應用序批式生物膜反應器處理沖廁海水相關問題探討

伍俊榮，鄒士洋，丁冰泉，黃富民

序批式生物膜反應器(sequencing batch biofilm reactor，SBBR)是在序批式活性污泥法的基礎上，把反應器中的活性污泥變成懸浮填料固定的生物膜，使它既具有了SBR工藝的優點又具備了生物膜法的優點［1］。SBBR不僅在工業廢水和有毒、難降解有機物的處理上有不俗表現［2-3］，而且在城市污水處理的脫氮除磷方面也具有廣闊的發展前景［4-5］，尤其在一些中小城鎮生活污水處理中的應用更加成為眾多學者研究的一個熱門課題［6-7］。SBBR工藝簡單，基建、運行費用低，將其應用于港口、海島沖廁海水的處理，將產生良好的環境效益和社會效益。本工作重點探討了生物處理沖廁海水的技術難點，以及SBBR處理沖廁海水用懸浮填料的選型、掛膜過程等技術問題，旨在為應用SBBR處理沖廁海水的相關研究提供參考。

1 生物處理沖廁海水的技術難點

目前，生物處理沖廁海水的技術難點可歸納為4個方面。

1.1 微生物對鹽度適應性有限 淡水處理微生物進入到含鹽環境時，會通過自身滲透壓調節機制平衡細胞內的滲透壓或者保護細胞內的原生質，但由于對滲透壓的調節能力以及微生物體內酶對滲透壓變化的適應能力不同，污水處理微生物對污水鹽度的適應能力也不同。張雨山等［8］研究發現，當生活污水中含海水＜36%時，完全混合式連續流活性污泥反應器對COD去除率＞80%，出水滿足城市污水排放要求;當海水比例＞48%時，處理水已無法達標。因此，可利用馴化后的微生物對含一定比例的沖廁海水進行處理。但超過一定的比例后，即使通過長時間的鹽度馴化也難以實現污染物的達標處理。

1.2 微生物對鹽度變化反應靈敏 微生物對鹽度變化的敏感程度直接影響沖廁海水處理系統的穩定性。崔有為等［9］研究發現，系統抗鹽度沖擊的能力還和馴化污泥的鹽度直接相關。不同鹽度下穩定運行系統表現出不同的抗鹽度沖擊能力，淡水系統的最大耐鹽度沖擊范圍是0～20 g/L，25 g/L鹽度馴化系統的最大耐鹽度沖擊范圍是5～30 g/L，35 g/L鹽度馴化系統的最大耐鹽度沖擊范圍是15～35 g/L。因此，沖廁海水處理系統中的微生物對鹽度變化敏感，當進水鹽度驟然變化時，沖廁海水處理系統會出現有機物去除率下降、出水懸浮固體增加、污泥大量流失等典型的失穩現象。

1.3 沖廁海水中微生物降解動力緩慢 微生物的降解動力直接決定了沖廁海水處理系統的污染物去除效率。由于鹽度對系統的抑制作用，含鹽污水處理降解速度普遍下降、有機物去除率降低、出水有機物濃度升高。而且隨著鹽度的升高降解緩慢程度加劇，去除率下降幅度增大。張雨山等［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質降解動力學。在進水COD為300～500 mg/L、海水體積分數＜36%的條件下，基質的去除遵循一級反應動力學關系式。隨著海水含量的增加，鹽度對微生物的抑制作用加強，基質降解速率常數逐漸變小。崔有為等［11］通過對含鹽污水的試驗研究發現，隨著鹽度的升高，有機物降解速率下降。鹽度對有機物降解的抑制作用屬于非競爭性抑制，同時影響最大降解速率和飽和常數。COD最大降解速率隨著鹽度的升高而下降。在＜20 g/L鹽度環境內，隨著鹽度的升高，飽和常數值逐漸增大。而在＞20 g/L鹽度環境內，隨著鹽度的升高，飽和常數值逐漸降低。根據試驗數據得到鹽抑制系數KY為2333 mg/L。因此，沖廁海水污染物的降解動力緩慢，處理系統只能在較低的F/M(有機負荷率)條件下運行。

1.4 沖廁海水處理系統微生物流失嚴重 沖廁海水生物處理系統內的微生物呈現不同程度的流失，出水懸浮固體濃度一直很高，造成這種現象的可能原因有兩個。一是受到沖廁海水理化性質的影響。由于海水中含有多種離子，呈現高的分散性，而且海水的密度較高，水中固體不易沉降。二是沖廁海水處理生態系統內的微生態結構發生改變。王淑瑩等［12］針對海水沖廁工程，試驗研究了無機鹽對活性污泥沉降性的影響。以無鹽穩定運行系統作為參照系統，分別研究了20 g/L和35 g/L鹽度馴化系統內活性污泥絮體的形態、污泥沉降特點以及污泥微生物生態。無機鹽改變了活性污泥微生物生態。隨著鹽度的增加，原生動物減少直至消失，絲狀菌數量也在減少。在35 g/L鹽度環境下，幾乎看不到絲狀菌，而后生動物和絲狀菌的消失會導致浮游細菌沒有了攝食對象，造成系統出水中游離細菌含量的升高。因此，有效控制沖廁海水處理系統內微生物的流失，對沖廁海水處理系統的穩定運行和處理效率尤為重要。

沖廁海水對生物處理系統可能產生影響的鹽離子中除Cl－以外，其他元素都是微生物正常生長必需的營養成分，低濃度時對微生物生長有促進作用，但高濃度時會產生強烈的抑制作用。一般認為當污水含鹽量為5～10 g/L時，對生物處理系統將會產生明顯的影響。也有研究表明，鹽度達到20～30 g/L也能達到較好的處理效果，但必須經過適當的污泥馴化和篩選，使生物處理系統對鹽的忍耐力得到加強。高鹽環境下微生物增長慢，產率系數低，啟動困難，而且一旦污泥流失將難以恢復。因此，沖廁海水一般采用微生物附著生長系統處理。

2 懸浮填料的選型技術原則

基于海水水質特點，沖廁海水同普通市政污水的顯著差別是理化性質不同，密度較高，腐蝕性較強。由于港口、島礁的空間緊張、能源珍貴，要求沖廁海水處理系統處理效率高、運行能耗低和使用壽命長。因此，SBBR處理沖廁海水用懸浮填料的選型技術原則有以下4項。

2.1 密度應接近于海水密度 懸浮填料的密度對于沖廁海水處理系統的運行是一個必須考慮的因素。密度過大，造成填料懸浮困難或能耗過高;密度過小，又不易維持填料在反應器中的一定流態，而密度接近于海水密度(1.02 g/cm3)的填料在正常的曝氣強度下易于全池流化，降低能耗。

2.2 具有較大的比表面積 懸浮填料表面是生物膜形成和固著的部位，比表面積的大小直接影響沖廁海水的生物處理效率。通常大的比表面積對提高污水處理效率是有利的，但對于某些填料而言，比表面積越大反應器越易堵塞。HJ/T 246-2006《環境保護產品技術要求懸浮填料》明確比表面積的范圍是:鮑爾環柱狀懸浮填料72～210 m2/m3，階梯環狀懸浮填料90～228 m2/m3，豎片柱狀懸浮填料178～236 m2/m3，多面空心球形懸浮填料110～460 m2/m3，組合懸浮填料30～360 m2/m3。因此，懸浮填料的比表面積受形狀和尺寸的影響較大。

2.3 具有較好的水力學特性 懸浮填料的水力學特性直接影響沖廁海水處理系統的流態，而形狀、尺寸是確定懸浮填料水力學特性的主要因素。一般認為球狀是最理想的形狀，而片狀水力學特性較差，因此多選擇圓筒狀，當其長徑比為1時接近于球狀，填料尺寸則依據比表面積和填充率來定。

2.4 材料應具有穩定的理化特性 沖廁海水是一個復雜的多元體系，其中污染物轉化過程涉及物理化學、生物化學及能量傳遞等復雜的過程，要求生產沖廁海水處理用懸浮填料的材料具有穩定的理化特性，包括生物穩定性、化學穩定性和熱力學穩定性;同時應具有良好的表面帶電特性和一定的親水性，對微生物無毒害作用。市場上常用的填料材質特性見表 1［13］。

表1 常用填料材質特性

懸浮填料作為微生物賴以棲息的場所，是SBBR的關鍵技術之一。市場上懸浮填料種類繁多，材質、結構、形狀、大小各異，但由于懸浮填料的相關技術規范并不成熟，而且這些懸浮填料主要是針對普通市政污水或低鹽廢水設計，現有懸浮填料很難同時滿足以上4點。因此，為優選出性能優良的懸浮填料，應進行SBBR處理沖廁污水用懸浮填料選型的專項試驗研究。

3 掛膜效果的影響因素

懸浮填料生物膜的形成是沖廁海水在流經填料表面的過程中，通過懸浮態微生物向填料表面的輸送并結合固定化過程實現的，而其生長則是通過沖廁海水中有機物的吸附、傳遞及氧向生物膜內部的傳遞擴散等過程，促進生物膜中微生物對有機基礎質的氧化降解作用維持的。一般認為，懸浮填料的掛膜過程是一系列物理、化學和生物過程綜合作用的結果，可簡化如圖1所示［14］。

圖1 懸浮填料的掛膜過程

應用SBBR處理沖廁海水用懸浮填料掛膜效果的影響因素有以下3種。

3.1 懸浮態微生物的濃度 SBBR中懸浮態微生物是沖廁海水處理用懸浮填料固著微生物的直接來源，掛膜階段應維持SBBR較高的懸浮態微生物濃度，有利于促進微生物向填料表面的輸送→結合→固定，提高懸浮填料的掛膜效率，縮短SBBR的掛膜啟動時間。

3.2 微生物向填料表面輸送動力的大小 懸浮態微生物向填料表面輸送的機械動力主要是空氣的攪拌強度，可通過對曝氣量的調節實現對SBBR攪拌強度的控制，將水力紊動程度控制在微生物－懸浮填料的結合所能承受的范圍，有利于微生物向填料表面的輸送以及填料的流態化。

3.3 微生物附著的可逆程度 懸浮微生物向填料表面附著是可逆過程，懸浮填料材料親水性能、表面粗糙度，以及微生物對填料粘附力是主要影響因素。常用的懸浮填料主要是由聚乙烯、聚丙烯等制成，這些材料的親水性能較為接近。表面粗糙度方面，一般表面有凹凸紋理的比表面光滑的填料性能優越。微生物對填料的粘附力取決于接種污泥的活性，一般接種污泥的活性越高，通過代謝作用分泌的多聚糖類物質越多，而多聚糖所具有的粘性作用可促進微生物與填料的粘附，避免微生物從填料表面的脫附。

因此，懸浮填料掛膜啟動階段應維持SBBR較高的懸浮態微生物濃度和活性。為了防止新生微生物隨水流失，盡可能提供微生物與填料更多的接觸機會，加快生物膜的形成，掛膜啟動階段可采用靜態悶曝培養法［15］;當懸浮填料表面生物膜形成后，可通過調節曝氣量控制SBBR水力紊動程度，以促進生物膜對有機基礎質的利用和生長。

4 結論

沖廁海水生物處理系統啟動困難，微生物增長慢、產率系數低，而且一旦污泥流失將難以恢復。建議采用微生物附著生長系統處理沖廁海水，而且必須經過污泥馴化和篩選。

SBBR處理沖廁海水用懸浮填料的密度應接近海水密度，比表面積較大，且具有較好的水力特性和理化特性。建議通過專項試驗進行SBBR處理沖廁污水用懸浮填料的選型。

掛膜啟動階段可采用靜態悶曝培養法，維持SBBR較高的懸浮態微生物濃度和活性。生物膜形成后，可通過調節曝氣量控制SBBR水力紊動程度，以促進生物膜對有機基礎質的利用和生長。

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