沸石颗粒填料固定床生物膜免曝气污水处理工艺

郭其艺,成亮,黎启明,吴向阳

（江苏大学 环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013）

随着城市化和工业化的快速发展，对高效、节能、环境可持续污水处理技术的需求日益增长[1-2]。目前，市政污水处理工艺以生化法为主导（约80%），按照微生物的形态其工艺可分为：基于悬浮态的活性污泥法和基于固定态的生物膜法。其中，活性污泥法处理工艺主要有厌氧—好氧工艺法（A/O）、厌氧—缺氧—好氧工艺法（A2/O）、序批式活性污泥工艺法（SBR）等，生物膜法的污水处理工艺主要有移动床生物膜反应器（MBBR）、生物接触氧化法等。这些工艺的一个共同特点是通过向水体曝气的方式为微生物提供氧气作为电子受体，用于降解污水中污染物。然而，这种氧传输方式效率较低，能耗较大。对污水处理厂实际曝气过程进行分析，结果表明，氧传输效率（OTE）一般在4.8%～34.1%范围内[3-5]，较低的OTE 导致曝气系统的能耗通常占整个污水处理工艺能耗的50%以上[6-8]。因此，提高氧传输效率、降低曝气能耗是实现低能耗污水处理工艺的关键。

已有研究证实，在厌氧条件下，交替厌氧—好氧环境能够促使聚糖菌(Glycogen Accumulating Organisms,GAOs)富集并利用糖原代谢所产生的能量将有机碳源（例如乙酸、丙酸等）转化为胞内聚羟基烷酸（PHAs）[9]。同时，在好氧状态下，GAOs可进行有氧呼吸，分解胞内PHAs 并合成糖原[10]。在厌氧条件下，部分具有反硝化功能的聚糖菌（DGAOs）能够利用细胞内储存的PHAs 作为电子供体，用于硝酸根与亚硝酸根的反硝化[5,11-12]。因此，Flavigny 等[5]利用聚糖菌（GAOs）在厌氧状态下将有机碳转化为PHAs 的特点，构建了以GAOs 为主导的固定床生物膜反应器，通过进水厌氧—排水好氧的运行方式，利用空气在多孔填料内的自然流通为生物膜提供氧气，成功地在免曝气情况下实现了较高的COD 去除率（94.3%）。为了提高污水的氨氮去除效率，Hossain 等[13-15]和Cheng 等[16]在Flavigny 等[5]的生物膜基础上负载了沸石粉末，通过沸石的离子交换作用强化了厌氧条件下的氨氮吸附[17]。研究结果显示，在厌氧条件下，通过GAOs 与沸石的共同作用实现了COD 和氨氮的共同去除。该工艺被命名为被动曝气同步硝化反硝化（PASND）工艺。与传统活性污泥工艺相比，基于PASND 工艺的生物膜反应器的能量需求在理论上可以降低约50%[18-19]。

虽然PASND 工艺具有较高的去除COD 和脱氮能力，但是在长期运行过程中黏附在生物膜上的沸石粉末容易随着生物膜的脱落而损失，从而导致氨氮去除效率的下降。笔者以固定化离子交换材料沸石颗粒为生物填料，以有效解决离子交换材料损失的问题，并研究了一种低能耗的固定床生物膜免曝气污水处理工艺。

1 材料和方法

1.1 试验材料

所用沸石颗粒是一种天然斜沸石原料（河南景盈水处理材料有限公司）。使用前，用去离子水反复洗涤，除去附着的污垢和可溶性杂质，并在105 ℃下干燥24 h。经振动筛将干燥沸石颗粒分为5～10 mm、10～16 mm 和>16 mm 三种不同尺寸。经试验测得5～10 mm、10～16 mm 和>16 mm 每克沸石颗粒的氨氮饱和吸附量分别为27.15、15.73、11.08 μg NH4+-N。根据文献[5]，使用的人工合成污水组成见表1。

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

1.2 反应器的构建和运行

反应器装置如图1（a）所示，由2 个独立的φ6 cm×30 cm 柱状有机玻璃容器、蠕动泵等组成。反应器A 内填充均匀混合的不同粒径沸石颗粒，其中5～10 mm、10～16 mm 和>16 mm 的沸石颗粒质量占比分别为60%、35%和5%。反应器B 内填充尺寸为φ25 mm×12 mm 的高密度聚乙烯填料（HDPE），用作对比测试。2 个反应器分别接种活性污泥（来自镇江市水业总公司城市有机质协同处理中心），接种生物量约为10 g。

图1 试验装置和工艺流程示意图Fig.1 Schematic diagram of bioreactor and treatment procedure

反应器以序批式厌氧—好氧的模式运行，工艺流程如图1（b）所示。整个处理周期分为两个阶段，第1 阶段为注水/厌氧阶段，人工合成污水由蠕动泵从储水水箱送至反应器中，完全充满并保持厌氧状态6 h；第2 阶段为排水/好氧阶段，厌氧处理后的污水通过蠕动泵从反应器排空，空气从反应器上端端口进入，反应器保持好氧状态6 h。各阶段具体运行时段为：进水10 min、厌氧350 min、排水10 min 和好氧350 min，即整体水力停留时间HRT 为12 h。整个试验过程反应器温度维持在（25±2）℃。

经测定，厌氧段反应器内DO 为0 mg/L，好氧段反应器中DO 最低为7.5 mg/L。为测定反应器对各项污染物的去除效果，厌氧阶段中，在反应器中段取10 mL 水样，使用0.22 μm 的水相滤头过滤，进行COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N 和总磷（TP）测定。

1.3 分析和测试方法

污水COD 测量采用重铬酸钾氧化消解光度法，铵根、亚硝酸盐、硝酸盐和总磷浓度按照标准方法测定[20]。由于系统中有机氮的含量很低，故总氮（TN）为NH4+-N、NO2--N、NO3--N 之和。使用液相色谱仪测量污水中乙酸盐浓度[21]。

糖原采用蒽酮法[22-23]测定，具体过程为：将所取生物膜在磷酸盐缓冲液中进行搅拌，取得填料上的生物膜，8 000 r/min 离心10 min 后取沉淀冷冻干燥制备成冻干泥。取2 mg 冻干泥加入5 mL 的5%HCl 溶液，在100 ℃下消解3 h，冷却后离心，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，冷却后使用分光光度计在波长625 nm 下测定吸光度。依据文献[24-26]的方法，PHAs 的测试过程为：在消解管中分别加入上述制备的20 mg 冻干泥、1.45 mL 正丙醇—浓盐酸（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，冷却后加入3 mL 去离子水，振荡后静置分液，取1 mL 下层有机相，加入无水硫酸钠干燥后转移至气相小瓶中。将1 μL 样品加入Shimazu 气相色谱仪，进样口设定温度为275 ℃。初始柱温为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 ℃，柱温保持3 min。测试过程中分别采用葡萄糖（AR，aladdin）和PHAs 标准样品（86%PHB 和14%PHV，sigma）作为标准样绘制标准曲线。为了揭示反应系统中生物膜微生物群落的演化，在不同时间段采集生物膜样品进行高通量生物16S rDNA 测序[5]，将得到的OTU（Operitional Taxonomic Unit）与Silva 库进行对比聚类，结合分类学分析方法进行分析。

2 试验结果与讨论

2.1 生物膜反应器启动

沸石颗粒固定床生物膜反应器经过2 周启动运行后，COD 去除率达到86%，COD 降低至70 mg/L，氨氮去除率达到80%，出水中氨氮浓度降低至8 mg/L。值得注意的是，由于本工艺在厌氧状态下对污水进行处理，出水中的硝酸根与亚硝酸根均为0 mg/L，因此，氨氮去除率等同于总氮去除率（见图2（a））。以上结果表明，使用沸石颗粒作为填料和活性污泥作为接种污泥时，系统大约需要2 周的启动时间，相比于Hossain 等[13]的研究，驯化时间减少了约30 d。

图2 固定式生物膜反应器对COD 及氨氮的去除Fig.2 Removal of COD and ammonia nitrogen by fixed biofilm reactor

塑料填料反应器B 运行约21 d 后，系统COD去除率逐渐稳定（约60%），出水COD 达到200 mg/L 左右。氨氮去除率始终维持在30%以下，出水中氨氮浓度在28.5 mg/L 左右。在之后一个月内，COD 及氨氮去除率无明显变化（见图2（b））。对比沸石颗粒填料反应器和塑料填料反应器的氨氮去除率可知，沸石显著提高了反应器的氨氮去除性能，这主要与沸石颗粒在厌氧条件下对氨氮的吸附有关。同时，使用沸石颗粒作为填料对COD 去除率有所提高，这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）的丰度差异性所致。

2.2 生物膜反应器厌氧段去除效率

图3 是反应器内污水COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N 和总磷（TP）的浓度变化，由图3（a）可见，COD 在厌氧阶段的前1 h 内急剧降低约85%，在随后5 h 内COD 几乎不变；约75%的NH4+-N 在前1 h内被快速吸附去除，在后5 h 内缓慢降低，最终去除率达到约85%；厌氧处理阶段未产生NO2--N 与NO3--N，因此，TN 浓度及变化趋势与NH4+-N 十分相近，最终TN 浓度为7.1 mg/L。

图3 稳定运行期反应器厌氧段COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、总氮（TN）和总磷（TP）的浓度变化Fig.3 Changes in the concentration of COD,ammonia nitrogen,nitrate,nitrite,TN and TP during the anaerobic phase at stable operation

图3（b）显示了沸石颗粒反应器在厌氧阶段总磷（TP）的浓度变化，可见总磷浓度在厌氧阶段基本保持不变。通常来说，聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）都能够在厌氧条件下以溶液中可溶性有机碳作为碳源合成胞内聚羟基烷酸（PHAs），以满足生长需要。然而，PAOs 能够在好氧（缺氧）条件下超量吸附磷、累积聚磷酸盐，在厌氧条件下分解聚磷酸盐并释放到环境中。由于本研究的反应器在厌氧阶段并未监测到TP 的增加，因此，可以认为厌氧条件下COD 的去除主要是由于聚糖菌（GAOs）的作用。

2.3 生物膜反应器好氧段反硝化

试验结果证实了在厌氧条件下沸石固定床生物膜反应器能够持续有效地去除COD 和脱氮。厌氧条件下氨氮浓度的快速降低主要归因于沸石颗粒对铵根离子的化学吸附[27]。然而，长期稳定的氨氮去除效果则主要归因于沸石颗粒的周期性再生，即在排水好氧阶段，硝化细菌氧化沸石颗粒所吸附的氨氮生成硝酸根或亚硝酸根。Cheng 等[16]证实了在好氧条件下由于生物膜内缺氧区的存在，反硝化反应得以进行。因此，为了验证在本系统中好氧阶段是否存在反硝化反应，在厌氧段结束后立即取部分填料置于300 mL 密闭反应器中，其中空隙体积约为180 mL。向反应器注入180 mL 氦气（80%）和氧气（20%）的混合气体，密封并监测氧气和氮气的浓度变化[16]，结果见图4。试验结果表明，好氧阶段6 h内约有29 mL 的氧气消耗和6.5 mL 的氮气生成，其中氮气的生成证明了生物膜内反硝化过程的存在。已有研究结果表明[17,28-29]，好氧阶段反应器内生物过程主要包括：氨氮的硝化反应（氧气消耗）、胞内PHAs 的好氧分解（氧气消耗）及以胞内PHAs 为碳源的反硝化反应（氮气生成）。好氧条件下生物膜的反硝化过程可归因于生物膜内溶解氧浓度梯度的变化，其使得生物膜内存在缺氧区。例如，Stewart 等[30]和Cooney 等[31]认为，在生物膜内175～220 μm（生物膜由表面往内的深度）处氧气已经完全被消耗。

图4 排水好氧过程中反应器内氮气的生成和氧气的消耗Fig.4 Production of nitrogen and consumption of oxygen during the aerobic phase of bioreactor

2.4 生物膜反应器厌氧—好氧段胞内PHAs 变化

已有研究发现，苏丹黑B 对胞内PHAs 染色为阳性[24,32]。因此，为了解反应器不同运行阶段（厌氧—好氧）微生物胞内PHAs 的变化，对生物膜进行苏丹黑B 和番红染色。图5（a）为显微镜下厌氧阶段结束时的生物膜染色图，结果显示，微生物细胞内有明显的黑色胞内脂质颗粒。图5（b）为同一批生物膜好氧阶段结束时的染色图，结果显示，细胞未出现特征性染色。这一变化证实了厌氧阶段生物膜细胞内PHAs 的累积，且在经过好氧阶段后PHAs降解消失。这一发现与Hossain 等[33]的观察结果一致，间接证明了生物膜内聚糖菌GAOs 的存在。

图5 生物膜苏丹黑B 和番红染色图Fig.5 Staining pattern with Sudan black B and safranine

为了获得反应周期中PHAs 和糖原的最大值/最小值，在厌氧段结束和好氧段结束时分别取生物膜（厌氧结束段为A1，好氧结束段为A0），测定微生物胞内PHB（PHAs 的一种）和糖原的含量，结果见表2。测试结果显示，厌氧阶段结束时反应器生物膜胞内PHB 含量明显高于好氧段结束时，糖原含量的变化趋势则相反，这与Wei 等[29]得出的GAOs 细胞内PHAs 和糖原的变化规律相同。

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表2 反应器生物膜胞内PHB 和糖原的含量Table 2 PHB and glycogen contents in biofilm of the bioreactor

2.5 生物膜反应器长期运行情况

图6 是沸石颗粒固定床生物膜反应器长期运行情况。结果显示，反应器具有稳定的COD 和氨氮去除效率，其中，出水COD 平均值为（62.2±10.2）mg/L，NH4+-N平均浓度为（7.1±1.1）mg/L，二者平均去除率分别为87.0%±3.2%和82.7%±2.1%，且出水中不含硝态氮。与Hossain 等[15]和Cheng等[16]使用沸石粉改性HDPE 塑料悬浮填料生物膜反应器相比，COD 去除率降低了约7%，而氨氮去除率升高了10%。该结果表明，在长期运行过程中，采用沸石颗粒作为生物填料能够稳定去除污水中的氨氮。同时，相比于Hossain[33]研究中采用沸石粉作为氨氮吸附材料，在长期运行过程中，氨氮去除率逐步下降（运行90 d 下降约10%），在长期运行工况下（运行80 d），本研究有着更加稳定的氨氮和总氮去除率。

图6 固定床生物膜反应器长期运行条件下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 生物膜反应器微生物群落分析

为了揭示固定生物膜反应器运行过程中微生物群落结构的动态变化，在第46 天和第84 天采集生物膜样品进行高通量16S rRNA 扩增子测序分析，结果如图7 所示。

图7 OTUs 在属级分类上的相对丰度Fig.7 The relative abundance of OTUs in genera classification

初始活性污泥中，脱氯单胞菌Dechloromonas（6.28%）、硝化菌Nitrospira（3.23%）和陶厄氏菌属Thauera（2.55%）是优势菌种，其中，Dechloromonas在强化生物除磷反应器（EBPR）中较为常见，具有反硝化和积累磷酸盐的作用[34]。Nitrospira(NOB)在活性污泥废水处理系统中较为常见，具有亚硝酸盐氧化还原酶基因，因此被认为是亚硝酸盐氧化菌[35]。有研究表明[36]，陶厄氏菌具有高效的异养硝化—好氧反硝化能力。

反应器运行第46 天，生物膜中占主导地位的3种菌属依次是Thauera（13.8%）、Candidatus Competibacter（GAOs，12.4%）和Nitrospira（2.26%）。与驯化前的活性污泥相比，GAOs的丰度增加了10 倍，具有好氧反硝化功能的陶厄氏菌属Thauera的丰度增加了6 倍，表明本工艺能富集GAOs，同时增强好氧反硝化作用。此外，与原始活性污泥相比，生物膜中氨氧化菌（Ammonium Oxidizing Bacteria,AOB）丰度上升了0.3%。

反应器运行第84 天，生物膜中占主导地位的3种菌属分别为Candidatus Competibacter（GAOs）、Uliginosibacterium和Thauera，其各自占比分别9.79%、6.32% 和6.25%，其中Uliginosibacterium同样能在细胞内积累聚-β-羟丁酸（PHB），起到厌氧状态下去除COD 的作用[37]。与第46 天的微生物群落结构相比，GAOs 的丰度略有下降，从12.4%下降至9.79%，Thauera的丰度同样下降，而Dechloromonas和Uliginosibacterium丰度出现增长。Dechloromonas和Thauera的丰度变化可能是反应器内不同菌属对氨氮氧化产物亚硝酸根和硝酸根竞争的结果。

3 结论

1）构建了基于沸石颗粒载体的固定床生物膜单反应器，该反应器通过序批式进水（厌氧）—排水（好氧）的运行方式，可以在免曝气的条件下稳定去除COD 并脱氮。

2）以活性污泥为接种污泥，通过交替性进水（厌氧）—排水（好氧）工艺成功驯化出富含以Candidatus Competibacter等GAOs（12.4%）为主的生物膜。

3）在进水（厌氧）过程中，通过GAOs 和沸石颗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别为87.0%±3.2%和82.7%±2.1%，且出水中未检测出硝态氮。在排水（好氧）过程中，依靠自由流通的空气为生物膜供氧。