载体对短程硝化生物膜特性的影响
序批式生物膜反应器(SBBR)，即通过在SBR反应器中投加生物膜填料，并采用序批模式运行的新型工艺。该工艺兼具SBR法和生物膜法的优点，不但能提升抗冲击负荷的能力，也保留了SBR控制灵活方便的特性，具有良好的发展前景。SBBR反应器可以将生物膜中微生物的污泥龄控制在较高水平，有利于世代时间较长的硝化细菌的生长，有利于硝化过程的进行。
传统脱氮主要利用的是全程硝化反硝化工艺，即氨氧化细菌(AOB)将污水中的NH4+-N氧化为NO2-N，再由亚硝酸盐氧化细菌(NOB)将NO2--N氧化为NO3--N。而短程硝化是将硝化反应控制在NO2-N阶段，可缩短反应流程，减少建设投资，节省曝气能耗和反硝化碳源，具有良好的应用前景。短程硝化一般通过富集AOB和抑制NOB来实现。AOB的氧饱和常数较NOB低，说明AOB能够更好地适应低DO的环境。而生物膜中存在一定的溶解氧梯度，因此在对DO的竞争方面，AOB比NOB更有优势，能够获得更好的生长环境，有利于短程硝化的实现。另外，研究表明，间歇进水的方式比连续进水更容易实现短程硝化，其可以通过控制DO、游离氨、温度、pH等参数来实现短程硝化。
本研究以模拟城市生活污水作为处理对象，采用SBBR反应器考察了不同载体对短程硝化生物膜特性的影响，以及对高DO的冲击适应性，以期找到更适合短程硝化启动和运行的填料。
1、材料与方法
1.1 试验装置
SBBR反应器的结构示意如图1所示。反应器为圆柱形，直径20cm，有效水深30cm，有效容积约为9.4L。反应器材质为有机玻璃，装置底部设有刚玉曝气盘，通过转子流量计与曝气泵相连。SBBR反应器放置于25℃的恒温槽内，装置上部分别放置DO探头和pH探头，实时监测反应器内温度、DO和pH的变化。
1.2 试验水质和接种污泥
试验中的3组反应器均采用人工配水，其中，进水NH4+-N60mg/L左右，由氯化铵提供;进水COD300mg/L左右，由醋酸钠提供;进水TP约为6mg/L，由磷酸二氢钾提供。1L污水中投加0.5mL营养液，为微生物生长提供必要的微量元素。营养液主要成分：FeSO4・7H2O1mg/L，H3BO30.2mg/L，CuSO4.5H2O0.1mg/L，MgSO4・7H2O0.1mg/L，MnCl2・4H2O0.2mg/L，ZnSO4・7H2O0.2mg/L，CoSO4・6H2O0.3mg/L，NiCl2・6H200.2mg/L。根据反应器运行情况投加碳酸氢钠，pH维持在7.6~7.8。接种污泥为北京市某污水处理厂回流污泥，其硝化性能良好，MLVSS/MLSS在0.7左右，SVI在90左右。
1.3 试验方案
试验共设置A、B、C3个试验组，各组试验条件与采用的反应器均相同，选择鲍尔环和海绵2种类型的载体进行填充，填充比25%。其中，A组投加鲍尔环填料，B组投加海绵填料，C组投加体积比为1：1的海绵和鲍尔环混合填料。鲍尔环填料的比表面积为280~670m/m，孔隙率为50%~75%，吸附能力较弱。海绵填料的比表面积为2500m/m左右，孔隙率为75%~90%，吸附能力较强。
A、B、C3组试验均采用完全排泥法进行“挂膜启动”。即首先进行48h闷曝，然后排空反应器内的活性污泥，从而在生物膜挂膜阶段消除反应器内活性污泥对营养物质的竞争。通过对比3组试验的短程硝化运行效果和“挂膜”情况等，并结合EPS、SEM和高通量分析，得出不同填料投加对短程硝化特性的影响。在初始阶段，控制曝气时间为6h，以出水NH4+-N<5mg/L作为硝化反应完全的标准进行监测调整，防止出现过量曝气，并定期观察填料上生物膜生长状况，最终实现短程硝化的启动和稳定运行。
试验中采用氨氮去除率(AAR)评价硝化性能，采用亚硝酸盐氮积累率(NAR)评价短程硝化的成功启动，以NAR的稳定性作为短程硝化稳定运行的指标参数。
1.4 分析项目与方法
NH4+-N采用纳式试剂分光光度法测定;NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法测定;NO3-N采用麝香草酚分光光度法测定;MLSS和MLVSS采用质量法测定。DO、pH和温度采用WTW在线监测探头进行监测。
生物膜内总EPS采用热处理方法提取，采用考马斯亮蓝G-250法测定总蛋白含量，采用蒽酮比色法测定总糖含量。生物膜样品送到生工生物工程(上海)股份有限公司进行高通量测序。
2、结果与讨论
2.1不同填料试验组的挂膜启动
分别对A、B、C3组反应器进行挂膜启动，以挂膜填料上生物量的多少来指示“挂膜”是否成功，并对3组试验中“挂膜”时间的长短进行比较。图2为反应器启动和稳定运行过程中生物量和ARR的变化情况。
MLVSS表示活性污泥混合液中有机固体物质的浓度，可以用来表征活性污泥中生物量的浓度水平。从图2(a)可以看到，3个试验组在闷曝48h并完全排空活性污泥后，生物量的变化规律有较大差异。A组第1天截留的生物量最少，MLVSS为116mg/L，说明鲍尔环的截留能力较差;随着时间的增加，A组生物量逐渐增加，14d以后MLVSS稳定在2021mg/L左右，说明挂膜启动成功。B组第1天截留的微生物最多，MLVSS为2395mg/L，说明海绵具有很强的截留能力，这和海绵的多孔特性相关。由于海绵初期只有物理拦截作用，随着水力剪切和进水的稀释，生物量逐渐减低，第5天达到最低值，MLVSS为1656mg/L，但仍是同期3组中的最高值;之后系统内生物量逐渐升高，10d后MLVSS稳定在2100mg/L左右，成功实现了挂膜。C组第1天的MLVSS为1354mg/L，其变化趋势介于A组与C组之间，11d后实现了成功挂膜。3组挂膜成功后的生物量大致相同，MLVSS均在1950~2200mg/L范围内。
由图2(b)可知，A、B、C3组试验中ARR的变化规律与生物量相似，且对ARR的去除分别在14d后、10d后、11d后达到稳定。3组试验达到稳定后的ARR均保持在80%左右，差异不大。试验结果表明，海绵填料由于具有比表面积大、吸附能力强的特性，在前期可以吸附截留更多的微生物，有利于微生物的附着和增殖，能够更快地实现挂膜启动。
在实际运行中，发现B组曝气能耗相对较大。由于海绵填料具有一定厚度，需要保持较高的曝气量，并增加额外的搅拌装置，才能使90%以上的海绵填料呈流化状态，使海绵内部的微生物与溶解氧和污染物能够充分接触。此外，由于海绵填料的机械强度较低，长期的机械搅拌和水力剪切容易造成填料的磨损和破裂，而重新投加补充新填料又需要一定的培养周期，会影响处理系统的处理效率，并对出水水质造成影响。鲍尔环填料虽然挂膜时间较长，但仅靠曝气带动的水力搅拌就可达到较好的流化状态，且鲍尔环填料为刚性填料，不易发生磨损和破裂。
2.2 DO对不同填料试验组短程硝化稳定性的影响
为了研究DO对不同填料试验组短程硝化稳定性的影响，将3组试验均分为3个阶段：第1阶段是1~20d的挂膜启动阶段，主要完成填料的挂膜和稳定运行，这一阶段控制DO在1mg/L左右;第2阶段是21~35d，增加DO至3.3mg/L，用高DO冲击来破坏短程硝化;第3阶段是36~50d，进一步增加DO至5.6mg/L，增加其对短程硝化的冲击。不同DO下3组试验AAR和NAR的变化如图3所示。
研究表明，AOB的氧饱和系数是0.2~0.4mg/L，NOB的氧饱和系数是1.2~1.6mg/L。G.Ciudad等研究发现，实现短程硝化需要控制DO<1.4mg/L。也有一些研究表明，在生物膜反应器中，可以在较高的DO条件下实现短程硝化。张永祥等应用鲍尔环填料，通过控制DO在2.9~5.0mg/L，实现了短程硝化;周鑫等以海绵作为微生物填料处理NH4+-N废水，通过控制DO在0.8~2.6mg/L，实现了短程硝化，NAR最大值为72.2%。
从图3可知，在高DO的冲击下，A组的短程硝化效果保持相对稳定，NAR仅下降了8%左右。而对于B组与C组，高DO的冲击破坏了其短程硝化效果。第50天，B组的NAR降低为41.5%，C组的NAR降低为65.0%。从短程硝化运行的抗DO冲击特性来说，3个试验组的抗冲击能力从高到低依次为A>C>B。
鲍尔环与海绵填料在抵抗高DO冲击方面的差异性主要体现在以下3个方面：
(1)生物膜厚度的差异。鲍尔环填料与海绵填料在达到稳定运行后的NAR与生物量基本相同，但是鲍尔环填料的比表面积远远小于海绵填料，这说明鲍尔环填料上的生物膜厚度要远远高于海绵填料。而生物膜的厚度直接影响到DO的传质效果，生物膜越厚，DO与污染物传递到生物膜内层的阻力越大，这就导致高DO冲击下，鲍尔环填料生物膜内部仍能保持合适的低DO环境，来维持AOB的富集与NOB的抑制。
(2)EPS的分泌不同。EPS是微生物通过新陈代谢分泌出来的高分子聚合物，能够包裹在微生物细胞的表面，有利于微生物的聚集与附着生长，具有保护和维持生物膜的作用。鲍尔环填料在低比表面积的情况下，仍然有与海绵填料相同的生物量，这就意味着鲍尔环填料中微生物分泌的EPS较高，对生物膜的保护也较高。
(3)生物膜的分层结构。在鲍尔环填料的生物膜中，由于生物膜厚度较厚，DO和有机物在不同厚度的生物膜上具有不同的浓度梯度，这样微生物就会根据对DO和有机物的不同需求，在不同的生物膜位置生长。而在海绵填料中，由于生物膜厚度较低，分层结构不明显，生物膜很容易被高DO冲击穿透。
2.3 鲍尔环与海绵填料的短程硝化特性
鲍尔环填料和海绵填料均能达到短程硝化的稳定运行，为了比较这2种填料的短程硝化效果的差异，在短程硝化稳定期(第20天)，对C组中的鲍尔环填料和海绵填料分别进行了沿程变化小试，结果如图4所示。
从图4可知，试验进行1h时，鲍尔环填料反应器内NH4+-N降低了9.61mg/L，而海绵填料反应器内NH4+-N降低了22.84mg/L。这是因为海绵填料的表面积较大，海绵填料生物膜与进水中污染物的接触面积也较大，污染物能够更多地被微生物所吸附，从而导致海绵填料反应器内NH4+-N下降较快。鲍尔环填料与海绵填料的NH4+-N去除率均在90%左右，鲍尔环填料的NH4+-N去除率为93.84%，稍高于海绵填料的89.28%。这可能是由于鲍尔环填料中AOB的活性较海绵填料要稍高一些。对于2种填料，NO3-N浓度均维持在一个较低的水平，从试验开始到结束(反应6h)，鲍尔环填料反应器中的NO5-N从2.08mg/L升高至4.38mg/L，而海绵填料反应器中的NO5-N从1.90mg/L升高至7.56mg/L，说明海绵填料中NOB的活性更高一些，鲍尔环填料对NOB的抑制作用更强。
2.4 SEM、EPS和高通量分析
在第20天短程硝化稳定期，取出C组试验中投加的鲍尔环填料和海绵填料进行SEM分析，结果如图5所示。
从图5可以看到，鲍尔环生物膜细胞表面有较多的细胞间物质，生物膜表面较平整光滑;海绵填料生物膜细胞表面细胞间物质较少，生物膜相对比较粗糙。生物膜中细胞间物质主要成分是EPS，其对微生物起到保护作用，是组成和维持生物膜的重要部分。与海绵填料相比，鲍尔环填料生物膜中的EPS相对较多，因此其对高DO的传质阻力更大，短程硝化抗高DO冲击的能力更强。
取第37天C组中的鲍尔环和海绵填料，测定其生物膜上的EPS。结果表明，鲍尔环填料生物膜中的TOC、PN(蛋白质)、PS(多糖)分别为165、76.8、16mg/L，海绵填料生物膜中的TOC、PN、PS分别为98、51.6、12mg/L，鲍尔环填料生物膜中的总EPS(TOC)、PN和PS均较显著地高于海绵填料。同时，计算得出鲍尔环和海绵填料生物膜中的PN/PS分别为4.8、4.3。综上，可以看出鲍尔环填料上的生物膜更稳定。
对第37天C组中鲍尔环和海绵填料上的生物膜进行高通量测序，结果如图6所示。
由图6可以看出，海绵填料生物膜中共有14种主要菌属，鲍尔环填料生物膜中共有11种主要菌属，与海绵填料相比，鲍尔环上的微生物群落结构更加趋于专性，特别是不动杆菌属(Acinetobacter)的占比进一步扩大，可能表明功能菌群的优势较为明显。海绵填料和鲍尔环填料生物膜样品的Shannon-Wiener指数分别为4.2和3.3，表明海绵填料生物膜中的微生物更具多样性，反过来也同样表明鲍尔环填料生物膜中的微生物相对更专性，这也是其生物膜更稳定的一种表现。
3、结论
(1)在25℃条件下，在SBBR反应器中分别投加鲍尔环填料、海绵填料和体积比为1：1的混合填料进行挂膜启动，结果表明，3个试验组实现短程硝化所需时间分别为14、10、11d，氨氮去除率均能达到80%以上，均能实现稳定的短程硝化。鲍尔环填料虽然挂膜时间较长，但是仅靠曝气带动的水力搅拌就可以达到较好的流化状态，且较海绵填料节省能耗，不易发生磨损和破裂。
(2)SEM分析表明，鲍尔环填料生物膜中的EPS要多于海绵填料。在高DO冲击下，鲍尔环填料中较多的EPS对高DO的传质有更大的阻力，能够保持相对稳定的DO梯度，对内部微生物的保护效果更好，且稳定的DO梯度使微生物的种类更多样，分层更合理，生物膜结构更牢固。鲍尔环填料对高DO的冲击适应性更强，能够在高DO下实现短程硝化的稳定运行。
(3)EPS分析表明，鲍尔环填料生物膜中的TOC、PN和PS均较显著地高于海绵填料，且鲍尔环生物膜中的PN/PS较高，说明鲍尔环上的生物膜更稳定。高通量测序结果表明，鲍尔环填料生物膜中的微生物群落结构相比于海绵填料更加趋于专性，这也是其生物膜较稳定的原因之一。（来源：西安高新区污水处理有限公司，北京城市排水集团有限责任公司，北京工业大学，煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室）