利用生物填料增強污水處理效能得到越來越多的研究，投加填料不僅可以增加系統生物量、提高脫氮能力，而且可以提升系統的抗沖擊負荷性能。目前常見的生物水處理填料可分為無機和有機兩大類，玄武巖纖維(ｂａｓａｌｔｆｉｂｅｒ，ＢＦ)是一種無機的新型高技術纖維，是以純天然火山巖為原材料，在１４５０~１５００℃熔融后，通過鉑銠合金拉絲漏板高速拉制而成的，其密度為２.６~３.０５ｇ/ｃｍ３，主要化學成分為高含量ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｎａ２Ｏ(其中ｗ(ＳｉＯ２)為４４％~５２％，ｗ(Ａｌ２Ｏ３)為１２％~１８％，ｗ(ＦｅＯ)和ｗ(Ｆｅ２Ｏ３)為９％~１４％)，目前已廣泛應用于航天、軍工、環保、建筑等諸多領域。與其他填料相比，ＢＦ填料除了具有比表面積大、耐久性強、抗水力沖擊負荷大、耐腐蝕等特點外，還具有良好的生物親和性和吸附性能，能很快地將懸浮污泥中的微生物吸附在填料表面。
ＢＦ填料通過吸附與富集作用將微生物固定在纖維表面，形成直徑１０ｃｍ以上的球狀污泥絮凝體，稱為“生物巢”，包裹著高密度生物量。張倩等通過將ＢＦ填料引入序批式反應器(ＳＢＲ)中處理生活污水，出水ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＴＮ去除率分別達到８３.２％、８９.９％、８６.８％；戚永潔等利用ＢＦ填料處理印染廢水，在ＨＲＴ為１５ｈ時，ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＴＰ去除率分別達到６７.２６％、５１.０２％和７２.１１％。上述結論說明，ＢＦ填料具有良好的脫氮除碳的潛能。但是尚未發現ＢＦ填料應用于Ａ/Ｏ工藝的研究報道。本研究通過在Ａ/Ｏ工藝缺氧池和好氧池加入ＢＦ填料，考察玄武巖纖維填料對Ａ/Ｏ工藝的強化效果，為后續ＢＦ填料應用于污廢水處理工藝提供支撐。
１、實驗部分
１.１ 實驗裝置
強化Ａ/Ｏ工藝實驗裝置由透明有機亞克力玻璃制成，如圖１所示，在缺氧池(長×寬×高＝０.６ｍ×０.４ｍ×１.０ｍ，有效容積２００Ｌ)和好氧池(長×寬×高＝１.０ｍ×０.６ｍ×１.０ｍ，有效容積５５０Ｌ)分別加入傘狀ＢＦ填料。每束傘狀ＢＦ填料重１５ｇ，長１５ｃｍ，每４束ＢＦ填料通過鈦絲絞纏固定成一串懸掛于反應器內，其中缺氧池和好氧池分別懸掛４串和１５串ＢＦ填料，每束ＢＦ填料垂直方向間距為１４ｃｍ，水平方向間距為２０ｃｍ，缺氧池和好氧池填充率約為１０.０％和３２.０％。實驗另設不加ＢＦ填料的Ａ/Ｏ工藝作為對照實驗，Ａ/Ｏ工藝裝置所用材料及體積與強化Ａ/Ｏ工藝裝置相同。
１.２ 實驗用水及分析方法
從加入ＢＦ填料到形成穩定生物巢的過程稱為生物巢培養階段。由于實際生活污水中有機物濃度較低且波動較大，為了快速培養生物巢以及研究生物巢強化Ａ/Ｏ工藝去除污染物的效果，實驗采用模擬生活污水。模擬生活污水的水質如表１所示。
實驗對出水中ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＴＮ以及ＳＳ等參數進行測定，方法如表２所示。
１.３ 實驗方法
實驗污泥取自鎮江市某污水處理廠回流污泥，采用連續進水的方式培養生物巢，按ｍ(Ｃ)∶ｍ(Ｎ)∶ｍ(Ｐ)＝１００∶５∶１配制ρ(ＣＯＤ)為５００ｍｇ/Ｌ營養液，所用藥品有葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀等。生物巢培養時期運行參數為：ＨＲＴ為１５ｈ(缺氧池４ｈ，好氧池１１ｈ)，缺氧池ρ(ＤＯ)為０.１~０.２ｍｇ/Ｌ，好氧池ρ(ＤＯ)為３.０~４.０ｍｇ/Ｌ，好氧池ｐＨ控制在７.３~７.７，溫度為２２~２６℃，硝化液回流比為３００％，污泥回流比為９０％。連續培養２０ｄ后，ＢＦ填料形成了穩定形態的球狀生物巢，且ＣＯＤ去除率穩定在９０％以上，視為生物巢培養成功，開始進行階段性實驗。
第１階段實驗：以表１中模擬生活污水為原水，考察強化Ａ/Ｏ工藝和常規Ａ/Ｏ工藝對生活污水的處理效果，該階段２組反應器所用的模擬生活污水藥品和運行參數同生物巢培養時期。
第２階段實驗：為了探究強化Ａ/Ｏ工藝抗沖擊負荷的性能，該階段提高進水ＣＯＤ負荷，并與Ａ/Ｏ工藝對比污染物去除效果及污泥減量效果。該階段２組反應器采用相同的進水條件，所用廢水水質指標ρ(ＣＯＤ)為１２３０~１８７２ｍｇ/Ｌ，ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為５０~６５.３ｍｇ/Ｌ，ρ(ＴＮ)為５５.２~６８.２ｍｇ/Ｌ，ρ(ＴＰ)為１０.５~１３.７ｍｇ/Ｌ。通過監測該階段實驗的進、出水中各項污染物指標與反應器內ＭＬＳＳ(混合液懸浮固體濃度)、污泥沉降比及生物相，及時對反應器的運行狀況進行調整。
污泥總量測定：在不影響生物巢結構的前提下，將２組實驗反應器活性污泥充分混合均勻后平均分到２組反應器裝置內。混合后兩系統內懸浮液污泥總量相同，為２.７ｋｇ。
生物巢生物量測定：從反應器內取出１串ＢＦ填料(４束)浸入１ｍｏｌ/ＬＮａＯＨ溶液中，水浴加熱至８０℃保持３０ｍｉｎ后進行超聲(１００Ｗ，３０ｍｉｎ)處理，然后用去離子水沖洗，再經過濾、烘干、稱重得到１串ＢＦ填料的生物量。單個生物巢生物量＝每串ＢＦ填料生物量/每串ＢＦ填料的束數。
微生物在高負荷廢水條件下生長繁殖速率較快，從而導致了污泥的快速增長。污泥產率系數可直觀表示出污泥產量高低，其計算如式(１)所示：
式中：Ｙ為污泥產率系數，ｋｇ/ｋｇ(以ＣＯＤ計)；ＭＬＳＳｓｔａｒｔ為每１組實驗開始時污泥的總量，ｋｇ；ＭＬＳＳｅｎｄ為實驗結束時的污泥總量，ｋｇ；ＣＯＤｒｅｍｏｖｅｄ為每１組實驗階段ＣＯＤ的去除總量，ｋｇ。
由于實驗過程取出ＢＦ填料測生物量會對實驗結果造成較大影響，故實驗只在實驗開始前及結束時對生物巢生物量進行測定。
２、實驗結果與討論
２.１ 強化Ａ/Ｏ工藝處理生活污水效果分析
圖２為強化Ａ/Ｏ工藝處理生活污水的處理效果。可知：進水ρ(ＣＯＤ)為４１０~５７４ｍｇ/Ｌ，Ａ/Ｏ工藝出水ρ(ＣＯＤ)為９.８~４５.４ｍｇ/Ｌ，平均為３０.３ｍｇ/Ｌ；強化Ａ/Ｏ工藝出水ρ(ＣＯＤ)為８.２~３０.９ｍｇ/Ｌ，平均為１９.５ｍｇ/Ｌ，ＣＯＤ平均去除率分別為９３.９％和９５％。強化Ａ/Ｏ工藝使更多的微生物富集在ＢＦ填料上，從而提高系統中的微生物含量，鏡檢發現在生物巢表面附著的污泥絮體中新生菌膠團無色透明，結構緊密，具有較高的活性(圖３)，極大地提高了氧化分解有機物的能力，在進水ＣＯＤ濃度相同的條件下增強了系統對ＣＯＤ的去除率。但是由于ＢＦ填料上生物量較大，低濃度的有機物不能滿足反應器微生物所需營養物質進行代謝活動，使其活性受到影響，因此２組反應器出水ＣＯＤ濃度大致相同。
ＮＨ＋４－Ｎ的去除包括微生物同化作用和硝化作用，主要是依靠硝化細菌進行硝化反應來實現。由圖２ｂ可知：進水ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為３２~４４ｍｇ/Ｌ，強化Ａ/Ｏ工藝出水平均ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為０.５９ｍｇ/Ｌ，平均去除率達到９８％，而常規Ａ/Ｏ工藝出水平均ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為２.４４ｍｇ/Ｌ，平均去除率為９２％。可以得出：投加ＢＦ填料提高了系統對ＮＨ＋４－Ｎ的抗負荷能力，強化Ａ/Ｏ工藝好氧池由于加入ＢＦ填料，生長周期較長的硝化細菌可以在ＢＦ填料上生長，相應地延長了硝化細菌的停留時間，從而提高了硝化細菌的數量，因此強化Ａ/Ｏ工藝具有高效的ＮＨ＋４－Ｎ去除效果。
由圖２ｃ可知：進水ρ(ＴＮ)為３６~５４ｍｇ/Ｌ，強化Ａ/Ｏ工藝出水平均ρ(ＴＮ)為４.６ｍｇ/Ｌ，平均去除率達到８６.３％，高于常規Ａ/Ｏ工藝出水ＴＮ的平均去除率８２.３％。這是由于在好氧池中生物巢內部也存在缺氧微環境，同樣會進行部分反硝化去除ＴＮ，且在缺氧池內加入了ＢＦ填料，反硝化細菌可以固定生長在填料上，在相應的微環境生長成為特定的優勢菌種，故強化Ａ/Ｏ工藝ＴＮ去除率較高。
２.２ 強化Ａ/Ｏ工藝處理高負荷廢水效果分析
強化Ａ/Ｏ工藝處理高負荷廢水效果如圖４所示。可知：隨著ＣＯＤ負荷緩慢提高，２組工藝對ＣＯＤ的去除效果均能達到９０％以上，對ＣＯＤ的去除效果２組實驗差別不明顯。這是由于當ＣＯＤ負荷較高時，系統內微生物大量繁殖，實驗后期Ａ/Ｏ工藝好氧池內ρ(ＭＬＳＳ)達到６０００ｍｇ/Ｌ左右，大量的微生物提高了降解有機物的能力。而強化Ａ/Ｏ工藝由于加入了ＢＦ填料，生物量增加，且鏡檢發現吸附在填料上的微生物所形成的菌膠團結構緊密，具有強大的吸附和分解有機物的能力。因此２組實驗對ＣＯＤ均有高效的去除效果。
由圖４ｂ可知：進水ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為５０~６５.３ｍｇ/Ｌ，前１３ｄ，２組工藝出水ＮＨ＋４－Ｎ均比較穩定，強化Ａ/Ｏ工藝出水平均ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)為４.２ｍｇ/Ｌ，Ａ/Ｏ工藝為１０.２ｍｇ/Ｌ，ＮＨ＋４－Ｎ平均去除率分別為９２.６％和８１.８％。從第１４天開始，Ａ/Ｏ工藝ＮＨ＋４－Ｎ去除率下降明顯，平均去除率為７７.８％，而強化Ａ/Ｏ工藝ＮＨ＋４－Ｎ去除率無明顯變化。這是由于在供氣量不變的情況下，隨著進水ＣＯＤ濃度的緩慢增加，ＣＯＤ負荷增大，系統內異養細菌以溶解氧為電子受體，分解大量有機物的同時消耗水中的溶解氧，好氧池ρ(ＤＯ)為１.０~２.０ｍｇ/Ｌ，不利于硝化細菌和亞硝化細菌的生長。第１６天，提高Ａ/Ｏ工藝好氧池供氣量后ρ(ＤＯ)為３.０~４.０ｍｇ/Ｌ，但是ＮＨ＋４－Ｎ去除率仍低于前１４ｄ平均去除率，這可能是由于反應器ＮＨ＋４－Ｎ濃度的不斷積累導致負荷ＮＨ＋４－Ｎ增大，而此時高曝氣量下好氧池內存在較強的剪切作用，導致污泥絮體微細化，絮體粒徑較小，ＳＶＩ達到１９５ｇ/ｍＬ，活性污泥沉降性能較差，部分亞硝化菌和硝化菌隨出水外流。實驗后期２５~３０ｄ，常規Ａ/Ｏ工藝好氧池內產生大量白色黏稠泡沫，鏡檢發現菌膠團結構疏松，活性污泥出現膨脹現象，而強化Ａ/Ｏ工藝在較高有機負荷下，活性污泥仍保持較好的污染物去除與沉降性能，抗沖擊性得到驗證。
ＴＮ去除效果如圖４ｃ所示。可知：ＴＮ的變化趨勢同ＮＨ＋４－Ｎ一致，強化Ａ/Ｏ工藝的ＴＮ去除率總體比較平穩，平均去除率達到９１.４％，而Ａ/Ｏ工藝ＴＮ去除率在第１３天隨著進水ＣＯＤ負荷的增加而降低，這是由于ＮＨ＋４－Ｎ去除率受到影響，無法為反硝化提供充足的電子受體，從而導致出水ＴＮ濃度上升。后期Ａ/Ｏ工藝ＴＮ去除率僅為７５.６％，遠低于強化Ａ/Ｏ工藝。
２.３ 污泥減量效果
實驗分別在４組ρ(ＣＯＤ)依次為１２００，１４００，１６００，１８００ｍｇ/Ｌ條件下穩定運行１０ｄ后，計算系統內污泥總量以及ＣＯＤ去除總量，進而得到污泥產率系數，如圖５所示。
在第１組實驗開始前，測得生物巢生物總量為１.６９ｋｇ，第５組實驗結束時，測得生物巢生物總量為１.７０ｋｇ，因此可認為整個實驗過程中生物巢生物量保持穩定。為了簡化計算，圖５中的污泥總量不包括生物巢生物量。由圖５可知：對于不同ＣＯＤ濃度，強化Ａ/Ｏ工藝系統內污泥總量均比Ａ/Ｏ工藝少。當提高ＣＯＤ濃度時，Ａ/Ｏ工藝系統內污泥總量增加較快，其中，當ρ(ＣＯＤ)從１４００ｍｇ/Ｌ提高到１６００ｍｇ/Ｌ時，污泥總量從１０.３３ｋｇ增加到１６.４７ｋｇ，而強化Ａ/Ｏ工藝系統內污泥總量從７.４８ｋｇ增加到１０.７７ｋｇ，增幅分別為５９.４％和４３.９％。當ρ(ＣＯＤ)為１６００ｍｇ/Ｌ時，強化Ａ/Ｏ工藝系統內污泥總量比Ａ/Ｏ工藝污泥減少了３４.９％。
由圖５還可看出：Ａ/Ｏ工藝污泥產率在０.３０~０.３４ｋｇ/ｋｇ變化，平均值為０.３２ｋｇ/ｋｇ，而強化Ａ/Ｏ工藝系統污泥產率在０.１７~０.２１ｋｇ/ｋｇ變化，平均值為０.１９ｋｇ/ｋｇ，污泥產率降低了４０.６％。
生物巢能起到污泥減量是由于生物巢內部存在很多孔隙運輸底物和溶解氧，底物和溶解氧在從生物巢最外層至最內層過程中不斷消耗，從而可以在生物巢內形成多種微環境，適宜各種微生物的生長繁殖，提高了微生物的種類和數量。鏡檢發現生物巢內部存在大量鐘蟲、輪蟲、吸管蟲、紅斑顠體蟲等原生動物和后生動物，可形成較穩定的“細菌－原生動物－后生動物”食物鏈系統，食物鏈越長，能量在傳遞過程中消耗就越大。同時，生物巢上死亡的微生物被原生動物、后生動物消化分解，從而可以更好地達到污泥減量的目的。
３、結論
１)ＢＦ填料可形成“生物巢”球狀污泥絮凝體，增加了系統內功能菌種的數量，因此強化Ａ/Ｏ工藝對污水中ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＴＮ具有較高的去除效果，其去除率分別達到９５％、９８％和８６.３％。
２)通過鏡檢發現附著在ＢＦ填料的菌膠團結構緊密，生物量豐富，提高了系統的抗沖擊負荷性能，處理高負荷廢水時，強化Ａ/Ｏ工藝ＮＨ＋４－Ｎ和ＴＮ的平均去除率分別提高了１９％和２０.９％。
３)“生物巢”內存在豐富的原生動物和后生動物，可形成較長的食物鏈，有利于減少剩余污泥的產生。強化Ａ/Ｏ工藝污泥產率為０.１９ｋｇ/ｋｇ，與Ａ/Ｏ工藝相比，污泥產率降低了４０.６％。（來源：江蘇大學環境與安全工程學院，艾特克控股集團股份有限公司，江蘇大學環境健康與生態安全研究院，東南大學土木工程學院）
