沸石顆粒填料固定床生物膜免曝氣污水處理工藝

郭其藝,成亮,黎啟明,吳向陽(yáng)

（江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展，對(duì)高效、節(jié)能、環(huán)境可持續(xù)污水處理技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)[1-2]。目前，市政污水處理工藝以生化法為主導(dǎo)（約80%），按照微生物的形態(tài)其工藝可分為：基于懸浮態(tài)的活性污泥法和基于固定態(tài)的生物膜法。其中，活性污泥法處理工藝主要有厭氧—好氧工藝法（A/O）、厭氧—缺氧—好氧工藝法（A2/O）、序批式活性污泥工藝法（SBR）等，生物膜法的污水處理工藝主要有移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）、生物接觸氧化法等。這些工藝的一個(gè)共同特點(diǎn)是通過(guò)向水體曝氣的方式為微生物提供氧氣作為電子受體，用于降解污水中污染物。然而，這種氧傳輸方式效率較低，能耗較大。對(duì)污水處理廠實(shí)際曝氣過(guò)程進(jìn)行分析，結(jié)果表明，氧傳輸效率（OTE）一般在4.8%～34.1%范圍內(nèi)[3-5]，較低的OTE 導(dǎo)致曝氣系統(tǒng)的能耗通常占整個(gè)污水處理工藝能耗的50%以上[6-8]。因此，提高氧傳輸效率、降低曝氣能耗是實(shí)現(xiàn)低能耗污水處理工藝的關(guān)鍵。

已有研究證實(shí)，在厭氧條件下，交替厭氧—好氧環(huán)境能夠促使聚糖菌(Glycogen Accumulating Organisms,GAOs)富集并利用糖原代謝所產(chǎn)生的能量將有機(jī)碳源（例如乙酸、丙酸等）轉(zhuǎn)化為胞內(nèi)聚羥基烷酸（PHAs）[9]。同時(shí)，在好氧狀態(tài)下，GAOs可進(jìn)行有氧呼吸，分解胞內(nèi)PHAs 并合成糖原[10]。在厭氧條件下，部分具有反硝化功能的聚糖菌（DGAOs）能夠利用細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的PHAs 作為電子供體，用于硝酸根與亞硝酸根的反硝化[5,11-12]。因此，F(xiàn)lavigny 等[5]利用聚糖菌（GAOs）在厭氧狀態(tài)下將有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為PHAs 的特點(diǎn)，構(gòu)建了以GAOs 為主導(dǎo)的固定床生物膜反應(yīng)器，通過(guò)進(jìn)水厭氧—排水好氧的運(yùn)行方式，利用空氣在多孔填料內(nèi)的自然流通為生物膜提供氧氣，成功地在免曝氣情況下實(shí)現(xiàn)了較高的COD 去除率（94.3%）。為了提高污水的氨氮去除效率，Hossain 等[13-15]和Cheng 等[16]在Flavigny 等[5]的生物膜基礎(chǔ)上負(fù)載了沸石粉末，通過(guò)沸石的離子交換作用強(qiáng)化了厭氧條件下的氨氮吸附[17]。研究結(jié)果顯示，在厭氧條件下，通過(guò)GAOs 與沸石的共同作用實(shí)現(xiàn)了COD 和氨氮的共同去除。該工藝被命名為被動(dòng)曝氣同步硝化反硝化（PASND）工藝。與傳統(tǒng)活性污泥工藝相比，基于PASND 工藝的生物膜反應(yīng)器的能量需求在理論上可以降低約50%[18-19]。

雖然PASND 工藝具有較高的去除COD 和脫氮能力，但是在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中黏附在生物膜上的沸石粉末容易隨著生物膜的脫落而損失，從而導(dǎo)致氨氮去除效率的下降。筆者以固定化離子交換材料沸石顆粒為生物填料，以有效解決離子交換材料損失的問(wèn)題，并研究了一種低能耗的固定床生物膜免曝氣污水處理工藝。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

所用沸石顆粒是一種天然斜沸石原料（河南景盈水處理材料有限公司）。使用前，用去離子水反復(fù)洗滌，除去附著的污垢和可溶性雜質(zhì)，并在105 ℃下干燥24 h。經(jīng)振動(dòng)篩將干燥沸石顆粒分為5～10 mm、10～16 mm 和>16 mm 三種不同尺寸。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得5～10 mm、10～16 mm 和>16 mm 每克沸石顆粒的氨氮飽和吸附量分別為27.15、15.73、11.08 μg NH4+-N。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，使用的人工合成污水組成見(jiàn)表1。

表1 人工合成污水的組成（含微量元素溶液）Table 1 Composition of artificial wastewater (trace elements included)

1.2 反應(yīng)器的構(gòu)建和運(yùn)行

反應(yīng)器裝置如圖1（a）所示，由2 個(gè)獨(dú)立的φ6 cm×30 cm 柱狀有機(jī)玻璃容器、蠕動(dòng)泵等組成。反應(yīng)器A 內(nèi)填充均勻混合的不同粒徑沸石顆粒，其中5～10 mm、10～16 mm 和>16 mm 的沸石顆粒質(zhì)量占比分別為60%、35%和5%。反應(yīng)器B 內(nèi)填充尺寸為φ25 mm×12 mm 的高密度聚乙烯填料（HDPE），用作對(duì)比測(cè)試。2 個(gè)反應(yīng)器分別接種活性污泥（來(lái)自鎮(zhèn)江市水業(yè)總公司城市有機(jī)質(zhì)協(xié)同處理中心），接種生物量約為10 g。

圖1 試驗(yàn)裝置和工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of bioreactor and treatment procedure

反應(yīng)器以序批式厭氧—好氧的模式運(yùn)行，工藝流程如圖1（b）所示。整個(gè)處理周期分為兩個(gè)階段，第1 階段為注水/厭氧階段，人工合成污水由蠕動(dòng)泵從儲(chǔ)水水箱送至反應(yīng)器中，完全充滿并保持厭氧狀態(tài)6 h；第2 階段為排水/好氧階段，厭氧處理后的污水通過(guò)蠕動(dòng)泵從反應(yīng)器排空，空氣從反應(yīng)器上端端口進(jìn)入，反應(yīng)器保持好氧狀態(tài)6 h。各階段具體運(yùn)行時(shí)段為：進(jìn)水10 min、厭氧350 min、排水10 min 和好氧350 min，即整體水力停留時(shí)間HRT 為12 h。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程反應(yīng)器溫度維持在（25±2）℃。

經(jīng)測(cè)定，厭氧段反應(yīng)器內(nèi)DO 為0 mg/L，好氧段反應(yīng)器中DO 最低為7.5 mg/L。為測(cè)定反應(yīng)器對(duì)各項(xiàng)污染物的去除效果，厭氧階段中，在反應(yīng)器中段取10 mL 水樣，使用0.22 μm 的水相濾頭過(guò)濾，進(jìn)行COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N 和總磷（TP）測(cè)定。

1.3 分析和測(cè)試方法

污水COD 測(cè)量采用重鉻酸鉀氧化消解光度法，銨根、亞硝酸鹽、硝酸鹽和總磷濃度按照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[20]。由于系統(tǒng)中有機(jī)氮的含量很低，故總氮（TN）為NH4+-N、NO2--N、NO3--N 之和。使用液相色譜儀測(cè)量污水中乙酸鹽濃度[21]。

糖原采用蒽酮法[22-23]測(cè)定，具體過(guò)程為：將所取生物膜在磷酸鹽緩沖液中進(jìn)行攪拌，取得填料上的生物膜，8 000 r/min 離心10 min 后取沉淀冷凍干燥制備成凍干泥。取2 mg 凍干泥加入5 mL 的5%HCl 溶液，在100 ℃下消解3 h，冷卻后離心，之后取1 mL 上清液到消解管中，加入4 mL 蒽酮—硫酸溶液（0.2%蒽酮+80%硫酸），在100 ℃下水浴10 min，冷卻后使用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)625 nm 下測(cè)定吸光度。依據(jù)文獻(xiàn)[24-26]的方法，PHAs 的測(cè)試過(guò)程為：在消解管中分別加入上述制備的20 mg 凍干泥、1.45 mL 正丙醇—濃鹽酸（V正丙醇：VHCl=4：1）、1.5 mL 二氯甲烷和50 uL 苯甲酸溶液（2 g 苯甲酸加入100 mL 正丙醇），在100 ℃下消解4 h，冷卻后加入3 mL 去離子水，振蕩后靜置分液，取1 mL 下層有機(jī)相，加入無(wú)水硫酸鈉干燥后轉(zhuǎn)移至氣相小瓶中。將1 μL 樣品加入Shimazu 氣相色譜儀，進(jìn)樣口設(shè)定溫度為275 ℃。初始柱溫為80 ℃，以8 ℃/min 的速度上升到150 ℃，然后保持1 min，再以25 ℃/min 的速度上升到255 ℃，柱溫保持3 min。測(cè)試過(guò)程中分別采用葡萄糖（AR，aladdin）和PHAs 標(biāo)準(zhǔn)樣品（86%PHB 和14%PHV，sigma）作為標(biāo)準(zhǔn)樣繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。為了揭示反應(yīng)系統(tǒng)中生物膜微生物群落的演化，在不同時(shí)間段采集生物膜樣品進(jìn)行高通量生物16S rDNA 測(cè)序[5]，將得到的OTU（Operitional Taxonomic Unit）與Silva 庫(kù)進(jìn)行對(duì)比聚類，結(jié)合分類學(xué)分析方法進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)

沸石顆粒固定床生物膜反應(yīng)器經(jīng)過(guò)2 周啟動(dòng)運(yùn)行后，COD 去除率達(dá)到86%，COD 降低至70 mg/L，氨氮去除率達(dá)到80%，出水中氨氮濃度降低至8 mg/L。值得注意的是，由于本工藝在厭氧狀態(tài)下對(duì)污水進(jìn)行處理，出水中的硝酸根與亞硝酸根均為0 mg/L，因此，氨氮去除率等同于總氮去除率（見(jiàn)圖2（a））。以上結(jié)果表明，使用沸石顆粒作為填料和活性污泥作為接種污泥時(shí)，系統(tǒng)大約需要2 周的啟動(dòng)時(shí)間，相比于Hossain 等[13]的研究，馴化時(shí)間減少了約30 d。

圖2 固定式生物膜反應(yīng)器對(duì)COD 及氨氮的去除Fig.2 Removal of COD and ammonia nitrogen by fixed biofilm reactor

塑料填料反應(yīng)器B 運(yùn)行約21 d 后，系統(tǒng)COD去除率逐漸穩(wěn)定（約60%），出水COD 達(dá)到200 mg/L 左右。氨氮去除率始終維持在30%以下，出水中氨氮濃度在28.5 mg/L 左右。在之后一個(gè)月內(nèi)，COD 及氨氮去除率無(wú)明顯變化（見(jiàn)圖2（b））。對(duì)比沸石顆粒填料反應(yīng)器和塑料填料反應(yīng)器的氨氮去除率可知，沸石顯著提高了反應(yīng)器的氨氮去除性能，這主要與沸石顆粒在厭氧條件下對(duì)氨氮的吸附有關(guān)。同時(shí)，使用沸石顆粒作為填料對(duì)COD 去除率有所提高，這可能是由于不同填料表面用于去除COD 的微生物（如聚糖菌GAOs）的豐度差異性所致。

2.2 生物膜反應(yīng)器厭氧段去除效率

圖3 是反應(yīng)器內(nèi)污水COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N 和總磷（TP）的濃度變化，由圖3（a）可見(jiàn)，COD 在厭氧階段的前1 h 內(nèi)急劇降低約85%，在隨后5 h 內(nèi)COD 幾乎不變；約75%的NH4+-N 在前1 h內(nèi)被快速吸附去除，在后5 h 內(nèi)緩慢降低，最終去除率達(dá)到約85%；厭氧處理階段未產(chǎn)生NO2--N 與NO3--N，因此，TN 濃度及變化趨勢(shì)與NH4+-N 十分相近，最終TN 濃度為7.1 mg/L。

圖3 穩(wěn)定運(yùn)行期反應(yīng)器厭氧段COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、總氮（TN）和總磷（TP）的濃度變化Fig.3 Changes in the concentration of COD,ammonia nitrogen,nitrate,nitrite,TN and TP during the anaerobic phase at stable operation

圖3（b）顯示了沸石顆粒反應(yīng)器在厭氧階段總磷（TP）的濃度變化，可見(jiàn)總磷濃度在厭氧階段基本保持不變。通常來(lái)說(shuō)，聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）都能夠在厭氧條件下以溶液中可溶性有機(jī)碳作為碳源合成胞內(nèi)聚羥基烷酸（PHAs），以滿足生長(zhǎng)需要。然而，PAOs 能夠在好氧（缺氧）條件下超量吸附磷、累積聚磷酸鹽，在厭氧條件下分解聚磷酸鹽并釋放到環(huán)境中。由于本研究的反應(yīng)器在厭氧階段并未監(jiān)測(cè)到TP 的增加，因此，可以認(rèn)為厭氧條件下COD 的去除主要是由于聚糖菌（GAOs）的作用。

2.3 生物膜反應(yīng)器好氧段反硝化

試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了在厭氧條件下沸石固定床生物膜反應(yīng)器能夠持續(xù)有效地去除COD 和脫氮。厭氧條件下氨氮濃度的快速降低主要?dú)w因于沸石顆粒對(duì)銨根離子的化學(xué)吸附[27]。然而，長(zhǎng)期穩(wěn)定的氨氮去除效果則主要?dú)w因于沸石顆粒的周期性再生，即在排水好氧階段，硝化細(xì)菌氧化沸石顆粒所吸附的氨氮生成硝酸根或亞硝酸根。Cheng 等[16]證實(shí)了在好氧條件下由于生物膜內(nèi)缺氧區(qū)的存在，反硝化反應(yīng)得以進(jìn)行。因此，為了驗(yàn)證在本系統(tǒng)中好氧階段是否存在反硝化反應(yīng)，在厭氧段結(jié)束后立即取部分填料置于300 mL 密閉反應(yīng)器中，其中空隙體積約為180 mL。向反應(yīng)器注入180 mL 氦氣（80%）和氧氣（20%）的混合氣體，密封并監(jiān)測(cè)氧氣和氮?dú)獾臐舛茸兓痆16]，結(jié)果見(jiàn)圖4。試驗(yàn)結(jié)果表明，好氧階段6 h內(nèi)約有29 mL 的氧氣消耗和6.5 mL 的氮?dú)馍?，其中氮?dú)獾纳勺C明了生物膜內(nèi)反硝化過(guò)程的存在。已有研究結(jié)果表明[17,28-29]，好氧階段反應(yīng)器內(nèi)生物過(guò)程主要包括：氨氮的硝化反應(yīng)（氧氣消耗）、胞內(nèi)PHAs 的好氧分解（氧氣消耗）及以胞內(nèi)PHAs 為碳源的反硝化反應(yīng)（氮?dú)馍桑：醚鯒l件下生物膜的反硝化過(guò)程可歸因于生物膜內(nèi)溶解氧濃度梯度的變化，其使得生物膜內(nèi)存在缺氧區(qū)。例如，Stewart 等[30]和Cooney 等[31]認(rèn)為，在生物膜內(nèi)175～220 μm（生物膜由表面往內(nèi)的深度）處氧氣已經(jīng)完全被消耗。

圖4 排水好氧過(guò)程中反應(yīng)器內(nèi)氮?dú)獾纳珊脱鯕獾南腇ig.4 Production of nitrogen and consumption of oxygen during the aerobic phase of bioreactor

2.4 生物膜反應(yīng)器厭氧—好氧段胞內(nèi)PHAs 變化

已有研究發(fā)現(xiàn)，蘇丹黑B 對(duì)胞內(nèi)PHAs 染色為陽(yáng)性[24,32]。因此，為了解反應(yīng)器不同運(yùn)行階段（厭氧—好氧）微生物胞內(nèi)PHAs 的變化，對(duì)生物膜進(jìn)行蘇丹黑B 和番紅染色。圖5（a）為顯微鏡下厭氧階段結(jié)束時(shí)的生物膜染色圖，結(jié)果顯示，微生物細(xì)胞內(nèi)有明顯的黑色胞內(nèi)脂質(zhì)顆粒。圖5（b）為同一批生物膜好氧階段結(jié)束時(shí)的染色圖，結(jié)果顯示，細(xì)胞未出現(xiàn)特征性染色。這一變化證實(shí)了厭氧階段生物膜細(xì)胞內(nèi)PHAs 的累積，且在經(jīng)過(guò)好氧階段后PHAs降解消失。這一發(fā)現(xiàn)與Hossain 等[33]的觀察結(jié)果一致，間接證明了生物膜內(nèi)聚糖菌GAOs 的存在。

圖5 生物膜蘇丹黑B 和番紅染色圖Fig.5 Staining pattern with Sudan black B and safranine

為了獲得反應(yīng)周期中PHAs 和糖原的最大值/最小值，在厭氧段結(jié)束和好氧段結(jié)束時(shí)分別取生物膜（厭氧結(jié)束段為A1，好氧結(jié)束段為A0），測(cè)定微生物胞內(nèi)PHB（PHAs 的一種）和糖原的含量，結(jié)果見(jiàn)表2。測(cè)試結(jié)果顯示，厭氧階段結(jié)束時(shí)反應(yīng)器生物膜胞內(nèi)PHB 含量明顯高于好氧段結(jié)束時(shí)，糖原含量的變化趨勢(shì)則相反，這與Wei 等[29]得出的GAOs 細(xì)胞內(nèi)PHAs 和糖原的變化規(guī)律相同。

無(wú)論“蘭亭修禊”還是“西園雅集”，它們以清淡高曠之樂(lè)、雅致脫俗之風(fēng)和超然于物外的情懷，給喧囂流離中的躁動(dòng)心靈以寧?kù)o的安頓，其所代表的超脫自由和執(zhí)著探索內(nèi)心理想的精神，是當(dāng)今世人浮華的精神狀態(tài)和空虛的內(nèi)心世界所無(wú)法企及與缺失的，這也正是我們這個(gè)時(shí)代依然為它們仰之彌高的重要原因。

表2 反應(yīng)器生物膜胞內(nèi)PHB 和糖原的含量Table 2 PHB and glycogen contents in biofilm of the bioreactor

2.5 生物膜反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行情況

圖6 是沸石顆粒固定床生物膜反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行情況。結(jié)果顯示，反應(yīng)器具有穩(wěn)定的COD 和氨氮去除效率，其中，出水COD 平均值為（62.2±10.2）mg/L，NH4+-N平均濃度為（7.1±1.1）mg/L，二者平均去除率分別為87.0%±3.2%和82.7%±2.1%，且出水中不含硝態(tài)氮。與Hossain 等[15]和Cheng等[16]使用沸石粉改性HDPE 塑料懸浮填料生物膜反應(yīng)器相比，COD 去除率降低了約7%，而氨氮去除率升高了10%。該結(jié)果表明，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，采用沸石顆粒作為生物填料能夠穩(wěn)定去除污水中的氨氮。同時(shí)，相比于Hossain[33]研究中采用沸石粉作為氨氮吸附材料，在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，氨氮去除率逐步下降（運(yùn)行90 d 下降約10%），在長(zhǎng)期運(yùn)行工況下（運(yùn)行80 d），本研究有著更加穩(wěn)定的氨氮和總氮去除率。

圖6 固定床生物膜反應(yīng)器長(zhǎng)期運(yùn)行條件下COD 和氨氮的去除效果Fig.6 Removal effect of COD and ammonia nitrogen under long-term operation condition of fixed-bed biofilm reactor

2.6 生物膜反應(yīng)器微生物群落分析

為了揭示固定生物膜反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中微生物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，在第46 天和第84 天采集生物膜樣品進(jìn)行高通量16S rRNA 擴(kuò)增子測(cè)序分析，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 OTUs 在屬級(jí)分類上的相對(duì)豐度Fig.7 The relative abundance of OTUs in genera classification

初始活性污泥中，脫氯單胞菌Dechloromonas（6.28%）、硝化菌Nitrospira（3.23%）和陶厄氏菌屬Thauera（2.55%）是優(yōu)勢(shì)菌種，其中，Dechloromonas在強(qiáng)化生物除磷反應(yīng)器（EBPR）中較為常見(jiàn)，具有反硝化和積累磷酸鹽的作用[34]。Nitrospira(NOB)在活性污泥廢水處理系統(tǒng)中較為常見(jiàn)，具有亞硝酸鹽氧化還原酶基因，因此被認(rèn)為是亞硝酸鹽氧化菌[35]。有研究表明[36]，陶厄氏菌具有高效的異養(yǎng)硝化—好氧反硝化能力。

反應(yīng)器運(yùn)行第46 天，生物膜中占主導(dǎo)地位的3種菌屬依次是Thauera（13.8%）、Candidatus Competibacter（GAOs，12.4%）和Nitrospira（2.26%）。與馴化前的活性污泥相比，GAOs的豐度增加了10 倍，具有好氧反硝化功能的陶厄氏菌屬Thauera的豐度增加了6 倍，表明本工藝能富集GAOs，同時(shí)增強(qiáng)好氧反硝化作用。此外，與原始活性污泥相比，生物膜中氨氧化菌（Ammonium Oxidizing Bacteria,AOB）豐度上升了0.3%。

反應(yīng)器運(yùn)行第84 天，生物膜中占主導(dǎo)地位的3種菌屬分別為Candidatus Competibacter（GAOs）、Uliginosibacterium和Thauera，其各自占比分別9.79%、6.32% 和6.25%，其中Uliginosibacterium同樣能在細(xì)胞內(nèi)積累聚-β-羥丁酸（PHB），起到厭氧狀態(tài)下去除COD 的作用[37]。與第46 天的微生物群落結(jié)構(gòu)相比，GAOs 的豐度略有下降，從12.4%下降至9.79%，Thauera的豐度同樣下降，而Dechloromonas和Uliginosibacterium豐度出現(xiàn)增長(zhǎng)。Dechloromonas和Thauera的豐度變化可能是反應(yīng)器內(nèi)不同菌屬對(duì)氨氮氧化產(chǎn)物亞硝酸根和硝酸根競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。

3 結(jié)論

1）構(gòu)建了基于沸石顆粒載體的固定床生物膜單反應(yīng)器，該反應(yīng)器通過(guò)序批式進(jìn)水（厭氧）—排水（好氧）的運(yùn)行方式，可以在免曝氣的條件下穩(wěn)定去除COD 并脫氮。

2）以活性污泥為接種污泥，通過(guò)交替性進(jìn)水（厭氧）—排水（好氧）工藝成功馴化出富含以Candidatus Competibacter等GAOs（12.4%）為主的生物膜。

3）在進(jìn)水（厭氧）過(guò)程中，通過(guò)GAOs 和沸石顆粒的共同作用可有效去除污水中的COD 和氨氮，其中COD 和氨氮平均去除率分別為87.0%±3.2%和82.7%±2.1%，且出水中未檢測(cè)出硝態(tài)氮。在排水（好氧）過(guò)程中，依靠自由流通的空氣為生物膜供氧。