 Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2013, 2, 147-150 http://dx.doi.org/10.12677/hjce.2013.22025 Published Online May 2013 (http://www.hanspub.org/journal/hjce.html) Biofilm Characteristics and Sludge Minimization in a Sequencing Biofilm Batch Reactor* Longqiang Ma, Zhiqiang Su, Jinte Zhou, Yongjiong Ni, Jun Li# Department of Municipal Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou Email: #tanweilijun@zjut.edu.cn Received: Jan. 20th, 2013; revised: Feb. 26th, 2013; accepted: Mar. 4th, 2013 Copyright © 2013 Longqiang Ma et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: A sequencing batch biofilm reactor (SBBR) packed with ceramsite treated domestic wastewater had operated about two years. The mean removal efficiencies of COD, 4 NH -N, TN and turbidity were 92%, 95%, 80% and 97%, respectively. This system had never residual sludge discharged and clogged. It performed outstanding effect of sludge minimization. Microscopy, scanning electron microscopy (SEM) and the X-Ray Fluorescence (XRF) used to analyze the characteristics and inorganic component of biofilm. The stable structure of biofilm and rich species of microfauna were found. The endogenous respiration of microbial, microfauna feeding bacteria and partially mineralization of biofilm achieved the main cause of sludge minimization. Vorticella, worm and aeolosoma hemprichi in this SBBR played very important role in reducing production of residual sludge. Keywords: SBBR; Biofilm; Microfauna; Sludge Minimization SBBR 中生物膜特征及污泥减量* 马龙强，苏志强，邹金特，倪永炯，李 军# 浙江工业大学建筑工程学院，杭州 Email: #tanweilijun@zjut.edu.cn 收稿日期：2013 年1月20 日；修回日期：2013年2月26 日；录用日期：2013 年3月4日 摘 要：采用以陶粒为填料的 SBBR，处理实际生活污水。COD、4 NH -N、TN 及浊度的平均去除率分别达到 92%、95%、80%和97%。反应器正常运行近两年，未进行主动排泥、反冲洗，没有出现堵塞现象，表现出良好 的污泥减量效果。通过光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察，采用 X射线荧光光谱(XRF)对生物膜的无机成分进行 分析。发现生物膜结构致密，生物种群较为丰富，微生物的内源呼吸、同步硝化反硝化、生物膜的部分矿化和 微型生物的摄食作用是实现污泥减量的主要原因。反应器中发挥主要摄食作用的微型生物包括钟虫、线虫、红 斑顠体虫等。 关键词：SBBR；生物膜；微型生物；污泥减量 1. 引言 序批式生物膜反应器(Sequencing Batch Biofilm Reactor，SBBR) 最早由 Wilderer[1]提出，即通过向 反 应器中添加填料以培养生物膜，而运行过程仍按照 SBR 的序批式方式进行的污水处理工艺[2,3]。SBBR 兼 有SBR 序批式操作和生物膜生物量大的优点，具有构 *基金项目：浙江省建设科技项目。 #通讯作者。 Copyright © 2013 Hanspub 147  SBBR 中生物膜特征及污泥减量 筑物少、运行管理简单，容积负荷大，污泥产量少， 脱氮除磷效果好等优点[2,4]。 污泥减量是指通过物理、化学和生物等方法降低 污泥的最终产量。污泥减量常用的物理化学方法如臭 氧处理、超声波处理、高温、投加解偶联等往往能耗 大或化学物质用量过多。近年来利用微型动物对污泥 进行减量的研究越来越深入，如纤毛虫、线虫和寡毛 纲的红斑顠体虫[5]与颤蚓[6]等微型生物通过新陈代谢 作用实现污泥减量，与传统方法相比，存在成本低、 能耗低、无二次污染等明显优势[7,8]。 过去关于 SBBR 的试验多集中于研究填料和去除 效果，而对于 SBBR中生物特征研究的报道较少，因 此本试验试通过建立一套以陶粒为填料的 SBBR 系统 进行长期运行，并对生物膜特征和污泥减量进行分析 研究。 2. 材料与方法 2.1. 反应器的建立与运行 本试验建立一个以有机玻璃为材质的 SBBR 系 统，该反应器总容积约为 72 L，其中有效容积约为 28.5 L，尺寸为 25 cm × 40 cm × 80 cm，换容比为 0.45。反 应器内部装有表面粗糙陶粒填料。上部设两个进水 口，底部出水，并设有两组曝气头提供有氧环境。 试验用水则取自某大楼化粪池的实际生活污水， 通过可溶性淀粉的添加和自来水的稀释调节进水 CODCr 和C/N。试验过程中各进水水质指标控制如下： CODCr 为371.7~613.1 mg/L，-N 为26.6~97.7 mg/L ，TN 为30.5~109.2 mg/L。 4 NH 反应器每天运行 2个周期，每个周期 12个小时。 通过微电脑时间控制器控制整个运行过程，每个周期 采用的操作步序为：进水、曝气、出水、闲置。其中 进水 30 分钟，曝气600分钟，排水 30分钟，闲置 60 分钟。 本试验在运行近480 天的基础上继续运行，最终 运行近两年，并对生物膜的特性、水质处理效果和污 泥减量进行研究。 2.2. 分析测试方法 MLSS、MLVSS、CODCr、-N 和TN 等均采 用标准分析方法检测[9]。 4 NH 溶解氧(DO)和浊度分别采用型号为 WTW Muti 350i 和HACH 2100P 的仪器检测。通过光学显微镜和 扫描电镜(SEM)观察生物膜结构和其生物相，采用 X 射线荧光光谱(XRF)检测 生物膜的组成 。滤速是指 在 各运行周期中的出水期所测得的平均滤速，平均滤速 的计算采用过滤床的高度除以过滤的总时间。 3. 结果与讨论 3.1. 污染物处理效果 经过一段时间的挂膜过程后，反应器进入稳定运 行阶段，对于污染物的去除水平也开始趋于稳定。 COD、4 NH -N 和浊度去除率分别为 92%、95%和97%， TN 的去除效果也可达到 80%以上。 选取一个典型周期以充分了解反应过程的变化。 COD 在反应初期迅速下降，在反应 1.5小时后达到一 个低值，并保持缓慢下降直至7小时达到稳定(图1)。 在反应开始阶段 4 NH -N 迅速下降，总氮也随反应时 间的进行不断降低(图1)，曝气结束后TN 的去除率接 近86%，表明反应器具有同步硝化反硝化效果。而反 应器过长的停留时间，也可以确保反应器内的微生物 在很长一段时间内会处于内源呼吸状态。内源呼吸作 用抑制了细菌的生长，有利于减少污泥量。 3.2. 生物膜的特性 3.2.1. 生物膜的表观特性 反应器运行一段时间后，在陶粒表面逐渐形成厚 度在 190~450 μm之间的生物膜(图2)。生物膜外表面 结构不平滑、不规则，存在多层结构，大量的球菌和 杆状菌、丝状体和杂质交织在一起，形成了表面凹凸 Figure 1. Changes of COD and N in a typical cycle 图1. 周期运行过程中 COD 和氮元素的变化 Copyright © 2013 Hanspub 148  SBBR 中生物膜特征及污泥减量 Figure 2. Ceramsite before biofilm culturing and after 图2. 挂膜前后陶粒间的对比 不平、空隙深入内部的结构(图3)。此结构由于细菌和 丝状菌的连接缠绕，比较稳固，可以抵抗曝气产生的 水流剪切力，防止生物膜脱落造成大量污泥流失或沉 积。 陶粒的粒径为6~8 mm，比表面积约为6.4 cm2/g， 较高的比表面积和空隙率为微生物提供了生存活动 的场所，进而形成了复杂的生物链，对于实现污泥减 量有明显的作用。反应器中生物膜已形成了由细菌、 原生动物(纤毛虫)、线虫类、寡毛虫(红斑顠体虫)等(图 4)组成的完整的生物链。钟虫属于群体生活的一种原 生动物，常依靠柄附着于生物膜上，能够大量捕食游 离细菌；线虫属于后生动物，主要以细菌、藻类、轮 虫和其他线虫为食；红斑顠体虫也是一种后生动物， 处于此生物链的顶端，具有很强的摄食悬浮污泥的能 力。 3.2.2. 污泥的部分矿化 对生物膜的 XRF图谱进行分析，发现 Ca、Fe、 Si、P在生物膜中均存在一定程度的沉积(图5)，说明 了生物膜呈现出一定程度的无机化，此外，测得VSS/ SS 为0.838，生物膜存在部分矿化。首先，反应器长 期不排泥，污水中大量无机物沉积在生物膜中；其次， 长期的内源呼吸和长的食物链引起生物膜部分矿化 现象；最后，生物膜会越来越厚令其内部无法获得基 质而导致矿化，滤料间的生物膜则会形成厌氧环境使 之减量。 3.3. 污泥减量分析 3.3.1 污泥减量的效果 反应器一个周期运行结束后，对反应器中不同深 度的污泥分布情况进行对比观察。先后将反应器挖去 1/3 陶粒和2/3 陶粒，观察发现反应器内陶粒挂膜较为 Figure 3. Morphology characteristics of the biofilm 图3. 陶粒表面生物膜的形态特征 a b c d Figure 4. Microbial species d ominated in the biof ilm ((a) Vorticella; (b) Worm; (c), (d) Aeolosoma hemprichi) 图4. 生物膜中出现的主要生物种类((a) 钟虫；(b) 线虫；(c)，(d) 红斑顠体虫) 7.12% 6.13% 5.13% 4.89% 70.00% 1.71% 0.92% 0.72% 0.55% 1.80% 1.03% Ca Fe Si Px Zn K Al Cl Na Mg 其他元素 Figure 5. XRF analysis of the biofilm 图5. 生物膜XR F分析结果 Copyright © 2013 Hanspub 149  SBBR 中生物膜特征及污泥减量 Copyright © 2013 Hanspub 150 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 480 500 520 540560 580 600 时间( d ) 滤速 (m/h) 滤速(m/h) 均匀，反应器内陶粒间空隙较大，存在少量的浮泥结 成小团或松散覆盖在陶粒表面，整体上不存在堵塞情 况。由于SBBR 的序批运行方式，是变水头过滤，因 此采用平均滤速来反映滤料的堵塞程度。结果发现， 运行 600 多天，反应器各周期出水期间所测得的平均 滤速较为稳定，基本在0.23~0.33 m/h 之间(图6)。 事实上，反应器最终运行近两年，未堵塞也未主 动排泥，这些现象说明了反应器存在相当明显的污泥 减量效果。同步硝化反硝化和较长的停留时间所造成 的微生物内源呼吸、生物膜中丰富的微型生物种群的 摄食作用和生物膜的部分矿化必然会造成污泥的减 量。 Figure 6. Changes of filtering velocity in the reactor during efflu- ent withdrawal phase 图6. 反应器出水滤速变化图 COD、4 NH -N、TN 和浊度具有出色的去除效果；未 出现污泥堵塞、滤速降低现象，无需进行反冲洗。同 步硝化反硝化对碳源的利用，微生物长时间处于内源 呼吸状态和生物膜的部分矿化，钟虫、线虫和红斑顠 体虫等的生物摄食作用等均对污泥有明显的减量作 用。 3.3.2. 生物的摄食作用 SBBR 中存在大量的原生动物和后生动物，这些 微型生物于污泥减量主要有三方面的作用。 首先，能量从细菌向原生动物和后生动物的传递 过程中发生损失，食物链越长，能量损失越大，用来 合成生物体的能量越少，最终形成的总的生物量也就 越少。反应器中形成了复杂的食物链的关系，从细菌 到纤毛虫再到红斑顠体虫等生物转化过程中，遵循 5%~30%的规律[10]，即捕食过程下一级只有5%~30% 的生物质转化为上一级的生物质，其余都是以能量的 方式散失。这种捕食关系是污泥减量的主要原因。 5. 致谢 本研究得到浙江省建设科技项目资助。 参考文献 (References) [1] A. P. Wilderer. Technology of membrane bilfilm reactors oper- ated under periodically changing process condition. Water Sci- ence and Technology, 1995, 31(1): 173-183. [2] R. Woolard. The advantages of periodically operated biofilm reactor for the treatment of highly variable wastewater. Water Science and Technology, 1997, 35(1): 199-206. 其次，微型动物对污泥的直接摄食和消化也是污 泥减量的重要原因。纤毛虫、线虫、红斑顠体虫等均 有较强的摄食悬浮性固体的能力，甚至能够直接吞食 较大的絮状活性污泥或生物膜。国内外已有部分学者 对红斑顠体虫对污泥减量机理进行了研究，表明红斑 顠体虫对污泥减量的效果可达到50%左右，且对出水 指标没有明显的干扰[11]。 [3] 李军, 彭永臻, 顾国维等. SBBR同步硝化反硝化处理生活污 水的影响因素[J]. 环境科学学报, 2006, 26(5): 728-733. [4] 万金保, 邓香平, 吴永明. SBBR工艺研究进展[J]. 工业水处 理, 2008, 28(9): 5-9. [5] 艾翠玲, 蔡丽云. 红斑顠体虫的污泥减量效果[J]. 环境工程 学报, 2012, 6(6): 2082-2086. [6] 魏源送, 刘俊新. 利用寡毛类蠕虫反应器处理剩余污泥的研 究[J]. 环境科学学报, 2005, 25(6): 803-808. [7] N. M. Lee, T. Welander. Reduction sludge production in aerobic wastewater treatment through manipulation of the ecosystem. Water Research, 1996, 30(8): 1781-1790. 红斑顠体虫和线虫等还能直接吞食活体细菌和 死亡细菌。死亡细菌是污泥中的重要惰性成分，细菌 被吞食消化后，将细胞质释放到水中，被重新利用于 微生物代谢，转化为呼吸产物，从系统中排出，从而 减少污泥产量。 [8] 张恒, 吉芳英, 喻小花. 微型后生动物污泥减量技术研究[J]. 市政技术, 2008, 26(1): 39-42. [9] APHA. Standard methods for the examination of water and wastewater (20th edition). Washington DC: American Public Health Association, 1998. [10] 盛连喜. 环境生态学导论[M]. 北京: 高等教育出版社, 2003: 117-118. 4. 结论 [11] 梁鹏, 黄霞, 钱易. 利用红斑顠体虫减少剩余污泥产量的研 究[J]. 中国给水排水, 2004, 20(1): 13-17. 以陶粒为填料的SBBR 中形成了分布均匀、结构 致密、种群丰富的生物膜。长期运行结果显示：对 |