曝气生物滤池滤料挂膜的几个定量指标分析

任杰

摘要：文章针对黄河下游地区生物曝气滤池工艺中生物滤料挂膜的生成情况进行分析，筛选关键技术指标，如有机物（COD）、总氮（TN）、氨氮等，通过分析关键技术指标的变化规律判定生物滤池是否挂膜成功。

关键词：曝气生物滤池；生物滤料；挂膜；稳定去除效果

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）05-0005-04

生物滤池处理污水的机理是利用滤料上各种微生物的代谢活动来分解水中的污染物质，达到净化水质的目的。滤料表面由各种微生物组成的生物膜是整个处理过程的核心，生物膜的数量和活性的高低对生物处理效果起着决定性的作用，而生物滤料的挂膜过程是在生物滤池中形成良好生物膜的前提，也是生物滤池稳定运行的基础。

挂膜即需要在滤床表面和滤料间隙驯化培养特定微生物，微生物经过新陈代谢，自身生长、增殖、更新换代，进而形成稳定的微生物膜。挂膜周期的长短及挂膜效果的好坏直接影响着生物滤池工艺运行特征和污水处理效能，因此，采用周期短、挂膜快的启动方式，合理控制接种的微生物种群和其生长所需的条件等，对于快速形成稳定的微生物膜至关重要，并对生物滤池运行的稳定性和良好的处理效能有着重大意义。

生物膜的形成主要经历以下几个过程：

（1）滤料的吸附截留过程：投加的活性污泥中含有大量的微生物，微生物借助曝气生物滤池进水的水力条件和微生物自身的运动由滤池中的水相主体不断迁移至滤料表面。

（2）微生物在滤料表面的附着过程：当微生物由滤池中的水相主体迁移至滤料表面后，通过各种物理作用、化学作用可逆性地固定于滤料表面，微生物以处理污水中的有机物质为营养物质，在溶解氧充足的条件下，不断生长、增殖，在其新陈代谢过程中分泌粘性代谢物质，如多聚糖、胞外聚合物等，通过粘性代谢物质的粘性作用不可逆地附着于滤料表面及滤料间隙中。

（3）生物膜的形成过程：当微生物不可逆地附着在滤料表面及滤料间隙中后，微生物以水体中的有机物质为营养物质，在溶解氧充足的条件下，生长繁殖，进而形成成熟的微生物膜。

判断生物滤池是否挂膜成功的主要依据就是检测出水有机物（COD）、总氮（TN）、氨氮等指标是否具有稳定去除效果。

1 挂膜方案的选择

本中试采用自然挂膜法，利用小流量连续进水，使进水中的微生物自然接种于生物滤料表面，待反硝化细菌逐步增长繁殖后，缓步提高进水负荷，并同时开始投加外部碳源以补充反硝化所需有机物，以此方式来启动反硝化生物滤池。

2 挂膜结果及影响因素分析

2.1 挂膜结果

本次挂膜持续时间为29天。滤池启动后分为两个阶段：第一阶段主要是以培养细菌菌落，形成生物膜为主；第二阶段则主要是以促进反硝化细菌的生长繁殖为目的。挂膜成功的主要标志是在未改变水力负荷的前提下，对比进出水的COD与TN可以稳定地保持一定的去除率之后，即认为挂膜成功。挂膜期间COD与TN的去除效果详见图1和图2。

图1 挂膜期间COD去除情况

分析图1可知：

（1）在开始的7天时间里，滤池对COD的平均去除率达到22%。造成这个情况的主要原因是：刚开始进水时，滤池中生物滤料上尚未生长微生物膜，由于其表面粗糙多孔，故具有很强的吸附能力，对于来水中的溶解性有机物具有较大的吸附作用，同时由于生物滤料粒径小，使滤床表现出对固态COD具有一定的截留作用，对污水中的悬浮性有机物也有较好的截留作用，截留作用在流速较低时表现得尤其明显。上述作用使得生物滤池在进水的最初几天就表现出了一定的COD去除能力。

（2）在进水7天之后，COD去除率迅速降低，表明滤池中滤料的物理截留能力到达极限，需要对滤池进行反冲洗后才能继续截留，故对滤池进行首次反洗。反洗之后从数值上我们可以看到COD的去除率有了一个很明显的攀升。

（3）在小流量连续进水13天之后开始投加有机碳源，碳源投加量按COD：TN=5：1投加，此时投加的碳源超过了反硝化所需的理论碳源投加量（略为过量）。从图中可看出：在刚开始投加碳源的几天内，COD的去除率有一定的下降，主要是突然增加碳源后反硝化细菌还未适应，从而不能快速利用这些碳源并在反硝化过程中降解，表现为出水COD值的增加；在运行到16天以后，可看出出水COD值不断降低，表明反硝化菌已经在利用水中的有机碳源并在反硝化中被消耗，但到运行19～23天，出水COD浓度又有波动并呈上升趋势，该现象主要是挂膜期间碳源的投加为过量且恒定，而进水的TN浓度偏低，所以有大量有机物没有被完全利用导致COD值上升；23天之后随着进水TN浓度的增加，反硝化所需的有机物也增加，所以使出水COD不断下降，使COD的去除率保持在50%左右，同时TN的去除率也从不足10%迅速上升到30%以上，表明反硝化滤池已具有一定的脱氮能力，反硝化菌已逐渐生长并开始起作用，可以认为滤池的生物脱氮功能已经启动。

图2 挂膜期间TN去除情况

分析图2可知：

（1）初期TN的去除率极低，原因是滤池中生物滤料上尚未生长反硝化微生物膜，有少量TN的去除主要是由于吸附和截留引起的。

（2）从第6天开始至第10天，TN的去除率略为上升并维持在10%左右，这一方面表明有部分反硝化菌开始在滤料表面或滤料空隙中存在，并开始起到一定的反硝化作用，但由于来水中可被反硝化菌利用的有机物量较少，TN的去除率很难得到有效提高。为此在第13天开始投加外部碳源来补充反硝化所需的有机物量，以促进反硝化细菌对TN的去除。

（3）在投加外部碳源之后，TN的去除率迅速提高，一方面表明反硝化所需的外部条件满足要求，另一方面表明反硝化菌的数量较多且不断增长。随着碳源投加天数的增加，TN的去除率也不断提高，在挂膜期的最后一周，TN的去除率已达到了50%以上，表明微生物培养基本成功，挂膜启动阶段可以结束并可进入下阶段试验。

2.2 挂膜影响因素分析

根据现场环境及相关的文献研究，主要有以下几个因素影响挂膜所用的时间与挂膜的成功：

2.2.1 温度。温度是微生物生长和生物代谢活动的重要影响因素之一。理论上，温度对生物脱氮能力的影响是通过影响有机物的水解即影响挥发性脂肪酸（VFA）的含量而间接产生作用的，在反应允许的范围内，温度越高，生化反应速度越快，有机物水解速度越快，且反硝化细菌活性高，有利于反硝化细菌的自身繁殖生长，也有利于反硝化作用的进行。本次中试试验项目启动时水温在8℃～10℃之间，属于低水温启动，该条件下微生物的活性较差，所以导致挂膜启动时间较长。

2.2.2 滤料载体表面结构与性质。滤料载体表面的电荷性及表面粗糙度将直接影响微生物附着的动力学过程。在正常生长环境下，微生物表面带有负电荷，如果设法使载体表面带有正电荷，这将使微生物在载体表面附着、固定过程更易进行。另外，载体表面的粗糙度有利于微生物在其表面附着、固定。一方面由于粗糙的载体表面增加了微生物与载体表面的有效接触面积；另一方面由于载体表面的孔洞、裂缝等粗糙部分对已附着的微生物起到屏蔽保护作用，使它们免受水力剪切冲刷作用而脱落。

2.2.3 有机负荷。挂膜期间反硝化滤池的进水水质为二级污水处理厂的尾水，其可生化性差，B/C比值低于0.2，不能为微生物生长提供充足的营养成分；同时由于现场条件有限，气温和水温较低，活性污泥接种困难，所以采用连续进水并配合投加外部碳源的方法，促进微生物繁殖并为反硝化作用提供足够的能量与电子载体。

2.2.4 水力停留时间。在挂膜初期生物膜的形成是污水中的浮游微生物在滤料表面的自然富集，如果水力停留时间过短，微生物与滤料之间的接触时间小于两者之间发生吸附作用所需要的时间，则微生物还没来得及与滤料进行充分接触就随水流携带出反应器，而且滤料表面的生物膜只有在水力停留时间大于微生物最大比生长速率（即附着微生物大量繁殖）时才能形成；但在挂膜中期如果水力停留时间过长，由于反应器内的悬浮微生物和附着滤料上的微生物互相竞争污水中的营养基质，悬浮微生物在反应器内停留的时间越短，附着载体上的微生物就越容易获得营养，生长、繁殖更快。本试验中滤池的挂膜水力停留时间控制在约1.8h。

2.2.5 悬浮物。一般文献都报道生物滤池的进水SS不能过高，且根据国外的运行经验，进水SS一般不超过100mg/L，最好控制在60mg/L以下，但是实际上在挂膜初期阶段进水中较高的SS对自然挂膜是有利的。在二级污水厂尾水中的SS大部分为各种微生物体，其值越高表明进水中的微生物量也越大，即为生物膜的形成提供原始的“母体”越多，所以对挂膜是有利的。

3 生物驯化期

在稳定挂膜成功后，进入生物驯化期。

挂膜阶段后期，滤池的反硝化负荷稳定，出水水质较好，没有发现明显的异常情况。在碳源的使用上，反硝化细菌已经适应葡糖糖的使用，且C/N的消耗比也趋向于稳定，具备了提升反硝化负荷、提高进水量的条件。

在低水力负荷运行阶段，由于碳源过量的投加，同时进水中含有高浓度的硝酸盐以及滤池保持着较长的水力停留时间，这些工况对滤池的正常运转造成了一定的不利影响。具体表现在滤池内的厌氧反应加剧，滤池出水端所取的水样有明显的臭味与色度，出水水质开始恶化。

针对这些情况我们通过分析与查阅资料，基本认定是由于反硝化细菌的增殖过快，导致微生物膜脱落严重，水力冲刷作用已不足以冲刷走老化的生物膜，导致生物膜中的有机成分产生水解或厌氧反应。脱落的生物膜在滤池内部截留堆积，在微生物的作用下开始了厌氧反应。从水质指标来看，TN的降解并未因此受到明显的影响，但出水的表观较难看，肉眼可见出水呈乳白色且具有明显异味，可能是厌氧产生部分氨气和硫化氢所致。同时，我们检测出的出水COD数据也有明显的提升。最严重的时候，出水COD基本与进水COD相持平。

在观察3天并分析研究后认为，滤池内部的微生物已充分成熟，具备了提升反硝化负荷的条件，决定开始加大进水水量，提高滤池水力负荷和反硝化负荷，缩短停留时间，同时提高反冲洗频率以改善滤池内部的微生物生长环境。

滤池的进水量从刚开始的0.5m3/h逐步提升至2.5m3/h，每提升0.5m3的流量后，在碳源满足的条件下，稳定一周后，再提高0.5m3的流量，直至稳定到最大设计流量2.5m3/h。同时滤池的反冲洗开始有规律地进行，稳定滤池的内部环境。

在每次提升水力负荷时，反硝化细菌都会有一个适应期。我们观测到随着提升水量占原进水水量比例的增加，适应期渐渐缩短。且达到设计流量后，就没有出现过水质恶化的状况了。

4 结语

为了更好地发挥反硝化生物滤池的生物脱氮功能，必须在滤料表面培养形成稳定的反硝化微生物膜。挂膜时间的长短直接影响着系统投入运行的进度与实际工程的调试方法，生物膜的生长状况直接影响生物滤池的处理性能。采用合适的挂膜方法对曝气生物滤池的启动和稳定运行有着重要的意义。

此次中试启动时间为12月初，气温和水温均不是理想的启动条件。这些客观情况对滤池启动造成了很大的困难。同时由于来水的可生化性较差、TN数值较高，单纯利用自身进水培养细菌菌落及促进反硝化细菌成为优势菌时间较长，所以通过改善运行条件，投加外部碳源辅助挂膜。

采用二阶段挂膜法：小流量连续进水阶段和外部碳源投加增殖反硝化细菌阶段。在第一个阶段主要是培养生物菌落，利用进水中已有的微生物、TN、COD等促使微生物不可逆附着生长，该阶段对TN的去除率极低，主要是培菌；第二阶段是增殖反硝化细菌，通过改善运行条件使微生物大量繁殖并稳定生长，最终使TN去除率平均值在50%左右。

微生物培养的挂膜总完成时间为30天，对比气温较高时所需时间较长，但挂膜效果较好、处理效果稳定。同时也证明了在低水温和水质复杂的水体条件下，是可以启动反硝化生物滤池的。该经验可以推广到北方低水温条件的生物滤池处理工

艺中去。

（责任编辑：黄银芳）