李 青 ，成小英 *

（1.江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，江蘇 無錫214122；2.江蘇省水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州215000）

目前，我國地表水中氮污染現(xiàn)象普遍存在[1]，且氮素是引起水體富營養(yǎng)化和環(huán)境污染的重要污染物質(zhì)[2]。由于城市居民生活污水和工廠工業(yè)廢水的大量排放以及農(nóng)業(yè)上化肥的大量使用，使得地表水中氮污染現(xiàn)象愈演愈烈。有關(guān)資料表明，我國大部分湖泊和河庫均處于富營養(yǎng)化水平，其中富營養(yǎng)化比較嚴重的湖泊高達22%，因此富營養(yǎng)化問題仍然是我國湖泊治理中的長期而嚴峻的一個重大環(huán)境問題。水體富營養(yǎng)化程度的加重，藍藻水華頻繁發(fā)生，給環(huán)境和經(jīng)濟均造成了嚴重的威脅[3]。無錫市濱湖區(qū)蠡河作為太湖的入湖河流之一，其嚴重的氮污染問題進一步加重了太湖水域的氮污染現(xiàn)象。因此，蠡河氮污染治理丞待解決。

生物填料作為微生物附著的載體對系統(tǒng)的處理效果和穩(wěn)定運行具有重要影響，國內(nèi)外學(xué)者研究較多[4-6]，將填料引入生物脫氮反應(yīng)器，使其具有脫氮除磷和抗沖擊負荷的性能[7]。同時生物膜可以通過減少功能微生物如較為脆弱的硝化細菌的流失，以提高反應(yīng)器內(nèi)功能微生物的豐度和種類，從而使得硝化反應(yīng)順利進行；另一方面當(dāng)生物膜達到一定厚度時，其表面到內(nèi)部溶解氧濃度不同，可發(fā)生同步硝化反硝化現(xiàn)象，從而強化系統(tǒng)的脫氮效果[8]。

作者在調(diào)查分析2014年蠡河水質(zhì)的基礎(chǔ)上，接種無錫市濱湖區(qū)蠡河底泥，選用應(yīng)用范圍較廣且價格便宜的懸浮填料和彈性填料，對比分析了填充不同填料的兩組反應(yīng)器的啟動過程及其抗沖擊負荷能力，并從生物相的微觀層面分析了其作用機理，為生物膜載體的選擇和優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

運用自行設(shè)計的生物反應(yīng)器（有效容積為6.75 L的圓柱狀），分別填充50%～60%的懸浮填料和彈性填料，并接種無錫市濱湖區(qū)蠡河底泥（以下簡稱R1和R2），采用增氧泵向反應(yīng)器內(nèi)曝氣，一方面對反應(yīng)器內(nèi)的微生物供氧，另一方面保證反應(yīng)器內(nèi)懸浮填料的充分懸浮，間曝期間填充懸浮填料的生物反應(yīng)器采用攪拌器攪拌以保證固液充分混合。

1.2 填料類型及布設(shè)方式

實驗所用的懸浮填料和彈性填料均為無錫誠泰環(huán)保科技有限公司購買。懸浮填料為聚氯乙烯柱狀粒料，曝氣期間在反應(yīng)器內(nèi)呈流化狀態(tài)，彈性填料由直徑4 mm耐腐中心繩串接，填料串自然下垂，固定于反應(yīng)器上方，填料性質(zhì)見表1。

表1 填料性質(zhì)Table 1 Properties of two fillers

1.3 實驗用水

試驗用水根據(jù)前期調(diào)查的2014年無錫市濱湖區(qū)蠡河水質(zhì)，配制了模擬污染河水，其NH4+-N、NO3--N、TN、CODMn分 別 為 0.37～6.80、0.70～2.25、0.92～7.70、4.49～15.86 mg/L，該水質(zhì)屬五類水以上。

1.4 接種底泥與運行方式

接種底泥取自無錫市濱湖區(qū)蠡河底泥，接種底泥經(jīng)洗滌和0.45 mm過篩后與蒸餾水按一定比例混合后投加到反應(yīng)器內(nèi)，以減少其他因素對生物膜去除性能的影響。試驗采用3小時/3小時間歇曝氣、逐步增加進水流量的悶曝排泥法運行反應(yīng)器，具體運行方式為：1）悶曝期間曝氣量維持在3 L/min，2 d后將泥水全部排出；2）第三天開始連續(xù)進水，直到第九天，期間HRT恒定為24 h，曝氣量維持在2 L/min；3）10～18 d內(nèi)進水流量逐漸增加直至HRT縮短至14.80 h，穩(wěn)定運行一段時間后，縮短HRT至11.9、9.89、7.99 h并分別持續(xù)10 d，直至反應(yīng)器運行結(jié)束，曝氣量始終維持在3 L/min。采用魚缸加熱棒控制反應(yīng)器溫度為 （28±1）℃，NaHCO3溶液調(diào)節(jié)pH在7.5～7.8之間。

1.5 分析項目與方法

NH4+-N、CODMn、NO2--N、TN 等均按照 《水和廢水監(jiān)測分析方法》標(biāo)準方法進行測定[9]；pH值：梅特勒托利多pH計直接測定；DO值：梅特勒托利多溶氧儀直接測定；生物膜鏡檢和結(jié)構(gòu)分析采用Leica DMLB顯微鏡和XL-30-ESEM型（Philips公司）。

2 結(jié)果與討論

2.1 掛膜啟動過程氨氮去除性能

圖1為生物膜反應(yīng)器啟動與運行過程中NH4+-N去除性能。由圖1可知，根據(jù)NH4+-N去除情況掛膜啟動大致可分為適應(yīng)期、快速增長期和穩(wěn)定期3個階段[10]。在掛膜過程中，采用悶曝排泥法掛膜啟動的兩組反應(yīng)器的NH4+-N去除率呈現(xiàn)出明顯差異，R2反應(yīng)器的去除率始終高于R1反應(yīng)器的去除率，在進水第12天，R2反應(yīng)器的 NH4+-N去除率達到92.66%，至此認為在該溫度下反應(yīng)器已掛膜成功[11-12]。而此時R1反應(yīng)器的 NH4+-N去除率僅為65.69%，4 d后增至87.74%，至此兩組反應(yīng)器NH4+-N出水均達到 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準》（GB-3838-2002）[13]的II類標(biāo)準。在改變水力停留時間研究各系統(tǒng)的抗沖擊負荷能力時，隨著HRT由14.80 h縮短至7.99 h，兩組反應(yīng)器NH4+-N去除率均有不同程度的下降和波動。其中R1反應(yīng)器的 NH4+－N平均去除率波動較大，NH4+-N平均去除率由98.18%降至78.32%，而R2反應(yīng)器的NH4+-N平均去除率由98.76%降至87.63%，即使在HRT為9.89 h時，R2反應(yīng)器的NH4+-N平均去除率依然維持在94.23%，見圖2。

圖1 脫氮反應(yīng)器NH4+-N去除性能Fig.1 Removel performance of NH4+-N in two nitrogen removel bioreactors

圖2 不同HRT時各反應(yīng)器對NH4+-N的平均去除率Fig.2 Average removal of NH4+-N at four different hydraulic retention time（HRT）

分析認為，縮短水力停留時間，系統(tǒng)進水負荷增加，生物膜表面污染物的更新速度進一步加快，使得微生物與污染物之間沒有充足的接觸機率與反應(yīng)時間，使得反應(yīng)系統(tǒng)的NH4+-N去除性能下降[14]；同時，進水負荷的提高促進了異養(yǎng)菌和硝化細菌對生存空間的競爭[15]，所以隨著HRT的逐漸縮短，兩組反應(yīng)器NH4+-N去除率均有所下降，水力停留時間較長，有利于延長生物膜與污染物的接觸時間，從而促進污染物的高效降解。另外，每個不同的水力停留時間下，R2反應(yīng)器NH4+-N的平均去除率相比R1反應(yīng)器NH4+-N的平均去除率較高一些，原因在于彈性填料絲條能長期在水中保持輻射狀，這樣一來微生物附著空間大，單位填料附著的生物量較多，且對上升氣泡的切割性能好，有助于布氣配水均勻，從而提高了氧氣的利用率，且氨氧化細菌較為脆弱和容易流失[16]，而彈性填料可以較好地將氨氧化細菌吸附并將其固定以防止其流失；懸浮填料雖然比表面積也大，但由于間曝期間攪拌器的攪拌，使得附著的生物膜大部分都集中在填料內(nèi)側(cè)，生物膜也略有脫落現(xiàn)象，致使膜較薄，所以降低了懸浮填料的使用面積，另外曝氣過程中填料的堆疊現(xiàn)象也影響了填料與污水的接觸面積。

2.2 掛膜啟動過程CODMn去除性能

在連續(xù)運行期間，兩反應(yīng)器進水及出水CODMn的變化情況見圖3。由兩反應(yīng)器對CODMn的去除情況可以看出，在連續(xù)運行的前14天，兩反應(yīng)器CODMn的去除率逐漸增加，在進水第14天時，R2反應(yīng)器的CODMn去除率達到了85.12%，14 d以后其CODMn去除率逐漸趨于穩(wěn)定，而此時R1反應(yīng)器的CODMn去除率剛增至80%以上，4 d后其去除率增至84.31%，之后其CODMn去除率逐漸趨于穩(wěn)定，同NH4+-N去除率一樣，與R1反應(yīng)器的NH4+-N去除率相比，R2反應(yīng)器的 CODMn去除率率先達到穩(wěn)定，此外，當(dāng)HRT在9.89～14.80 h變化時，兩反器的CODMn去除率差別不大，其CODMn的平均去除率均在75% 以上，當(dāng)HRT降到7.99 h時，兩反應(yīng)器對CODMn的平均去除率降到了60%～65%之間。可見，HRT過短同樣也會影響CODMn的去除率，而且，當(dāng)HRT為7.99 h時，R2反應(yīng)器的COD4+去除率略優(yōu)于R1反應(yīng)器，推測彈性填料單位表面的生物膜內(nèi)功能微生物可以保持較強的持留能力和較高的生物活性[17]，絲狀生物膜之間形成的交織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以增強其吸附能力，強化其對污染物的“網(wǎng)捕”作用，因此在反應(yīng)器運行期間還觀察到R2反應(yīng)器的出水較R1反應(yīng)器的出水清澈，見圖4。與NH4+-N去除率相比，CODMn去除率在整個運行期間最高只能達到85%左右，推測原因，微污染原水中有機物質(zhì)量濃度較低，屬于寡營養(yǎng)環(huán)境，因此像硝化細菌等貧營養(yǎng)微生物便在營養(yǎng)競爭中處于優(yōu)勢地位，從而成為優(yōu)勢菌群，而富營養(yǎng)的異養(yǎng)菌的生存容易便受到一定程度的抑制[12]。但在掛膜成熟之后的整個運行過程中，兩反應(yīng)器出水的CODMn質(zhì)量濃度分別為1.11～3.76 mg/L、0.95～3.62 mg/L， 均能達到 GBGB3838-2002Ⅱ類標(biāo)準。

圖3 脫氮反應(yīng)器CODMn去除性能Fig.3 Removel performance of CODMnin two nitrogen removel bioreactors

圖4 不同HRT時兩反應(yīng)器的CODMn平均去除率Fig.4 Average removal of CODMnat four different hydraulic retention time（HRT）

2.3 生物相分析

生物反應(yīng)器中的微生物是一個以細菌為主的群體。不同微生物具有不同的形狀和指示作用，因此觀察微生物及其分泌物結(jié)構(gòu)對于污廢水處理具有重要的重要的借鑒和指導(dǎo)意義[18]。

在反應(yīng)器開始進水第五天后，R2反應(yīng)器中彈性填料絲表面即觀察到有少量生物膜附著；而R1反應(yīng)器中懸浮填料內(nèi)部孔隙間肉眼可見少量點狀菌落，進水第14天后在填料內(nèi)部空隙間形成一層均勻的薄膜，此時R1、R2反應(yīng)器中彈性填料絲表面附著的生物膜較前期逐漸增厚。在反應(yīng)器運行前期，鏡檢發(fā)現(xiàn)兩反應(yīng)器生物膜內(nèi)均出現(xiàn)少量的球菌、絲狀菌等微生物，反應(yīng)器運行至65 d時，鏡檢發(fā)現(xiàn)成熟生物膜的形態(tài)和微生物種類具有一定的多樣性，見圖5。填料表面均附著大量生物膜，生物膜內(nèi)出現(xiàn)大量的球狀、橢球狀、桿狀、絲狀及團簇結(jié)構(gòu)，尤其是R2反應(yīng)器中生物膜的胞外分泌物較為發(fā)達，生物膜結(jié)構(gòu)更為致密，更利于生物膜形成絮狀結(jié)構(gòu)。

圖5 兩反應(yīng)器生物膜鏡檢Fig.5 Structure characteristics of biofilm in two bioreactors

表2列出了兩反應(yīng)器中不同水力停留時間下單位填料表面生物膜量（gVS/m-2）、反應(yīng)器內(nèi)總的生物膜量（gVS）以及VS/TS比值?？梢钥闯?，不同水力停留時間下，R2反應(yīng)器中彈性填料單位表面積附著的生物膜量以及反應(yīng)器內(nèi)總的生物膜量均大于R1反應(yīng)器中懸浮填料附著的生物膜量。在進水較快即HRT=7.99 h的工況下，R1反應(yīng)器內(nèi)懸浮填料附著生物膜的VS/TS比值僅為32.01%，而R2反應(yīng)器內(nèi)彈性填料附著生物膜的VS/TS比值達到40.98%，高于R1反應(yīng)器的8.97%，這意味著R2反應(yīng)器內(nèi)生物膜具有更高的活性生物量（VS），這可能是R2反應(yīng)器的運行性能優(yōu)于R1反應(yīng)器的主要原因。

另外，由于填料在有效區(qū)域內(nèi)能立體全方位均勻舒展分布，使得反應(yīng)器內(nèi)懸浮微生物、顆粒雜質(zhì)以及細胞胞外聚合物的粘合作用下迅速形成了網(wǎng)狀生物膜，所以相比于懸浮填料，彈性填料形成生物膜較快，微生物培養(yǎng)馴化時間較短。彈性填料表面較多的親水性基團以及良好的生物親和性可以迅速吸附并聚集硝化細菌，使其在貧營養(yǎng)環(huán)境中可以快速的掛膜成功，從而達到快速去除污染物的效果。

表2 填料表面生物膜量、VS/TS比較Table 2 Comparison of biomass and VS/TS of biofilms in two lab-scale river bioreactors

3 結(jié)語

1）采用改進型悶曝排泥掛膜可實現(xiàn)微污染原水修復(fù)系統(tǒng)快速啟動，與懸浮填料相比，彈性填料率先掛膜成熟，掛膜成熟后兩組反應(yīng)器對NH4+-N和CODMn去除率均分別穩(wěn)定在95%和80%以上。

2）隨著HRT由14.80 h縮短至7.99 h，兩組反應(yīng)器對NH4+-N和COD4+平均去除率均有不同程度的下降，NH4+－N平均去除率分別由98.18%、98.76%降至 78.32%、87.63%，CODMn平均去除率分別由84.52%、83.69%降至60.9%、64.71%，因此彈性填料在處理污染河水時具有較強的抗沖擊負荷能力。

3）微生物鏡檢顯示，與懸浮填料相比，彈性填料生物膜的胞間膠狀物更為發(fā)達，生物膜結(jié)構(gòu)更為致密，且不同水力停留時間下附著的生物膜量較多，VS/TS比值較高。由此推斷，與懸浮填料相比，具有良好生物親和性的彈性填料更有利于生長緩慢、世代時間較長的AOB生長，從而將較為脆弱且易流失的硝化細菌固定，達到提高硝化細菌數(shù)量和強化污染物去除效率的效果。