构建反硝化固定式生物膜-膜生物反应器（DNFB-MBR）工艺处理硝酸盐废水，通过快速排泥和提高底物浓度的方式，强化培养载体生物膜，成功实现工艺的挂膜启动。整个运行过程中，NO3--N与COD的去除率维持在95%、80%以上，TN去除负荷（NRR）和COD去除负荷（CRR）分别达到0.200、0.785 kg/（m3·d）；载体生物膜逐渐变厚，颜色由浅黄色变为深褐色，最大附着生物量达到 1.545 gSS/g；NO3--N 与 COD 最大比降解速率分别为 81.8、188.4 mg/（gMLSS·d），表明生物膜具有较高的脱氮除碳性能；载体附着生物量与生物膜 EPS中的 PS、PN含量密切相关，两者分别由 6.48、15.44 mg/g增至 10.76、21.19 mg/g，三维荧光光谱分析结果进一步表明色氨酸、芳香族蛋白类物质和腐殖酸类物质在生物膜的形成过程中发挥重要作用。
关键词:
固定式生物膜;膜生物反应器;挂膜启动;生物反硝化;有机碳去除
生物反硝化工艺在水体硝酸盐去除领域占主导地位，传统生物反硝化工艺普遍采用活性污泥法，但往往存在基建费用高、抗冲击负荷能力较差、剩余污泥产量高等缺点，而生物膜工艺在上述方面呈现独特优势，成为污水处理领域的研究热点。
生物膜反硝化脱氮工艺主要包括生物滤池、生物流化床、移动床生物膜反应器等，但生物滤池中污染物易堵塞滤床，需进行周期性反冲洗；生物流化床和移动床生物膜反应器只有在移动状态下才能发挥作用，且出水中常含有脱落的生物膜，导致工艺出水稳定性较差。采用固定式载体并增加后续处理单元可弥补这些不足。膜生物反应器高效的固液分离性能可以保证出水水质稳定，与固定式生物膜工艺相结合以实现更高的去除效能。另外选择合适的挂膜方法是生物膜工艺快速启动的关键。目前常采用快速排泥法使载体表面快速形成生物膜，但该方法在固定式生物膜与MBR组合工艺中鲜有报道。
本研究拟构建一种反硝化固定式生物膜-膜生物反应器（DNFB-MBR），采用快速排泥并逐渐增加进水底物浓度的方式进行缺氧挂膜，考察该工艺挂膜启动过程中的脱氮除碳性能及生物膜特性，为DNFB-MBR 工艺的快速启动及实际应用提供理论指导和技术支持。
1 材料与方法
1.1 实验装置
实验装置如图1所示。穿孔隔板将反应器分隔成固定式载体生物膜池（FB）与膜池（MBR），两池有效容积分别为42 L和21.6 L。固定式载体由聚氨酯海绵构成，长×宽×高=25 cm×25 cm×35 cm，填充率35%，孔隙率和比表面积分别为97%～99%、8 000～10 000 m2/m3。束式中空纤维膜组件材质为聚偏氟乙烯（PVDF），膜孔径0.04 μm，有效过滤面积0.5 m2。
实验进水通过连接高位水箱的浮球阀进入FB池，经膜组件处理后流入产水箱。膜组件以 9 min产水和1 min水力反洗的方式循环运行，水力反洗由反洗泵抽取产水箱中膜渗透液得以实现。FB 池内设有搅拌器和加热棒，以保证传质效果和微生物最适生长环境；MBR 池底部设置穿孔曝气管，通过间歇曝气的方式冲刷膜表面污染物质；传感器和压力表实时监测反应器内温度/pH/DO和膜污染变化情况。
1.2 接种污泥及实验进水
实验接种污泥取自北方某污水处理厂T型氧化沟工艺，共25 L，MLSS质量浓度和污泥沉降比分别为3 700 mg/L、32%。进水采用人工模拟配水，以CH3COONa为碳源，KNO3为氮源，此外加入微量元素Ⅰ和Ⅱ（1 mL/L）。微量 元 素 Ⅰ（g/L）：1.25 KHCO3，0.025 KH2PO4，0.3CaCl2·2H2O，0.2 MgSO4·7H2O，0.00625 FeSO4；微量元 素 Ⅱ（g/L）：15 EDTA，0.43 ZnSO4·7H2O，0.24CoCl2·6H2O，0.99 MnCl2·4H2O，0.25 CuSO4·5H2O， 0.22 NaMoO4·2H2O，0.19 NiCl2·6H2O，0.21 NaSeO4·10H2O，0.014 H3BO4，0.05 NaWO4·2H2O。
1.3 运行方式
DNFB-MBR工艺挂膜启动过程包括2个步骤：
1）FB池内放置固定式载体，加入活性污泥和人工配置的生活污水，连续搅拌24 h，使污泥与固定式载体充分接触；停止搅拌，静置24 h后将污水和沉淀到反应器底部的污泥排出，载体完成预挂膜。该步骤中MBR池内未放置膜组件；
2）在MBR池内加入膜组件，采用连续运行方式培养富集载体生物膜，共4个阶段，具体运行条件参见表1。
操作过程中反应器内DO质量浓度保持0.2～0.5 mg/L，温度和 pH 分别维持在（25±2）℃、7.5 ～8.5。
1.4 分析方法
NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN、COD 均按国家标准测定方法检测。温度、pH、DO采用多参数水质监测仪（WTW Multi 3420i，德国）测定。载体附着生物量的提取与测定参考 Douterelo等方法，分别测定了附着生物量SS和挥发性附着生物量VSS。
功能细菌活性分析：不同运行阶段末期提取载体生物膜，去离子水清洗 3 次以去除残留物。250mL 血清瓶中添加生物膜和基质，置于磁力搅拌器上。温度、pH、DO 分别维持在（25±1）℃、7.5～8.5、 （0.2～0.5）mg/L。启动磁力搅拌器，每隔一定时间吸取 5 mL 混合液进行离心，测定上清液 NO3--N、NO2--N、NH4+-N 质量浓度和 COD，取样结束后测定生 物 膜 MLSS 含 量 。 以 NO3--N 比 降 解 速 率（SDRNO3--N）表征不同阶段反硝化功能菌活性，同时测定了 COD 比降解速率（SDRCOD）、NO2--N 比积累速率（SARNO2--N）和NH4+-N比积累速率（SARNH4+-N）。
生物膜胞外聚合物（EPS）提取与测定：不同运行阶段末期，从反应器中随机取出一定数量载体，将生物膜刮下溶于 50 mL 去离子水中，40 W 下超声 1min，以破坏生物膜粘附结构形成均匀稳定的状态。
采用热提取法提取生物膜 EPS，将其标准化为多糖（PS）和蛋白质（PN）含量的总和，分别采用以牛血清白蛋白为标准的改良Bradford法和以葡萄糖为标准的蒽酮-硫酸比色法测定其浓度。
三维荧光光谱分析：提取得到的生物膜 EPS 上清液稀释至一定浓度后直接通过荧光分光光度计（日本日立，F7100）测定，以超纯水作为空白对照，激发波长（Ex）间隔 10 nm，波长范围 200～600 nm；发射光谱（Em）间隔 10 nm，波长范围 250～650 nm，扫描速度60 000 nm/min。
2 结果与讨论
2.1 系统处理性能变化
DNFB-MBR 工艺挂膜启动过程中的处理性能如图 2所示。TN 进水负荷（NLR）和 COD 进水负荷（CLR）分别由第Ⅰ阶段0.067、0.321 kg/（m3·d）增至第Ⅲ阶段 0.143、0.659 kg/（m3·d），运行初期该系统表现出较高的NO3--N去除效果，随着生物膜的生长富集，NO3--N 甚至能够完全去除，并且出水 NO2--N 质量浓度保持较低水平，说明载体生物膜中微生物的反硝化能力逐渐增强；COD 去除率（CRE）在这 3 个运行阶段中均保持在 80% 以上，这是生物膜生长繁殖和膜组件吸附作用共同消耗的结果。
第Ⅳ阶段 CLR、NLR 分别增至 0.975、0.211 kg/（m3·d）。由于该阶段进水底物负荷较高，运行初期NO3--N 和 COD 去除效果下降，同时产生 NO2--N 积 累，但经过 4 d 的适应，去除效果得以恢复，CRE 和TN 的去除（NRE）分别保持在 80.49%、94.78%。与前三阶段相比去除效果依然可观，表明该系统能够适应高底物负荷环境，具备良好且稳定的脱氮除碳性能。
2.2 载体附着生物量变化
挂膜启动过程中载体附着生物量变化如图3所 示，可以观察到生物膜的生长过程大致分为 3 个时期：即适应期（1～12 d）、快速生长期（12～27 d）和稳定期（27～48 d）。预挂膜结束时载体表面及内部附着极少量的活性污泥，生物量仅为0.014 gSS/g；培养至12 d时载体附着生物量达到 0.140 gSS/g，此时载体表面附着一层较薄的生物膜，颜色呈现浅黄色，但生物膜附着不牢固，易脱落；12～27 d微生物生长繁殖迅速，载体附着生物量显著增加，27 d时达到1.528 gSS/g，载体表面包裹着一层粘稠絮状物，厚度达到2 mm左右，载体内部也形成一定数量的生物膜，此时微生物附着较为牢固，颜色变为褐色；27～48 d生物膜的生长与脱落过程处于动态平衡，平均生物量为1.505 gSS/g，该时期主要是载体内部生物膜的生长，颜色呈现深褐色。
此外由图 3还可以观察到，VSS/SS比值由预挂膜结束时的 0.643 逐步增加至 48 d 时的 0.818，即载体生物膜中挥发性附着生物量组分所占比重逐渐增大，这表明载体生物膜经过富集培养，其中功能性微生物的活性不断增强，使得该工艺表现出较高的脱氮除碳性能。
2.3 系统功能细菌活性变化
为进一步评估生物膜中功能细菌的活性，在运行每个阶段末进行生物膜脱氮除碳性能测试（见图4）。可以看出，SDRCOD和SDRNO3--N分别由第Ⅰ阶段的169.8、64.8 mg/（gMLSS·d）增至第Ⅳ阶段的 188.4、81.8 mg/（gMLSS·d），再次证实挂膜启动过程中生物膜上的功能微生物活性逐渐增强。
另外发现不同运行阶段均存在NO2--N和NH4+-N积累，最高 SARNO2--N和 SARNH4+-N均出现在第Ⅰ阶段，分别为 21.5、7.05 mg/（gMLSS·d），这是由于挂膜启动初期，载体生物膜中功能菌活性及数量相对较弱。积累现象说明不同阶段微生物群落结构和反硝化功能基因存在差异。
2.4 EPS含量变化
研究表明EPS在生物膜形成过程中发挥至关重要的作用，有利于微生物粘附到载体表面，不断吸附环境中营养物质并强化细胞间粘附。图5显示挂膜启动过程中生物膜 EPS 含量及组成变化，PS 和PN 含量分别在第Ⅲ阶段达到最大值 10.76、21.19mg/g，而第Ⅳ阶段两者含量略微下降。结合图3，生物膜EPS含量变化趋势与载体附着生物量相类似。
图5 还观察到 PS/PN 由第Ⅰ阶段 0.42 增加至第Ⅳ阶段0.53，说明PS在生物膜的富集培养过程中所占比重逐渐增大，但不同阶段生物膜EPS中的PN含量始终高于 PS。研究表明，PN 和 PS 作为 EPS 的主要组成部分，两者在生物膜的形成过程中发挥不同的作用：PN 是构成生物膜骨架结构的主要物质，较高的PN浓度有利于维持生物膜结构及含量的稳定；而较高的PS浓度能够有效提高细胞间的黏附作用，维持生物膜外层结构的稳定。
2.5 EPS三维荧光光谱分析
利用荧光分光光度计对不同运行阶段载体生物膜 EPS 样品作进一步分析，所得结果如图 6 所示。
可以观察到这些样品主要含有 3 种荧光峰类型：荧光峰 A（Ex/Em=280 nm/310～380 nm）为色氨酸蛋白质类物质；荧光峰B（Ex/Em=220 nm/340～380 nm）为芳香族蛋白质类物质；荧光峰 C（Ex/Em=330 nm/400nm）则与腐殖酸类物质相关联。挂膜启动过程中荧光峰 A 和 B 峰值强度分别由第Ⅰ阶段的 3 374、4177 增至第Ⅳ阶段的 7 505、6 323；而荧光峰 C 的强度先降低后增加，最终达到6 407。此外还观察到荧光峰A和B沿Em方向发生一定程度的红移，这与荧光基团中羟基、羧基、羰基和胺基的增加有关。
上述结果表明，除多糖和蛋白质类物质外，腐殖酸类物质也是生物膜EPS的重要组成部分。本研究中荧光峰 A 和 B 的峰值强度普遍高于 C，再次证明蛋白质类物质在生物膜形成过程中的重要作用，PENG等报告称色氨酸蛋白质类物质与微生物的代谢产物有关；LIANG等则发现芳香族蛋白质是保持生物膜结构稳定的重要物质。值得注意的是， 第Ⅳ阶段腐殖酸类物质急剧增加，而载体附着生物量明显衰减，这可能是 EPS 分解或微生物细胞死亡所导致。
2.6 系统膜污染变化
在系统挂膜启动过程中，体系的膜污染速率随着进水底物负荷的增加而增加，由第Ⅰ阶段 0.035kPa/h 增至第Ⅳ阶段 0.276 kPa/h。此外对达到 TMP极限时的膜组件进行观察，发现膜丝表面仅存在着一层黏性膜状物质，并未形成滤饼层，推测溶解性EPS（SMP）可能是导致膜污染增加的主要因素，有待进一步研究。
3 结 论
1）采用快速排泥和提高底物浓度的方式培养富集载体生物膜，成功实现DNFB-MBR工艺的挂膜启动。整个运行过程中，NO3--N和COD的去除率维持在 95% 及 80% 以上，NRR 和 CRR 分别达到 0.200、 0.785 kg/（m3·d）。
2）系统挂膜启动过程中，生物膜逐渐变厚与载体附着牢固，颜色由浅黄色变为深褐色，最大附着生物量达到 1.545 gSS/g 且 VSS/SS 比值增大，NO3--N与 COD 最 大 比 降 解 速 率 分 别 为 81.8、188.4 mg/（gMLSS·d），表现出较高的脱氮除碳性能；
3）随着工艺的运行，载体生物膜EPS中的PS和PN 含量分别由 6.48、15.44 mg/g 增至 10.76、21.19mg/g，PS/PN比值由 0.42增至 0.53；三维荧光光谱分析结果进一步表明，EPS中色氨酸、芳香族蛋白类物质和腐殖酸类物质的增加促进了生物膜形成。
原标题：DNFB-MBR工艺挂膜启动及脱氮除碳性能
原作者：王朝朝 殷春雨 马 骏 武新娟 朱书浩 李思敏
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