質(zhì)[12]。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)采用在多級(jí)A/O 工藝的好氧區(qū)投加PBG 填料形成兩級(jí)A/O-PBG/MBBR 反應(yīng)器處理模擬生活污水，系統(tǒng)在HRT 為12.5 h 時(shí)，脫氮效果最佳，對(duì)-N的平均去除率為97.1%，對(duì)TN 的平均去除率為90.7%，運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)PBG 填料具有較強(qiáng)的微生物富集能力，相比于傳統(tǒng)活性污泥可以有效提高系統(tǒng)TN 去除能力。

（2）填料生物附著量和生物膜DHA 含量隨HRT 調(diào)控發(fā)生變化。HRT 調(diào)控會(huì)引起填料生物附著量和DHA 含量變化，而這些因素與系統(tǒng)脫氮過(guò)程相互影響、相互制約，工藝中適宜的HRT 有利于系統(tǒng)脫氮。