解清杰，王 帆，阿 瓊，熊新港，常鋮煒，姜 姍

(1.江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.西藏自治區(qū)環(huán)境科學(xué)研究所，西藏 拉薩 850000)

惡劣的自然環(huán)境和落后的經(jīng)濟(jì)水平，導(dǎo)致高寒缺氧地區(qū)的農(nóng)村生活污水處理率遠(yuǎn)低于其他地區(qū)，其中低溫和缺氧是制約污水處理的主要技術(shù)因素[1]。低溫導(dǎo)致設(shè)備故障增多、微生物活性[2-4]和傳質(zhì)條件變差[5]；缺氧降低了人工曝氣效率[6]，共同致使該地區(qū)生活污水處理成本高、效果差。生物膜的結(jié)構(gòu)為微生物提供了較為穩(wěn)定的生活環(huán)境[7-8]，相較于活性污泥而言，更能適應(yīng)不利環(huán)境[9]，并且生物膜工藝更耐受低溫環(huán)境[10-11]、微生物種類豐富[12-13]且易于固液分離[14]，運(yùn)行成本更低[15]。移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(moving-bed biofilm reactor，MBBR)是在生物膜工藝基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)特定密度的輕質(zhì)填料，通過(guò)機(jī)械攪拌、曝氣等手段令負(fù)載生物膜的填料在反應(yīng)器內(nèi)不斷流動(dòng)，使之與污水充分混合[16]，具有傳質(zhì)阻力小、生物膜更新速率快、微生物的活性高等優(yōu)點(diǎn)，從而對(duì)污染物有著更高的去除速率。近年來(lái)，學(xué)者發(fā)現(xiàn)MBBR工藝在低溫下具有良好的運(yùn)行效果[17-20]，而厭氧工藝因其產(chǎn)泥量低、無(wú)需曝氣、運(yùn)行成本較低，并且可以克服缺氧的影響，因此更能適應(yīng)高寒缺氧地區(qū)生活污水的特殊水質(zhì)和處理需求。

低溫掛膜是整個(gè)工藝的啟動(dòng)階段，生物載體的性能決定了厭氧MBBR反應(yīng)器的啟動(dòng)速率和運(yùn)行效果[21]，因此根據(jù)水質(zhì)選擇合適的填料是必要的。學(xué)者往往根據(jù)不同填料對(duì)污染物的去除效果、微生物增殖速率來(lái)間接評(píng)估填料的生化性能，而呼吸圖譜能夠直觀地描述填料上微生物的活性，直接表征填料的優(yōu)越性，在工程上常用來(lái)評(píng)估好氧工藝生物活性和種群結(jié)構(gòu)，但學(xué)術(shù)界缺乏對(duì)厭氧工藝和生物膜工藝微生物呼吸圖譜的研究?；诖?，本文不僅比較了3種不同填料生物膜形態(tài)的變化、對(duì)污染物的去除效果和微生物的增殖速率，還根據(jù)厭氧產(chǎn)氣的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一種測(cè)定厭氧生物膜比呼吸速率的方法，并通過(guò)比較3種填料的總比呼吸速率和內(nèi)源呼吸速率來(lái)說(shuō)明填料的優(yōu)劣和低溫厭氧反應(yīng)器的啟動(dòng)機(jī)制，以期為實(shí)際工程提供經(jīng)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，內(nèi)徑14 cm，高85 cm，有效容積12 L，污水下進(jìn)上出，外壁纏有透明水管，使用5～6 ℃的循環(huán)冷水對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行保溫，反應(yīng)器內(nèi)水溫為8～14 ℃，水管外覆蓋保溫材料，以模擬低溫環(huán)境。反應(yīng)器為了保持厭氧環(huán)境，采用攪拌器進(jìn)行攪拌使填料流動(dòng)，使用高位水箱連續(xù)供水，采用液體流量計(jì)控制水量大小。裝置如圖1所示。

1-高位水箱;2-進(jìn)水取樣口;3-閥門(mén);4-浮子流量計(jì);5-保溫棉;6-冷水管;7-懸浮填料;8-攪拌器;9-攪拌棒;10-冷水箱;11-水泵;12-冷水機(jī)

3組反應(yīng)器由同一個(gè)高位水箱供水，連續(xù)并聯(lián)運(yùn)行120 d，分別投加普通聚氨酯海綿填料、負(fù)載活性炭粉末的Levapor海綿填料和聚乙烯K3填料，填充比均為60%，水力停留時(shí)間8 h，反應(yīng)器內(nèi)溶解氧保持在0～0.5 mg/L，攪拌速率為150～250 r/min，填料性能如表1。

表1 填料的物理性能

使用葡萄糖、氯化銨和磷酸二氫鉀配置COD為5 000 mg/L、氨氮為330 mg/L、總磷為22 mg/L的全營(yíng)養(yǎng)液；用氯化銨和磷酸二氫鉀配置氨氮為330 mg/L、總磷為22 mg/L的無(wú)碳源營(yíng)養(yǎng)液；微量元素溶液配方同文獻(xiàn)[22]，儲(chǔ)備液濃度為原文獻(xiàn)濃度的1 000倍，使用時(shí)稀釋到文獻(xiàn)中的濃度。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

過(guò)硫酸鉀(適用于HJ636-2012)、納氏試劑(阿拉丁試劑(上海)有限公司)；其余試劑購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。所用試劑均為分析純。

DRB200型快速消解器、HQ30d型溶解氧儀(哈希水質(zhì)分析儀器(上海)有限公司)；UV-1200紫外/可見(jiàn)光分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司)；BSA224S分析天平(賽多利斯(上海)貿(mào)易有限公司)；KQ-250DE超聲清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)。

1.3 廢水來(lái)源與掛膜方式

啟動(dòng)階段采用稀釋后的實(shí)際生活廢水進(jìn)行連續(xù)自然掛膜，生活廢水取自江蘇大學(xué)東山操場(chǎng)東側(cè)污水井，主要為食堂和學(xué)生宿舍生活廢水。根據(jù)西藏拉薩市典型農(nóng)村生活廢水水質(zhì)[23]，對(duì)生活廢水的COD和TP進(jìn)行稀釋，并投加氯化銨補(bǔ)充氨氮，具體水質(zhì)如表2。

表2 進(jìn)水水質(zhì)

1.4 分析方法

1.4.1 取樣方式

每隔3 d取樣測(cè)進(jìn)出水質(zhì)，每隔7 d測(cè)定一次生物膜參數(shù)和呼吸速率。反應(yīng)器的進(jìn)出水樣均取9 h混合樣，即每隔1 h取5 mL水樣，共取10次，混合后測(cè)定水質(zhì)參數(shù)。生物膜固體濃度、生物膜揮發(fā)性固體濃度和呼吸速率均取2～4個(gè)填料進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2 分析方法

常規(guī)水質(zhì)參數(shù)、生物膜量的檢測(cè)方法如表3。

表3 分析方法及所用儀器

1.使用0.1 mol/L 氫氧化鈉溶液60 ℃下浸泡填料2～4 h后，超聲剝離生物膜[24]。

總比呼吸速率(SOURT)由自養(yǎng)微生物比呼吸速率(SOURA)、異養(yǎng)微生物比呼吸速率(SOURH)和內(nèi)源比呼吸速率(SOURen)組成[25]。厭氧反應(yīng)產(chǎn)生甲烷、硫化氫、氨和硫化銨等，導(dǎo)致棕色瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)增大，因此本實(shí)驗(yàn)采用壓差法[22]測(cè)定以上呼吸速率，使用HACH BOD Trak?Ⅱ進(jìn)行測(cè)定，操作如下：

1)對(duì)棕色瓶、轉(zhuǎn)子和蒸餾水進(jìn)行高溫消毒；

2)測(cè)定蒸餾水的溶解氧濃度，并根據(jù)溶解氧濃度加入2倍理論量的亞硝酸鈉去除水中溶解氧，待溶解氧降至1 mg/L 以下后，根據(jù)加入的亞硝酸鈉量加入定量氯化鋇，以消除硫化氫積累對(duì)厭氧微生物的抑制影響，取渾濁液作為實(shí)驗(yàn)用水；

3)各取2個(gè)填料沖洗后放入棕色瓶?jī)?nèi)，分別加入45 mL全營(yíng)養(yǎng)液、0.4 mL微量元素溶液，為消除瓶中氧氣的影響，加入440 mL實(shí)驗(yàn)用水后放入轉(zhuǎn)子，以不加填料為空白，此時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)為SOURT；

4)將步驟3)中全營(yíng)養(yǎng)液改為無(wú)碳源營(yíng)養(yǎng)液，其余同3)，此時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)為SOURA；

5)將步驟3)中全營(yíng)養(yǎng)液改為去除溶解氧的實(shí)驗(yàn)用水，其余同3)，此時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)為SOURen；

6)打開(kāi)HACH BOD Trak?Ⅱ，設(shè)置BOD 范圍為0～350 mg/L，時(shí)間默認(rèn)為5 d，開(kāi)始測(cè)定。

由于儀器導(dǎo)管中有空氣，因此待儀器讀數(shù)開(kāi)始降低或上升速率低于空白樣時(shí)，開(kāi)始記錄全營(yíng)養(yǎng)液瓶中的數(shù)據(jù)，而測(cè)定內(nèi)源比呼吸速率的樣品瓶在8～12 h時(shí)與空白讀數(shù)差值最大，記錄此期間的數(shù)據(jù)。

厭氧生物膜的比呼吸速率計(jì)算公式為

(1)

式中：SSOUR,i為第i個(gè)樣品的比呼吸速率，mg/(h·g)；ρBOD,0為空白樣BOD5讀數(shù)，mg/L；ρBOD,i為第i個(gè)樣品的BOD5讀數(shù)，mg/L；V為儀器設(shè)置的溶液總體積，與選擇的BOD5范圍有關(guān)，0～35 mg/L時(shí)為0.42 L，稀釋倍數(shù)為1.14；n為棕色瓶中加入的填料個(gè)數(shù)，個(gè)；t為反應(yīng)時(shí)間，h；mi為第i個(gè)樣品的混合液揮發(fā)性懸浮固體質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與分析

2.1 填料上的生物膜形態(tài)

厭氧微生物世代時(shí)間比好氧微生物更長(zhǎng)，并且本實(shí)驗(yàn)用水為低溫、低營(yíng)養(yǎng)的生活廢水和自然掛膜的啟動(dòng)方式，也就需要更長(zhǎng)的掛膜時(shí)間，120 d的運(yùn)行也未能令生物膜覆蓋整個(gè)填料，因此本實(shí)驗(yàn)期間，低溫厭氧生物膜掛膜并未結(jié)束。

通過(guò)對(duì)填料掛膜情況的持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)，生物膜在不同流化填料上具有不同的生長(zhǎng)方式，對(duì)于環(huán)狀K3填料，生物膜首先出現(xiàn)在填料內(nèi)壁，這是因?yàn)镵3填料的外壁與反應(yīng)器和其他填料之間摩擦頻繁，不利于附著，因此內(nèi)壁先出現(xiàn)生物膜，而隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的增加，微生物膜的顏色由微黃色變?yōu)楹诤稚?，厭氧菌逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌種。對(duì)于多孔材料而言，孔洞增大了比表面積并為微生物提供了相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境，但也阻礙了內(nèi)部物質(zhì)的交換，因此外壁生物膜的生長(zhǎng)速度更快。

對(duì)于厭氧MBBR而言，為了保持反應(yīng)器內(nèi)的厭氧環(huán)境，一般采用機(jī)械攪拌的方式推動(dòng)填料流動(dòng)，反應(yīng)器內(nèi)的碰撞強(qiáng)度更高，因此對(duì)填料的機(jī)械強(qiáng)度要求更高。在反應(yīng)器運(yùn)行期間，方形的多孔填料均出現(xiàn)不同程度的損壞，Levapor填料的表面出現(xiàn)拉絲，邊角破損消失，負(fù)載的活性炭也大量脫落，而普通聚氨酯海綿填料破碎嚴(yán)重，邊角完全消失，與之對(duì)比，環(huán)狀的聚乙烯填料只發(fā)生了輕微變形，可見(jiàn)材質(zhì)和形狀決定了填料的使用壽命。

2.2 3種填料對(duì)污染物的去除效果

3種填料對(duì)COD去除效果見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，厭氧MBBR反應(yīng)器低溫掛膜期間，反應(yīng)器的出水COD濃度與進(jìn)水COD濃度呈現(xiàn)正相關(guān)，在反應(yīng)器運(yùn)行0～12 d期間，由于初端污水溶解氧濃度較高，并且反應(yīng)器內(nèi)微生物數(shù)量和活性無(wú)法完全消耗系統(tǒng)內(nèi)增加的溶解氧，因此3個(gè)反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度均大于2 mg/L，屬于好氧水平，因此有機(jī)物去除率較高[26]；而在12 d之后，3個(gè)反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度均低于1 mg/L，已經(jīng)達(dá)到厭氧水平，此時(shí)有機(jī)物的去除率降低。在12～33 d期間，3種填料對(duì)COD的去除率從大到小順序?yàn)?Levapor海綿填料、聚氨酯海綿填料、K3填料，這是因?yàn)槎嗫撞牧衔院陀H水性好、沉底快，因此機(jī)械攪拌能令填料與污水充分接觸，對(duì)污染物的去除效果更好，在2種多孔填料中，由于Levapor填料上負(fù)載了一定的活性炭粉末，對(duì)污染物和微生物代謝產(chǎn)物具有吸附作用[27]，因此去除效率最高。K3填料親水性差，在掛膜前期無(wú)法沉底，填料由于浮力堆積在一起，不利于流化，因此去除效果相對(duì)較差。反應(yīng)器運(yùn)行30 d左右，多孔填料受機(jī)械碰撞開(kāi)始發(fā)生破損，Levapor海綿填料負(fù)載的活性炭發(fā)生脫落，但破損的填料和活性炭未排出反應(yīng)器，因此在33～72 d，多孔填料對(duì)COD的去除率上升不明顯，但仍然高于K3填料。72 d之后，聚氨酯海綿填料的殘?bào)w和Levapor填料脫落的活性炭隨出水流失嚴(yán)重，因此去除率保持不變，依靠反應(yīng)器內(nèi)以懸浮態(tài)微生物對(duì)污染物進(jìn)行去除，因此2種多孔填料的去除率趨于相同，保持在20%左右，而在這一階段，K3填料對(duì)COD的去除率穩(wěn)定上升，并逐漸超過(guò)2種多孔填料，但由于低溫生物膜增殖速度變慢和較短的水力停留時(shí)間，反應(yīng)器啟動(dòng)120 d之后，COD的去除率只有30%～35%。

圖2 3種填料對(duì)COD去除效果

3種填料對(duì)氨氮去除效果見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大多數(shù)情況下，3種填料的出水氨氮濃度均不同程度地高于進(jìn)水，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)污水主要來(lái)自食堂和宿舍，有機(jī)氮較多，在厭氧條件下，經(jīng)氨化微生物[28]作用，有機(jī)氮變?yōu)榘钡?，提高了反?yīng)器內(nèi)氨氮的濃度[29]，又由于低溫導(dǎo)致生物活性下降，因此增加幅度不大。氨氮的去除效果與溶解氧密切相關(guān)，在0～12 d期間，反應(yīng)器內(nèi)為好氧狀態(tài)，因此氨氮去除率較高[30]，能達(dá)到20%左右，12～120 d期間，由于實(shí)驗(yàn)并未在特殊的條件下運(yùn)行，因此反應(yīng)器內(nèi)的氨氮主要通過(guò)微生物的同化作用被合成為蛋白質(zhì)等生物分子[31]，利用率較低，因此去除率僅為10%～15%。Levapor海綿填料負(fù)載了一定的活性炭粉末，生物親和性好，并且對(duì)氨氮有一定的吸附效果，因此在反應(yīng)前期去除效果最高，隨著2種多孔填料破損的加重，原本掛載的氨化微生物發(fā)生了脫落、流失，因此其反應(yīng)器的出水氨氮濃度逐漸接近進(jìn)水；K3填料對(duì)氨氮的去除效果略有變化，在掛膜后期，K3填料對(duì)氨氮去除率的絕對(duì)值變大，證明K3填料上氨化微生物在緩慢增殖。厭氧MBBR反應(yīng)器對(duì)氨氮的去除效果不佳，甚至?xí)a(chǎn)生氨氮，說(shuō)明單厭氧的反應(yīng)器具有局限性，應(yīng)和好氧反應(yīng)器進(jìn)行耦合才能增強(qiáng)脫氮效果。

圖3 3種填料對(duì)氨氮去除效果

3種填料對(duì)TP去除效果見(jiàn)圖4。同氨氮結(jié)果一樣，低溫厭氧MBBR反應(yīng)器對(duì)污水中總磷的去除效果不佳，0～12 d期間，由于反應(yīng)器內(nèi)為好氧條件，根據(jù)典型的污水除磷原理，聚磷菌超量吸收水中的磷元素，因此總磷的去除率可達(dá)30%左右，而在12～24 d期間，反應(yīng)器內(nèi)初步達(dá)到厭氧條件，微生物分解細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的聚磷酸鹽，合成β-羥基丁酸(PHB)等有機(jī)物，釋放出磷元素[32]，在此期間反應(yīng)器出水總磷上升幅度較大。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，污水中的總磷通過(guò)生物膜的吸附和同化作用從污水中去除，又通過(guò)微生物細(xì)胞的裂解和生物膜的脫落回到污水中，隨出水從體系中脫離。填料表面的生物膜更新速率越快，出水中總磷含量越高，因此在24～54 d期間，由于多孔填料生物膜更新速率較慢，Levapor海綿填料和聚氨酯海綿填料對(duì)總磷的去除效果優(yōu)于K3填料，并且活性炭粉末對(duì)總磷有一定的吸附作用[33]，Levapor海綿填料對(duì)總磷的去除率最高，可達(dá)10%左右，后續(xù)因?yàn)槎嗫滋盍习l(fā)生破損，活性炭和生物膜大量脫落，導(dǎo)致出水總磷升高。由于剩余污泥隨出水排出是總磷脫離反應(yīng)器體系的唯一途徑，所以K3填料反應(yīng)器的出水總磷濃度較高并不一定是壞事，隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，最終K3填料能去除5%左右的總磷，且波動(dòng)比多孔填料更大，說(shuō)明K3填料生物膜更新頻次更高，與合適的物理沉降工藝組合，可以達(dá)到較好的除磷效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，厭氧MBBR反應(yīng)器對(duì)總磷的去除效果不佳，仍需要配合其他工藝方可達(dá)到較好的去除效果。

圖4 3種填料對(duì)TP去除效果

2.3 3種填料的生物量變化

填料上微生物膜的增殖速率代表了填料的生物親和程度，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看(見(jiàn)圖5和圖6)，多孔材料掛膜速度更快，并且生物膜的濃度更大，但由于其強(qiáng)度不如K3填料，后期發(fā)生的破碎和損壞，導(dǎo)致生物膜脫落嚴(yán)重，聚氨酯海綿填料生物膜脫落嚴(yán)重，生物膜固體濃度從1.4 g/L降低到0.4 g/L；Levapor海綿填料生物膜的濃度也發(fā)生了下降，但由于破損不如聚氨酯海綿嚴(yán)重，并且負(fù)載的活性炭粉末會(huì)使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏大，因此生物膜的變化小于聚氨酯海綿填料；K3填料的生物膜直接與流動(dòng)的污水接觸，摩擦更大，因此掛膜速度較慢?？傮w而言，低溫下厭氧生物膜反應(yīng)器生物增殖速度較慢，生物膜有機(jī)成分占比較活性污泥更高，并且隨著掛膜的進(jìn)行，有機(jī)組分的占比略有下降。這是因?yàn)槌醵宋鬯畱腋∥镔|(zhì)較少，并且只有隨著生物膜的增殖，具備了一定的生物膜厚度，才具有吸附無(wú)機(jī)組分的條件，因此生物膜工藝有機(jī)組分占比更高。

圖5 3種填料生物膜固體濃度變化

圖6 3種填料生物膜揮發(fā)性固體濃度變化

2.4 3種填料的比呼吸速率變化

呼吸速率代表了微生物的某種代謝活性[34]，對(duì)于厭氧生物工藝而言，總呼吸速率代表了厭氧生物膜總體活性，自養(yǎng)呼吸速率代表了厭氧微生物膜中自養(yǎng)微生物的活性，異養(yǎng)呼吸速率代表了異養(yǎng)微生物的活性，內(nèi)源比呼吸速率代表內(nèi)源呼吸強(qiáng)度。

比呼吸速率指單位質(zhì)量生物膜的呼吸速率，不同類型的比呼吸速率具有不同的意義?？偙群粑俾实淖兓韱挝毁|(zhì)量微生物的活性變化，直接說(shuō)明微生物對(duì)污水的適應(yīng)情況，不同污水水質(zhì)有不同的比呼吸速率[35]，間接代表了填料的生物親和性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明(見(jiàn)圖7、圖8和圖9)，反應(yīng)器內(nèi)微生物活性隨反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的增加而增強(qiáng)，最終總比呼吸速率從大到小排列為：K3填料、聚氨酯海綿填料、Levapor海綿填料。2種多孔填料總比呼吸速率的上升趨勢(shì)更快，說(shuō)明多孔填料內(nèi)部穩(wěn)定的環(huán)境為微生物生命活動(dòng)提供了較為穩(wěn)定的環(huán)境，更適合微生物生長(zhǎng)[36]。自然掛膜利用待處理污水中的土著微生物進(jìn)行掛膜，這些土著微生物對(duì)待處理污水中污染物已經(jīng)較為適應(yīng)，因此在水溫降低后，能夠更快被馴化，總比呼吸速率的變化也證明了這一點(diǎn)。盡管總比呼吸速率均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升速率并不均勻，在0～30 d上升幅度較大，30～120 d上升幅度較小，說(shuō)明土著微生物在30 d左右基本馴化完成，已經(jīng)適應(yīng)低溫環(huán)境。

圖7 Levapor海綿填料比呼吸速率變化

圖8 K3填料比呼吸速率變化

圖9 聚氨酯海綿填料比呼吸速率變化

內(nèi)源比呼吸速率間接代表生物膜中衰亡細(xì)胞的數(shù)量，根據(jù)典型的微生物生長(zhǎng)曲線，衰亡微生物的數(shù)量代表了相應(yīng)的生長(zhǎng)時(shí)期[37]：在掛膜前期，微生物處于適應(yīng)期，不適應(yīng)環(huán)境的微生物死亡，此時(shí)宏觀生物膜的內(nèi)源比呼吸速率較高；掛膜中期，微生物處于對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期，代謝旺盛，新細(xì)胞產(chǎn)生速度快，此時(shí)生物膜的內(nèi)源比呼吸速率較低；掛膜后期，微生物數(shù)量達(dá)到環(huán)境上限，細(xì)胞衰亡速度加快，因此生物膜的內(nèi)源比呼吸速率變高。由于本實(shí)驗(yàn)采用自然掛膜法進(jìn)行啟動(dòng)，進(jìn)水源源不斷地向反應(yīng)器內(nèi)輸入土著微生物，反應(yīng)器內(nèi)不同時(shí)期的微生物比例在不斷變化，因此內(nèi)源比呼吸速率的變化均不明顯。在0～60 d，由于K3填料的生物膜與流動(dòng)的污水和填料直接接觸，受到的沖刷更劇烈，因此生物膜更新速度更快，泥齡更短；多孔結(jié)構(gòu)為微生物提供了穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，但阻礙了生物膜的機(jī)械更新和物質(zhì)傳輸[38]，因此生物膜的泥齡更長(zhǎng)，所以這一階段K3填料的內(nèi)源比呼吸速率比多孔填料更低；在60～120 d期間，多孔填料發(fā)生破損，加快了生物膜的更新，內(nèi)源比呼吸速率下降。總體而言，填料的結(jié)構(gòu)決定了生物膜的更新速率，K3填料上的微生物膜受到的機(jī)械摩擦力更大，因此生物膜更新快，宏觀上呈現(xiàn)出填料上生物膜固體濃度增長(zhǎng)緩慢的特點(diǎn)，但K3填料單位質(zhì)量生物膜的活性更高；多孔填料的孔洞結(jié)構(gòu)為微生物生長(zhǎng)提供了穩(wěn)定的環(huán)境，阻擋了水流的沖刷和其他填料的直接摩擦，因此生物膜的泥齡能夠保持在更長(zhǎng)的水平，有利于反硝化細(xì)菌等繁殖緩慢的微生物生長(zhǎng)，所以應(yīng)根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)、處理預(yù)期和具體工藝選擇合適的填料。內(nèi)源比呼吸速率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，厭氧工藝具有比好氧工藝[39]更高的內(nèi)源比呼吸速率，這可能是厭氧生物處理工藝剩余污泥量低的原因，溫度影響內(nèi)源呼吸的強(qiáng)度[40]，但低溫工藝的產(chǎn)泥量可能會(huì)與溫度降低水平不成正比。

3 討論和結(jié)論

3.1 討論

學(xué)者普遍認(rèn)為環(huán)狀硬質(zhì)填料相對(duì)于軟性海綿填料而言，盡管掛膜速度較慢，但壽命更長(zhǎng)，并且流化難度更小、生物膜更加致密[41]，但相關(guān)研究主要是通過(guò)對(duì)微生物膜微觀結(jié)構(gòu)、污染物降解速度[42]和微生物種群結(jié)構(gòu)[43]進(jìn)行比較，并未持續(xù)追蹤填料上生物膜宏觀形態(tài)變化，也沒(méi)有分析生物活性的變化，也就沒(méi)有回答導(dǎo)致硬質(zhì)環(huán)狀填料掛膜速度慢但生物膜質(zhì)地緊密的本質(zhì)原因。本文研究表明，從不同填料上生物膜最早出現(xiàn)的部位、填料破損后微生物量和呼吸速率可知，多孔結(jié)構(gòu)阻礙物質(zhì)向內(nèi)部環(huán)境的遷移和交換，不利于內(nèi)部微生物膜的形成，導(dǎo)致內(nèi)部微生物膜出現(xiàn)較晚，但同時(shí)也為內(nèi)部微生物提供了穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境，生物膜更新較慢，這一點(diǎn)從生物膜內(nèi)源比呼吸速率也可以看出。當(dāng)多孔填料發(fā)生破損，內(nèi)部穩(wěn)定環(huán)境被破壞時(shí)，多孔填料的生物量反而低于環(huán)狀填料，由此可見(jiàn)內(nèi)部微生物免于受水流和機(jī)械摩擦而流失是多孔填料掛膜速度快的主要原因，而在一定沖刷范圍內(nèi)，K3填料內(nèi)外部均受到機(jī)械沖刷或碰撞，微生物流失速度較快，生物膜更新速度快，但流失的主要是與填料吸附不緊密的、衰老的微生物，優(yōu)勝劣汰之下，填料微生物膜更加質(zhì)地緊密，內(nèi)源比呼吸速率也更低。

污水中土著微生物、活性污泥和特種菌種等是生物膜法微生物的主要來(lái)源，也衍生出自然掛膜法[44]、活性污泥接種法和優(yōu)勢(shì)菌種接種法等生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)方法。相關(guān)研究證明，自然掛膜法周期更長(zhǎng)，但最終完成啟動(dòng)后，對(duì)污染物的去除效果與其他啟動(dòng)方式相比并不遜色[45]。本研究發(fā)現(xiàn)，由于土著微生物本身已經(jīng)適應(yīng)了相應(yīng)污染物，因此馴化速度快，并且進(jìn)水源源不斷地向反應(yīng)器內(nèi)輸入微生物，保證了反應(yīng)器內(nèi)懸浮微生物的濃度不至于因?yàn)槭Ｓ辔勰嗟呐懦档停瑫r(shí)帶來(lái)了位于各種生長(zhǎng)周期的微生物，使填料的內(nèi)源比呼吸速率保持在恒定值。當(dāng)填料上附著的生物膜量達(dá)到一定基數(shù)時(shí)，自然掛膜填料的生物量增長(zhǎng)速度也會(huì)變快，所以處理低溫環(huán)境或其他特殊水質(zhì)條件的污水時(shí)，自然掛膜法可以有效縮短微生物適應(yīng)水質(zhì)的時(shí)間[46]，從而縮短啟動(dòng)時(shí)間。

通過(guò)建立污染物去除率、微生物量變化和比呼吸速率變化之間的聯(lián)系，證明了生物活性和生物膜量共同影響了反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果：在啟動(dòng)初期，微生物處于適應(yīng)期，還在適應(yīng)低溫和低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境，總比呼吸速率較低，并且填料上附著的生物量較少，共同導(dǎo)致此階段生物膜增殖速度較慢[47]、污染物去除率較低[48]；適應(yīng)期過(guò)后，微生物適應(yīng)了水質(zhì)和環(huán)境，比呼吸速率上升，此時(shí)微生物的數(shù)量是制約反應(yīng)器對(duì)污染物去除率的主要因素，微生物比呼吸速率變化幅度不大，污染物去除率的增大是因?yàn)槲⑸飻?shù)量的增加，總而言之，微生物的馴化和數(shù)量的增殖是生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)的實(shí)質(zhì)。

除此之外，本文實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還有一些現(xiàn)象值得注意：

1)無(wú)碳源營(yíng)養(yǎng)液瓶中測(cè)定結(jié)果與內(nèi)源呼吸測(cè)試瓶的結(jié)果基本一致。厭氧反應(yīng)器中可能存在的自養(yǎng)微生物為自養(yǎng)硝化細(xì)菌[49]、厭氧氨氧化細(xì)菌[50]和自養(yǎng)產(chǎn)甲烷細(xì)菌[51]，在普通反應(yīng)器中，這3種微生物數(shù)量少、活性微弱，無(wú)法通過(guò)產(chǎn)氣量來(lái)判斷生物膜是否發(fā)生自養(yǎng)呼吸，因此使用1.4.2節(jié)所述無(wú)碳源營(yíng)養(yǎng)液測(cè)定自養(yǎng)呼吸速率時(shí)，受內(nèi)源呼吸產(chǎn)氣的影響較大，所以本文未附自養(yǎng)比呼吸速率的測(cè)定結(jié)果，也亟待一種簡(jiǎn)單、有效的測(cè)定厭氧自養(yǎng)微生物活性的方法。

2)測(cè)定總比呼吸速率的時(shí)候，24 h之后瓶中厭氧微生物產(chǎn)生的氣體會(huì)逐漸減少，表現(xiàn)為儀器讀數(shù)上升。氣體可能通過(guò)溶解、泄漏和被利用3種途徑消失，厭氧呼吸產(chǎn)生的甲烷和硫化氫氣體難溶于水，而氨易溶于水，因此可能是氨溶于水導(dǎo)致氣壓下降，也可能是甲烷或硫化氫氣體被分解[52]，還需要進(jìn)一步研究揭示其機(jī)理。

相對(duì)已有研究而言，盡管本研究在研究方法和研究方向上具有創(chuàng)新性，但仍存在不足點(diǎn)：

1)本研究?jī)H考察了嚴(yán)格厭氧下生物膜的呼吸速率，而反應(yīng)器實(shí)際運(yùn)行時(shí)，外界和進(jìn)水會(huì)源源不斷地給反應(yīng)器內(nèi)帶來(lái)溶解氧，而反應(yīng)器內(nèi)還能保持厭氧狀態(tài)，這就證明存在能消耗溶解氧的微生物，本研究未能研究此類微生物對(duì)污染物的去除效果；由于厭氧自養(yǎng)微生物數(shù)量較少，本研究也未能對(duì)厭氧生物膜的自養(yǎng)比呼吸速率進(jìn)行探究。

2)當(dāng)前學(xué)術(shù)界常用的生物膜剝離方法均存在一定缺點(diǎn)，超聲、冷凍干燥法會(huì)使膜生物失去活性，酸堿藥劑剝離法在損傷生物活性的同時(shí)，由于藥劑和生物膜物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)還會(huì)造成生物量測(cè)定值小于實(shí)際值，而手工剝離法誤差大，并且不適合用于多孔材料，因此在測(cè)定生物膜呼吸速率時(shí)，這些方法均不適用。本研究將多個(gè)懸浮填料直接放入，在保證生物膜活性的同時(shí)，一定程度減少了誤差，但由于瓶子容積限制，能加入的懸浮填料有限，在掛膜早期，填料上負(fù)載的生物較少而分布不均，實(shí)驗(yàn)誤差較大，因此，迫切需求一種在保持生物活性的前提下，能夠完全、快速地將生物膜從填料上剝離的方法。

填料比選之后，下一步的研究重點(diǎn)應(yīng)在填料比選的基礎(chǔ)上，研究影響厭氧MBBR反應(yīng)器啟動(dòng)的工藝因素和反應(yīng)器的生物增殖動(dòng)力學(xué)參數(shù)、底物降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)和溫度系數(shù)等參數(shù)，為厭氧MBBR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，機(jī)械攪拌對(duì)填料的機(jī)械損傷是不可逆的，因此無(wú)損傷的攪拌方式能夠增加懸浮填料的運(yùn)行壽命，從而節(jié)省成本，而厭氧工藝的短板導(dǎo)致其對(duì)污染物不是全面、徹底地去除，因此后續(xù)研究方向可以放在厭氧工藝和其他工藝的耦合以及復(fù)合工藝運(yùn)行工況的研究上。

綜上所述，根據(jù)填料對(duì)污染物的持久去除效果、掛膜速率、生物量、使用壽命和呼吸速率進(jìn)行比較可知，聚氨酯海綿填料表現(xiàn)最差；Levapor海綿填料處理效果好、掛膜快、生物量大、自養(yǎng)比呼吸速率高，但內(nèi)源比呼吸速率高，實(shí)驗(yàn)條件下壽命較短，填料容易破碎，掛載的活性炭容易脫落;K3填料使用壽命長(zhǎng)，生物膜形體易于觀察，對(duì)污染物的去除效果適中，異養(yǎng)比呼吸速率高，價(jià)格便宜，能適應(yīng)厭氧MBBR反應(yīng)器的劇烈攪拌，并且高寒缺氧的農(nóng)村地區(qū)往往交通不便，填料更換不易，因此K3填料更適合作為低溫厭氧MBBR反應(yīng)器的生物載體。

3.2 結(jié)論

本研究通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)3種MBBR填料在低溫厭氧下的啟動(dòng)過(guò)程和反應(yīng)器的運(yùn)行情況，比較了3種填料的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，為厭氧MBBR反應(yīng)器選擇合適填料提供了理論基礎(chǔ)。此外，本研究設(shè)計(jì)了一種研究厭氧呼吸速率的方法，并通過(guò)啟動(dòng)過(guò)程中呼吸圖譜的變化，證明了自然掛膜法的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)闡述了厭氧工藝啟動(dòng)慢、產(chǎn)泥量低的原因，可能是因?yàn)閰捬跷⑸飪?nèi)源比呼吸速率較高，導(dǎo)致生物膜在增殖過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行自我消耗，為研究厭氧工藝機(jī)理提供了研究方向，結(jié)論如下：

1)微生物膜在填料上的增殖過(guò)程中，首先出現(xiàn)在摩擦小和物質(zhì)交換頻繁的部位，再逐漸擴(kuò)散到整個(gè)填料，期間伴隨著微生物群落的變化，生物膜顏色也會(huì)發(fā)生一些變化。填料的材質(zhì)和形狀決定了填料在厭氧MBBR反應(yīng)器中的壽命長(zhǎng)短，圓(球)形的硬質(zhì)填料壽命更長(zhǎng)。

2)3種填料中，在低溫環(huán)境下，初期多孔填料負(fù)載的生物量更大、生物膜增殖速率更快，污染物的去除效果更好，但隨著反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，多孔填料破損嚴(yán)重，生物膜脫落，處理效果變差，反而不如K3填料。

3)對(duì)厭氧生物膜比呼吸速率的持續(xù)追蹤發(fā)現(xiàn)，在自然掛膜情況下，呼吸速率和比呼吸速率逐漸增長(zhǎng)，因此填料掛膜實(shí)質(zhì)是微生物的馴化和增殖。本文采用自然掛膜的方法啟動(dòng)所需馴化時(shí)間較短，30 d即可完成馴化。

4)厭氧狀態(tài)下，微生物內(nèi)源比呼吸速率較高，說(shuō)明厭氧生物膜在增殖的過(guò)程中伴隨著自身的減量，因此產(chǎn)泥量低。填料的結(jié)構(gòu)決定了生物膜的更新速率，因此多孔填料泥齡較長(zhǎng)，內(nèi)源比呼吸速率較高，而K3填料生物膜更新速度快，內(nèi)源比呼吸速率更低。