AAO耦合生物滤池法处理抗生素类生产废水机理探讨

陈建发（漳州职业技术学院食品与生物工程系，福建 漳州363000；农产品深加工及安全福建省高校应用技术工程中心，福建 漳州363000）

废水中氮、磷的去除涉及硝化、反硝化及释磷和放磷等多个复杂的生化过程。上述每一个生化过程对微生物组成、基质类型和环境条件的要求也互不相同［l］。AAO工艺是目前污水处理领域常见的脱氮除磷工艺［2］，是我国污水处理的主流工艺之一。至2013年，全国共建设AAO工艺污水厂1071座，占全国污水厂总数4136座的25.89%；但AAO的研究与工程应用多以生活污水为处理对象，而AAO直接处理工业废水的报道很少，特别是以抗生素类制药为主的混合工业废水的处理少见报道。抗生素生产企业排放的废水是一类成分复杂、色度高、生物毒性大、含多种生物抑制物质的高浓度难降解有机废水，是目前污水处理业界的难点和热点。抗生素生产企业生产过程产生的废水极难处理，经企业污水处理站预处理后排入工业区污水管网的废水更难处理。在国内外研究的基础上［3～6］，笔者采用“AAO＋生物滤池＋絮凝沉淀”耦合技术处理以抗生素类制药为主的混合工业废水，取得了很好的处理效果，其处理效果大大优于某工业污水厂“水解酸化＋MSBR＋絮凝沉淀”工艺［7］。但试验中发现AAO去除污染物的机理与传统的脱氮除磷机理不相完全吻合，有些甚至矛盾，其脱氮除磷机理尚不十分明确。为此，采用该耦合技术以实际混合工业废水为试验水质，比较分析该耦合工艺一体化协同处理新技术对以抗生素类制药为主的混合工业废水的生物去除效率，探讨其生物去除机理，以期为该耦合技术的工程设计和优化运行提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验工艺流程

试验工艺流程如图1所示，反应器采用的是自制有机玻璃池体。除进水、污泥回流、硝化液回流及絮凝加药均采用统一型号蠕动泵泵送，其余各个反应器之间水力连通采用重力流，其中内回流比为100% （进水流量Q＝30.0L／h）。厌氧池和缺氧池均安装可调速搅拌器，控制转速以严格控制好溶解氧分别在0.20mg／L以下和0.20～0.50mg／L；好氧池也安装可调速搅拌器，再加上微孔曝气膜曝气，以更好控制溶解氧在2.0～3.0mg／L，好氧池泥水分离区安装穿孔管以便排泥，更好控制污泥浓度。水力停留时间 （HRT）是AAO工艺运行的关键因素。为便于研究“AAO法＋生物滤池＋絮凝沉淀”耦合工艺对实际混合工业废水的处理效果，试验中各处理单元的HRT参考某污水厂相应单元的HRT，总HRT与污水厂基本一致。

图1 污水处理工艺流程图

1.2 接种污泥

试验所用接种污泥取自试验污水厂二沉池的回流污泥。间歇培养过程20d后，当污泥絮体很大、沉降性能很好、出水清澈没有悬浮物时，即把活性污泥投入相应反应器进行试验，控制污泥浓度MLSS＝3600mg／L左右。

1.3 试验水质及试验方法

试验进水为试验污水处理厂调节池随机时段的出水，其主要污染物COD、氨氮和TP的日平均质量浓度分别为223～691、24.7～75.8mg／L和4.52～28.1mg／L。

设计处理水量30L／h，试验经过3周调试成功、连续稳定运行10d后，于11月23日至27日连续5d取样监测，探讨该耦合工艺各生物处理段 （包括厌氧池、缺氧池、好氧池和生物滤池）对COD、氨氮和TP的去除效率比较与去除机理分析。

1.4 检测项目及分析方法

水质指标分析项目及检测方法如表2所示。

2 结果与分析

表2 水质指标分析项目及方法

2.1 各单元COD的生物去除效率与机理分析

COD生物去除效果对比如图2所示。由图2可见，试验生物处理段厌氧池、缺氧池、好氧池和生物滤池对COD的平均去除效率分别为34.4%、6.8%、47.0%和18.1%，COD平均总生物去除率73.2%。显然，AAO中各单元处理效率呈现好氧池＞厌氧池＞缺氧池，这是因为该抗生素废水中大分子、难降解有机物含量高，在厌氧单元主要是发生水解酸化、开环和断链，将大分子、难降解的有机物转化为小分子、易降解的有机物，为后续好氧池的高效生物降解提供条件。当然，该抗生素废水中小分子、易降解的有机物在厌氧单元也首先得到部分生物降解。在缺氧池，对COD的平均去除效率仅6.8%，这是因为缺氧池主要是反硝化作用，并少量生物降解该抗生素废水中小分子、易降解的有机物。而好氧池对COD的平均去除效率最高，为47.0%，这是由于有机物的降解主要依靠好氧微生物的生物代谢作用。曝气生物滤池对COD的平均去除效率18.1%，这是因为曝气生物滤池对有机物的去除主要是依靠物理拦截、化学氧化和生物代谢共同作用。

2.2 氨氮的生物去除效率与机理分析

氨氮生物去除效果对比如图3所示。由图3可见，试验生物处理段厌氧池、缺氧池、好氧池和生物滤池对氨氮的平均去除效率分别为9.8%、18.4%、66.3% 和19.9%，氨氮平均总生物去除率80.1%。试验中厌氧单元主要发生水解酸化，但对氨氮的平均去除效率为9.8%，按经典的脱氮理论无法解释。但很多实际污水处理厂却发现厌氧条件下能脱硝［8］。经典脱氮理论认为硝化作用只发生在好氧条件下，而反硝化只能在厌氧或缺氧的条件下进行。但厌氧氨氧化 （anaerobic ammonia oxidation，Anammox）理论突破了长期以来氨氧化必须有氧参与的观念，它提出一种以氨为电子供体、以亚硝酸盐为电子受体的生物反应，反应物为氮气，其反应式为：NH＋4＋NO－2→N2＋2H2O［9，10］，它突破了经典的硝化－反硝化理论，开创了崭新的生物脱氮工艺。另外，20世纪80年代科学家发现了好氧反硝化菌，且在许多实际运营中的好氧硝化池中也常常发现有30%的总氮损失［11，12］。好氧反硝化菌的发现使硝化／反硝化反应在同一个反应器即好氧池中进行成为现实，并证明了自然界中好氧反硝化菌的生物多样性，且在处理过程中好氧反硝化细菌更容易控制，这表明好氧反硝化菌理论对废水生物脱氮又有了全新的贡献［13］。因此，新的脱氮理论－厌氧氨氧化理论能很好解释这点。因为NH＋4在厌氧条件下以NO－2为电子受体直接被氧化为N2。传统的生物脱氮包括氨化、硝化和反硝化3个生化过程。但是随着对生物脱氮机理、实际工艺运行及其环境微生物学研究的深入，不少学者发现在自然界及污水处理厂中存在着多种不同的氮转化途径，如：①短程硝化反硝化，将硝化过程控制在NO－2阶段，再直接进行反硝化；②厌氧氨氧化，NH＋4在厌氧条件下以NO－2为电子受体然后直接被氧化为N2；且同时硝化反硝化、缺氧反硝化、好氧的硝化和好氧的BOD氧化并行同时发生。此外，发现处理水质对氨氧化菌AOB及细菌群落结构有明显影响，处理规模对AOB和细菌群落结构也有一定影响［14］。而本试验确实发生厌氧氨氧化，是因为该活性污泥中被驯化出厌氧氨氧化菌。

图2 各生物处理单元不同日期COD处理效果对比

图3 各生物处理单元不同日期氨氮处理效果对比

缺氧池对氨氮的平均去除效率为18.4%，虽然偏低，按传统脱氮理论是能够解释的。好氧池对氨氮的平均去除效率最高，高达66.3%，这是因为好氧条件下发生了硝化反应，硝化菌的活性很高，且应该发生好氧反硝化，这才能解释缺氧池对氨氮的平均去除效率偏低的现象 （18.4%）。一般认为硝化作用只发生在好氧条件下，而反硝化只能在厌氧或缺氧的条件下进行。但20世纪80年代科学家发现了好氧反硝化菌，而在许多实际运营中的好氧硝化池中也常常发现有30%的总氮损失。人们推测这些好氧反硝化菌可能广泛存在于废水生物处理池和自然环境中，而且对废水生物脱氮有一定的贡献。诸多学者分别证实了这一点［13，15～17］。曝气生物滤池对氨氮的平均去除效率19.9%，这是因为曝气生物滤池对氨氮的去除也是依靠物理拦截、化学氧化和生物代谢共同作用。

2.3 TP的生物去除效率与机理分析

TP生物去除效果对比如图4所示。

经典污水除磷技术有化学除磷和生物除磷2种主要方式，而生物除磷技术主要含括同化吸收和强化生物除磷2种作用，但仅依靠同化吸收作用，往往不能实现磷的达标排放。聚磷菌 （PAOs）能够在厌氧／好氧交替的条件下逆浓度梯度超过自身生长需要10多倍的量大量吸收磷酸盐到体内，并以多聚磷酸盐的形式储存。强化生物除磷就是利用聚磷菌的这种特性，通过排除富含多聚磷酸盐的剩余污泥来实现去除污水中磷的目的［17］。这也就是经典生物除磷理论——厌氧条件下释放磷，好氧条件下吸收磷。但是，由图4可见，试验生物处理段厌氧池、缺氧池、好氧池和生物滤池对TP的平均去除效率分别为22.8%、25.1%、63.5%和21.5%，TP平均总生物去除率83.4%。厌氧池对TP的平均去除效率为22.8%，对此经典的除磷理论无法解释，因为经典生物除磷理论认为厌氧条件下释放磷，即厌氧条件下释放磷、好氧条件下吸收磷达到污水中除磷的目的，但反硝化除磷理论的提出，为有效解决传统脱氮除磷工艺中存在的矛盾问题提供了新方法。反硝化除磷又称为缺氧吸磷，是指在缺氧／厌氧交替运行的情况下，逐渐驯化出一类以NO－3－N作为最终电子受体的反硝化聚磷菌的优势菌属，该菌属能以NO－3作为电子受体，利用内碳源（PHB），通过“一碳双用”方式同时发生反硝化脱氮和吸磷作用。因此，反硝化除磷理论打破了传统脱氮除磷机理所认为的脱氮除磷必须分别由专性反硝化菌和专性聚磷菌来完成的理念，实现了反硝化脱氮过程和除磷可以由同一类微生物来完成，这对生物脱氮除磷机理又是一重大理论突破，为生物脱氮除磷工艺的拓展开辟了新领域［18，19］。反硝化除磷理论恰好能很好解释上述现象。因为该工艺AAO中厌氧池应该生长着大量的反硝化聚磷菌，作为优势菌属，能以NO－3作为电子受体，利用内碳源（PHB），通过“一碳两用”方式同时实现反硝化脱氮和吸磷作用，这也佐证了厌氧池对氨氮的平均去除效率为9.8%的现象。缺氧池对TP的平均去除效率为25.1%，这是由于缺氧池发生了明显的缺氧吸磷作用。好氧池对TP的平均去除效率为63.5%，除了污泥的吸附外，这与经典生物除磷理论——厌氧条件下释放磷、好氧条件下吸磷相吻合。生物滤池对TP的平均去除效率21.5%，这同样是曝气生物滤池发生物理拦截、化学氧化和生物代谢等协同作用的结果。

图4 各生物处理单元不同日期TP处理效果对比

3 结论

1）采用“AAO法＋生物滤池＋絮凝沉淀”组合工艺处理难生物降解的抗生素类制药废水为主的混合工业废水，对COD、氨氮和TP的生物去除效率分别为73.4%、80.1%和83.4%，系统取得了很好的处理效果。

2）厌氧池、缺氧池、好氧池和生物滤池对COD的平均去除效率分别为34.4%、6.8%、47.0%和18.1%，在厌氧单元主要是发生水解酸化、开环和断链，有机物去除主要依靠好氧微生物的生物代谢作用。

3）厌氧池、缺氧池、好氧池和生物滤池对氨氮的平均去除效率分别为9.8%、18.4%、66.3%和19.9%，试验中厌氧单元由于发生厌氧氨氧化对氨氮一定的生物降解作用，缺氧池因缺氧反硝化对氨氮明显的生物降解作用，好氧池发生了好氧硝化反应，且发生好氧反硝化反应，对氨氮的去除起主导作用。

4）厌氧池、缺氧池、好氧池和生物滤池对TP的平均去除效率分别为22.8%、25.1%、63.5%和21.5%，厌氧池应该生长着大量的反硝化聚磷菌，同时实现反硝化脱氮和吸磷作用。缺氧池发生明显的缺氧吸磷作用。好氧池因好氧吸磷，对TP的去除贡献最大。

5）生物滤池对COD、氨氮和TP的去除，主要是物理吸附、机械过滤和生物降解等协同作用的结果。

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