序批式生物膜反應器(SBBR)，即通過在SBR反應器中投加生物膜填料，并采用序批模式運行的新型工藝。該工藝兼具SBR法和生物膜法的優點，不但能提升抗沖擊負荷的能力，也保留了SBR控制靈活方便的特性，具有良好的發展前景。SBBR反應器可以將生物膜中微生物的污泥齡控制在較高水平，有利于世代時間較長的硝化細菌的生長，有利于硝化過程的進行。
傳統脫氮主要利用的是全程硝化反硝化工藝，即氨氧化細菌(AOB)將污水中的NH4+-N氧化為NO2-N，再由亞硝酸鹽氧化細菌(NOB)將NO2--N氧化為NO3--N。而短程硝化是將硝化反應控制在NO2-N階段，可縮短反應流程，減少建設投資，節省曝氣能耗和反硝化碳源，具有良好的應用前景。短程硝化一般通過富集AOB和抑制NOB來實現。AOB的氧飽和常數較NOB低，說明AOB能夠更好地適應低DO的環境。而生物膜中存在一定的溶解氧梯度，因此在對DO的競爭方面，AOB比NOB更有優勢，能夠獲得更好的生長環境，有利于短程硝化的實現。另外，研究表明，間歇進水的方式比連續進水更容易實現短程硝化，其可以通過控制DO、游離氨、溫度、pH等參數來實現短程硝化。
本研究以模擬城市生活污水作為處理對象，采用SBBR反應器考察了不同載體對短程硝化生物膜特性的影響，以及對高DO的沖擊適應性，以期找到更適合短程硝化啟動和運行的填料。
1、材料與方法
1.1 試驗裝置
SBBR反應器的結構示意如圖1所示。反應器為圓柱形，直徑20cm，有效水深30cm，有效容積約為9.4L。反應器材質為有機玻璃，裝置底部設有剛玉曝氣盤，通過轉子流量計與曝氣泵相連。SBBR反應器放置于25℃的恒溫槽內，裝置上部分別放置DO探頭和pH探頭，實時監測反應器內溫度、DO和pH的變化。
1.2 試驗水質和接種污泥
試驗中的3組反應器均采用人工配水，其中，進水NH4+-N60mg/L左右，由氯化銨提供;進水COD300mg/L左右，由醋酸鈉提供;進水TP約為6mg/L，由磷酸二氫鉀提供。1L污水中投加0.5mL營養液，為微生物生長提供必要的微量元素。營養液主要成分：FeSO4·7H2O1mg/L，H3BO30.2mg/L，CuSO4.5H2O0.1mg/L，MgSO4·7H2O0.1mg/L，MnCl2·4H2O0.2mg/L，ZnSO4·7H2O0.2mg/L，CoSO4·6H2O0.3mg/L，NiCl2·6H200.2mg/L。根據反應器運行情況投加碳酸氫鈉，pH維持在7.6~7.8。接種污泥為北京市某污水處理廠回流污泥，其硝化性能良好，MLVSS/MLSS在0.7左右，SVI在90左右。
1.3 試驗方案
試驗共設置A、B、C3個試驗組，各組試驗條件與采用的反應器均相同，選擇鮑爾環和海綿2種類型的載體進行填充，填充比25%。其中，A組投加鮑爾環填料，B組投加海綿填料，C組投加體積比為1：1的海綿和鮑爾環混合填料。鮑爾環填料的比表面積為280~670m/m，孔隙率為50%~75%，吸附能力較弱。海綿填料的比表面積為2500m/m左右，孔隙率為75%~90%，吸附能力較強。
A、B、C3組試驗均采用完全排泥法進行“掛膜啟動”。即首先進行48h悶曝，然后排空反應器內的活性污泥，從而在生物膜掛膜階段消除反應器內活性污泥對營養物質的競爭。通過對比3組試驗的短程硝化運行效果和“掛膜”情況等，并結合EPS、SEM和高通量分析，得出不同填料投加對短程硝化特性的影響。在初始階段，控制曝氣時間為6h，以出水NH4+-N<5mg/L作為硝化反應完全的標準進行監測調整，防止出現過量曝氣，并定期觀察填料上生物膜生長狀況，最終實現短程硝化的啟動和穩定運行。
試驗中采用氨氮去除率(AAR)評價硝化性能，采用亞硝酸鹽氮積累率(NAR)評價短程硝化的成功啟動，以NAR的穩定性作為短程硝化穩定運行的指標參數。
1.4 分析項目與方法
NH4+-N采用納式試劑分光光度法測定;NO2-N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定;NO3-N采用麝香草酚分光光度法測定;MLSS和MLVSS采用質量法測定。DO、pH和溫度采用WTW在線監測探頭進行監測。
生物膜內總EPS采用熱處理方法提取，采用考馬斯亮藍G-250法測定總蛋白含量，采用蒽酮比色法測定總糖含量。生物膜樣品送到生工生物工程(上海)股份有限公司進行高通量測序。
2、結果與討論
2.1不同填料試驗組的掛膜啟動
分別對A、B、C3組反應器進行掛膜啟動，以掛膜填料上生物量的多少來指示“掛膜”是否成功，并對3組試驗中“掛膜”時間的長短進行比較。圖2為反應器啟動和穩定運行過程中生物量和ARR的變化情況。
MLVSS表示活性污泥混合液中有機固體物質的濃度，可以用來表征活性污泥中生物量的濃度水平。從圖2(a)可以看到，3個試驗組在悶曝48h并完全排空活性污泥后，生物量的變化規律有較大差異。A組第1天截留的生物量最少，MLVSS為116mg/L，說明鮑爾環的截留能力較差;隨著時間的增加，A組生物量逐漸增加，14d以后MLVSS穩定在2021mg/L左右，說明掛膜啟動成功。B組第1天截留的微生物最多，MLVSS為2395mg/L，說明海綿具有很強的截留能力，這和海綿的多孔特性相關。由于海綿初期只有物理攔截作用，隨著水力剪切和進水的稀釋，生物量逐漸減低，第5天達到最低值，MLVSS為1656mg/L，但仍是同期3組中的最高值;之后系統內生物量逐漸升高，10d后MLVSS穩定在2100mg/L左右，成功實現了掛膜。C組第1天的MLVSS為1354mg/L，其變化趨勢介于A組與C組之間，11d后實現了成功掛膜。3組掛膜成功后的生物量大致相同，MLVSS均在1950~2200mg/L范圍內。
由圖2(b)可知，A、B、C3組試驗中ARR的變化規律與生物量相似，且對ARR的去除分別在14d后、10d后、11d后達到穩定。3組試驗達到穩定后的ARR均保持在80%左右，差異不大。試驗結果表明，海綿填料由于具有比表面積大、吸附能力強的特性，在前期可以吸附截留更多的微生物，有利于微生物的附著和增殖，能夠更快地實現掛膜啟動。
在實際運行中，發現B組曝氣能耗相對較大。由于海綿填料具有一定厚度，需要保持較高的曝氣量，并增加額外的攪拌裝置，才能使90%以上的海綿填料呈流化狀態，使海綿內部的微生物與溶解氧和污染物能夠充分接觸。此外，由于海綿填料的機械強度較低，長期的機械攪拌和水力剪切容易造成填料的磨損和破裂，而重新投加補充新填料又需要一定的培養周期，會影響處理系統的處理效率，并對出水水質造成影響。鮑爾環填料雖然掛膜時間較長，但僅靠曝氣帶動的水力攪拌就可達到較好的流化狀態，且鮑爾環填料為剛性填料，不易發生磨損和破裂。
2.2 DO對不同填料試驗組短程硝化穩定性的影響
為了研究DO對不同填料試驗組短程硝化穩定性的影響，將3組試驗均分為3個階段：第1階段是1~20d的掛膜啟動階段，主要完成填料的掛膜和穩定運行，這一階段控制DO在1mg/L左右;第2階段是21~35d，增加DO至3.3mg/L，用高DO沖擊來破壞短程硝化;第3階段是36~50d，進一步增加DO至5.6mg/L，增加其對短程硝化的沖擊。不同DO下3組試驗AAR和NAR的變化如圖3所示。
研究表明，AOB的氧飽和系數是0.2~0.4mg/L，NOB的氧飽和系數是1.2~1.6mg/L。G.Ciudad等研究發現，實現短程硝化需要控制DO<1.4mg/L。也有一些研究表明，在生物膜反應器中，可以在較高的DO條件下實現短程硝化。張永祥等應用鮑爾環填料，通過控制DO在2.9~5.0mg/L，實現了短程硝化;周鑫等以海綿作為微生物填料處理NH4+-N廢水，通過控制DO在0.8~2.6mg/L，實現了短程硝化，NAR最大值為72.2%。
從圖3可知，在高DO的沖擊下，A組的短程硝化效果保持相對穩定，NAR僅下降了8%左右。而對于B組與C組，高DO的沖擊破壞了其短程硝化效果。第50天，B組的NAR降低為41.5%，C組的NAR降低為65.0%。從短程硝化運行的抗DO沖擊特性來說，3個試驗組的抗沖擊能力從高到低依次為A>C>B。
鮑爾環與海綿填料在抵抗高DO沖擊方面的差異性主要體現在以下3個方面：
(1)生物膜厚度的差異。鮑爾環填料與海綿填料在達到穩定運行后的NAR與生物量基本相同，但是鮑爾環填料的比表面積遠遠小于海綿填料，這說明鮑爾環填料上的生物膜厚度要遠遠高于海綿填料。而生物膜的厚度直接影響到DO的傳質效果，生物膜越厚，DO與污染物傳遞到生物膜內層的阻力越大，這就導致高DO沖擊下，鮑爾環填料生物膜內部仍能保持合適的低DO環境，來維持AOB的富集與NOB的抑制。
(2)EPS的分泌不同。EPS是微生物通過新陳代謝分泌出來的高分子聚合物，能夠包裹在微生物細胞的表面，有利于微生物的聚集與附著生長，具有保護和維持生物膜的作用。鮑爾環填料在低比表面積的情況下，仍然有與海綿填料相同的生物量，這就意味著鮑爾環填料中微生物分泌的EPS較高，對生物膜的保護也較高。
(3)生物膜的分層結構。在鮑爾環填料的生物膜中，由于生物膜厚度較厚，DO和有機物在不同厚度的生物膜上具有不同的濃度梯度，這樣微生物就會根據對DO和有機物的不同需求，在不同的生物膜位置生長。而在海綿填料中，由于生物膜厚度較低，分層結構不明顯，生物膜很容易被高DO沖擊穿透。
2.3 鮑爾環與海綿填料的短程硝化特性
鮑爾環填料和海綿填料均能達到短程硝化的穩定運行，為了比較這2種填料的短程硝化效果的差異，在短程硝化穩定期(第20天)，對C組中的鮑爾環填料和海綿填料分別進行了沿程變化小試，結果如圖4所示。
從圖4可知，試驗進行1h時，鮑爾環填料反應器內NH4+-N降低了9.61mg/L，而海綿填料反應器內NH4+-N降低了22.84mg/L。這是因為海綿填料的表面積較大，海綿填料生物膜與進水中污染物的接觸面積也較大，污染物能夠更多地被微生物所吸附，從而導致海綿填料反應器內NH4+-N下降較快。鮑爾環填料與海綿填料的NH4+-N去除率均在90%左右，鮑爾環填料的NH4+-N去除率為93.84%，稍高于海綿填料的89.28%。這可能是由于鮑爾環填料中AOB的活性較海綿填料要稍高一些。對于2種填料，NO3-N濃度均維持在一個較低的水平，從試驗開始到結束(反應6h)，鮑爾環填料反應器中的NO5-N從2.08mg/L升高至4.38mg/L，而海綿填料反應器中的NO5-N從1.90mg/L升高至7.56mg/L，說明海綿填料中NOB的活性更高一些，鮑爾環填料對NOB的抑制作用更強。
2.4 SEM、EPS和高通量分析
在第20天短程硝化穩定期，取出C組試驗中投加的鮑爾環填料和海綿填料進行SEM分析，結果如圖5所示。
從圖5可以看到，鮑爾環生物膜細胞表面有較多的細胞間物質，生物膜表面較平整光滑;海綿填料生物膜細胞表面細胞間物質較少，生物膜相對比較粗糙。生物膜中細胞間物質主要成分是EPS，其對微生物起到保護作用，是組成和維持生物膜的重要部分。與海綿填料相比，鮑爾環填料生物膜中的EPS相對較多，因此其對高DO的傳質阻力更大，短程硝化抗高DO沖擊的能力更強。
取第37天C組中的鮑爾環和海綿填料，測定其生物膜上的EPS。結果表明，鮑爾環填料生物膜中的TOC、PN(蛋白質)、PS(多糖)分別為165、76.8、16mg/L，海綿填料生物膜中的TOC、PN、PS分別為98、51.6、12mg/L，鮑爾環填料生物膜中的總EPS(TOC)、PN和PS均較顯著地高于海綿填料。同時，計算得出鮑爾環和海綿填料生物膜中的PN/PS分別為4.8、4.3。綜上，可以看出鮑爾環填料上的生物膜更穩定。
對第37天C組中鮑爾環和海綿填料上的生物膜進行高通量測序，結果如圖6所示。
由圖6可以看出，海綿填料生物膜中共有14種主要菌屬，鮑爾環填料生物膜中共有11種主要菌屬，與海綿填料相比，鮑爾環上的微生物群落結構更加趨于專性，特別是不動桿菌屬(Acinetobacter)的占比進一步擴大，可能表明功能菌群的優勢較為明顯。海綿填料和鮑爾環填料生物膜樣品的Shannon-Wiener指數分別為4.2和3.3，表明海綿填料生物膜中的微生物更具多樣性，反過來也同樣表明鮑爾環填料生物膜中的微生物相對更專性，這也是其生物膜更穩定的一種表現。
3、結論
(1)在25℃條件下，在SBBR反應器中分別投加鮑爾環填料、海綿填料和體積比為1：1的混合填料進行掛膜啟動，結果表明，3個試驗組實現短程硝化所需時間分別為14、10、11d，氨氮去除率均能達到80%以上，均能實現穩定的短程硝化。鮑爾環填料雖然掛膜時間較長，但是僅靠曝氣帶動的水力攪拌就可以達到較好的流化狀態，且較海綿填料節省能耗，不易發生磨損和破裂。
(2)SEM分析表明，鮑爾環填料生物膜中的EPS要多于海綿填料。在高DO沖擊下，鮑爾環填料中較多的EPS對高DO的傳質有更大的阻力，能夠保持相對穩定的DO梯度，對內部微生物的保護效果更好，且穩定的DO梯度使微生物的種類更多樣，分層更合理，生物膜結構更牢固。鮑爾環填料對高DO的沖擊適應性更強，能夠在高DO下實現短程硝化的穩定運行。
(3)EPS分析表明，鮑爾環填料生物膜中的TOC、PN和PS均較顯著地高于海綿填料，且鮑爾環生物膜中的PN/PS較高，說明鮑爾環上的生物膜更穩定。高通量測序結果表明，鮑爾環填料生物膜中的微生物群落結構相比于海綿填料更加趨于專性，這也是其生物膜較穩定的原因之一。（來源：西安高新區污水處理有限公司，北京城市排水集團有限責任公司，北京工業大學，煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室）
