磷作為一種重要的資源同時具有稀缺性和污染性的雙重特性,若排放的污水中含有過量的磷會導致水體富營養化等問題,影響水體生態系統的健康發展,如發展到飲用水水源地區還會嚴重威脅人類的生活.因此,有必要管控污水中的磷使其利于磷資源的良性循環:即減少污水中磷含量,保證水資源環境不受危害,實現生態的可持續發展.現有的大部分污水處理廠使用強化生物除磷(EPBR)工藝去除污水中的磷,從生命周期角度看,合適的污水除磷工藝要兼顧當地情況和其他環境影響,如全球變暖、 臭氧層破壞等.使用EBPR工藝過程中無法避免產生大量的剩余污泥,若處理不當會產生生物毒性,在污泥處理過程中也會產生多余的溫室氣體.

　　生物膜法曾以其效率高和運行成本低等優點被廣泛用于污水的有機物去除及脫氮工藝,且將生物膜法工藝用于廢水脫氮,對緩解當前水體富營養化、 廢水處理設施用地緊張等問題有積極作用,擁有較大的發展潛力.生物膜上的生物世代時間長、 生物量大,如能在常規生物載體上富集聚磷菌,通過微生物富集方式實現對磷酸鹽的高效去除,將為磷的去除與管控提供新途徑.有研究表明,用厭氧/好氧交替式生物濾池處理低碳磷比廢水,最優出水TP質量濃度為0.4 mg·L-1; 還有研究采用了厭氧預酸化-間歇曝氣生物濾池處理生活污水,可以有效去除污水中的有機物和磷酸鹽,TP出水平均濃度0.59 mg·L-1,平均去除率為85.2%.上述研究中的除磷生物膜多使用曝氣生物濾池的形式,存在容易堵塞、 需要定期反沖洗和對進水的懸浮固體濃度要求嚴格等局限,工藝發展緩慢且受限.

　　本研究以常規填料掛式尼龍作為生物膜載體形成厭氧/好氧交替生物膜反應器,控制合適條件并在生物膜上富集聚磷菌,使廢水中的磷和COD等污染物得以高效穩定地去除.該新型生物膜工藝與強化生物除磷和化學除磷法相比,剩余污泥產生量極少,大大減少了溫室氣體的排放量,是更為可持續的除磷方法; 該工藝的原理為簡單的生物接觸氧化法,無需復雜的條件控制,簡單易行.本研究并沒有對反應器厭氧階段做詳細分析,這是由于生物膜培養成熟后將在厭氧階段進行磷回收工作,同時完成磷的去除與富集,符合未來處理污水節能環保、 資源回收的理念.

　　1 材料與方法

　　1.1 反應器裝置

　　將掛式尼龍填料浸沒在蘇州市某污水處理廠好氧段氧化溝取回的污泥中曝氣24 h,使污泥在填料上附著.反應器置于DF-101s恒溫水浴加熱磁力攪拌鍋中,保持恒溫和底部的勻速攪拌.使用3臺DZ-2X水泵分別完成好氧進水、 厭氧進水以及排水的工作,用一臺250 W小型空壓機接軟管和曝氣石放入反應器中提供好氧階段的曝氣.

　　反應器的主體由2串尼龍填料掛在一個2 L的容器中組成,裝置流程如圖 1:好氧階段,提升泵1將好氧進水泵入反應器,并由空壓機提供曝氣條件,反應完成后提升泵3將反應器中溶液排出; 厭氧階段,提升泵2將厭氧進水泵入反應器,反應完成后同樣由泵3將溶液排出.與其他生物除磷工藝中只有一種進水的模式不同,本工藝采用厭氧/好氧階段泵入不同進水,使反應器中生物膜適應該運行模式,在完成生物膜培養工作后通過厭氧階段使用同一回收液富集磷的濃溶液進行磷資源的回收.

圖 1 實驗裝置示意

　　1.2 進水和運行條件

　　1.2.1 進水條件

　　使用合成廢水作為進水,其中好氧基質即為好氧進水,厭氧基質與水以1：9的比例混合作為厭氧進水.通常采用乙酸鈉或丙酸鈉作為模擬廢水碳源,邱春生等研究表明,乙酸鈉比丙酸鈉更能促進聚磷菌的代謝,故選取易于吸收的乙酸鈉作為碳源.合成廢水的水質主要指標為:好氧基質中,200 mg·L-1COD,5 mg·L-1 PO43--P,40 mg·L-1NH4+-N,少量CaCl2·2H2O、 MgSO4·7H2O、 EDTA·2Na和微量元素,加入NaHCO3調節進水pH至7.5; 厭氧基質中,2 000 mg·L-1COD,40 mg·L-1NH4+-N,自然pH值,少量CaCl2·2H2O、 MgSO4·7H2O、 EDTA·2Na和微量元素.

　　1.2.2 運行時間和條件

　　相關研究表明,生物膜反應器厭氧/好氧交替時間設定12 h可得到較好的處理效果,厭氧和好氧階段各設置為6 h.反應器進水流量119 mL·min-1,進水時間約15 min,保持容器底部轉子時刻轉動使反應器中的溶液處于均勻混合狀態.

　　合成廢水的COD濃度設置為200 mg·L-1符合蘇南地區的實際情況.有研究表明,溶解氧在生物膜反應器液相和生物膜相及膜內部存在一個傳遞過程,因此生物膜法與傳統活性污泥法相比需要更多的曝氣量,相同情況下提高曝氣量能使出水的含磷量更低; 另一方面,曝氣量的增加也會打破原先在生物膜有效生物量,綜合考慮將本工藝好氧階段的曝氣量控制在(3±0.5) mg·L-1.部分聚磷菌在培養環境中適應的pH范圍為6~9,還有部分聚磷菌pH生長范圍為6~8,偏堿性的環境中聚磷菌會有更好的表現,結合實際廢水的pH,將進水的pH調節至7.5.聚磷菌的生長溫度范圍為10~35℃,溫度越高微生物代謝活性越快,本實驗在室溫較低時,通過水浴加熱將溫度控制在25℃,當溫度高于25℃時不對其進行溫度控制.

　　1.3 分析方法

　　1.3.1 常規監測項目

　　水質監測指標有: COD采用重鉻酸鉀法測定; PO43--P采用鉬銻抗分光光度法測定; NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定; DO采用inlab OXI7300溶氧儀測定; pH采用inlab OXI7300 pH計測定; 其他參數均參照文獻的方法.

　　1.3.2 熒光原位雜交法

　　將生物膜上的污泥樣品固定后于-20℃保存.實驗采用PAOmix探針即PAO462探針、 PAO651探針和PAO864探針的混合; 全菌探針則采用EUB338mix探針即EUB338探針、 EUB338-Ⅱ探針和EUB338-Ⅲ探針的混合,其中PAOmix和EUB338mix混合探針分別采用CY3和FITC作為熒光染料,所雜交出的圖片分別為橙紅色和綠色,詳見表 1.經過處理的載玻片均勻涂布已固定的污泥樣品.污泥樣品在46℃雜交2.0 h.將雜交好的載玻片置于48℃清洗管中恒溫振蕩20 min,避光干燥20 min.用共聚焦顯微鏡LeicaDM2500(Leica儀器有限公司)觀察,并用其軟件LASCore攝取圖片和分析.

　　表 1 微生物FISH探針序列表

　　1.3.3 直接顯微鏡厚度測量法

　　利用顯微鏡對生物膜表面以及載體表面兩次對焦成像,通過物鏡的移動距離得到生物膜厚.具體操作方法如下:生物膜樣品從反應器中取出后直接放置于顯微鏡觀察平臺上并加以固定,選定觀察倍數(一般為100倍)后對生物膜表面進行對焦,直到獲得清晰圖像,記下此時的顯微鏡微調刻度數; 繼續通過微調鈕調節物鏡對載體表面進行對焦直至獲得對載體表面的清晰圖像,記下此時的微調鈕讀數; 經校正后,兩次成像時微調鈕讀數之差即為所測生物膜厚.

　　2 結果與討論

　　2.1 反應器處理效能評價

　　選取掛式尼龍作為生物膜填料,根據填料情況與實驗目的采取活性污泥掛膜法進行掛膜.取蘇州某城市污水處理廠好氧段氧化溝中的污泥作為接種污泥,掛膜階段將尼龍填料浸沒于接種污泥中曝氣24 h,待污泥在填料上附著后轉移至厭氧/好氧交替運行的反應器中.啟動階段,由于曝氣的沖刷和攪拌的擾動,剛掛上填料附著不穩的污泥會脫落下來,留在填料上的污泥則逐漸適應反應器中的水力條件,在填料上形成穩定附著的生物膜.為監測反應器的運行狀況,連續測量進水、 出水的COD和正磷酸鹽濃度,如圖 2.反應器運行10 d后,厭氧好氧出水均在50 mg·L-1以下,好氧階段出水磷濃度接近零,在該處理水平連續穩定運行了50 d.處理效率優于現有的曝氣生物濾池工藝,且穩定性好.

圖 2 常規數據監測曲線

　　本實驗所使用的掛式尼龍生物填料和現有的序批式SBBR反應器中的懸浮填料相比,掛膜穩定時間從25 d縮短到了10 d左右,具有較高的運行效率.本工藝適合中國蘇南地區的水質,在進水條件為較低的COD進水濃度和不超過6 mg·L-1的磷含量時都能達到良好的處理效果.

　　2.2 反應器運行速率評價

　　在培養階段,測量厭氧、 好氧段正磷酸鹽的沿程濃度,制作磷的釋放和吸收速率變化曲線觀察反應器內聚磷菌的富集效能.根據反應器運行總時長,選取反應中0、 0.5、 1、 1.5、 2、 3、 4、 5、 5.5 h時刻的出水作為沿程測樣點,磷的吸收與釋放速率統一用濃度差比時間差算出并作為后一個時間點的速率值,如公式(1)所示:

　　式中,t1表示時間為時刻1(h),t2表示時間為時刻2(h); c1表示在時刻1的磷濃度(mg·L-1),c2表示在時刻2的磷濃度(mg·L-1); vt2表示在時刻2的吸磷或釋磷速率mg·(L·h)-1.圖 3(a)為好氧吸磷速率曲線,不同時間段的曲線均在1 h達到最高速率,培養時間由前到后對應的最高吸磷速率分別為3.4、 3.4、 4.05、 7.8、 9.25、 8 mg·(L·h)-1; 隨著培養時間的增長,吸磷速率逐漸增大,在第40 d的吸磷速率高于48 d,可能是進水的磷濃度較高刺激了釋磷速率的增長所致.吸磷速率降到零表示反應結束,從25 d及之前到48 d,反應所需時間從4 h縮短為2 h,而傳統SBR法除磷所需的時間為3 h,序批式移動床生物膜反應器所需的240 min曝氣時間[22],證明本反應器中聚磷菌富集程度的提高.圖 3(b)為釋磷速率曲線,不同時間段均在一開始的0.5 h達到最大值,培養時間由前到后對應的最高釋磷速率分別為3.4、 4.2、 3.25、 4.15、 6.75、 6.1 mg·(L·h)-1,第40 d的釋磷速率有質的提高,同樣由于進水磷濃度的差別導致第48 d的速率值略低于第40 d,已無更多增長.從40 d及之前到48 d,反應所需時間從4 h縮短為3 h,與SBR、 厭氧/好氧交替生物濾池等工藝厭氧段所需時間保持一致.

　　圖 3(c)與3(d)描述了吸磷和釋磷濃度變化,可直觀地體現反應器內的效能變化情況.反應器啟動時進水磷負荷設置較低,逐漸提升到6 mg·L-1,隨培養時間的加長,斜率增大、 反應加快,好氧段吸收與厭氧段釋放磷的量成正比; 也能看出隨著培養時間的增長,濃度達到最值的時間即反應時間在縮短.

　　2.3 聚磷菌富集情況的分子生物評價

　　為了考察聚磷菌在生物膜反應器啟動前后的變化情況,利用FISH技術分析從原接種泥到培養20、 35、 50 d泥樣中聚磷菌的豐度,雜交圖如圖 4,其中亮黃色是CY3標記的熒光探針PAOmix(紅色)和FITC標記的EUBmix(綠色)疊加色,通過生物圖像分析軟件LASCore計算熒光強度得到聚磷占總菌的比例.

　　數據顯示,從原接種泥到培養20、 35、 50 d泥樣中Accumulibacter含量分別為48.96%、 58%、 64.47%和70%,經過50 d的富集,聚磷菌占全菌的比例從48.96%上升到70%,培養后污泥內聚磷菌含量較原接種污泥所代表的傳統活性污泥法有了很大提升,與王鳳蕊等研究培養的除磷/蓄磷生物濾池中聚磷菌72.5%的豐度相近,遠高于周律等 在序批式移動床生物膜反應器上測得的21%和16%數值,說明本實驗在該生物膜上富集了較高濃度的聚磷菌.從圖 4不難看出,隨著時間的增長,其中紅色部分的比例逐漸增加,這是生物膜上菌膠團形成使得聚磷菌黏結在一起所致,其中紅色的聚磷菌由分散的個體逐漸變成較大的團聚結構緊密分布在菌體中,該現象在鄒海明等和亢涵等的研究中均有出現; 從生物增長動力學的角度看,這是一個聚磷菌從快速增殖期經過積累到動力學增長末期的過程.對照上述速率曲線圖看,圖 4(b)中20 d聚磷菌仍在快速繁殖,故速率上升并不明顯; 圖 4(c)中35 d速率曲線有了很大的提升,對照此時的菌體明顯增大,是積累期的表現; 第50 d,紅色部分以大團聚體狀緊密聚集在一起,對照速率曲線發現系統的速率也逐漸達到穩定.

　　2.4 聚磷菌富集情況的膜厚度評價

　　在運行55 d的生物膜反應器中截取一小段載體填料,進行直接顯微鏡法厚度測量.在生物膜表面各處測量10次,取平均值作為生物膜的觀察厚度,表 2中是測得的生物膜厚度.

　　上述數據取平均值得反應器中生物膜的厚度約為28.9 μm.已知在動力學增長末期,活性生物量達到最大值,生物膜反應器中的液相達到穩定狀態,此時生物膜一般很薄,一般不超過50 μm,由此可以判斷生物膜反應器上的微生物正處動力學增長末期.該值遠低于開始掛膜時的膜厚,從反應器其他方面的效能來看生物膜逐漸成熟,因此生物膜的發展會經歷一個由厚到薄的過程,在此過程中,真正有效的聚磷菌被高度富集.具體參見污水寶商城資料或http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

　　3 結論

　　(1) 本反應器運行10d后,出水的正磷酸鹽去除率穩定在95%以上,COD濃度在50 mg·L-1以下,在該處理水平下穩定運行50 d,實現對廢水中磷和有機物的高效去除.

　　(2) 培養過程中磷的吸收和釋放速率逐漸增大,在第48 d達到最大吸磷及釋磷速率,從最初相同的3.4 mg·(L·h)-1分別提高到8 mg·(L·h)-1和6 mg·(L·h)-1,證明培養過程中聚磷菌不斷富集,反應器效率提高.

　　(3) 本研究的新型生物膜反應器經過培養,在好氧階段和厭氧階段反應所需時間從6 h分別縮短到2 h和3 h,高于其他形式反應器的處理效率.

　　(4) 經 FISH測得聚磷菌豐度達到最大值(70%),在第35 d和第50 d的雜交圖上聚磷菌以團聚態出現,運用直接顯微鏡法測得生物膜平均厚度為28.9 μm,表明聚磷菌已到動力學增長末期即生物膜已成熟.