生物膜-活性污泥耦合工藝研究及應(yīng)用分析

王寶賀，王 帆

（1.哈爾濱國(guó)環(huán)宏節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150000；2.吉林省城市污水處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012）

1 概述

污水處理中較為常用的是生物處理法，生物處理法包括活性污泥法和生物膜法兩大類(lèi)?；钚晕勰喾?，微生物呈絮狀在反應(yīng)池中懸浮流動(dòng)，通過(guò)吸附、生物降解等作用去除污水中的污染物。生物膜使微生物附著于填料表面呈膜狀，污水流動(dòng)，其中的有機(jī)污染物通過(guò)生物膜表面的附著水層進(jìn)入生物膜得到降解，通過(guò)水流作用，填料上老化的生物膜脫落，以此達(dá)到生物膜的更新。

活性污泥法應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)規(guī)范、設(shè)計(jì)參數(shù)方面比較成熟，然而活性污泥法占地面積大、容積負(fù)荷低、剩余污泥量大，容易發(fā)生污泥膨脹。生物膜法因其運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、占地面積小、出水水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多的應(yīng)用于污水處理中[1]。同時(shí)生物膜法也存在一定缺陷，如傳質(zhì)速率慢，微生物更新速度慢，掛膜啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，在生物除磷方面效果不佳[2]。因此活性污泥法和生物膜法相結(jié)合構(gòu)成耦合系統(tǒng)，在同一反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)生物膜與活性污泥共存，結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了二者的不足，提高了處理效果，同時(shí)該工藝比單純采用活性污泥法或生物膜法的工藝啟動(dòng)要快，運(yùn)行更穩(wěn)定[3]。

2 生物膜-活性污泥耦合工藝的運(yùn)行效果

生物膜-活性污泥耦合工藝復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)和雙泥齡多應(yīng)用于傳統(tǒng)污水處理工藝的改造和處理含有難降解有機(jī)污染物的污廢水。鄭志佳等[4]通過(guò)投加填料對(duì)北方原活性污泥處理工藝進(jìn)行改造，顯著提高了脫氮除磷效果。李衛(wèi)平等[5]采用耦合工藝處理農(nóng)藥含酚廢水，進(jìn)水酚濃度為36.70-86.56mg/L，出水穩(wěn)定在2mg/L 以下。吳迪等[6]將該工藝應(yīng)用于處理高鹽廢水，在進(jìn)水氯離子含量為5000-12000mg/L 及以上時(shí)，系統(tǒng)仍可實(shí)現(xiàn)出水氨氮、TN 等各指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，具有耐高鹽性能。

2.1 強(qiáng)化脫氮除磷

耦合系統(tǒng)與單純生物膜法或活性污泥法相比，由于生物量的增加和氧傳質(zhì)效率的提高，污染物的去除效果得到了顯著的提高[7]。生物膜具有較長(zhǎng)的污泥齡，世代周期長(zhǎng)、生長(zhǎng)緩慢的硝化菌得以生長(zhǎng)富集[8]，懸浮態(tài)泥齡可以相應(yīng)縮短，這有利于生物質(zhì)磷積累，二者共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步強(qiáng)化脫氮除磷[9]。附著生長(zhǎng)的生物膜對(duì)脫氮優(yōu)勢(shì)菌種有著良好的聚集作用，表現(xiàn)出高效脫氮能力[10]，系統(tǒng)可以在低溫、低碳源條件下保證污水處理廠具有較高的反硝化能力[11]。

因?yàn)閭髻|(zhì)阻力作用，溶解氧（DO）在生物膜分布不均，生物膜由外到內(nèi)依次形成好氧、缺氧、厭氧的微環(huán)境，這可能為反硝化菌、反硝化聚磷菌創(chuàng)造了合適的生長(zhǎng)環(huán)境，為同步硝化反硝化（SND）、短程硝化反硝化（PND）和反硝化除磷提供了可能。潘松青等[12]在試驗(yàn)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)實(shí)際TN 去除率比理論值要高，且在好氧池中存在0-30mg/L 的所以認(rèn)為系統(tǒng)中存在PND 過(guò)程。DO 分布不均導(dǎo)致對(duì)DO 需求較低的AOB 富集，而對(duì)NOB 抑制作用更強(qiáng)，從而提高了PND 作用[13]。顧升波等[14]認(rèn)為耦合系統(tǒng)中 SND 對(duì) TN 去除率的貢獻(xiàn)最高可達(dá)30%。在穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，耦合工藝的比硝化、比反硝化和比吸磷、比釋磷速率均高于活性污泥反應(yīng)器[15]。

2.2 提高抗沖擊負(fù)荷

通過(guò)對(duì)耦合工藝的呼吸測(cè)試結(jié)果分析，耦合系統(tǒng)比單獨(dú)的活性污泥或生物膜具有更強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力[16]。耦合系統(tǒng)生物量的增加，活性污泥和生物膜耦合對(duì)沖擊負(fù)荷的緩沖作用均提高了系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力[17]。

由于填料的投加，系統(tǒng)內(nèi)生物群落的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定多樣，生物量更加豐富，在受到有機(jī)負(fù)荷沖擊時(shí)，短時(shí)間內(nèi)可以恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)[18]。通過(guò)DGGE 圖譜分析，懸浮污泥和生物膜中的AOB 和NOB 優(yōu)勢(shì)菌屬有較大的區(qū)別，但是優(yōu)勢(shì)菌屬在系統(tǒng)中保持穩(wěn)定，不易更替，受進(jìn)水負(fù)荷提高影響較小，菌群演變過(guò)程比較穩(wěn)定[19]。污染物在反應(yīng)裝置流動(dòng)過(guò)程中隨微生物的降解逐漸降低，因此生物膜內(nèi)的微生物受污染物影響較小，耐抑制性物質(zhì)和抗沖擊負(fù)荷的能力更強(qiáng)[20]。陳月芳等[21]在試驗(yàn)中提高水力沖擊負(fù)荷，COD 平均去除率達(dá)到92%，出水穩(wěn)定在30mg/L 以下，TN 出水濃度也穩(wěn)定在15mg/L 以下，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

2.3 節(jié)省成本

耦合系統(tǒng)將填料投加到現(xiàn)有的曝氣池中，可以有效減少占地面積，王丹等[22]將其應(yīng)用于原廢水回收處理設(shè)施的改造，在充分利用現(xiàn)有設(shè)施和土地面積的基礎(chǔ)上，改造成本最低。與活性污泥法相比，同等運(yùn)行條件下耦合工藝能夠提高日處理能力約33%，具有較強(qiáng)的節(jié)地潛力[23]，不需要擴(kuò)大池容，可以在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高處理效果。同時(shí)載體表面和內(nèi)部負(fù)載大量球菌、絲狀菌，極大提高了系統(tǒng)內(nèi)的污泥微生物保有量和微生物多樣性，相比傳統(tǒng)活性污泥法具有污泥減量化的特性[24]，節(jié)省后續(xù)污泥處理的成本。生物膜-活性污泥耦合工藝應(yīng)用于化工廢水的處理，有效提高了傳統(tǒng)生物處理法的處理效果，可有效替代化學(xué)處理，節(jié)省藥劑的投加，降低化學(xué)泥漿的產(chǎn)生量。

3 生物膜-活性污泥耦合工藝的設(shè)計(jì)運(yùn)行

3.1 掛膜啟動(dòng)的研究

生物膜-活性污泥耦合工藝的啟動(dòng)重點(diǎn)在于填料的掛膜，填料的掛膜有自然富集培菌掛膜和人工接種掛膜兩種方式。研究表明同等工況下，采用兩種掛膜方法取均能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的掛膜啟動(dòng)[24-25]。韓劍宏等[26]提出自然掛膜法形成的生物膜比接種掛膜法形成的生物膜更穩(wěn)定，并且生物膜與載體之間的粘合度更高。然而自然掛膜法往往掛膜啟動(dòng)較慢，接種特定的菌種或污泥，有利于反應(yīng)器的快速掛膜啟動(dòng)，王丹等[22]在水溫低于10℃時(shí)，通過(guò)投加耐冷菌群，在18 天實(shí)現(xiàn)了生物膜-活性污泥耦合工藝的快速啟動(dòng)，并且處理效果穩(wěn)定。因此試驗(yàn)多采用在設(shè)計(jì)流速下接種污泥的連續(xù)流掛膜方式，以這種方式進(jìn)行耦合工藝的掛膜啟動(dòng)效果較好，較為適合實(shí)際工程應(yīng)用及試驗(yàn)研究。

通常情況我們都是以出水的各個(gè)指標(biāo)參數(shù)來(lái)判斷耦合系統(tǒng)的掛膜啟動(dòng)是否成功，余春菲[27]在研究耦合系統(tǒng)中生物膜的表面粗糙度時(shí)提出生物膜表面粗糙度也可以作為指示生物膜的成熟的標(biāo)志，可以為判斷耦合系統(tǒng)是否啟動(dòng)成功作參考。

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)耦合系統(tǒng)的影響

（1）溶解氧的影響：由于填料的投加提高了對(duì)鼓風(fēng)曝氣氣泡的剪切力，促進(jìn)了氧的溶解，提高了氧氣利用率，相同曝氣量下，耦合系統(tǒng)的DO 濃度高于傳統(tǒng)活性污泥系統(tǒng)[28]。由于生物膜的傳質(zhì)阻力大，需要有足夠的DO，才能確保生物膜的生物降解反應(yīng)，DO 過(guò)高或過(guò)低均不利于耦合系統(tǒng)中SND 的進(jìn)行[29]。研究認(rèn)為 DO 在4mg/L 時(shí)處理效果最佳[7]。

（2）溫度的影響：因?yàn)樯锬は到y(tǒng)對(duì)溫度的敏感性相比活性污泥低，所以投加填料增強(qiáng)了耦合工藝系統(tǒng)在低溫條件下的反硝化能力[11]。耦合工藝較單純的生物膜法，低溫適應(yīng)性更強(qiáng)[30]。Young 等[31]首次發(fā)現(xiàn)生物膜耦合系統(tǒng)在1℃以下仍能保持一定的硝化活性。研究發(fā)現(xiàn)20-30℃時(shí)，泥相內(nèi)細(xì)菌平均數(shù)量高于膜相，10-15℃時(shí)，膜相內(nèi)硝化細(xì)菌平均數(shù)量則高于泥相[32]。

（3）污泥回流的影響：生物膜-活性污泥耦合工藝設(shè)有污泥回流裝置，這有區(qū)別于傳統(tǒng)的生物接觸法，對(duì)污染物的去除有一定的促進(jìn)作用。污泥回流的增加會(huì)降低生物膜相微生物的活性，提高懸浮相微生物活性[33]。耦合工藝具有顯著的反硝化除磷效果，當(dāng)回流比為200%時(shí)，反硝化除磷效果最佳[34]。楊曉南等[35]提出生物膜-活性污泥耦合工藝合理的污泥回流比為150%-200%之間，過(guò)高或過(guò)低的污泥回流比均不利于污染物的去除和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（4）水力停留時(shí)間（HRT）的影響：由于生物膜的長(zhǎng)污泥齡使得耦合系統(tǒng)HRT 可以適當(dāng)縮短，可以為反硝化等異養(yǎng)菌提供更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，促使其大量繁殖，增加生物膜的厚度，進(jìn)而促進(jìn)SND 的進(jìn)行[36]。HRT 縮短也會(huì)導(dǎo)致污染物的去除效率下降，當(dāng)HRT 小于3h，自養(yǎng)生物和異養(yǎng)生物都在生物膜中生長(zhǎng)，不利于污染物的去除[37]。

3.3 填料的選擇與投加

填料對(duì)生物膜-活性污泥耦合系統(tǒng)的影響在于其掛膜效果，材質(zhì)親水性高，載體掛膜較快，有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，然而親水性強(qiáng)，形成的生物膜過(guò)厚，會(huì)導(dǎo)致傳質(zhì)阻力增大，脫膜效果不好[38]。同時(shí)孔隙率較高、密度更接近于水的填料，通氣、過(guò)水性能越好，越有利于生物膜附著生長(zhǎng)，同時(shí)反應(yīng)器內(nèi)流化效果也較好，廢水與生物膜的接觸效率高，填料的掛膜啟動(dòng)和運(yùn)行穩(wěn)定性更好，能快速適應(yīng)水質(zhì)變化和負(fù)荷提升[39]。

生物膜-活性污泥耦合系統(tǒng)的載體填充率較單純的生物膜法要小，關(guān)于具體的填充率設(shè)計(jì)還沒(méi)有相關(guān)規(guī)范參考，進(jìn)行實(shí)際設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)可以采用分批掛膜投加的方式，根據(jù)實(shí)際流化效果確定最終填充率。在傳統(tǒng)活性污泥法改造的工程中，由于填料在夏季對(duì)系統(tǒng)硝化效果增益較小，可以選擇在夏季移除填料，節(jié)省曝氣費(fèi)用。

4 結(jié)論

（1）生物膜-活性污泥耦合系統(tǒng)由于載體的投加提高了生物量，生物環(huán)境更加復(fù)雜。具有強(qiáng)化脫氮除磷效果，提高抗沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)行效果更穩(wěn)定。該工藝對(duì)化工廢水等難處理污廢水均有良好的處理效果，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

（2）生物膜-活性污泥耦合工藝采用接種快速排泥的方法可以在低溫、低碳源的情況下快速掛膜，對(duì)于耦合工藝影響因素的研究表明，耦合工藝具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，在低溫條件下仍能取得較好的去除效果。

（3）關(guān)于耦合系統(tǒng)的填料的選擇，需要考慮填料的親水性、比表面積以及密度。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，結(jié)合當(dāng)?shù)貤l件，選擇掛膜效果好，價(jià)格合理的生物膜載體。除了傳統(tǒng)的聚乙烯等塑料載體，植物纖維、新型材質(zhì)載體逐漸進(jìn)入人們視野中，得到了很好的利用。