不同载体填充率下一体化A/O生物膜反应器的启动特性

龚灵潇，彭永臻，杨庆，王淑莹

(北京工业大学 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京，100124)

摘要：以聚氨酯泡沫和聚丙烯空心环为生物膜载体，考察不同载体填充率下采用一体化缺氧/好氧(A/O)生物膜反应系统R1和R2处理低C与N质量浓度之比(ρ(C)/ρ(N))生活污水的启动特性。系统R1中，缺氧、好氧区载体填充率分别为45%和20%；系统R2中，缺氧区和好氧区载体填充率分别为60%和30%。研究结果表明：R1和R2系统启动周期分别为27 d和24 d，R1更宜进行实际应用；启动完成后，R1和R2好氧区内生物膜含量分别为87.8%和79.5%，为减小一体化反应器的沉淀区体积和在后续运行中取消污泥回流提供了可能；缺氧区中，聚氨酯泡沫填充率60%时较45%时更有利于前置反硝化对有机物的利用。载体流化加强了好氧区生物膜的同步硝化反硝化(SND)能力和水力负荷适应性，但延长了启动周期，SND效果可模糊反映生物膜的形成过程；固定载体缩短了好氧区的启动周期，但形成的生物膜易受水力负荷冲击。

关键词：一体化缺氧/好氧生物膜反应器；载体填充率；生物膜；同步硝化反硝化；启动特性

中图分类号：X703.1             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)03-1275-08

Start-up characteristics of integrated A/O biofilm reactor with different carrier packing rates

GONG Lingxiao, PENG Yongzhen, YANG Qing, WANG Shuying

(Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Abstract: Start-up characteristics of the integrated anoxic/oxic (A/O) biofilm reactor with different carrier packing rates were investigated for the treatment of domestic wastewater with low content ratio of C to N using polyurethane foam and polypropylene hollow ring as biofilm carriers, respectively. In R1 system, the carrier packing rates in anoxic and oxic zones are 45% and 20% respectively, and in system R2, those are 60% and 30%, respectively. The results show that the start-up periods of R1 and R2 system are 27 d and 24 d, respectively, and R1 is more appropriate for practical application. After start-up, the content of biofilm in oxic zones of R1 and R2 system are 87.8% and 79.5%, respectively, which makes smaller volume of settler of the integrated reactor and abolishment of sludge return possible in subsequent running period. Packing rate of 60% of the polyurethane foam in anoxic zones is more conductive to the utilization of organics by pro-denitrification compared to that of 45%. Biofilm formed under condition of fluidized carriers in oxic zones has better capability of simultaneous nitrification-denitrification (SND) and suitability for hydraulic load, whereas it increases the start-up period, and the performance of SND can be regarded as a fuzzy reflection of biofilm formation; biofilm formed under condition of fixed carriers has a less star-up period, whereas the biofilm is vulnerable to the shock of hydraulic load.

Key words: integrated anoxic/oxic biofilm reactor; carrier packing rate; biofilm; simultaneous nitrification and denitrification; start-up characteristics

目前，中国广大农村地区的污水处理率较低，大量生活污水的随意排放已超出了环境的自净能力，严重破坏受纳水体的生态平衡，其中营养物的超标是加速水体富营养化的主要原因^[1]。收集管网的缺乏使得就地的分散处理成为村镇生活污水处理的首选^[2]，由于化学除磷相对简单，因此，生物脱氮是目前关注的焦点。缺氧/好氧(A/O)工艺作为一种成熟的脱氮技术，在污水分散处理领域已有较多的应用^[3]，是村镇污水实现生物脱氮的理想选择。相比于传统活性污泥法，近年来，一体化的生物膜工艺应用于废水的分散处理日益广泛，运行效果稳定^[4-6]，尤其是在好氧处理过程中，一定厚度生物膜所形成的缺氧“微环境”可实现同步硝化反硝化(simultaneous nitrification and denitrification, SND)，强化脱氮。基于农村地区的经济发展水平，能否快速启动污水处理系统具有实际意义。挂膜载体的填充率是生物膜系统设计和运行的重要参数，对载体流化性能和生物膜形态^[7]、微生物质量浓度^[8]、群落构成^[9]，生物除磷^[10]、基建成本^[11]等影响显著，但对反应器启动的影响目前鲜有报道。对于一体化A/O生物膜系统，固定床反应器构造简单、无需机械混合、在高负荷下稳定性好^[12]，是缺氧生物膜反应器的理想选择，对于如何实现其快速启动，国内外多集中于微生物接种方式、有机负荷的选择和载体特性的研究^[13]，对载体填充率的关注较少。而在好氧生物膜反应器中，气提作用是实现载体流化的重要推动力，相同的曝气条件下，填充率的差异可使载体在反应器内以固定或者流化状态存在，进而形成好氧固定床和移动床工艺，二者目前均已广泛应用于各种生物膜系统^[14-15]，存在日常维护、运行效能、基建成本等方面的差异，但在A/O系统中进行启动差异性的对比，有待进一步研究。启动周期、处理效能、生物膜特征是实现生物膜系统快速、低成本启动的关键指示参数，本文作者研究了不同载体填充率下一体化A/O生物膜反应器的启动特性，为其更好地应用于村镇污水的分散处理提供理论依据；此外，还考察了好氧区生物膜形成过程中同步硝化反硝化能力的变化，以便为好氧生物膜反应器的启动建立新的指示参数。

1  材料和方法

1.1  试验装置与用水

试验用水为某大学家属区的实际生活污水(见表1)，属于低C/N废水。试验采用2套相同的推流式一体化A/O生物膜系统(R1和R2)，其示意图如图1所示。反应器有效容积64 L，分为7个格室，V_缺氧:V_好氧:V_沉淀=3:4:1，其中，缺氧区分为2格，有效容积均为12 L；好氧区分为4格，有效容积均为8 L。好氧区采用鼓风曝气，以黏砂块作为微孔曝气器，通过转子流量计调节曝气量。系统进水流量、污泥回流量、硝化液回流量均由蠕动泵控制。

表1  进水水质

Table 1  Characteristics of influent wastewater

图1  一体化A/O生物膜反应器示意图

Fig.1  Schematic diagram of integrated A/O biofilm reactor

1.2  接种污泥性质及挂膜方式

采用中试规模的SBR反应器排放的剩余污泥作为接种污泥，污泥(MLSS)质量浓度约为2 g/L。对快速排泥挂膜法^[16]进行改良，将接种的活性污泥和实际生活污水按体积比为1:2混合后泵入一体化A/O生物膜反应器，停留8 h，使接种微生物与载体表面充分接触，通过好氧曝气保持污泥活性，之后将水全部排出系统。每天运行2个周期，持续2 d，从第3天起，以1/2设计流量连续进水，在有机物达到稳定去除、硝化效果明显提高后，增大至设计流量运行。

1.3  试验方案与运行参数

系统R1和R2采用相同的运行参数：硝化液回流比为200%；沉淀区的污泥回流至好氧1区，回流比为30%，缺氧和好氧区因而形成独立的污泥龄(SRT)；根据农村地区用水与污水排放的特征，反应器在较低负荷下启动(设计氮负荷约为0.11 kg·N·m^-3·d^-1)，设计流量、曝气量分别为80 L/d和200 L/h，好氧区的溶解氧(DO)质量浓度维持在1.0~3.0 mg/L，设计水力停留时间(HRT)为19.2 h，考虑载体所占的填充体积，实际HRT为18.8 h(厌氧为7 h，好氧为9.4 h，沉淀为2.4 h)，启动期间未进行排泥和反冲洗。投加载体的特性和填充率如表2所示。

在无搅拌状态下，防止堵塞是缺氧固定床反应器实现高效运行的关键^[17]，选择多孔隙的载体被认为可显著减少反应器堵塞以维持高效^[13]。本研究采用高空隙率(92%~94%)的聚氨酯泡沫作为缺氧区的生物载体，采用聚丙烯空心环作为好氧区的生物膜载体。在设计曝气量下，进行清水试验测试载体的流化能力，20%和30%的填充率可分别稳定地实现流化和固定的载体存在形态，进而在好氧区形成移动床(MBBR)和固定床(FBBR)的运行模式，达到了试验比较的目的。

1.4  分析仪器及方法

COD质量浓度采用5B-1型COD快速测定仪(兰州连华)测定；NH₄⁺-N，NO₂^--N，NO₃^--N，MLSS和MLVSS质量浓度采用国家标准方法测定^[18]；TN质量浓度采用Multi N/C3000型TN/TOC分析仪(德国耶拿)测定；DO，pH，ORP和温度采用德国WTW Multi 340i及相应传感器测定；生物膜形态采用奥林巴斯BX51及佳能EOS550D数码相机进行观察；采用Image-Pro Plus 6.0软件测量生物膜厚度；载体生物膜参照刘雨 等^[19]推荐的方法进行预处理，脱落后生物膜质量浓度的测定与MLSS的测定方法相同。生物膜含量为生物膜质量浓度与总污泥质量浓度之比。

1.5  系统启动的指示参数选择

生物膜的成熟通常是生物膜反应器成功启动的标志，物理特征(厚度、密度、质量)和物理-化学特征(胞外聚合物含量、污染物的去除效果)都可表征生物膜所处的状态^[20]。在好氧生物膜反应器中，SND的产生依赖于一定厚度的载体生物膜所创造的缺氧“微环境”^[21]，因此，本研究以SND效果的变化模糊反映A/O系统中好氧区内生物膜的逐步形成，并协同处理效能、启动周期、载体生物膜特征等指标反映一体化A/O生物膜反应器的启动特性。

2  试验结果与讨论

2.1  污染物的去除效果

异养菌较短的倍增周期使得系统在启动后较快地实现了对有机物的有效去除(图2(a))。在系统R1和R2中，第9天的COD去除率分别达75.8%和78.1%，并趋于稳定，受载体填充率差异的影响较小，出水中的COD已较难生物降解。在第14天以设计流量运行后，出水COD质量浓度在小幅上升后均能快速恢复，表明2个系统对有机负荷的变化具有一定的适应能力，利于处理水质、水量波动性较大的分散型村镇污水。21 d后，系统R1和R2均实现COD的稳定去除，出水COD质量浓度均值分别为61.0 mg/L和53.1 mg/L，对应去除率为74.9%和77.9%。R2系统的有机物去除能力较系统R1的略高，这可能是由于其缺氧区内聚氨酯泡沫填充率较高，为微生物创造了更多附着生长的空间并增加了与污水中基质接触的时间；载体的物理吸附、生物膜的生物吸附也可能更利于系统R2利用有机碳源进行反硝化，进而实现COD的有效去除。2个系统污染物浓度的沿程变化对比如图3所示。从图3可见：在无机械混合条件下，有机物在缺氧区均得到有效利用，主要为反硝化提供电子，系统R2的前置反硝化脱氮量和COD消耗量较系统R1的更高，系统R1和R2的反硝化碳源利用率分别为0.26和0.34，这也表明缺氧区中填充率为60%的聚氨酯泡沫比填充率为45%的聚氨酯泡沫更利于前置反硝化对有机物的利用。

表2  载体特性

Table 2  Characteristics of the carriers

图2  不同载体填充率下污染物去除效果的对比

Fig.2  Comparison of performance of pollutants removal with different carrier packing rates

由于硝化细菌的比增长速率较异养菌的小，在竞争溶解氧时处于劣势^[22]，因此，启动初期系统的硝化能力较弱，直至COD稳定地去除后，随硝化细菌在反应器内的积累硝化能力快速提升，且系统R2优于系统R1(图2(b))。这是由于在相同条件下，好氧区内以固定床生物膜反应器(FBBR)运行的系统R2，在启动初期利于微生物在空心环表面的大量附着，生物膜形成较快；同期以移动床生物膜反应器(MBBR)运行的系统R1，流体扰动明显，短时间内微生物难以大量牢固地在空心环表面附着，生物膜形成较慢。以设计流量运行后，增大进水流量对微生物的存在形态(主要指悬浮和附着生长型)及分布起到了选择作用，因部分积聚、附着在空心环表面的悬浮污泥和结构松散的生物膜受到水力负荷冲击被淘洗出好氧区，系统R2的硝化能力下降，但设置污泥回流在一定程度上保证了回流的悬浮态微生物与空心环载体的反复接触，微生物的附着生长促进了生物膜的形成，不排泥的运行方式延长了好氧区内的SRT，利于硝化能力的逐渐恢复，第24天，出水-N质量浓度降至2 mg/L以下并保持稳定，平均去除率达96.93%，认为系统R2启动成功；而同时，系统R1一直处于高流体剪切作用的环境中，对水力负荷的增加表现出较强的适应性，硝化能力逐步提升，第27天，出水-N质量浓度降至2 mg/L以下并保持稳定，平均去除率达96.94%，认为系统R1启动成功。

图3 第30天不同载体填充率下污染物的沿程变化

Fig.3  Variation of pollutants along with flow path at different carrier packing rates on day 30

启动期间，系统的脱氮和硝化性能具备相关性(图2(b), (c))；在前25 d，系统R2良好的硝化效果使得其较系统R1有更强的脱氮能力；25 d后，在均基本实现完全硝化下，固定的硝化液回流比(200%)限制了前置反硝化的能力；在第30天，系统R1和R2脱氮率分别达70.21%和65.39%，好氧区均出现了明显的氮损失，且成为2个系统脱氮性能差异的主要原因，这可能取决于载体生物膜所形成的缺氧“微环境”对同步硝化反硝化的影响。

2.2  好氧区的同步硝化反硝化

在第9，14，20，25，30天跟踪反应器内污染物的沿程降解情况发现：系统R1和R2在好氧曝气过程中均出现氮损失现象。

微生物的同化作用、-N吹脱，N₂O的产生和SND是好氧区产生氮损失的主要途径。Third等^[23]的试验结果表明：在pH为7~8时，由曝气吹脱-N产生的氮损失可忽略不计。本试验中系统R1和R2在好氧区的pH基本维持在7.2~7.6，且由于回流稀释，进入好氧区的-N质量浓度较低，因此，-N的吹脱作用可以忽略不计。启动期间未进行排泥，系统实现了长污泥龄运行，有研究认为在该种条件下污泥产率系数会降低，同化固氮能力下降^[24]，因此，微生物的同化作用在单个测试周期内可被忽略。N₂O是生物脱氮过程的中间产物，在硝化过程中，-N的积累是产生N₂O的主要原因^[25]，本研究中-N在沿程好氧区的积累率极低，因此，可忽略N₂O的产生。根据以上分析，认为启动过程中SND是氮损失的主要原因，其计算方法如下式所示^[23]：

        (1)

式中：R_SND为SND脱氮率；为好氧硝化过程始、末-N(x=2, 3)质量浓度的差值；为好氧硝化过程中-N被氧化的质量浓度。

启动阶段的同步硝化反硝化分析结果如表3所示。从表3可知：在前14 d，系统R2的SND现象较系统R1的明显，可能是由于FBBR中空心环无法实现有效流化，造成曝气不均匀而影响溶解氧的分布，形成局部缺氧区域；启动初期，系统R2较好的硝化性能也为反硝化提供了底物，为SND的发生创造了条件。同期，MBBR中空心环载体的流化使得系统R1在好氧区内流体混合性能较好，溶解氧分布较均匀，难以形成宏观上的缺氧环境，由于生物膜的形成较为缓慢，悬浮的污泥絮体成为发生SND的载体，但其大多易被溶解氧所穿透，因此，同步反硝化效果较差。在启动后期，空心环内表面的生物膜逐渐形成，一定厚度的生物膜在内层创造出更为理想的缺氧“微环境”，系统R1和R2在好氧区通过SND作用发生的氮损失分别达34.35%和22.00%。

生物膜的形成过程中主要表现为污泥质量浓度和膜厚度的增加，这是微生物发生自凝聚并在载体表面附着的结果。不同载体填充率下的好氧区的SND脱氮率与污泥质量浓度变化如图4所示。由图4可知：生物膜的SND能力与污泥质量浓度的增加成正相关，SND的变化一定程度上可以模糊反映生物膜的形成过程，进而协同处理效能、启动周期、载体生物膜特征等指示一体化A/O生物膜反应器的启动。在好氧生物膜反应器中，当载体处于流化状态 (MBBR)时，该种模糊指示作用更准确，这可能是由于在高剪切力作用环境中，反应器呈现完全混合流态，基质浓度和载体的分布更均匀，生物膜的形成和污泥质量浓度增长更可控；而在本研究中，固定载体的运行方式(FBBR)无法通过曝气或搅拌作用创造出理想的混合流态，不均匀的基质分布所形成的局部缺氧区域可能是SND发生的主要环境因素，与MBBR相比，其生物膜的形成和SND效果的正相关性较弱。

表3  启动阶段的同步硝化反硝化分析结果

Table 3  Results of simultaneous nitrification and denitrification in start-up phase

图4  不同载体填充率下好氧区的SND率与污泥质量浓度变化

Fig.4  Variations of SND rates and sludge concentration in oxic zones with different carrier packing rates

2.3  载体生物膜特征

不同的载体填充率引起了污泥质量浓度的差异，由图4可见：系统R2好氧区内的污泥质量浓度始终比系统R1的高，这主要取决于不同载体存在方式下，微生物在载体表面黏附、生长、脱落的差异性；对于生物膜含量的变化，系统R1和R2分别表现出均匀增长和先快后慢的特点，在第30天，系统R1和R2的污泥质量浓度分别达1 632 mg/L和2 018 mg/L，附着生长型微生物(生物膜)含量分别为87.8%和79.5%，在系统内占据主导，为减小一体化反应器的沉淀区体积和在后续运行中取消污泥回流提供了可能。在实际应用中，以系统R1的填充率运行更利于降低村镇污水分散处理的成本和维护难度。

系统启动成功后，随机采集系统R1和R2好氧区的空心环进行观察，结果如图5所示。从图5可见：生物膜主要在载体内表面形成，有利于SRT的延长和污泥质量浓度的维持^[26]；系统R1和R2的平均生物膜厚度分别达350 μm和220 μm，证实了系统内微生物形态的转变，由悬浮生长向附着生长型发展，与普通的絮状活性污泥相比，也更利于生物膜内层缺氧“微环境”的形成；生物膜表面后生动物(如轮虫、线虫)的附着表明出水水质已较稳定。扫描电镜(SEM)结果见图6。由图6可知：填充率的不同引起了载体生物膜形态的差异：MBBR创造的高剪切力作用环境^[27]使得系统R1内形成的生物膜较为均匀、密实，在一定程度上有效避免了生物膜内层缺氧“微环境”的破坏，较高的单位载体生物膜质量浓度则弥补了由低填充率引起的总污泥质量浓度较低的不足，但另一方面，生物膜在高剪切力环境中易出现脱落，不利于快速挂膜；系统R2内形成的生物膜相对杂乱、松散，平均厚度较系统R1的小，在曝气量大时，生物膜内层易被氧穿透，破坏缺氧环境而影响SND能力，但以FBBR的运行较易于接种污泥中微生物的快速附着，反应器启动周期更短。丝状菌在2个系统内都占据了一定比例，它的出现有助于形成生物膜的骨架，为其他细菌的附着生长提供稳定的环境^[28]，增加了生物种群的丰富性，利于对水质波动的适应。

图5  光学显微镜下载体生物膜的形态

Fig.5  Morphology of carrier with biofilm

图6  载体生物膜的SEM照片

Fig.6  SEM images of carrier with biofilm

2.4  启动评价

“低成本、易维护、高效率”是村镇污水分散处理的目标^[29]，能否合理实现运行效能与经济成本的平衡十分关键。采用启动周期、反应器的容积效能和载体投加成本等作为评价指标，不同载体填充率的启动特性对比见表4。从表4可知：启动完成后，载体填充率的差异对容积去除率影响较小；较低的填充率延长了启动周期，但节省载体投加成本，高填充率则结果相反。经综合考虑，系统R1的载体投加参数更适宜一体化A/O生物膜反应器在农村地区污水分散处理中的应用。

表4  不同载体填充率的启动特性对比

Table 4  Comparison of start-up characteristics with different carrier packing rates

3  结论

(1) 一体化A/O生物膜反应系统R1中缺氧、好氧区载体填充率分别为45%和20%，系统R2中，当缺氧区和好氧区载体填充率分别为60%和30%时，系统R1和R2的启动周期分别为27 d和24 d。综合启动效果和经济成本，系统R1更适宜在村镇污水的实际处理中应用。

(2) 缺氧区中填充率为60%的聚氨酯泡沫比填充率为45%时的聚氨酯泡末更利于前置反硝化对有机物的利用；好氧区中载体的存在形态影响系统启动效果，载体流化加强了生物膜的同步硝化反硝化(SND)能力和水力负荷适应性，但延长了启动周期，SND效果可模糊反映生物膜的形成过程；固定载体缩短了好氧生物膜反应器的启动周期，但形成的生物膜易受水力冲击。

(3) 系统启动成功后，系统R1和R2好氧区内生物膜含量分别为87.8%和79.5%，为减小一体化反应器的沉淀区体积和在后续运行中取消污泥回流提供了可能；在好氧区投加20%的聚丙烯空心环更利于降低村镇污水分散处理的成本和维护难度。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2012-03-01；修回日期：2012-06-26

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2011AA060903)；北京市属高等学校人才强教计划项目(2012)；北京工业大学第10届研究生科技基金资助项目(ykj-2012-6912)

通信作者：彭永臻(1949-)，男，黑龙江哈尔滨人，博士，教授，从事污水生物处理理论与应用研究；电话：010-67392627；E-mail: pyz@bjut.edu.cn