基于ISBS 生物反应器的剩余污泥减量研究

张婷婷，谢海燕，张芳袁

（1.新疆农业大学资源与环境学院，乌鲁木齐 830052；2.中国科学院新疆生态与地理研究所国家荒漠-绿洲生态建设工程研究中心，乌鲁木齐 830011）

剩余污泥是污水处理过程的副产物，其成分复杂，既包括致癌致畸致基因突变的难降解有机污染物、病原性微生物，还包括有毒有害的重金属元素等[1]。生物膜法工艺系统投加载体，微生物不是漂浮在水中，而是附着在载体表面，有利于大型生物的生长生存，其污泥浓度可以保持在6 000 ～7 000 mg/L，有利于形成系统的食物链，因此生物膜法是污泥减量的重要工具[2]。生物膜法污泥减量技术的研究方向主要有两种，一是填料优化，二是开发生物膜组合工艺或者研发新的反应器。蜂窝式固定床生物反应器（ISBS）是课题组前期以污泥减量为目标设计的，其能实现微生物高浓度负载，微生物分区段排布：将高浓度的、可自我调节的、具有协同功效的菌群按污水流进的方向固定在不同载体上，污水不用回流，从而使每个载体上的微生物能够单元化地、专一地处理污水。这种设计不会造成菌种快速涨落而出现污泥膨胀现象，污泥产生量也大大降低。前期试验结果显示，在工艺运行的55 d 内，ISBS 生物反应器每处理1 万t 废水，产生0.36 t 剩余污泥（湿污泥）。本文将ISBS 生物反应器应用于中试，分析化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）和盐分等常规指标的沿程变化规律，考察反应器单元格的污水处理效能并探索微生物的生长环境，从脱氢酶活性和胞外聚合物（EPS）两方面讨论反应器与污泥减量的联系，全面系统的研究可以为ISBS 生物反应器处理医药废水提供科学依据和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 系统装置与运行

如图1 所示，ISBS 生物反应器是由多阶段工艺技术单元、系统和设备构成的综合体系，反应器的尺寸为10.5 m×3.2 m×2.4 m，总容积为80 m3，反应器主体结构材质选择的是环氧涂层钢（RST37-2），功能区设有曝气装置与三维特有编织膜（见图2），其有效比表面积为252 m2/m3。ISBS 生物反应器由6 个区域组成，每个区域都填充多层惰性载体，它属于连续流生物反应器，配备固定生物质和特定空气扩散系统，搅拌效果良好。试验填料采用三维特有编织结构的聚酰胺生物载体，用于取样的载体长为30 cm，宽为22 cm，具有较大的比表面积，载体净质量为50 ～55 g，两端用轧带系上钢管固定，以悬挂的方式浸没于水中，每两排填料间隔11 cm 左右。

图1 ISBS 生物反应器

图2 惰性载体

1.2 采样和分析方法

1.2.1 采样

每日监测水质指标，从系统的进水口和出水口分别采样，在实验室进行水质分析。系统稳定运行时期，每隔3 d 进行一次生物膜特征和细菌种群分析。以ISBS 生物反应器前端与后端作为比较对象，分别从2 区与5 区设置的采样载体中剪取50 g 左右的生物膜，用200 mL 蒸馏水对其反复冲刷，收集冲刷液，取两滴于载玻片上并立即进行镜检。其余冲刷液分别装入两个含有100 mL 硫代硫酸钠的取样瓶中，放入冰箱-80 ℃保存。样品编号由采样次序与区域编号组成，分别为1-2、1-5、2-2、2-5、3-2、3-5、4-2、4-5、5-2、5-5。

按照标准方法测定混合液悬浮物（MLSS）、硝态氮（NO3-N）、TN、COD 和总磷（TP）。DO 测定使用溶解氧快速测定仪，盐分测定使用盐分快速测定仪，pH 测定使用pH 快速测定仪。

1.2.2 生物脱氢酶活性分析方法

微生物对污水中污染物的降解主要是依靠微生物体内各种酶催化作用下的生物氧化反应，脱氢酶尤为关键。脱氢酶活性既可以表征废水中有机物降解活性的强弱，又能表征污泥的活性。试验脱氢酶活性采取脱氢酶试剂盒测定，其原理与2,3,5-三苯基氯化四氮唑分光光度法原理一致[3]。

1.2.3 胞外聚合物分析方法

生物膜一般由微生物细胞与胞外聚合物（EPS）组成。胞外聚合物由细胞产物、分解产物、从污泥中吸附的有机物质等组成，其主要成分为蛋白质和多糖，与污泥源头息息相关[4]。COLLIVIGNARELLI 等[5]首次确定污泥产量与胞外聚合物的组分相关，后续研究提出多糖在EPS 中的比例可以说明生物膜附着性能，蛋白质中的胞外酶是促进大分子胞外聚合物分解成小分子而被微生物吸收的主要成分，一定程度上反映生物膜活性。

另外，EPS 结构组成因微生物不同而各异，按聚合物与微生物细胞的结合程度，可将污泥EPS 分为黏液层（S-EPS）、松散结合的胞外聚合物（LB-EPS）和紧密结合的胞外聚合物（TB-EPS）[6]，提取方法是根据CHENG 等[7]样品处理方法稍加改动而获得。

将上述步骤得到的三种粗提取EPS 过0.45 μm滤膜进行过滤，然后放置在3 500 Da 透析袋内，4 ℃下透析2 d，其间每隔8 h 换水一次。本研究将3 层胞外聚合物分别提取出来，混合均匀后检测每份样品的蛋白质含量、多糖含量和EPS 含量，由于试验条件限制，EPS 含量以多糖和蛋白质含量之和粗略估算。蛋白质的测定采用改进型劳里法（Lowry），以牛血清蛋白作为标准物质[8]。多糖测定采用苯酚-硫酸法，以葡萄糖作为标准物质[9]。

2 结果与讨论

2.1 污染物的沿程变化规律

从图3（a）可知，沿着进水方向，单元格的COD 去除能力呈现明显递减的变化规律。其中，1 区和2 区主要承担COD 去除功能，3 区和4 区的COD浓度有一定变化，最后两个区域COD 浓度变化不明显。经分析，原因可能是前两个区微生物有充足的底物营养，活跃性较高，可以优先去除易降解的有机物。后面的几个单元格则是通过微生物作用将难降解的有机物先转化为易降解的小分子物质，再去除一部分有机物质。从图3（b）可以看出，整个系统对NH3-N的去除效果很好，其中反应器的前两个区主要承担去除NH3-N 的任务。从1 区到3 区，NH3-N 浓度有明显的下降，反应器后面的区域NH3-N 浓度也呈现下降趋势。根据生物脱氮原理，好氧池发生硝化作用，其将铵离子（NH4+）与亚硝酸根离子（NO2-）转换成硝酸根（NO3-），这是NH3-N 浓度下降的主要原因。从图3（c）可以看出，除了6 区，ISBS 生物反应器的其他5 个区对TN 的去除能力相当。NH3-N 与TN的沿程变化规律表明，ISBS 生物反应器内，在充足的氧气条件下，亚硝化菌与硝化菌能很好地将NH3-N转化，去除NH3-N，而ISBS 生物反应器内生物膜的厌氧结构可能不够丰富，造成反硝化能力不足，致使TN 依然存在于系统中。

图3 常规污染物的沿程变化规律

2.2 DO 的沿程变化规律

ISBS 生物反应器DO 浓度沿程变化如图4 所示。ISBS 生物反应器内，DO 浓度沿着水流方向呈现梯度式增加。1 区和2 区去除掉8 月26 日DO 浓度数据，平均DO 浓度分别为1.3 mg/L、1.9 mg/L，其余四个区域的平均DO 浓度分别为3.5 mg/L、3.9 mg/L、5.3 mg/L、5.7 mg/L。污水中的有机物和氧气分别从生物膜的两侧进入，即两者的浓度梯度相反，这对水解水中有机物有利[10]。ISBS 生物反应器的前端有机物浓度最大，但DO 浓度最小，而反应器后端则恰好相反，微生物生长的两个影响因子得以相互协调和抑制，从而促使生物膜协调地生长在相对稳定的厚度范围，既有利于污染成分的有效去除，又能减少生物膜脱落，从而产生更少的污泥。根据污染物的沿程变化规律，ISBS 生物反应器前两个区域DO 浓度控制在1.3 ～3.5 mg/L，该工艺具有良好的脱氮性能与有机物去除能力。

图4 DO 沿程变化规律

2.3 pH 的沿程变化规律

理论上，引起ISBS 生物反应器pH 变化的主要过程有反硝化、聚磷菌摄食磷、异氧微生物分解代谢过程产生CO2、好氧池曝气将CO2带离水体[11]。进水pH 基本保持在7 ～8，污水进入好氧池，pH 有所升高。ISBS 生物反应器的pH 在8.5 ～9.0 波动，比较稳定，相比原水，pH 有所升高，这是各种反应过程协同的结果。好氧池的pH 不尽相同，并不具备规律性。资料显示，pH 保持在7.0 ～8.0，硝酸与反硝化细菌具有最强的活性，而ISBS 生物反应器几乎所有区域pH都较高，可能会限制反硝化范围。

2.4 脱氢酶活性

如图5 所示，整个系统的微生物活性均保持在30 IU/g 以上，由于中试进水浓度的不确定性，微生物活性随进水浓度呈现一定的变化，但变化不大。经微生物相比较，ISBS 生物反应器2 区的微生物活性大于5 区，原因可能是前端有机物浓度高于后端，即微生物活性与底物浓度成正比[12]。5 区位于ISBS 生物反应器后端，后端存在许多微型动物，微型动物主要摄食细菌和污泥碎块，后端酶活性较低。微型动物的捕食作用对污泥脱氢酶活性有一定的抑制作用。2 区与5 区脱氢酶活性相差不大，经分析，原因可能是底物浓度不足，微生物会消耗自身储存的营养进行代谢，根据内源代谢特点，污泥产生量可以得到削减。

图5 不同样品的脱氢酶活性

2.5 胞外聚合物

ISBS 生物反应器不同样品的蛋白质、多糖和EPS 变化如图6 所示。随着系统的运行，ISBS 生物反应器前端与后端的多糖含量都呈现上升趋势，系统环境适合微生物生长，生物膜对污泥产生量减少有促进作用。相比5 区，2 区多糖含量较高，原因可能是ISBS 生物反应器后端存在微型动物，微型动物捕食细菌，对细菌包裹的胞外聚合物进行拉扯、破坏和摄食。系统前端EPS 含量逐渐上升，尤其是最后两次采样，这种现象可能与系统的再启动有关，第4 次与第5 次采样时，系统启动运行3 d，突然的进水冲击可能导致生物膜活性增长，微生物吸收消耗营养底物的速度加快，胞外聚合物中有机物含量增多。除了第2 次采样，后端几次采样EPS 含量只有很小的差异，EPS 总量对生物絮凝能力、沉降性能和表面负荷有重要影响，颗粒物水解能够限制污泥减量[13]，可也从侧面反映后端微型动物捕食的污泥减量能力。

图6 不同样品的蛋白质、多糖和EPS 含量

3 结论

ISBS 生物反应器前两个单元格主要用于去除大部分污染物，后面的单元格则能分解难降解的大分子物质，从而使整个系统呈现优秀的污水处理能力。DO 浓度沿水流方向增加，ISBS 生物反应器的6 个区域平均DO 浓度分别为1.3 mg/L、1.9 mg/L、3.5 mg/L、3.9 mg/L、5.3 mg/L 和5.7 mg/L，当前两个区域DO 浓度控制在1.3 ～3.5 mg/L 时，该工艺具有良好的脱氮性能与有机物去除能力。整个系统的脱氢酶活性均保持在30 IU/g 以上，ISBS 生物反应器前端的微生物活性大于后端，前端底物充足，微生物活跃性高。后端微型动物的摄食作用抑制微生物活性，使得后端细菌通过消耗自身储存的营养进行代谢，依据内源代谢原理，污泥产生量得到削减。ISBS 生物反应器可以为不同微生物提供稳定的生长区域，使生物膜微生物量一直保持动态平衡，微生物也更加丰富，这是强化污泥减量的重要原因。