基于ISBS 生物反應(yīng)器的剩余污泥減量研究

張婷婷，謝海燕，張芳袁

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所國家荒漠-綠洲生態(tài)建設(shè)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(chǎn)物，其成分復(fù)雜，既包括致癌致畸致基因突變的難降解有機(jī)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(tǒng)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(zhǎng)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(tǒng)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(shù)的研究方向主要有兩種，一是填料優(yōu)化，二是開發(fā)生物膜組合工藝或者研發(fā)新的反應(yīng)器。蜂窩式固定床生物反應(yīng)器（ISBS）是課題組前期以污泥減量為目標(biāo)設(shè)計(jì)的，其能實(shí)現(xiàn)微生物高濃度負(fù)載，微生物分區(qū)段排布：將高濃度的、可自我調(diào)節(jié)的、具有協(xié)同功效的菌群按污水流進(jìn)的方向固定在不同載體上，污水不用回流，從而使每個(gè)載體上的微生物能夠單元化地、專一地處理污水。這種設(shè)計(jì)不會(huì)造成菌種快速漲落而出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，污泥產(chǎn)生量也大大降低。前期試驗(yàn)結(jié)果顯示，在工藝運(yùn)行的55 d 內(nèi)，ISBS 生物反應(yīng)器每處理1 萬t 廢水，產(chǎn)生0.36 t 剩余污泥（濕污泥）。本文將ISBS 生物反應(yīng)器應(yīng)用于中試，分析化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）和鹽分等常規(guī)指標(biāo)的沿程變化規(guī)律，考察反應(yīng)器單元格的污水處理效能并探索微生物的生長(zhǎng)環(huán)境，從脫氫酶活性和胞外聚合物（EPS）兩方面討論反應(yīng)器與污泥減量的聯(lián)系，全面系統(tǒng)的研究可以為ISBS 生物反應(yīng)器處理醫(yī)藥廢水提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)裝置與運(yùn)行

如圖1 所示，ISBS 生物反應(yīng)器是由多階段工藝技術(shù)單元、系統(tǒng)和設(shè)備構(gòu)成的綜合體系，反應(yīng)器的尺寸為10.5 m×3.2 m×2.4 m，總?cè)莘e為80 m3，反應(yīng)器主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)選擇的是環(huán)氧涂層鋼（RST37-2），功能區(qū)設(shè)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(yīng)器由6 個(gè)區(qū)域組成，每個(gè)區(qū)域都填充多層惰性載體，它屬于連續(xù)流生物反應(yīng)器，配備固定生物質(zhì)和特定空氣擴(kuò)散系統(tǒng)，攪拌效果良好。試驗(yàn)填料采用三維特有編織結(jié)構(gòu)的聚酰胺生物載體，用于取樣的載體長(zhǎng)為30 cm，寬為22 cm，具有較大的比表面積，載體凈質(zhì)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?jī)膳盘盍祥g隔11 cm 左右。

圖1 ISBS 生物反應(yīng)器

圖2 惰性載體

1.2 采樣和分析方法

1.2.1 采樣

每日監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)，從系統(tǒng)的進(jìn)水口和出水口分別采樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期，每隔3 d 進(jìn)行一次生物膜特征和細(xì)菌種群分析。以ISBS 生物反應(yīng)器前端與后端作為比較對(duì)象，分別從2 區(qū)與5 區(qū)設(shè)置的采樣載體中剪取50 g 左右的生物膜，用200 mL 蒸餾水對(duì)其反復(fù)沖刷，收集沖刷液，取兩滴于載玻片上并立即進(jìn)行鏡檢。其余沖刷液分別裝入兩個(gè)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(hào)由采樣次序與區(qū)域編號(hào)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(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定混合液懸浮物（MLSS）、硝態(tài)氮（NO3-N）、TN、COD 和總磷（TP）。DO 測(cè)定使用溶解氧快速測(cè)定儀，鹽分測(cè)定使用鹽分快速測(cè)定儀，pH 測(cè)定使用pH 快速測(cè)定儀。

1.2.2 生物脫氫酶活性分析方法

微生物對(duì)污水中污染物的降解主要是依靠微生物體內(nèi)各種酶催化作用下的生物氧化反應(yīng)，脫氫酶尤為關(guān)鍵。脫氫酶活性既可以表征廢水中有機(jī)物降解活性的強(qiáng)弱，又能表征污泥的活性。試驗(yàn)脫氫酶活性采取脫氫酶試劑盒測(cè)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(xì)胞與胞外聚合物（EPS）組成。胞外聚合物由細(xì)胞產(chǎn)物、分解產(chǎn)物、從污泥中吸附的有機(jī)物質(zhì)等組成，其主要成分為蛋白質(zhì)和多糖，與污泥源頭息息相關(guān)[4]。COLLIVIGNARELLI 等[5]首次確定污泥產(chǎn)量與胞外聚合物的組分相關(guān)，后續(xù)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(zhì)中的胞外酶是促進(jìn)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(jié)構(gòu)組成因微生物不同而各異，按聚合物與微生物細(xì)胞的結(jié)合程度，可將污泥EPS 分為黏液層（S-EPS）、松散結(jié)合的胞外聚合物（LB-EPS）和緊密結(jié)合的胞外聚合物（TB-EPS）[6]，提取方法是根據(jù)CHENG 等[7]樣品處理方法稍加改動(dòng)而獲得。

將上述步驟得到的三種粗提取EPS 過0.45 μm濾膜進(jìn)行過濾，然后放置在3 500 Da 透析袋內(nèi)，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(cè)每份樣品的蛋白質(zhì)含量、多糖含量和EPS 含量，由于試驗(yàn)條件限制，EPS 含量以多糖和蛋白質(zhì)含量之和粗略估算。蛋白質(zhì)的測(cè)定采用改進(jìn)型勞里法（Lowry），以牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[8]。多糖測(cè)定采用苯酚-硫酸法，以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)[9]。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物的沿程變化規(guī)律

從圖3（a）可知，沿著進(jìn)水方向，單元格的COD 去除能力呈現(xiàn)明顯遞減的變化規(guī)律。其中，1 區(qū)和2 區(qū)主要承擔(dān)COD 去除功能，3 區(qū)和4 區(qū)的COD濃度有一定變化，最后兩個(gè)區(qū)域COD 濃度變化不明顯。經(jīng)分析，原因可能是前兩個(gè)區(qū)微生物有充足的底物營養(yǎng)，活躍性較高，可以優(yōu)先去除易降解的有機(jī)物。后面的幾個(gè)單元格則是通過微生物作用將難降解的有機(jī)物先轉(zhuǎn)化為易降解的小分子物質(zhì)，再去除一部分有機(jī)物質(zhì)。從圖3（b）可以看出，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)NH3-N的去除效果很好，其中反應(yīng)器的前兩個(gè)區(qū)主要承擔(dān)去除NH3-N 的任務(wù)。從1 區(qū)到3 區(qū)，NH3-N 濃度有明顯的下降，反應(yīng)器后面的區(qū)域NH3-N 濃度也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。根據(jù)生物脫氮原理，好氧池發(fā)生硝化作用，其將銨離子（NH4+）與亞硝酸根離子（NO2-）轉(zhuǎn)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(qū)，ISBS 生物反應(yīng)器的其他5 個(gè)區(qū)對(duì)TN 的去除能力相當(dāng)。NH3-N 與TN的沿程變化規(guī)律表明，ISBS 生物反應(yīng)器內(nèi)，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(zhuǎn)化，去除NH3-N，而ISBS 生物反應(yīng)器內(nèi)生物膜的厭氧結(jié)構(gòu)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(tǒng)中。

圖3 常規(guī)污染物的沿程變化規(guī)律

2.2 DO 的沿程變化規(guī)律

ISBS 生物反應(yīng)器DO 濃度沿程變化如圖4 所示。ISBS 生物反應(yīng)器內(nèi)，DO 濃度沿著水流方向呈現(xiàn)梯度式增加。1 區(qū)和2 區(qū)去除掉8 月26 日DO 濃度數(shù)據(jù)，平均DO 濃度分別為1.3 mg/L、1.9 mg/L，其余四個(gè)區(qū)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(jī)物和氧氣分別從生物膜的兩側(cè)進(jìn)入，即兩者的濃度梯度相反，這對(duì)水解水中有機(jī)物有利[10]。ISBS 生物反應(yīng)器的前端有機(jī)物濃度最大，但DO 濃度最小，而反應(yīng)器后端則恰好相反，微生物生長(zhǎng)的兩個(gè)影響因子得以相互協(xié)調(diào)和抑制，從而促使生物膜協(xié)調(diào)地生長(zhǎng)在相對(duì)穩(wěn)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(chǎn)生更少的污泥。根據(jù)污染物的沿程變化規(guī)律，ISBS 生物反應(yīng)器前兩個(gè)區(qū)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(jī)物去除能力。

圖4 DO 沿程變化規(guī)律

2.3 pH 的沿程變化規(guī)律

理論上，引起ISBS 生物反應(yīng)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(chǎn)生CO2、好氧池曝氣將CO2帶離水體[11]。進(jìn)水pH 基本保持在7 ～8，污水進(jìn)入好氧池，pH 有所升高。ISBS 生物反應(yīng)器的pH 在8.5 ～9.0 波動(dòng)，比較穩(wěn)定，相比原水，pH 有所升高，這是各種反應(yīng)過程協(xié)同的結(jié)果。好氧池的pH 不盡相同，并不具備規(guī)律性。資料顯示，pH 保持在7.0 ～8.0，硝酸與反硝化細(xì)菌具有最強(qiáng)的活性，而ISBS 生物反應(yīng)器幾乎所有區(qū)域pH都較高，可能會(huì)限制反硝化范圍。

2.4 脫氫酶活性

如圖5 所示，整個(gè)系統(tǒng)的微生物活性均保持在30 IU/g 以上，由于中試進(jìn)水濃度的不確定性，微生物活性隨進(jìn)水濃度呈現(xiàn)一定的變化，但變化不大。經(jīng)微生物相比較，ISBS 生物反應(yīng)器2 區(qū)的微生物活性大于5 區(qū)，原因可能是前端有機(jī)物濃度高于后端，即微生物活性與底物濃度成正比[12]。5 區(qū)位于ISBS 生物反應(yīng)器后端，后端存在許多微型動(dòng)物，微型動(dòng)物主要攝食細(xì)菌和污泥碎塊，后端酶活性較低。微型動(dòng)物的捕食作用對(duì)污泥脫氫酶活性有一定的抑制作用。2 區(qū)與5 區(qū)脫氫酶活性相差不大，經(jīng)分析，原因可能是底物濃度不足，微生物會(huì)消耗自身儲(chǔ)存的營養(yǎng)進(jìn)行代謝，根據(jù)內(nèi)源代謝特點(diǎn)，污泥產(chǎn)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(yīng)器不同樣品的蛋白質(zhì)、多糖和EPS 變化如圖6 所示。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，ISBS 生物反應(yīng)器前端與后端的多糖含量都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，系統(tǒng)環(huán)境適合微生物生長(zhǎng)，生物膜對(duì)污泥產(chǎn)生量減少有促進(jìn)作用。相比5 區(qū)，2 區(qū)多糖含量較高，原因可能是ISBS 生物反應(yīng)器后端存在微型動(dòng)物，微型動(dòng)物捕食細(xì)菌，對(duì)細(xì)菌包裹的胞外聚合物進(jìn)行拉扯、破壞和攝食。系統(tǒng)前端EPS 含量逐漸上升，尤其是最后兩次采樣，這種現(xiàn)象可能與系統(tǒng)的再啟動(dòng)有關(guān)，第4 次與第5 次采樣時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行3 d，突然的進(jìn)水沖擊可能導(dǎo)致生物膜活性增長(zhǎng)，微生物吸收消耗營養(yǎng)底物的速度加快，胞外聚合物中有機(jī)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(duì)生物絮凝能力、沉降性能和表面負(fù)荷有重要影響，顆粒物水解能夠限制污泥減量[13]，可也從側(cè)面反映后端微型動(dòng)物捕食的污泥減量能力。

圖6 不同樣品的蛋白質(zhì)、多糖和EPS 含量

3 結(jié)論

ISBS 生物反應(yīng)器前兩個(gè)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(zhì)，從而使整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)優(yōu)秀的污水處理能力。DO 濃度沿水流方向增加，ISBS 生物反應(yīng)器的6 個(gè)區(qū)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(dāng)前兩個(gè)區(qū)域DO 濃度控制在1.3 ～3.5 mg/L 時(shí)，該工藝具有良好的脫氮性能與有機(jī)物去除能力。整個(gè)系統(tǒng)的脫氫酶活性均保持在30 IU/g 以上，ISBS 生物反應(yīng)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(dòng)物的攝食作用抑制微生物活性，使得后端細(xì)菌通過消耗自身儲(chǔ)存的營養(yǎng)進(jìn)行代謝，依據(jù)內(nèi)源代謝原理，污泥產(chǎn)生量得到削減。ISBS 生物反應(yīng)器可以為不同微生物提供穩(wěn)定的生長(zhǎng)區(qū)域，使生物膜微生物量一直保持動(dòng)態(tài)平衡，微生物也更加豐富，這是強(qiáng)化污泥減量的重要原因。