生物膜-活性污泥耦合工艺研究及应用分析

王宝贺，王 帆

（1.哈尔滨国环宏节能环保技术有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150000；2.吉林省城市污水处理重点实验室，吉林 长春 130012）

1 概述

污水处理中较为常用的是生物处理法，生物处理法包括活性污泥法和生物膜法两大类。活性污泥法，微生物呈絮状在反应池中悬浮流动，通过吸附、生物降解等作用去除污水中的污染物。生物膜使微生物附着于填料表面呈膜状，污水流动，其中的有机污染物通过生物膜表面的附着水层进入生物膜得到降解，通过水流作用，填料上老化的生物膜脱落，以此达到生物膜的更新。

活性污泥法应用较为广泛，技术规范、设计参数方面比较成熟，然而活性污泥法占地面积大、容积负荷低、剩余污泥量大，容易发生污泥膨胀。生物膜法因其运行管理简单、占地面积小、出水水质好等优点，越来越多的应用于污水处理中[1]。同时生物膜法也存在一定缺陷，如传质速率慢，微生物更新速度慢，挂膜启动时间长，在生物除磷方面效果不佳[2]。因此活性污泥法和生物膜法相结合构成耦合系统，在同一反应器中实现生物膜与活性污泥共存，结合了二者的优点，弥补了二者的不足，提高了处理效果，同时该工艺比单纯采用活性污泥法或生物膜法的工艺启动要快，运行更稳定[3]。

2 生物膜-活性污泥耦合工艺的运行效果

生物膜-活性污泥耦合工艺复杂的生态系统和双泥龄多应用于传统污水处理工艺的改造和处理含有难降解有机污染物的污废水。郑志佳等[4]通过投加填料对北方原活性污泥处理工艺进行改造，显著提高了脱氮除磷效果。李卫平等[5]采用耦合工艺处理农药含酚废水，进水酚浓度为36.70-86.56mg/L，出水稳定在2mg/L 以下。吴迪等[6]将该工艺应用于处理高盐废水，在进水氯离子含量为5000-12000mg/L 及以上时，系统仍可实现出水氨氮、TN 等各指标稳定达标，具有耐高盐性能。

2.1 强化脱氮除磷

耦合系统与单纯生物膜法或活性污泥法相比，由于生物量的增加和氧传质效率的提高，污染物的去除效果得到了显著的提高[7]。生物膜具有较长的污泥龄，世代周期长、生长缓慢的硝化菌得以生长富集[8]，悬浮态泥龄可以相应缩短，这有利于生物质磷积累，二者共同实现系统的同步强化脱氮除磷[9]。附着生长的生物膜对脱氮优势菌种有着良好的聚集作用，表现出高效脱氮能力[10]，系统可以在低温、低碳源条件下保证污水处理厂具有较高的反硝化能力[11]。

因为传质阻力作用，溶解氧（DO）在生物膜分布不均，生物膜由外到内依次形成好氧、缺氧、厌氧的微环境，这可能为反硝化菌、反硝化聚磷菌创造了合适的生长环境，为同步硝化反硝化（SND）、短程硝化反硝化（PND）和反硝化除磷提供了可能。潘松青等[12]在试验运行中发现实际TN 去除率比理论值要高，且在好氧池中存在0-30mg/L 的所以认为系统中存在PND 过程。DO 分布不均导致对DO 需求较低的AOB 富集，而对NOB 抑制作用更强，从而提高了PND 作用[13]。顾升波等[14]认为耦合系统中 SND 对 TN 去除率的贡献最高可达30%。在稳定运行的情况下，耦合工艺的比硝化、比反硝化和比吸磷、比释磷速率均高于活性污泥反应器[15]。

2.2 提高抗冲击负荷

通过对耦合工艺的呼吸测试结果分析，耦合系统比单独的活性污泥或生物膜具有更强的抗冲击负荷能力[16]。耦合系统生物量的增加，活性污泥和生物膜耦合对冲击负荷的缓冲作用均提高了系统的抗冲击负荷能力[17]。

由于填料的投加，系统内生物群落的结构更加稳定多样，生物量更加丰富，在受到有机负荷冲击时，短时间内可以恢复稳定状态[18]。通过DGGE 图谱分析，悬浮污泥和生物膜中的AOB 和NOB 优势菌属有较大的区别，但是优势菌属在系统中保持稳定，不易更替，受进水负荷提高影响较小，菌群演变过程比较稳定[19]。污染物在反应装置流动过程中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[20]。陈月芳等[21]在试验中提高水力冲击负荷，COD 平均去除率达到92%，出水稳定在30mg/L 以下，TN 出水浓度也稳定在15mg/L 以下，表现出较强的抗冲击负荷能力。

2.3 节省成本

耦合系统将填料投加到现有的曝气池中，可以有效减少占地面积，王丹等[22]将其应用于原废水回收处理设施的改造，在充分利用现有设施和土地面积的基础上，改造成本最低。与活性污泥法相比，同等运行条件下耦合工艺能够提高日处理能力约33%，具有较强的节地潜力[23]，不需要扩大池容，可以在现有工艺的基础上进一步提高处理效果。同时载体表面和内部负载大量球菌、丝状菌，极大提高了系统内的污泥微生物保有量和微生物多样性，相比传统活性污泥法具有污泥减量化的特性[24]，节省后续污泥处理的成本。生物膜-活性污泥耦合工艺应用于化工废水的处理，有效提高了传统生物处理法的处理效果，可有效替代化学处理，节省药剂的投加，降低化学泥浆的产生量。

3 生物膜-活性污泥耦合工艺的设计运行

3.1 挂膜启动的研究

生物膜-活性污泥耦合工艺的启动重点在于填料的挂膜，填料的挂膜有自然富集培菌挂膜和人工接种挂膜两种方式。研究表明同等工况下，采用两种挂膜方法取均能实现稳定的挂膜启动[24-25]。韩剑宏等[26]提出自然挂膜法形成的生物膜比接种挂膜法形成的生物膜更稳定，并且生物膜与载体之间的粘合度更高。然而自然挂膜法往往挂膜启动较慢，接种特定的菌种或污泥，有利于反应器的快速挂膜启动，王丹等[22]在水温低于10℃时，通过投加耐冷菌群，在18 天实现了生物膜-活性污泥耦合工艺的快速启动，并且处理效果稳定。因此试验多采用在设计流速下接种污泥的连续流挂膜方式，以这种方式进行耦合工艺的挂膜启动效果较好，较为适合实际工程应用及试验研究。

通常情况我们都是以出水的各个指标参数来判断耦合系统的挂膜启动是否成功，余春菲[27]在研究耦合系统中生物膜的表面粗糙度时提出生物膜表面粗糙度也可以作为指示生物膜的成熟的标志，可以为判断耦合系统是否启动成功作参考。

3.2 设计参数对耦合系统的影响

（1）溶解氧的影响：由于填料的投加提高了对鼓风曝气气泡的剪切力，促进了氧的溶解，提高了氧气利用率，相同曝气量下，耦合系统的DO 浓度高于传统活性污泥系统[28]。由于生物膜的传质阻力大，需要有足够的DO，才能确保生物膜的生物降解反应，DO 过高或过低均不利于耦合系统中SND 的进行[29]。研究认为 DO 在4mg/L 时处理效果最佳[7]。

（2）温度的影响：因为生物膜系统对温度的敏感性相比活性污泥低，所以投加填料增强了耦合工艺系统在低温条件下的反硝化能力[11]。耦合工艺较单纯的生物膜法，低温适应性更强[30]。Young 等[31]首次发现生物膜耦合系统在1℃以下仍能保持一定的硝化活性。研究发现20-30℃时，泥相内细菌平均数量高于膜相，10-15℃时，膜相内硝化细菌平均数量则高于泥相[32]。

（3）污泥回流的影响：生物膜-活性污泥耦合工艺设有污泥回流装置，这有区别于传统的生物接触法，对污染物的去除有一定的促进作用。污泥回流的增加会降低生物膜相微生物的活性，提高悬浮相微生物活性[33]。耦合工艺具有显著的反硝化除磷效果，当回流比为200%时，反硝化除磷效果最佳[34]。杨晓南等[35]提出生物膜-活性污泥耦合工艺合理的污泥回流比为150%-200%之间，过高或过低的污泥回流比均不利于污染物的去除和系统的稳定。

（4）水力停留时间（HRT）的影响：由于生物膜的长污泥龄使得耦合系统HRT 可以适当缩短，可以为反硝化等异养菌提供更多的营养物质，促使其大量繁殖，增加生物膜的厚度，进而促进SND 的进行[36]。HRT 缩短也会导致污染物的去除效率下降，当HRT 小于3h，自养生物和异养生物都在生物膜中生长，不利于污染物的去除[37]。

3.3 填料的选择与投加

填料对生物膜-活性污泥耦合系统的影响在于其挂膜效果，材质亲水性高，载体挂膜较快，有利于硝化细菌的生长，然而亲水性强，形成的生物膜过厚，会导致传质阻力增大，脱膜效果不好[38]。同时孔隙率较高、密度更接近于水的填料，通气、过水性能越好，越有利于生物膜附着生长，同时反应器内流化效果也较好，废水与生物膜的接触效率高，填料的挂膜启动和运行稳定性更好，能快速适应水质变化和负荷提升[39]。

生物膜-活性污泥耦合系统的载体填充率较单纯的生物膜法要小，关于具体的填充率设计还没有相关规范参考，进行实际设计运行时可以采用分批挂膜投加的方式，根据实际流化效果确定最终填充率。在传统活性污泥法改造的工程中，由于填料在夏季对系统硝化效果增益较小，可以选择在夏季移除填料，节省曝气费用。

4 结论

（1）生物膜-活性污泥耦合系统由于载体的投加提高了生物量，生物环境更加复杂。具有强化脱氮除磷效果，提高抗冲击负荷等优点，运行效果更稳定。该工艺对化工废水等难处理污废水均有良好的处理效果，得到越来越广泛的应用。

（2）生物膜-活性污泥耦合工艺采用接种快速排泥的方法可以在低温、低碳源的情况下快速挂膜，对于耦合工艺影响因素的研究表明，耦合工艺具有较强的适应性，在低温条件下仍能取得较好的去除效果。

（3）关于耦合系统的填料的选择，需要考虑填料的亲水性、比表面积以及密度。应根据实际情况，结合当地条件，选择挂膜效果好，价格合理的生物膜载体。除了传统的聚乙烯等塑料载体，植物纤维、新型材质载体逐渐进入人们视野中，得到了很好的利用。