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(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等問題,影響水體生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展,如發(fā)展到飲用水水源地區(qū)還會嚴(yán)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(huán):即減少污水中磷含量,保證水資源環(huán)境不受危害,實(shí)現(xiàn)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展.現(xiàn)有的大部分污水處理廠使用強(qiáng)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(dāng)?shù)厍闆r和其他環(huán)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(chǎn)生大量的剩余污泥,若處理不當(dāng)會產(chǎn)生生物毒性,在污泥處理過程中也會產(chǎn)生多余的溫室氣體.

　　生物膜法曾以其效率高和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于污水的有機(jī)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(dāng)前水體富營養(yǎng)化、 廢水處理設(shè)施用地緊張等問題有積極作用,擁有較大的發(fā)展?jié)摿?生物膜上的生物世代時間長、 生物量大,如能在常規(guī)生物載體上富集聚磷菌,通過微生物富集方式實(shí)現(xiàn)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(yōu)出水TP質(zhì)量濃度為0.4 mg·L-1; 還有研究采用了厭氧預(yù)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(jī)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(jìn)水的懸浮固體濃度要求嚴(yán)格等局限,工藝發(fā)展緩慢且受限.

　　本研究以常規(guī)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(yīng)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(wěn)定地去除.該新型生物膜工藝與強(qiáng)化生物除磷和化學(xué)除磷法相比,剩余污泥產(chǎn)生量極少,大大減少了溫室氣體的排放量,是更為可持續(xù)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(fù)雜的條件控制,簡單易行.本研究并沒有對反應(yīng)器厭氧階段做詳細(xì)分析,這是由于生物膜培養(yǎng)成熟后將在厭氧階段進(jìn)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(jié)能環(huán)保、 資源回收的理念.

　　1 材料與方法

　　1.1 反應(yīng)器裝置

　　將掛式尼龍?zhí)盍辖]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(yīng)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(jìn)水、 厭氧進(jìn)水以及排水的工作,用一臺250 W小型空壓機(jī)接軟管和曝氣石放入反應(yīng)器中提供好氧階段的曝氣.

　　反應(yīng)器的主體由2串尼龍?zhí)盍蠏煸谝粋€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(jìn)水泵入反應(yīng)器,并由空壓機(jī)提供曝氣條件,反應(yīng)完成后提升泵3將反應(yīng)器中溶液排出; 厭氧階段,提升泵2將厭氧進(jìn)水泵入反應(yīng)器,反應(yīng)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(jìn)水的模式不同,本工藝采用厭氧/好氧階段泵入不同進(jìn)水,使反應(yīng)器中生物膜適應(yīng)該運(yùn)行模式,在完成生物膜培養(yǎng)工作后通過厭氧階段使用同一回收液富集磷的濃溶液進(jìn)行磷資源的回收.

圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置示意

　　1.2 進(jìn)水和運(yùn)行條件

　　1.2.1 進(jìn)水條件

　　使用合成廢水作為進(jìn)水,其中好氧基質(zhì)即為好氧進(jìn)水,厭氧基質(zhì)與水以1：9的比例混合作為厭氧進(jìn)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(jìn)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(zhì)主要指標(biāo)為:好氧基質(zhì)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(diào)節(jié)進(jìn)水pH至7.5; 厭氧基質(zhì)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(yùn)行時間和條件

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

　　合成廢水的COD濃度設(shè)置為200 mg·L-1符合蘇南地區(qū)的實(shí)際情況.有研究表明,溶解氧在生物膜反應(yīng)器液相和生物膜相及膜內(nèi)部存在一個傳遞過程,因此生物膜法與傳統(tǒng)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(yǎng)環(huán)境中適應(yīng)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(huán)境中聚磷菌會有更好的表現(xiàn),結(jié)合實(shí)際廢水的pH,將進(jìn)水的pH調(diào)節(jié)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(shí)驗(yàn)在室溫較低時,通過水浴加熱將溫度控制在25℃,當(dāng)溫度高于25℃時不對其進(jìn)行溫度控制.

　　1.3 分析方法

　　1.3.1 常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目

　　水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)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(jì)測定; 其他參數(shù)均參照文獻(xiàn)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(shí)驗(yàn)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(jīng)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(yīng)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(shù)(一般為100倍)后對生物膜表面進(jìn)行對焦,直到獲得清晰圖像,記下此時的顯微鏡微調(diào)刻度數(shù); 繼續(xù)通過微調(diào)鈕調(diào)節(jié)物鏡對載體表面進(jìn)行對焦直至獲得對載體表面的清晰圖像,記下此時的微調(diào)鈕讀數(shù); 經(jīng)校正后,兩次成像時微調(diào)鈕讀數(shù)之差即為所測生物膜厚.

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 反應(yīng)器處理效能評價

　　選取掛式尼龍作為生物膜填料,根據(jù)填料情況與實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟扇』钚晕勰鄴炷しㄟM(jìn)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?zhí)盍辖]于接種污泥中曝氣24 h,待污泥在填料上附著后轉(zhuǎn)移至厭氧/好氧交替運(yùn)行的反應(yīng)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(wěn)的污泥會脫落下來,留在填料上的污泥則逐漸適應(yīng)反應(yīng)器中的水力條件,在填料上形成穩(wěn)定附著的生物膜.為監(jiān)測反應(yīng)器的運(yùn)行狀況,連續(xù)測量進(jìn)水、 出水的COD和正磷酸鹽濃度,如圖 2.反應(yīng)器運(yùn)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(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了50 d.處理效率優(yōu)于現(xiàn)有的曝氣生物濾池工藝,且穩(wěn)定性好.

圖 2 常規(guī)數(shù)據(jù)監(jiān)測曲線

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

　　2.2 反應(yīng)器運(yùn)行速率評價

　　在培養(yǎng)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(yīng)器內(nèi)聚磷菌的富集效能.根據(jù)反應(yīng)器運(yùn)行總時長,選取反應(yīng)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(diǎn),磷的吸收與釋放速率統(tǒng)一用濃度差比時間差算出并作為后一個時間點(diǎn)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(dá)到最高速率,培養(yǎng)時間由前到后對應(yīng)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(yǎng)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(jìn)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(yīng)結(jié)束,從25 d及之前到48 d,反應(yīng)所需時間從4 h縮短為2 h,而傳統(tǒng)SBR法除磷所需的時間為3 h,序批式移動床生物膜反應(yīng)器所需的240 min曝氣時間[22],證明本反應(yīng)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(dá)到最大值,培養(yǎng)時間由前到后對應(yīng)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(zhì)的提高,同樣由于進(jìn)水磷濃度的差別導(dǎo)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(yīng)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(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)的效能變化情況.反應(yīng)器啟動時進(jìn)水磷負(fù)荷設(shè)置較低,逐漸提升到6 mg·L-1,隨培養(yǎng)時間的加長,斜率增大、 反應(yīng)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(yǎng)時間的增長,濃度達(dá)到最值的時間即反應(yīng)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(yīng)器啟動前后的變化情況,利用FISH技術(shù)分析從原接種泥到培養(yǎng)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(biāo)記的熒光探針PAOmix(紅色)和FITC標(biāo)記的EUBmix(綠色)疊加色,通過生物圖像分析軟件LASCore計(jì)算熒光強(qiáng)度得到聚磷占總菌的比例.

　　數(shù)據(jù)顯示,從原接種泥到培養(yǎng)20、 35、 50 d泥樣中Accumulibacter含量分別為48.96%、 58%、 64.47%和70%,經(jīng)過50 d的富集,聚磷菌占全菌的比例從48.96%上升到70%,培養(yǎng)后污泥內(nèi)聚磷菌含量較原接種污泥所代表的傳統(tǒng)活性污泥法有了很大提升,與王鳳蕊等研究培養(yǎng)的除磷/蓄磷生物濾池中聚磷菌72.5%的豐度相近,遠(yuǎn)高于周律等 在序批式移動床生物膜反應(yīng)器上測得的21%和16%數(shù)值,說明本實(shí)驗(yàn)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(tuán)形成使得聚磷菌黏結(jié)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(tuán)聚結(jié)構(gòu)緊密分布在菌體中,該現(xiàn)象在鄒海明等和亢涵等的研究中均有出現(xiàn); 從生物增長動力學(xué)的角度看,這是一個聚磷菌從快速增殖期經(jīng)過積累到動力學(xué)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(xiàn); 第50 d,紅色部分以大團(tuán)聚體狀緊密聚集在一起,對照速率曲線發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的速率也逐漸達(dá)到穩(wěn)定.

　　2.4 聚磷菌富集情況的膜厚度評價

　　在運(yùn)行55 d的生物膜反應(yīng)器中截取一小段載體填料,進(jìn)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(shù)據(jù)取平均值得反應(yīng)器中生物膜的厚度約為28.9 μm.已知在動力學(xué)增長末期,活性生物量達(dá)到最大值,生物膜反應(yīng)器中的液相達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),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(yīng)器上的微生物正處動力學(xué)增長末期.該值遠(yuǎn)低于開始掛膜時的膜厚,從反應(yīng)器其他方面的效能來看生物膜逐漸成熟,因此生物膜的發(fā)展會經(jīng)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.dowater.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1) 本反應(yīng)器運(yùn)行10d后,出水的正磷酸鹽去除率穩(wěn)定在95%以上,COD濃度在50 mg·L-1以下,在該處理水平下穩(wěn)定運(yùn)行50 d,實(shí)現(xiàn)對廢水中磷和有機(jī)物的高效去除.

　　(2) 培養(yǎng)過程中磷的吸收和釋放速率逐漸增大,在第48 d達(dá)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(yǎng)過程中聚磷菌不斷富集,反應(yīng)器效率提高.

　　(3) 本研究的新型生物膜反應(yīng)器經(jīng)過培養(yǎng),在好氧階段和厭氧階段反應(yīng)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(yīng)器的處理效率.

　　(4) 經(jīng) FISH測得聚磷菌豐度達(dá)到最大值(70%),在第35 d和第50 d的雜交圖上聚磷菌以團(tuán)聚態(tài)出現(xiàn),運(yùn)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(xué)增長末期即生物膜已成熟.