应用序批式生物膜反应器处理冲厕海水相关问题探讨

伍俊荣，邹士洋，丁冰泉，黄富民

序批式生物膜反应器(sequencing batch biofilm reactor，SBBR)是在序批式活性污泥法的基础上，把反应器中的活性污泥变成悬浮填料固定的生物膜，使它既具有了SBR工艺的优点又具备了生物膜法的优点［1］。SBBR不仅在工业废水和有毒、难降解有机物的处理上有不俗表现［2-3］，而且在城市污水处理的脱氮除磷方面也具有广阔的发展前景［4-5］，尤其在一些中小城镇生活污水处理中的应用更加成为众多学者研究的一个热门课题［6-7］。SBBR工艺简单，基建、运行费用低，将其应用于港口、海岛冲厕海水的处理，将产生良好的环境效益和社会效益。本工作重点探讨了生物处理冲厕海水的技术难点，以及SBBR处理冲厕海水用悬浮填料的选型、挂膜过程等技术问题，旨在为应用SBBR处理冲厕海水的相关研究提供参考。

1 生物处理冲厕海水的技术难点

目前，生物处理冲厕海水的技术难点可归纳为4个方面。

1.1 微生物对盐度适应性有限 淡水处理微生物进入到含盐环境时，会通过自身渗透压调节机制平衡细胞内的渗透压或者保护细胞内的原生质，但由于对渗透压的调节能力以及微生物体内酶对渗透压变化的适应能力不同，污水处理微生物对污水盐度的适应能力也不同。张雨山等［8］研究发现，当生活污水中含海水＜36%时，完全混合式连续流活性污泥反应器对COD去除率＞80%，出水满足城市污水排放要求;当海水比例＞48%时，处理水已无法达标。因此，可利用驯化后的微生物对含一定比例的冲厕海水进行处理。但超过一定的比例后，即使通过长时间的盐度驯化也难以实现污染物的达标处理。

1.2 微生物对盐度变化反应灵敏 微生物对盐度变化的敏感程度直接影响冲厕海水处理系统的稳定性。崔有为等［9］研究发现，系统抗盐度冲击的能力还和驯化污泥的盐度直接相关。不同盐度下稳定运行系统表现出不同的抗盐度冲击能力，淡水系统的最大耐盐度冲击范围是0～20 g/L，25 g/L盐度驯化系统的最大耐盐度冲击范围是5～30 g/L，35 g/L盐度驯化系统的最大耐盐度冲击范围是15～35 g/L。因此，冲厕海水处理系统中的微生物对盐度变化敏感，当进水盐度骤然变化时，冲厕海水处理系统会出现有机物去除率下降、出水悬浮固体增加、污泥大量流失等典型的失稳现象。

1.3 冲厕海水中微生物降解动力缓慢 微生物的降解动力直接决定了冲厕海水处理系统的污染物去除效率。由于盐度对系统的抑制作用，含盐污水处理降解速度普遍下降、有机物去除率降低、出水有机物浓度升高。而且随着盐度的升高降解缓慢程度加剧，去除率下降幅度增大。张雨山等［10］采用完全混合活性污泥法研究了不同含海水量的污水的基质降解动力学。在进水COD为300～500 mg/L、海水体积分数＜36%的条件下，基质的去除遵循一级反应动力学关系式。随着海水含量的增加，盐度对微生物的抑制作用加强，基质降解速率常数逐渐变小。崔有为等［11］通过对含盐污水的试验研究发现，随着盐度的升高，有机物降解速率下降。盐度对有机物降解的抑制作用属于非竞争性抑制，同时影响最大降解速率和饱和常数。COD最大降解速率随着盐度的升高而下降。在＜20 g/L盐度环境内，随着盐度的升高，饱和常数值逐渐增大。而在＞20 g/L盐度环境内，随着盐度的升高，饱和常数值逐渐降低。根据试验数据得到盐抑制系数KY为2333 mg/L。因此，冲厕海水污染物的降解动力缓慢，处理系统只能在较低的F/M(有机负荷率)条件下运行。

1.4 冲厕海水处理系统微生物流失严重 冲厕海水生物处理系统内的微生物呈现不同程度的流失，出水悬浮固体浓度一直很高，造成这种现象的可能原因有两个。一是受到冲厕海水理化性质的影响。由于海水中含有多种离子，呈现高的分散性，而且海水的密度较高，水中固体不易沉降。二是冲厕海水处理生态系统内的微生态结构发生改变。王淑莹等［12］针对海水冲厕工程，试验研究了无机盐对活性污泥沉降性的影响。以无盐稳定运行系统作为参照系统，分别研究了20 g/L和35 g/L盐度驯化系统内活性污泥絮体的形态、污泥沉降特点以及污泥微生物生态。无机盐改变了活性污泥微生物生态。随着盐度的增加，原生动物减少直至消失，丝状菌数量也在减少。在35 g/L盐度环境下，几乎看不到丝状菌，而后生动物和丝状菌的消失会导致浮游细菌没有了摄食对象，造成系统出水中游离细菌含量的升高。因此，有效控制冲厕海水处理系统内微生物的流失，对冲厕海水处理系统的稳定运行和处理效率尤为重要。

冲厕海水对生物处理系统可能产生影响的盐离子中除Cl－以外，其他元素都是微生物正常生长必需的营养成分，低浓度时对微生物生长有促进作用，但高浓度时会产生强烈的抑制作用。一般认为当污水含盐量为5～10 g/L时，对生物处理系统将会产生明显的影响。也有研究表明，盐度达到20～30 g/L也能达到较好的处理效果，但必须经过适当的污泥驯化和筛选，使生物处理系统对盐的忍耐力得到加强。高盐环境下微生物增长慢，产率系数低，启动困难，而且一旦污泥流失将难以恢复。因此，冲厕海水一般采用微生物附着生长系统处理。

2 悬浮填料的选型技术原则

基于海水水质特点，冲厕海水同普通市政污水的显著差别是理化性质不同，密度较高，腐蚀性较强。由于港口、岛礁的空间紧张、能源珍贵，要求冲厕海水处理系统处理效率高、运行能耗低和使用寿命长。因此，SBBR处理冲厕海水用悬浮填料的选型技术原则有以下4项。

2.1 密度应接近于海水密度 悬浮填料的密度对于冲厕海水处理系统的运行是一个必须考虑的因素。密度过大，造成填料悬浮困难或能耗过高;密度过小，又不易维持填料在反应器中的一定流态，而密度接近于海水密度(1.02 g/cm3)的填料在正常的曝气强度下易于全池流化，降低能耗。

2.2 具有较大的比表面积 悬浮填料表面是生物膜形成和固着的部位，比表面积的大小直接影响冲厕海水的生物处理效率。通常大的比表面积对提高污水处理效率是有利的，但对于某些填料而言，比表面积越大反应器越易堵塞。HJ/T 246-2006《环境保护产品技术要求悬浮填料》明确比表面积的范围是:鲍尔环柱状悬浮填料72～210 m2/m3，阶梯环状悬浮填料90～228 m2/m3，竖片柱状悬浮填料178～236 m2/m3，多面空心球形悬浮填料110～460 m2/m3，组合悬浮填料30～360 m2/m3。因此，悬浮填料的比表面积受形状和尺寸的影响较大。

2.3 具有较好的水力学特性 悬浮填料的水力学特性直接影响冲厕海水处理系统的流态，而形状、尺寸是确定悬浮填料水力学特性的主要因素。一般认为球状是最理想的形状，而片状水力学特性较差，因此多选择圆筒状，当其长径比为1时接近于球状，填料尺寸则依据比表面积和填充率来定。

2.4 材料应具有稳定的理化特性 冲厕海水是一个复杂的多元体系，其中污染物转化过程涉及物理化学、生物化学及能量传递等复杂的过程，要求生产冲厕海水处理用悬浮填料的材料具有稳定的理化特性，包括生物稳定性、化学稳定性和热力学稳定性;同时应具有良好的表面带电特性和一定的亲水性，对微生物无毒害作用。市场上常用的填料材质特性见表 1［13］。

表1 常用填料材质特性

悬浮填料作为微生物赖以栖息的场所，是SBBR的关键技术之一。市场上悬浮填料种类繁多，材质、结构、形状、大小各异，但由于悬浮填料的相关技术规范并不成熟，而且这些悬浮填料主要是针对普通市政污水或低盐废水设计，现有悬浮填料很难同时满足以上4点。因此，为优选出性能优良的悬浮填料，应进行SBBR处理冲厕污水用悬浮填料选型的专项试验研究。

3 挂膜效果的影响因素

悬浮填料生物膜的形成是冲厕海水在流经填料表面的过程中，通过悬浮态微生物向填料表面的输送并结合固定化过程实现的，而其生长则是通过冲厕海水中有机物的吸附、传递及氧向生物膜内部的传递扩散等过程，促进生物膜中微生物对有机基础质的氧化降解作用维持的。一般认为，悬浮填料的挂膜过程是一系列物理、化学和生物过程综合作用的结果，可简化如图1所示［14］。

图1 悬浮填料的挂膜过程

应用SBBR处理冲厕海水用悬浮填料挂膜效果的影响因素有以下3种。

3.1 悬浮态微生物的浓度 SBBR中悬浮态微生物是冲厕海水处理用悬浮填料固着微生物的直接来源，挂膜阶段应维持SBBR较高的悬浮态微生物浓度，有利于促进微生物向填料表面的输送→结合→固定，提高悬浮填料的挂膜效率，缩短SBBR的挂膜启动时间。

3.2 微生物向填料表面输送动力的大小 悬浮态微生物向填料表面输送的机械动力主要是空气的搅拌强度，可通过对曝气量的调节实现对SBBR搅拌强度的控制，将水力紊动程度控制在微生物－悬浮填料的结合所能承受的范围，有利于微生物向填料表面的输送以及填料的流态化。

3.3 微生物附着的可逆程度 悬浮微生物向填料表面附着是可逆过程，悬浮填料材料亲水性能、表面粗糙度，以及微生物对填料粘附力是主要影响因素。常用的悬浮填料主要是由聚乙烯、聚丙烯等制成，这些材料的亲水性能较为接近。表面粗糙度方面，一般表面有凹凸纹理的比表面光滑的填料性能优越。微生物对填料的粘附力取决于接种污泥的活性，一般接种污泥的活性越高，通过代谢作用分泌的多聚糖类物质越多，而多聚糖所具有的粘性作用可促进微生物与填料的粘附，避免微生物从填料表面的脱附。

因此，悬浮填料挂膜启动阶段应维持SBBR较高的悬浮态微生物浓度和活性。为了防止新生微生物随水流失，尽可能提供微生物与填料更多的接触机会，加快生物膜的形成，挂膜启动阶段可采用静态闷曝培养法［15］;当悬浮填料表面生物膜形成后，可通过调节曝气量控制SBBR水力紊动程度，以促进生物膜对有机基础质的利用和生长。

4 结论

冲厕海水生物处理系统启动困难，微生物增长慢、产率系数低，而且一旦污泥流失将难以恢复。建议采用微生物附着生长系统处理冲厕海水，而且必须经过污泥驯化和筛选。

SBBR处理冲厕海水用悬浮填料的密度应接近海水密度，比表面积较大，且具有较好的水力特性和理化特性。建议通过专项试验进行SBBR处理冲厕污水用悬浮填料的选型。

挂膜启动阶段可采用静态闷曝培养法，维持SBBR较高的悬浮态微生物浓度和活性。生物膜形成后，可通过调节曝气量控制SBBR水力紊动程度，以促进生物膜对有机基础质的利用和生长。

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