固定生物膜-活性污泥系统的研究及应用进展

黄京，刘红辉，韩晓宇，张亮，刘新春

（1.中国科学院大学资源与环境学院，北京100049；2.北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心，北京100022）

固定生物膜-活性污泥系统的研究及应用进展

黄京1，刘红辉1，韩晓宇2，张亮2，刘新春1

（1.中国科学院大学资源与环境学院，北京100049；2.北京城市排水集团有限责任公司科技研发中心，北京100022）

固定生物膜-活性污泥系统（integrated fixed-film activated sludge systems，IFAS）是活性污泥与生物膜工艺的结合，兼具二者的优点，可有效提高污染物的去除效果，在实现污水的达标排放方面具有较大优势。对国内外有关IFAS的研究与应用进展进行了系统的总结，主要包括IFAS系统的发展历程、工艺特点、微生物分布特征、系统动力学模型及应用现状等，并对IFAS系统未来的发展方向与研究重点进行了初步探讨。

固定生物膜-活性污泥系统；生物强化；微生物特性；动力学模型

为应对日益严格的污水处理标准，各种新型污水处理工艺层出不穷，固定化生物膜-活性污泥复合系统（integrated fixed-film activated sludge systems，IFAS）便是20世纪80年代后期发展起来的新型工艺形式之一〔1-2〕，如图1所示。

图1 IFAS系统（固定填料）示意

该工艺系统是由悬浮态污泥和填料生物膜组成的混合微生物体系，可以同时发挥活性污泥和生物膜2种工艺各自的优势，使污水中的污染物质得到更加有效的去除。

相比于传统的活性污泥工艺，IFAS处理系统增加了悬浮态或固定态的多孔填料，微生物附着生长其上，有效增加了系统污泥停留时间（sludge retention time，SRT），使世代时间较长的微生物如脱氮微生物也可存在于系统中，其增长速率不受悬浮污泥的SRT限制〔3〕。与单纯的生物膜工艺（如MBBR和生物滤池）相比，IFAS工艺由于存在悬浮污泥，氧气利用效率更高，也有利于降低出水的悬浮物浓度，提高系统出水水质等。随着材料领域的不断发展，IFAS工艺系统中填料的类型和应用方式也更加多样化，目前污水处理厂采用的填料根据其运动状态可分为固定式填料和悬浮型填料两大类。基于投加填料与曝气池的结合方式分类，该系统分为浸没填料系统、生物转盘与曝气池相结合的系统以及多孔悬浮填料系统〔4〕。

1 IFAS系统的特点

1.1 提高反应池内生物量

IFAS系统中填料的加入能够促进附着态生物膜的增长，使其在有限的容积内产生更多的有效生物量，可在不增加池容和污泥产率的情况下大幅度提高反应池内的总生物量。新增加的污泥量能提高体系对有机物的降解能力，降低污泥负荷率。同时由于填料上附着的微生物无需参与泥水分离和污泥回流，应用于已有工艺的改良，对二沉池和污泥回流系统的正常运行影响较小，这也是IFAS系统能够广泛应用于污水处理厂升级改造的重要原因之一。但是需要注意的是，由于混合问题，对于特定反应器的复合系统，受曝气及传质效果的限制，填料投加量不是越多越好，其比例是有限制的〔5〕。

1.2 增强难降解污染物的降解能力

单纯提高活性污泥浓度，并不能有效提高污水中难降解污染物质的处理效果。在复合式IFAS系统中，微生物的生存环境由原来的气、液两相转变为气、液、固三相，这种转变为微生物创造了更丰富的存在形式〔4〕。IFAS系统中从液相到填料的方向，构成了悬浮好氧、附着好氧、附着兼氧、附着厌氧的多种不同呼吸类型、不同营养代谢类型的微生物生态系统。同时IFAS系统中填料的存在可有效增加污泥停留时间，使生长缓慢的微生物可以附着生长在填料上，进行增殖和代谢。复杂的生态系统和长污泥龄的微生物的存在，在一定程度上提高了工艺对难降解有机污染物的处理效果。

1.3 提高污泥沉降性能

众多研究表明，活性污泥工艺在运行过程中易发生污泥膨胀，其中由丝状细菌引起的污泥膨胀发生率高，发生普遍，而且一旦发生难以控制，需要较长时间调整恢复〔6〕。丝状菌对有机物具有较强的降解能力且易附着生长于填料上〔7〕，因此反应器内加入生物膜填料，可为丝状菌提供生长环境，在提高对有机物去除的同时可有效降低污泥膨胀的发生。除此之外，填料上附着生长的原生动物分泌的黏液对细菌会产生吸附作用，可促进菌胶团的形成，从而抑制丝状菌的增殖，提高活性污泥的沉降性〔8〕。

1.4 提高抗冲击负荷和抗抑制物质能力

附着态生物膜中的微生物生长在一个微环境中，液相中的基质需要扩散才能进入附着在填料上的生物膜内部。由于污染物在扩散过程中其浓度随微生物的降解逐渐降低，因此生物膜内的微生物受污染物影响较小，耐抑制性物质和抗冲击负荷的能力更强。A.E.Stricker等〔9〕通过研究发现，IFAS工艺相对于普通活性污泥法的抗pH冲击及铁离子剂量冲击的能力更强。因此，将IFAS生物处理系统应用于复杂水质的废水处理中，可实现较为理想的处理效果。

2 IFAS研究及应用现状

2.1 强化有机物的去除

IFAS复合生物系统的产生最初是用来解决活性污泥法生物量不足、处理负荷偏低的问题。例如A.P.Togna等〔10〕将IFAS应用于处理食品制造业和乳制品业产生的污水，有效提高了体系对有机物的降解能力；JianlongWang等〔11〕的研究表明，当IFAS反应器内生物载体的投加率为反应器体积的15%～30%时，即使反应器处于高有机负荷运行状态，也可维持系统对COD的有效去除。众多应用实例显示，IFAS系统中生物膜的存在可保证生物量的稳定，实现高负荷下的稳定运行。因此，将IFAS工艺系统用于现有活性污泥法的改造升级，对于提高有机物的处理能力是一个重要的技术手段。

2.2 强化传统硝化反硝化

传统活性污泥法SRT较短，使世代时间较长的硝化细菌增殖受限；而在IFAS系统中，由于微生物可附着生长在固体填料上，可获得较长的SRT，因此世代时间较长的硝化细菌可附着生长在载体上，发挥其硝化作用，实现IFAS工艺的强化脱氮。R.M. Jones等〔12〕采用绳系环状填料研究了IFAS的强化脱氮作用，结果显示，活性污泥和生物膜的组合可以强化硝化过程，且硝化速率与生物膜厚度呈正相关，同时由于生物膜较强的抗抑制性，可保证低温条件下的脱氮效果依然维持在较高水平。C.W.Randall等〔13〕通过对比试验也发现，采用IFAS系统可大大提高普通缺氧/好氧工艺的脱氮性能，水温越低，这种现象越明显。采用IFAS系统对超负荷或不具有生物脱氮作用的活性污泥处理系统进行技术改造，可改变系统微生物的群落结构组成，在有效提高有机去除负荷和硝化速率的同时，也能够增大好氧池的反硝化能力，充分利用水中的有机物，使硝化作用生成的硝酸盐通过反硝化作用得到去除。因此，IFAS工艺成为城市污水处理厂升级改造的有效途径。

2.3 强化新型生物脱氮工艺

近年来，厌氧氨氧化技术以其无需外加碳源、可节省曝气量、污泥产率低以及可减少温室气体排放等优势，成为污水生物脱氮处理领域研究与应用的热点。统计结果表明，目前厌氧氨氧化工艺形式根据微生物生长形式可分为移动床生物膜系统（moving bed biofilm reactor，MBBR）、颗粒污泥系统〔14〕和悬浮污泥系统〔15-16〕，以及少量使用的生物转盘系统（rotatingbiological reactor，RBC）〔17〕。此外，也有IFAS系统的实际应用报道，报道比较分析了该系统相对于其他系统及工艺所具有的明显优势〔18〕。

氨氧化菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（Anammox）是厌氧氨氧化工艺中2种主要脱氮功能微生物，IFAS系统中悬浮污泥和生物膜的存在，有利于AOB和Anammox根据自身特性（SRT和DO浓度需求）实现自然的空间分布，更好地发挥其作用。IFAS工艺形式的应用不仅可以解决悬浮污泥系统和颗粒污泥系统的污泥持留和固液分离，以及移动床生物膜系统曝气能耗高、基质转移受限等问题，还能获得更高的生物量，在降低污泥负荷的同时，可提高抗冲击能力和脱氮效率。F.Veuillet等〔18〕的研究表明，在相同的氮去除率下，IFAS是MBBR形式氮去除负荷的3～4倍，比单一的MBBR系统具有更好的市场竞争力。因此，将该工艺形式应用于一体化厌氧氨氧化工艺具有很大的发展前景。

3 IFAS系统微生物特性研究

IFAS系统中，由于不同种类的微生物共同发挥代谢降解污染物的作用，因此研究该处理系统中微生物的生理生态与分布特征、环境因素对微生物数量及活性的影响，对于深入了解IFAS系统的性能具有十分重要的意义。有学者利用分子生物学技术手段对IFAS工艺与其他工艺在微生物种群结构以及代谢途径等方面的异同进行了研究。

由于氧传质效率和污泥龄等条件的不同，IFAS工艺中微生物在悬浮相和生物膜中的分布有所不同。S.J.You等〔19〕利用DGGE技术对IFAS系统中的硝化细菌群落组成进行了研究，发现IFAS系统的生物膜上易富集AOB，其数量是常规活性污泥法A2/O工艺的3倍左右。除此之外，AOB在不同相中的群落组成也有差异，Nitrosospira在悬浮污泥和生物膜系统中普遍存在，而Nitrosomonas仅存在于生物膜上。H.Kim等〔20〕的研究结果与之相似，IFAS系统中AOB在生物膜上的富集量多于悬浮相，且其优势菌种为Nitrosomonas oligotropha。也有研究显示，虽然与大多数研究相一致，在IFAS系统中几乎都是Nitrosomonas oligotropha，但悬浮污泥中的AOB数量要多于生物膜〔21〕。值得注意的是，不仅有关AOB的分布研究结果具有差异性，有关亚硝酸盐氧化菌（NOB）的分布研究结果同样不尽相同。S.J.You等〔19〕认为，Nitrospira在IFAS系统的悬浮污泥和生物膜中普遍存在，但T.S.Kim等〔21〕却只在悬浮态污泥中发现Nitrospira的存在，H.Kim等〔20〕则发现Nitrospira在生物膜上的数量较高。

对于新型生物脱氮工艺应用IFAS系统的研究也有所进步。E.Paul等〔22〕在研究IFAS系统的一体化厌氧氨氧化工艺中发现了不同于传统硝化反硝化应用IFAS系统的微生物空间分布。世代时间相对较长，对溶解氧、游离氨和亚硝酸等基质的耐受性差的Anammox细菌，在生物膜内层可获得良好的生存环境，发挥更高的活性；AOB细菌相对于Anammox细菌世代时间短，存在于悬浮污泥中则更有利于其获得氨氮和溶解氧等底物基质，实现更高的氨氮转化。

对于IFAS系统中微生物群落结构组成、空间分布等特性的研究结果表明，尽管对IFAS系统功能及性能的研究已经相对成熟，但是对影响该系统中微生物优势菌种组成及分布特性的因素，尤其是与新型生物脱氮相结合的IFAS系统中的微生物特性，还有待进一步深入研究。

4 IFAS系统动力学模型的建立

研究和建立IFAS系统数学模型可以促进科研人员对该系统动力学的认识，同时可作为应用工具辅助系统设计、故障诊断与排除以及对工艺过程的实时控制。基于IFAS系统的复合特性，该系统数学模型的建立和应用依赖于活性污泥和生物膜工艺模型的发展和完善。目前，研究者在活性污泥和生物膜工艺模型的基础上提出了2种IFAS系统动力学模型。

4.1 基于ASM基本模型和生物膜反应-扩散模型的复合模型

为了评价IFAS生物处理系统中悬浮态和附着态微生物对同一个限制底物的竞争以及脱落的生物膜对悬浮态污泥的影响，C.Y.Lee等〔23-25〕先后提出了基于活性污泥基本模型（Activated Sludge Model，ASM）和生物膜反应-扩散模型的复合模型。此模型是建立在悬浮态污泥和附着态微生物动力学特性相同的假设条件下，微生物和底物处于稳定状态，因此反应限制性速率步骤是底物的扩散速率。

该复合模型分析和描述了不同生长形态（悬浮态和附着态）的微生物竞争同一限制性底物的过程，以及脱落生物膜对悬浮污泥的影响及贡献，提出了IFAS系统平均污泥龄的概念，该概念可以更加真实地反映IFAS系统的特性。但由于ASM基本模型和生物膜反应-扩散模型自身的局限性，该IFAS复合模型还存在参数较多、计算复杂、无法同时描述多种基质同时去除过程等问题。

4.2 基于ASM1模型的复合模型

国际水协会推出的活性污泥系列模型是针对微生物悬浮生长系统的碳氧化、硝化、反硝化、化学和生物除磷的综合模型，以矩阵的形式表达各生化反应过程。在应用该系列模型时一般假设系统具有足够长的污泥龄，以使各种工艺过程所需的微生物在系统内得以存在。

T.Sriwiriyarat等〔26〕以活性污泥1号模型（ASM1模型）为基础，采用双莫诺德方程的形式，同时考虑底物（COD和氨氮）及电子受体对底物去除速率的影响，通过试验得出特定IFAS系统中生物膜碳氧化和硝化的经验公式，将这些经验公式融入到ASM1模型中，得出了基于ASM1模型的IFAS处理系统的计算模型。该模型的局限性在于只考虑了载体生物膜上的有机物氧化和氨氮硝化过程，没有考虑生物膜中可能发生的反硝化和生物除磷过程，以及生物膜脱落和生长问题，最大的限制条件为该模型仅适用于特定的海绵载体类型。

该基于ASM1模型的复合式工艺模型计算相对简洁，避开了生物膜反应-扩散模型对生物膜过程的复杂描述，提高了模型的实用性。但是对生物膜特性描述的经验公式是依赖于特定系统和特定载体材料得出的，其中的重要参数如生物膜的最大COD去除速率和最大硝化速率与工艺形式、特定载体类型及反应器运行状态密切相关，在使用过程中需要根据实际情况对该经验公式中的主要参数进行必要的修正。

5 IFAS的发展前景

IFAS系统运行稳定可靠，具有较强的抗冲击负荷能力，通过将短污泥龄的悬浮污泥和长污泥龄的生物膜结合，既能实现硝化反硝化，又能实现生物脱碳除磷，因此无论是在新建污水处理厂还是对原有工艺升级改造方面都展现出良好的发展和应用前景〔27-29〕。

将IFAS系统应用于传统污水处理工艺中的相关研究已较多，除了应用与机理方面，工艺模型的构建也已日渐成熟。但在IFAS系统的应用过程中仍有瓶颈问题需要突破，尤其是微生物群落分布、系统模型优化等方面的研究，这有利于IFAS系统的推广应用。

（1）微生物群落结构与分布的研究。目前对于该方面的研究有限且结果不一。根据已有工艺设施，研究系统中的微生物群落结构分布，并根据不同结果分析其影响因素，将有利于深入了解IFAS工艺运行机理。

（2）IFAS系统模型的优化。IFAS系统悬浮相与附着相共存，微生物代谢途径多样化，尤其是该系统与新型生物脱氮工艺的结合，使模型的建立与完善更加复杂。因此，如何加深对IFAS复合工艺的了解与认识，建立合理有效的模型指导实际工程，仍值得进一步研究。

（3）扩大IFAS系统的应用范围。IFAS系统具有诸多优势，因此在已有研究和应用的基础上，应进一步研究IFAS系统与新型污水处理工艺的融合，以提高污水的处理水平。目前的新型生物脱氮工艺如厌氧氨氧化工艺与IFAS系统的结合应用与研究仍处于起步阶段，应对其优化运行做进一步研究。

［1］李敬美，金若菲，周集体，等.活性污泥与生物膜复合工艺处理石化废水的研究［J］.环境工程学报，2011，5（3）：523-527.

［2］Su JL，Ouyang CF.Nutrient removalusing a combined processwith activated sludgeand fixed biofilm［J］.WaterScienceand Technology，1996，34（1）：477-486.

［3］Onnis-Hayden A，Majed N，Schramm A，etal.Process optimization by decoup led control of key microbial populations：Distribution of activity and abundance of polyphosphate-accumulating organisms and nitrifying populationsin a full-scale IFAS-EBPR plant［J］.Water Research，2011，45（13）：3845-3854.

［4］刘晋旭，刘振鸿.复合式生物处理系统的研究与应用［J］.工业水处理，2003，23（1）：8-11.

［5］Hallvard O.Innovations inwastewater treatment：Themovingbed biofilm process［J］.Water Science and Technology，2006，53（9）：17-33.

［6］周利，彭永臻，黄志，等.丝状菌污泥膨胀的影响因素与控制［J］.环境科学进展，1999，7（1）：88-93.

［7］王凯军.高负荷活性污泥膨胀控制的试验研究［J］.给水排水，1999，25（11）：30-33.

［8］丁永伟.活性污泥和生物膜复合工艺的特性及运行效能研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2006.

［9］Stricker AE，Lishman L，Barrie A.Effectsof fluctuating iron dosage on nitrification in Integrated Fixed Film and Conventional Activated Sludge processes［C］.Proceedingsof theWater Environment Federation，2008：5022-5043.

［10］Togna A P，Sutton PM，Voigt H D.Pretreatmentof food and dairy processingwastewaters：Fullscale application of the biological suspended carrier reactor system［C］.Proceedingsof theWater Environment Federation，2004：833-839.

［11］Wang Jianlong，ShiHanchang，Qian Yi.Wastewater treatment in a hybrid biological reactor（HBR）：Effectoforganic loading rates［J］. ProcessBiochemistry，2000，36（4）：297-303.

［12］Jones R M，Sen D，Lambert R.Full scale evaluation of nitrification performance in an integrated fixed film activated sludge process［J］. Water Science and Technology，1998，38（1）：71-78.

［13］Randall CW，Sen D.Full-scale evaluation of an integrated fixedfilm activated sludge（IFAS）process for enhanced nitrogen removal［J］.WaterScienceand Technology，1996，33（12）：155-162.

［14］Abma W R，Driessen W，Haarhuis R，et al.Upgrading of sewage treatmentplantby sustainable and cost-effective separate treatment of industrialwastewater［J］.Water Scienceand Technology，2010，61（7）：1715-1722.

［15］Joss A，Salzgeber D，Eugster J，et al.Full-scale nitrogen removal from digester liquid with partial nitritation and anammox in one SBR［J］.Environmental Science and Technology，2009，43（14）：5301-5306.

［16］Wett B.Developmentand implementation ofa robustdeammonification process［J］.Water Science and Technology，2007，56（7）：81-88.

［17］Hippen A，Rosenwinkel K H，Baumgarten G，etal.Aerobic deammonification：A new experience in the treatmentofwastewaters［J］. WaterScienceand Technology，1997，35（10）：111-120.

［18］Veuillet F，Lacroix S，Bausseron A，etal.Integrated fixed-film activated sludge ANITATMMox process：A new perspective foradvanced nitrogen removal［J］.Water Science and Technology，2014，69（5）：915-922.

［19］You S J，Hsu C L，Chuang S H，et al.Nitrification efficiency and nitrifying bacteria abundance in combined AS-RBC and A2O systems［J］.Water Research，2003，37（10）：2281-2290.

［20］Kim H，Schuler A J，Gunsch CK，etal.Comparison of conventional and integrated fixed-film activated sludge systems：Attached-and suspended-growth functionsand quantitativepolymerasechain reactionmeasurements［J］.Water EnvironmentResearch，2011，83（7）：627-635.

［21］Kim T S，Kwon SD.Nitrifying bacterial community structure of a full-scale integrated fixed-film activated sludge process as investigated by pyrosequencing［J］.Journal ofmicrobiology and biotechnology，2011，21（3）：293-298.

［22］Paul E，Wolff D B，Ochoa JC，etal.Recycled and virgin plastic carriers in hybrid reactors forwastewater treatment［J］.Water EnvironmentResearch，2007，79（7）：765-774.

［23］LeeCY.Model forbiological reactorshavingsuspendedandattached growths［J］.Journalof Environmental Engineering，1992，118（6）：982-987.

［24］Fouad M，Bhargava R.A simplified model for the steady-state biofilm-activated sludge reactor［J］.Journal of Environmental Management，2005，74（3）：245-253.

［25］Boltz JP，Johnson BR，DaiggerGT，etal.Modeling integrated fixedfilm activated sludge and moving-bed biofilm reactor systems I：Mathematical treatment and model development［J］.Water EnvironmentResearch，2009，81（6）：555-575.

［26］SriwiriyaratT，RandallCW，Sen D.Computerprogram development for the design of integrated fixed film activated sludgewastewater treatment processes［J］.Journal of Environmental Engineering，2005，131（11）：1540-1549.

［27］Mcquarrie J，Rutt K，Seda J，et al.Observations from the first year of full-scale operation：The IFAS/BNR process at the broomfield wastewater reclamation facility，broom field，CO［C］.Proceedings of theWaterEnvironment Federation，2004：274-285.

［28］Johnson T L，Mcquarrie JP，Shaw A R.Integrated fixed-film activated sludge（IFAS）：The new choice fornitrogen removalupgrades in the United States［C］.Proceedings of the Water Environment Federation，2003：296-318.

［29］Regmi P，Schafran G，Rutherford B，et al.Relationships between operational conditionsand nitrogen removal and media biofilm accumulation inan IFASprocessdemonstration study［C］.Proceedings of theWaterEnvironment Federation，2009：1011-1030.

Research and app lication progress in the integrated fixed-film activated sludge system

Huang Jing1，Liu Honghui1，Han Xiaoyu2，Zhang Liang2，Liu Xinchun1

（1.CollegeofResourcesand Environment，University ofChinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.R&D Center of Beijing Drainage Group Co.，Ltd.，Beijing 100022，China）

Integrated fixed-film activated sludge systems（IFAS）is a combined process ofactivated sludge and biofilm，which has the advantages of both processes.IFAS can increase the pollutant removing effects，having greater superiority in achieving the set discharge standard.The progress in research and application concerning IFAS，both in China and abroad，issummarized systematically，mainly including the developmenthistory，technological characteristics，microorganism distribution characters，kineticsmodel and application status of IFASsystem.In addition，the future developing direction and research emphasisof IFASsystem are discussed preliminarily.

integrated fixed-film activated sludge system（IFAS）；bioaugmentation；microorganism characteristics；kineticsmodel

X703

A

1005-829X（2016）06-0012-05

黄京（1990—），硕士。电话：15911189832，E-mail：jinghuang1990@126.com。

2016-02-17（修改稿）