关键词：混合填料反应器；沸石；聚糖菌；同步硝化反硝化；污水处理

                 一般认为，生物脱氮包括好氧硝化和缺氧反硝化两个过程，在好氧条件下，氨氮通过自养硝化菌转化为硝酸盐和亚硝酸盐，在缺氧条件下被异养反硝化菌还原为氮气[1]。已有大量研究结果表明，传统 污 水 处 理 工 艺 中 ，氧 传 输 效 率（OTE）一 般 在4. 8% 到 34. 1% 范 围 内[2-4]，较 低 的 OTE 导 致 用 于BOD 氧化和氨氮硝化所需的曝气系统的能耗通常占整个污水处理工艺能耗的 50% 以上[5-7]。因此，降低曝气能耗是提升污水处理效率、实现“双碳”目标的关键措施之一[8]。有研究表明，聚糖菌（GAOs）在厌氧条件下能够 将 有 机 碳 转 化 为 聚 羟 基 烷 酸 酯（PHAs）[9]。Flavigny 等[4]研究序批式固定床生物膜反应器，在周期性的进水（厌氧）-排水（好氧）条件下培养 GAOs生 物 膜 ，并 且 在 免 曝 气 条 件 下 COD 去 除 率 高 达94. 3%。该工艺的核心是，通过排水的方式使得空气在填料孔隙内部自然流通，从而直接给生物膜提供新陈代谢所需的氧气，实现了约 60% 曝气能耗的节约[4, 10]。为了同时获得氨氮的高效去除，郭其艺等[11]在上述工艺的基础上以沸石颗粒填料代替传统多孔聚乙烯塑料填料作为生物载体，构建了序批式固定床生物膜反应器。沸石颗粒不仅具有高效的铵根离子吸附作用，同时被发现有促进 AOB 和抑制 NOB 的效果，从而具有较好的脱氮效率[12, 13]。并且通过周期性进水（厌氧）-排水（好氧）成功培养出富含 GAOs 的生物膜，使得反应器不仅能够高效去除 COD，同时氨氮和总氮的去除率都达到 83%[11]。

                 该体系中，COD 和氨氮的去除过程可以分为两个阶段：1）进水厌氧过程中，生物膜中的 GAOs 将污水中的有机碳源转化为细胞内 PHAs[2, 4]，同时沸石颗粒吸附污水中的铵根离子，实现了在厌氧阶段同时去除污水中的 COD 和氨氮；2）排水好氧过程中，通过硝化细菌和聚糖菌(GAOs)等菌属的共同作用，同步硝化反硝化(SND)降解沸石颗粒所吸附的氨氮，实现沸石颗粒吸附能力的再生[9]。 然而，使用沸石颗粒作为生物填料的主要问题 在于反应器有效容积较小，并且随着反应器的运行生物膜持续生长和脱落[14]。这将导致反应器孔隙的堵塞和反应器有效容积降低，从而降低单位反应器 的污水处理负荷，不利于系统的长期稳定运行。多 孔塑料填料具有强度高，比表面积大，孔隙率高（>95%）等特点，笔者以沸石颗粒和多孔塑料生物填 料制备混合填料，以有效解决长期运行下由于生物 膜生长和脱落堵塞颗粒孔隙而造成的反应器去除 负荷降低的问题，同时研究不同生物填料表面的微 生物群落构成，构建稳定运行的免曝气混合填料固定生物膜污水处理工艺。

                  1 试验

                   1. 1 试验材料

                  使用的沸石主要为斜发沸石。筛分后选取尺 寸为 10±2 mm 的沸石颗粒，经去离子水反复淘洗3~5 次，除去表面的污垢及可溶性杂质，在 103 ℃烘箱中烘干 24 h 后待用。实验测得沸石对 40 mg/L 的 氨氮溶液的最大氨氮吸附量为 22. 4 μg/g。另一多 孔 塑 料 填 料 为 齿 型 聚 乙 烯 填 料（HDPE），尺 寸 Ø10mm×10 mm，密 度 >0. 96 g/cm3，孔 隙 率>95%，比表面积>500 m2/m3。 根 据 文 献[9]，使 用 的 人 工 合 成 废 水 COD/N 为12，其中进水 COD 浓度为 508±19 mg/L，NH4+-N 浓 度 为 40±3 mg/L，其 主 要 成 分 为 ：CH3COONa（660 mg/L）、NH4Cl（160 mg/L）、NaHCO（3 125 mg/L）、KH2PO4（44 mg/L）、MgSO4·7H2O（25 mg/L）、CaCl2·2H2O （300 mg/L） 、 FeSO4·7H2O （6. 25mg/L）。

                    1. 2 试验装置

                    实验室规模反应器为亚克力材质的 Ø6×35 cm圆柱，有效容积约为 0. 80 L。反应器内填充沸石颗粒和聚乙烯填料，两种填料体积各为 50%。该反应器 定 义 为 混 合 填 料 反 应 器 HCB（Hybrid Carrier Bioreactor）。反应器内所接种物为市政污水处理厂生化曝气池的活性污泥，污泥浓度（MLSS）为 6. 3g/L。取 2 L 用于反应器挂膜，持续循环滤淋，挂膜污 泥 循 环 液 中 污 泥 逐 步 富 集 于 填 料 表 面 ，直 至MLSS＜1000 mg/L。 实 验 测 得 最 终 约 有 10. 28 g活性污泥（干重）被负载在反应器填料表面。当反应 器 稳 定 运 行 时 ，反 应 器 内 污 水 MLSS＜30±2mg/L，表明反应器内污泥主要以生物膜的形式存在。HCB 反应器采用序批式进水，厌氧-好氧交替模式运行，进水后的反应器进行厌氧处理，并维持厌氧阶段 6 h。厌氧处理后，反应器排出废水继而进入好氧阶段并维持 6 h，系统水力停留时间（HRT） 为 12 h。进水、排水均由电脑程序自动控制。

                    双混合填料反应器是将两个同样的混合填料反应器（R1 和 R2）串联运行，即，污水在 R1 反应器厌氧阶段结束后排出，即刻由泵输入 R2 反应器再次进行缺氧处理，同时，R1 反应器进入好氧阶段。 R2 反应器缺氧结束后排出污水进入好氧阶段，此 时，R1 反应器完成好氧阶段并开始泵送新批次污水，开始下一污水处理周期（图 1）。在双反应器测试过程中，好氧/缺氧时间分别设定为 6 h/6 h 和 3h/3 h 两个运行工况，测定不同 HRT 条件下系统的处理能力。

                    为了比较不同填料反应器的长期污水处理负荷，在同期进行了对比实验，对照组反应器填料为单一沸石颗粒填料，两组反应器体积和容纳污水体积见表 1。

                    1. 3 分析方法

                   反 应 器 取 样 口 位 于 中 部 ，每 次 取 约 10 mL 水 样[15]并经过 0. 22 µm 滤器过滤，用于测定污染物浓度，水样分析方法如表 2[16]。在实验中，合成废水中不含有机氮，因而总氮（TN）表示为氨氮、硝态氮和亚硝态氮之和。

                     在 反 应 器 运 行 至 稳 定 期 分 别 从 沸 石 填 料 和HDPE 填料表面采集生物膜，离心脱水后的生物膜样品送至南京集思慧远生物科技有限公司进行 16S rRNA 基因测序，将得到的 OUT 聚类后，与 Silva 数据库进行比对，结合分类学方法进行物种注释。

                     2 试验结果与讨论

                     2. 1 混合填料反应器启动

在进水（6 h）-排水（6 h）条件下，单级混合填料反应器对 COD 去除效果如图 2 所示。COD 平均去除率由 46. 3% 逐步提高到 89. 2%，出水 COD 平均浓度约为 54. 5 mg/L。厌氧段不断提升的 COD 的去 除 率 主 要 可 能 是 由 于 GAOs 的 丰 度 提 升 。Bengtsson[17]研究发现，厌氧/好氧（A/O）模式运行可以有效富集 GAOs。如图 3 所示，胞内 PHAs 和糖原在厌氧-好氧阶段变化情况表现出 GAOs 代谢特征。系统未出现明显的厌氧释磷现象，表明 PHAs合 成 过 程 所 需 能 量 来 源 于 糖 原 酵 解 而 不 是 胞 内Poly-P（聚磷）水解[18]。因此，研究涉及的污水处理系统中 COD 的去除主要是通过 GAOs 将污水中的有 机 碳 转 化 为 胞 内 聚 羟 基 烷 酸（PHAs）的 路 径 实现 。 HCB 反 应 器 对 氨 氮 的 平 均 去 除 率 初 期（第 1 周）为 43. 8%，稳定运行后达 57. 5%，出水氨氮平均浓度约为 16. 8 mg/L（如图 4）。并且，在后期的稳定运行阶段，出水中没有检出 NO2-和 NO3-。这说明反硝化完全，因此氨氮去除率和总氮去除率相同。

                   由图 2 可知，单级混合填料反应器运行的启动时间约为 4 周，这与 Hossain 等[10]研究的塑料填料滴滤反应器相比，启动时间缩短了约 2 周。主要原因可能是相比于惰性塑料填料表面较光滑的微观结构，沸石颗粒粗糙的活性表面更有利于微生物在其表面依附生长繁殖，从而生物膜的形成时间较短。

                    2. 2 HCB 运行不同阶段 COD 去除效率

                    混合填料反应器对 COD 的去除主要依靠聚糖菌（GAOs）在厌氧条件下以溶液中可溶性有机碳作为 碳 源 合 成 胞 内 聚 羟 基 烷 酸（PHAs）。 通 过 监 测HCB 不同运行阶段典型周期内厌氧段 COD 的浓度变化可以发现，随着运行天数增加，COD 去除效率和速率均有显著提高。由图 5（a）可见，在反应器运行的第 8、22 和 60 天，厌氧阶段 COD 浓度分别降低了 284. 5、344. 2、462. 4 mg/L，去 除 率 分 别 为58. 0%、72. 3%、93. 1%。

同时，研究发现，反应器运行约 22 d 后，COD 浓度在厌氧阶段开始的 2 h 后趋于平稳，表明 GAOs对污水中可溶性有机碳的合成转化主要发生在厌氧阶段的前 2 h。由图 5（a）数据可以进一步计算得出 ，厌 氧 阶 段 前 2 h 的 COD 去 除 速 率 由 第 8 天 的52. 8 mg/(L·h)增 加 到 第 60 天 的 226. 1 mg/(L·h)，反应速率提升了约 4 倍，这主要是由于随着反应器的运行，系统内生物量以及聚糖菌丰度显著增长[4]。 图 5（b）显示，稳定运行条件下（第 60 天）HCB 和沸石填料反应器典型周期厌氧段 COD 浓度变化，可知尽管使用不同生物填料，在相同条件下运行对 COD 去除效率和速率无明显差异。

                  原标题：免曝气混合填料反应器处理生活污水的性能

                  原作者：陈申良 ，郭其艺 ,成亮 ,黎启明 ,庄琛 ,张超群 ,杨阳