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第 45 卷第 4 期2023 年 8 月Vol.45 No.4Aug.2023土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）Journal of Civil and Environmental Engineering沸石颗粒填料固定床生物膜免曝气污水处理工艺郭其艺,成亮,黎启明,吴向阳（江苏大学 环境与安全工程学院，江苏 镇江 212013）摘要：为降低污水处理能耗，利用沸石颗粒充当生物填料构建固定床生物膜反应器，通过序批式进水排水的方式使反应器内填料表面生物膜处于交替厌氧好氧环境，避免了传统污水处理曝气工艺所需的大量能耗，并能有效去除 COD 和脱氮。该工艺主要原理：在厌氧阶段（进水），污水与生物膜和沸石颗粒接触，聚糖菌（GAOs）将有机碳源转化为胞内聚羟基烷酸（PHAs），沸石吸附污水中的 NH4+-N。在好氧阶段（排水），通过聚糖菌、硝化菌和反硝化菌的共同作用，将沸石吸附的NH4+-N 转化为氮气，使得生物膜和沸石颗粒得以再生。沸石颗粒固定床生物膜反应器以活性污泥为接种污泥，在序批式厌氧好氧交替运行模式下，2 周内成功启动；长期运行中污水 COD、NH4+-N 和 TN 去除率分别为 87%、83%和 83%，且出水中未检出硝态氮；长期运行后，反应器内生物膜菌群以 Thauera、Candidatus competitivebacter、Nitrospira 细菌属为主，它们是去除 COD 和脱氮的关键微生物。关键词：固定床生物膜反应器；沸石颗粒；聚糖菌（GAOs）；聚羟基烷酸（PHAs）中图分类号：X703.1 文献标志码：A 文章编号：2096-6717（2023）04-0192-09Non-aeration wastewater treatment process using zeolite particle based fixed-bed biofilm bioreactorGUO Qiyi，CHENG Liang，LI Qiming，WU Xiangyang(School of the Environment and Safety Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,P.R.China)Abstract:In order to reduce the energy consumption of sewage treatment,this study uses zeolite particles as biological fillers to build a fixed-bed biofilm reactor,and the biofilm on the filler surface in the reactor is placed in an alternating anaerobic-aerobic environment through the sequential batch water-drainage method.It avoids the large amount of energy consumption required by the traditional sewage treatment aeration process,and effectively removes COD and denitrification at the same time.The main principle of the process is that in the anaerobic stage(influent),the sewage is in contact with the biofilm and zeolite particles,and the glycan bacteria(GAOs)convert the organic carbon source into intracellular polyhydroxyalkanoates(PHAs),and the zeolite absorbs NH4+-N in the sewage.In the aerobic stage(drainage),the combined action of glycan bacteria,DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2021.124收稿日期：20210527基金项目：江苏大学人才启动基金（4111370003）作者简介：郭其艺（1996-），男，主要从事污水处理研究，E-mail：。吴向阳（通信作者），男，教授，博士生导师，E-mail：。Received:20210527Foundation item:Talent Launch Fund of Jiangsu University(No.4111370003)Author brief:GUO Qiyi(1996-),main research interest:wastewater treatment,E-mail:.WU Xiangyang（corresponding author）,professor,doctorial supervisor,E-mail:.开放科学（资源服务）标识码OSID:nitrifying bacteria and denitrifying bacteria converts the NH4+-N adsorbed by the zeolite into nitrogen,so that the biofilm and zeolite particles can be regenerated.The zeolite particle fixed-bed biofilm reactor uses activated sludge as the inoculation sludge.Under the sequential batch anaerobic-aerobic alternate operation mode,it successfully started within 2 weeks;in the long-term operation,removal of COD,NH4+-N and TN rate in sewage was 87%,83%and 83%,respectively,and no nitrate nitrogen was detected in the effluent;after long-term operation,the biofilm flora in the reactor was dominated by Thaurea,Candidatus competitivebacter,and Nitrospira.They are the key microorganisms for COD removal and denitrification.Keywords:fixed-bed biofilm reactor；zeolite particles；glycogen accumulating organisms(GAOs)；poly-hydroxyalkanoates(PHAs)随着城市化和工业化的快速发展，对高效、节能、环境可持续污水处理技术的需求日益增长1-2。目 前，市 政 污 水 处 理 工 艺 以 生 化 法 为 主 导（约80%），按照微生物的形态其工艺可分为：基于悬浮态的活性污泥法和基于固定态的生物膜法。其中，活性污泥法处理工艺主要有厌氧好氧工艺法（A/O）、厌氧缺氧好氧工艺法（A2/O）、序批式活性污泥工艺法（SBR）等，生物膜法的污水处理工艺主要有移动床生物膜反应器（MBBR）、生物接触氧化法等。这些工艺的一个共同特点是通过向水体曝气的方式为微生物提供氧气作为电子受体，用于降解污水中污染物。然而，这种氧传输方式效率较低，能耗较大。对污水处理厂实际曝气过程进行分析，结 果 表 明，氧 传 输 效 率（OTE）一 般 在 4.8%34.1%范围内3-5，较低的 OTE 导致曝气系统的能耗通常占整个污水处理工艺能耗的 50%以上6-8。因此，提高氧传输效率、降低曝气能耗是实现低能耗污水处理工艺的关键。已有研究证实，在厌氧条件下，交替厌氧好氧环 境 能 够 促 使 聚 糖 菌(Glycogen Accumulating Organisms,GAOs)富集并利用糖原代谢所产生的能量将有机碳源（例如乙酸、丙酸等）转化为胞内聚羟基烷酸（PHAs）9。同时，在好氧状态下，GAOs可进行有氧呼吸，分解胞内 PHAs 并合成糖原10。在 厌 氧 条 件 下，部 分 具 有 反 硝 化 功 能 的 聚 糖 菌（DGAOs）能够利用细胞内储存的 PHAs 作为电子供体，用于硝酸根与亚硝酸根的反硝化5,11-12。因此，Flavigny 等5利用聚糖菌（GAOs）在厌氧状态下将有机碳转化为 PHAs 的特点，构建了以 GAOs 为主导的固定床生物膜反应器，通过进水厌氧排水好氧的运行方式，利用空气在多孔填料内的自然流通为生物膜提供氧气，成功地在免曝气情况下实现了较高的 COD 去除率（94.3%）。为了提高污水的氨 氮 去 除 效 率，Hossain 等13-15和 Cheng 等16在Flavigny等5的生物膜基础上负载了沸石粉末，通过沸石的离子交换作用强化了厌氧条件下的氨氮吸附17。研究结果显示，在厌氧条件下，通过 GAOs与沸石的共同作用实现了 COD 和氨氮的共同去除。该 工 艺 被 命 名 为 被 动 曝 气 同 步 硝 化 反 硝 化（PASND）工艺。与传统活性污泥工艺相比，基于PASND 工艺的生物膜反应器的能量需求在理论上可以降低约 50%18-19。虽然 PASND 工艺具有较高的去除 COD 和脱氮能力，但是在长期运行过程中黏附在生物膜上的沸石粉末容易随着生物膜的脱落而损失，从而导致氨氮去除效率的下降。笔者以固定化离子交换材料沸石颗粒为生物填料，以有效解决离子交换材料损失的问题，并研究了一种低能耗的固定床生物膜免曝气污水处理工艺。1材料和方法1.1试验材料所用沸石颗粒是一种天然斜沸石原料（河南景盈水处理材料有限公司）。使用前，用去离子水反复洗涤，除去附着的污垢和可溶性杂质，并在 105 下干燥 24 h。经振动筛将干燥沸石颗粒分为 510 mm、1016 mm 和16 mm 三种不同尺寸。经试验测得 510 mm、1016 mm 和16 mm 每克沸石颗粒的氨氮饱和吸附量分别为 27.15、15.73、11.08 g NH4+-N。根据文献5，使用的人工合成污水组成见表1。1.2反应器的构建和运行反应器装置如图 1（a）所示，由 2 个独立的6 cm30 cm 柱状有机玻璃容器、蠕动泵等组成。反应器 A 内填充均匀混合的不同粒径沸石颗粒，其中第 4 期郭其艺，等：沸石颗粒填料固定床生物膜免曝气污水处理工艺nitrifying bacteria and denitrifying bacteria converts the NH4+-N adsorbed by the zeolite into nitrogen,so that the biofilm and zeolite particles can be regenerated.The zeolite particle fixed-bed biofilm reactor uses activated sludge as the inoculation sludge.Under the sequential batch anaerobic-aerobic alternate operation mode,it successfully started within 2 weeks;in the long-term operation,removal of COD,NH4+-N and TN rate in sewage was 87%,83%and 83%,respectively,and no nitrate nitrogen was detected in the effluent;after long-term operation,the biofilm flora in the reactor was dominated by Thaurea,Candidatus competitivebacter,and Nitrospira.They are the key microorganisms for COD removal and denitrification.Keywords:fixed-bed biofilm reactor；zeolite particles；glycogen accumulating organisms(GAOs)；poly-hydroxyalkanoates(PHAs)随着城市化和工业化的快速发展，对高效、节能、环境可持续污水处理技术的需求日益增长1-2。目 前，市 政 污 水 处 理 工 艺 以 生 化 法 为 主 导（约80%），按照微生物的形态其工艺可分为：基于悬浮态的活性污泥法和基于固定态的生物膜法。其中，活性污泥法处理工艺主要有厌氧好氧工艺法（A/O）、厌氧缺氧好氧工艺法（A2/O）、序批式活性污泥工艺法（SBR）等，生物膜法的污水处理工艺主要有移动床生物膜反应器（MBBR）、生物接触氧化法等。这些工艺的一个共同特点是通过向水体曝气的方式为微生物提供氧气作为电子受体，用于降解污水中污染物。然而，这种氧传输方式效率较低，能耗较大。对污水处理厂实际曝气过程进行分析，结 果 表 明，氧 传 输 效 率（OTE）一 般 在 4.8%34.1%范围内3-5，较低的 OTE 导致曝气系统的能耗通常占整个污水处理工艺能耗的 50%以上6-8。因此，提高氧传输效率、降低曝气能耗是实现低能耗污水处理工艺的关键。已有研究证实，在厌氧条件下，交替厌氧好氧环 境 能 够 促 使 聚 糖 菌(Glycogen Accumulating Organisms,GAOs)富集并利用糖原代谢所产生的能量将有机碳源（例如乙酸、丙酸等）转化为胞内聚羟基烷酸（PHAs）9。同时，在好氧状态下，GAOs可进行有氧呼吸，分解胞内 PHAs 并合成糖原10。在 厌 氧 条 件 下，部 分 具 有 反 硝 化 功 能 的 聚 糖 菌（DGAOs）能够利用细胞内储存的 PHAs 作为电子供体，用于硝酸根与亚硝酸根的反硝化5,11-12。因此，Flavigny 等5利用聚糖菌（GAOs）在厌氧状态下将有机碳转化为 PHAs 的特点，构建了以 GAOs 为主导的固定床生物膜反应器，通过进水厌氧排水好氧的运行方式，利用空气在多孔填料内的自然流通为生物膜提供氧气，成功地在免曝气情况下实现了较高的 COD 去除率（94.3%）。为了提高污水的氨 氮 去 除 效 率，Hossain 等13-15和 Cheng 等16在Flavigny等5的生物膜基础上负载了沸石粉末，通过沸石的离子交换作用强化了厌氧条件下的氨氮吸附17。研究结果显示，在厌氧条件下，通过 GAOs与沸石的共同作用实现了 COD 和氨氮的共同去除。该 工 艺 被 命 名 为 被 动 曝 气 同 步 硝 化 反 硝 化（PASND）工艺。与传统活性污泥工艺相比，基于PASND 工艺的生物膜反应器的能量需求在理论上可以降低约 50%18-19。虽然 PASND 工艺具有较高的去除 COD 和脱氮能力，但是在长期运行过程中黏附在生物膜上的沸石粉末容易随着生物膜的脱落而损失，从而导致氨氮去除效率的下降。笔者以固定化离子交换材料沸石颗粒为生物填料，以有效解决离子交换材料损失的问题，并研究了一种低能耗的固定床生物膜免曝气污水处理工艺。1材料和方法1.1试验材料所用沸石颗粒是一种天然斜沸石原料（河南景盈水处理材料有限公司）。使用前，用去离子水反复洗涤，除去附着的污垢和可溶性杂质，并在 105 下干燥 24 h。经振动筛将干燥沸石颗粒分为 510 mm、1016 mm 和16 mm 三种不同尺寸。经试验测得 510 mm、1016 mm 和16 mm 每克沸石颗粒的氨氮饱和吸附量分别为 27.15、15.73、11.08 g NH4+-N。根据文献5，使用的人工合成污水组成见表1。1.2反应器的构建和运行反应器装置如图 1（a）所示，由 2 个独立的6 cm30 cm 柱状有机玻璃容器、蠕动泵等组成。反应器 A 内填充均匀混合的不同粒径沸石颗粒，其中193第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）510 mm、1016 mm 和16 mm 的沸石颗粒质量占比分别为 60%、35%和 5%。反应器 B 内填充尺寸 为 25 mm12 mm 的 高 密 度 聚 乙 烯 填 料（HDPE），用作对比测试。2个反应器分别接种活性污泥（来自镇江市水业总公司城市有机质协同处理中心），接种生物量约为 10 g。反应器以序批式厌氧好氧的模式运行，工艺流程如图 1（b）所示。整个处理周期分为两个阶段，第 1阶段为注水/厌氧阶段，人工合成污水由蠕动泵从储水水箱送至反应器中，完全充满并保持厌氧状态 6 h；第 2阶段为排水/好氧阶段，厌氧处理后的污水通过蠕动泵从反应器排空，空气从反应器上端端口进入，反应器保持好氧状态 6 h。各阶段具体运行时段为：进水 10 min、厌氧 350 min、排水 10 min和好氧 350 min，即整体水力停留时间 HRT 为 12 h。整个试验过程反应器温度维持在（252）。经测定，厌氧段反应器内 DO 为 0 mg/L，好氧段反应器中 DO 最低为 7.5 mg/L。为测定反应器对各项污染物的去除效果，厌氧阶段中，在反应器中段取 10 mL水样，使用 0.22 m 的水相滤头过滤，进行 COD、NH4+-N、NO2-N、NO3-N 和总磷（TP）测定。1.3分析和测试方法污水 COD 测量采用重铬酸钾氧化消解光度法，铵根、亚硝酸盐、硝酸盐和总磷浓度按照标准方法测定20。由于系统中有机氮的含量很低，故总氮（TN）为 NH4+-N、NO2-N、NO3-N 之和。使用液相色谱仪测量污水中乙酸盐浓度21。糖原采用蒽酮法22-23测定，具体过程为：将所取生物膜在磷酸盐缓冲液中进行搅拌，取得填料上的生物膜，8 000 r/min 离心 10 min 后取沉淀冷冻干燥制 备 成 冻 干 泥。取 2 mg 冻 干 泥 加 入 5 mL 的5%HCl 溶液，在 100 下消解 3 h，冷却后离心，之后取 1 mL上清液到消解管中，加入 4 mL蒽酮硫酸溶液（0.2%蒽酮+80%硫酸），在 100 下水浴 10 min，冷却后使用分光光度计在波长 625 nm 下测定吸光度。依据文献24-26的方法，PHAs 的测试过程为：在消解管中分别加入上述制备的 20 mg 冻干泥、1.45 mL 正丙醇浓盐酸（V正丙醇：VHCl=4：1）、1.5 mL二氯甲烷和 50 uL苯甲酸溶液（2 g苯甲酸加入 100 mL 正丙醇），在 100 下消解 4 h，冷却后加入 3 mL去离子水，振荡后静置分液，取 1 mL下层有机相，加入无水硫酸钠干燥后转移至气相小瓶中。表 1人工合成污水的组成（含微量元素溶液）Table 1Composition of artificial wastewater(trace elements included)模拟废水成分CH3COONaNH4ClNaHCO3KH2PO4MgSO47H2OCaCl22H2OFeSO47H2O酵母微量元素溶液浓度/（mgL-1）660160125 44 25300 6.25 50 1微量元素溶液成分乙二胺四乙酸（EDTA）ZnSO47H2OCoCl26H2OMnCl24H2OCuSO45H2ONaMoO42H2ONiCl26H2ONaSeO4H2OH3BO4NaWO42H2O浓度/（mgL-1）15 0.43 0.24 0.99 0.25 0.22 0.19 0.21 0.014 0.05（a）试验装置示意图（b）工艺流程图图 1试验装置和工艺流程示意图Fig.1Schematic diagram of bioreactor and treatment procedure将 1 L 样品加入 Shimazu 气相色谱仪，进样口设定温度为 275。初始柱温为 80，以 8/min 的速度上升到 150，然后保持 1 min，再以 25/min 的速度上升到 255，柱温保持 3 min。测试过程中分别 采 用 葡 萄 糖（AR，aladdin）和 PHAs 标 准 样 品（86%PHB 和 14%PHV，sigma）作为标准样绘制标准曲线。为了揭示反应系统中生物膜微生物群落的演化，在不同时间段采集生物膜样品进行高通量生物 16S rDNA 测序5，将得到的 OTU（Operitional Taxonomic Unit）与 Silva 库进行对比聚类，结合分类学分析方法进行分析。2试验结果与讨论2.1生物膜反应器启动沸石颗粒固定床生物膜反应器经过 2周启动运行后，COD 去除率达到 86%，COD 降低至 70 mg/L，氨氮去除率达到 80%，出水中氨氮浓度降低至8 mg/L。值得注意的是，由于本工艺在厌氧状态下对污水进行处理，出水中的硝酸根与亚硝酸根均为0 mg/L，因此，氨氮去除率等同于总氮去除率（见图2（a）。以上结果表明，使用沸石颗粒作为填料和活性污泥作为接种污泥时，系统大约需要 2 周的启动时间，相比于 Hossain 等13的研究，驯化时间减少了约 30 d。塑料填料反应器 B 运行约 21 d 后，系统 COD去 除 率 逐 渐 稳 定（约 60%），出 水 COD 达到 200 mg/L 左右。氨氮去除率始终维持在 30%以下，出水中氨氮浓度在 28.5 mg/L 左右。在之后一个月内，COD 及氨氮去除率无明显变化（见图 2（b）。对比沸石颗粒填料反应器和塑料填料反应器的氨氮去除率可知，沸石显著提高了反应器的氨氮去除性能，这主要与沸石颗粒在厌氧条件下对氨氮的吸附有关。同时，使用沸石颗粒作为填料对 COD 去除率有所提高，这可能是由于不同填料表面用于去除 COD 的微生物（如聚糖菌 GAOs）的丰度差异性所致。2.2生物膜反应器厌氧段去除效率图 3 是反应器内污水 COD、NH4+-N、NO2-N、NO3-N 和总磷（TP）的浓度变化，由图 3（a）可见，COD 在厌氧阶段的前 1 h 内急剧降低约 85%，在随后 5 h内 COD 几乎不变；约 75%的 NH4+-N 在前 1 h内被快速吸附去除，在后 5 h内缓慢降低，最终去除率达到约 85%；厌氧处理阶段未产生 NO2-N 与NO3-N，因此，TN 浓度及变化趋势与 NH4+-N 十分图 3稳定运行期反应器厌氧段 COD、NH4+-N、NO2-N、NO3-N、总氮（TN）和总磷（TP）的浓度变化Fig.3Changes in the concentration of COD,ammonia nitrogen,nitrate,nitrite,TN and TP during the anaerobic phase at stable operation图 2固定式生物膜反应器对 COD及氨氮的去除Fig.2Removal of COD and ammonia nitrogen by fixed biofilm reactor194第 4 期郭其艺，等：沸石颗粒填料固定床生物膜免曝气污水处理工艺将 1 L 样品加入 Shimazu 气相色谱仪，进样口设定温度为 275。初始柱温为 80，以 8/min 的速度上升到 150，然后保持 1 min，再以 25/min 的速度上升到 255，柱温保持 3 min。测试过程中分别 采 用 葡 萄 糖（AR，aladdin）和 PHAs 标 准 样 品（86%PHB 和 14%PHV，sigma）作为标准样绘制标准曲线。为了揭示反应系统中生物膜微生物群落的演化，在不同时间段采集生物膜样品进行高通量生物 16S rDNA 测序5，将得到的 OTU（Operitional Taxonomic Unit）与 Silva 库进行对比聚类，结合分类学分析方法进行分析。2试验结果与讨论2.1生物膜反应器启动沸石颗粒固定床生物膜反应器经过 2周启动运行后，COD 去除率达到 86%，COD 降低至 70 mg/L，氨氮去除率达到 80%，出水中氨氮浓度降低至8 mg/L。值得注意的是，由于本工艺在厌氧状态下对污水进行处理，出水中的硝酸根与亚硝酸根均为0 mg/L，因此，氨氮去除率等同于总氮去除率（见图2（a）。以上结果表明，使用沸石颗粒作为填料和活性污泥作为接种污泥时，系统大约需要 2 周的启动时间，相比于 Hossain 等13的研究，驯化时间减少了约 30 d。塑料填料反应器 B 运行约 21 d 后，系统 COD去 除 率 逐 渐 稳 定（约 60%），出 水 COD 达到 200 mg/L 左右。氨氮去除率始终维持在 30%以下，出水中氨氮浓度在 28.5 mg/L 左右。在之后一个月内，COD 及氨氮去除率无明显变化（见图 2（b）。对比沸石颗粒填料反应器和塑料填料反应器的氨氮去除率可知，沸石显著提高了反应器的氨氮去除性能，这主要与沸石颗粒在厌氧条件下对氨氮的吸附有关。同时，使用沸石颗粒作为填料对 COD 去除率有所提高，这可能是由于不同填料表面用于去除 COD 的微生物（如聚糖菌 GAOs）的丰度差异性所致。2.2生物膜反应器厌氧段去除效率图 3 是反应器内污水 COD、NH4+-N、NO2-N、NO3-N 和总磷（TP）的浓度变化，由图 3（a）可见，COD 在厌氧阶段的前 1 h 内急剧降低约 85%，在随后 5 h内 COD 几乎不变；约 75%的 NH4+-N 在前 1 h内被快速吸附去除，在后 5 h内缓慢降低，最终去除率达到约 85%；厌氧处理阶段未产生 NO2-N 与NO3-N，因此，TN 浓度及变化趋势与 NH4+-N 十分（a）总磷、总氮、COD（b）亚硝酸根、硝酸根、氨氮图 3稳定运行期反应器厌氧段 COD、NH4+-N、NO2-N、NO3-N、总氮（TN）和总磷（TP）的浓度变化Fig.3Changes in the concentration of COD,ammonia nitrogen,nitrate,nitrite,TN and TP during the anaerobic phase at stable operation（a）沸石颗粒填料（b）HDPE填料图 2固定式生物膜反应器对 COD及氨氮的去除Fig.2Removal of COD and ammonia nitrogen by fixed biofilm reactor195第 45 卷土 木 与 环 境 工 程 学 报（中 英 文）相近，最终 TN浓度为 7.1 mg/L。图 3（b）显示了沸石颗粒反应器在厌氧阶段总磷（TP）的浓度变化，可见总磷浓度在厌氧阶段基本保 持 不 变。通 常 来 说，聚 磷 菌（PAOs）和 聚 糖 菌（GAOs）都能够在厌氧条件下以溶液中可溶性有机碳作为碳源合成胞内聚羟基烷酸（PHAs），以满足生长需要。然而，PAOs 能够在好氧（缺氧）条件下超量吸附磷、累积聚磷酸盐，在厌氧条件下分解聚磷酸盐并释放到环境中。由于本研究的反应器在厌氧阶段并未监测到 TP 的增加，因此，可以认为厌氧条件下 COD 的去除主要是由于聚糖菌（GAOs）的作用。2.3生物膜反应器好氧段反硝化试验结果证实了在厌氧条件下沸石固定床生物膜反应器能够持续有效地去除 COD 和脱氮。厌氧条件下氨氮浓度的快速降低主要归因于沸石颗粒对铵根离子的化学吸附27。然而，长期稳定的氨氮去除效果则主要归因于沸石颗粒的周期性再生，即在排水好氧阶段，硝化细菌氧化沸石颗粒所吸附的氨氮生成硝酸根或亚硝酸根。Cheng等16证实了在好氧条件下由于生物膜内缺氧区的存在，反硝化反应得以进行。因此，为了验证在本系统中好氧阶段是否存在反硝化反应，在厌氧段结束后立即取部分填料置于 300 mL密闭反应器中，其中空隙体积约为 180 mL。向反应器注入 180 mL 氦气（80%）和氧气（20%）的混合气体，密封并监测氧气和氮气的浓度变化16，结果见图 4。试验结果表明，好氧阶段 6 h内约有 29 mL的氧气消耗和 6.5 mL的氮气生成，其中氮气的生成证明了生物膜内反硝化过程的存在。已有研究结果表明17,28-29，好氧阶段反应器内生物过程主要包括：氨氮的硝化反应（氧气消耗）、胞内PHAs的好氧分解（氧气消耗）及以胞内 PHAs为碳源的反硝化反应（氮气生成）。好氧条件下生物膜的反硝化过程可归因于生物膜内溶解氧浓度梯度的 变 化，其 使 得 生 物 膜 内 存 在 缺 氧 区。例 如，Stewart 等30和 Cooney 等31认为，在生物膜内 175220 m（生物膜由表面往内的深度）处氧气已经完全被消耗。2.4生物膜反应器厌氧好氧段胞内 PHAs变化已有研究发现，苏丹黑 B 对胞内 PHAs 染色为阳性24,32。因此，为了解反应器不同运行阶段（厌氧好氧）微生物胞内 PHAs的变化，对生物膜进行苏丹黑 B 和番红染色。图 5（a）为显微镜下厌氧阶段结束时的生物膜染色图，结果显示，微生物细胞内有明显的黑色胞内脂质颗粒。图 5（b）为同一批生物膜好氧阶段结束时的染色图，结果显示，细胞未出现特征性染色。这一变化证实了厌氧阶段生物膜细胞内 PHAs 的累积，且在经过好氧阶段后 PHAs降解消失。这一发现与 Hossain 等33的观察结果一致，间接证明了生物膜内聚糖菌 GAOs的存在。为了获得反应周期中 PHAs 和糖原的最大值/最小值，在厌氧段结束和好氧段结束时分别取生物膜（厌氧结束段为 A1，好氧结束段为 A0），测定微生物胞内 PHB（PHAs 的一种）和糖原的含量，结果见图 4排水好氧过程中反应器内氮气的生成和氧气的消耗Fig.4Production of nitrogen and consumption of oxygen during the aerobic phase of bioreactor（a）厌氧阶段 6 h（b）生物膜连续曝气 18 h 注：黑色圆点体表示亲脂细胞，即 PHAs。图 5生物膜苏丹黑 B和番红染色图Fig.5Staining pattern with Sudan black B and safranine表 2。测试结果显示，厌氧阶段结束时反应器生物膜胞内 PHB含量明显高于好氧段结束时，糖原含量的变化趋势则相反，这与 Wei 等29得出的 GAOs 细胞内 PHAs和糖原的变化规律相同。2.5生物膜反应器长期运行情况图 6是沸石颗粒固定床生物膜反应器长期运行情况。结果显示，反应器具有稳定的 COD 和氨氮去除效率，其中，出水 COD 平均值为（62.210.2）mg/L，NH4+-N平均浓度为（7.11.1）mg/L，二者平均去除率分别为 87.0%3.2%和 82.7%2.1%，且 出 水 中 不 含 硝 态 氮。与 Hossain 等15和 Cheng等16使用沸石粉改性 HDPE塑料悬浮填料生物膜反应器相比，COD 去除率降低了约 7%，而氨氮去除率升高了 10%。该结果表明，在长期运行过程中，采用沸石颗粒作为生物填料能够稳定去除污水中的氨氮。同时，相比于 Hossain33研究中采用沸石粉作为氨氮吸附材料，在长期运行过程中，氨氮去除率逐步下降（运行 90 d下降约 10%），在长期运行工况下（运行 80 d），本研究有着更加稳定的氨氮和总氮去除率。2.6生物膜反应器微生物群落分析为了揭示固定生物膜反应器运行过程中微生物群落结构的动态变化，在第 46 天和第 84 天采集生物膜样品进行高通量 16S rRNA 扩增子测序分析，结果如图 7所示。初始活性污泥中，脱氯单胞菌 Dechloromonas（6.28%）、硝化菌 Nitrospira（3.23%）和陶厄氏菌属Thauera（2.55%）是优势菌种，其中，Dechloromonas在强化生物除磷反应器（EBPR）中较为常见，具有反硝化和积累磷酸盐的作用34。Nitrospira(NOB)在活性污泥废水处理系统中较为常见，具有亚硝酸盐氧化还原酶基因，因此被认为是亚硝酸盐氧化菌35。有研究表明36，陶厄氏菌具有高效的异养硝化好氧反硝化能力。反应器运行第 46 天，生物膜中占主导地位的 3种 菌 属 依 次 是 Thauera（13.8%）、Candidatus Competibacter（GAOs，12.4%）和Nitrospira（2.26%）。与驯化前的活性污泥相比，GAOs的丰度增加了 10 倍，具有好氧反硝化功能的陶厄氏菌属Thauera 的 丰 度 增 加 了 6 倍，表 明 本 工 艺 能 富 集GAOs，同时增强好氧反硝化作用。此外，与原始活性污泥相比，生物膜中氨氧化菌（Ammonium Oxidizing Bacteria,AOB）丰度上升了0.3%。反应器运行第 84 天，生物膜中占主导地位的 3种菌属分别为 Candidatus Competibacter（GAOs）、Uliginosibacterium 和 Thauera，其 各 自 占 比 分 别9.79%、6.32%和 6.25%，其中 Uliginosibacterium同样能在细胞内积累聚-羟丁酸（PHB），起到厌氧状态下去除 COD 的作用37。与第 46天的微生物群落结构相比，GAOs 的丰度略有下降，从 12.4%下降 至 9.79%，Thauera 的 丰 度 同 样 下 降，而Dechloromonas 和 Uliginosibacterium 丰 度 出 现 增长。Dechloromonas 和 Thauera 的丰度变化可能是反应器内不同菌属对氨氮氧化产物亚硝酸根和硝酸根竞争的结果。图 6固定床生物膜反应器长期运行条件下 COD和氨氮的去除效果Fig.6Removal effect of COD and ammonia nitrogen under long-term operation condition of fixed-bed biofilm reactor表 2反应器生物膜胞内 PHB和糖原的含量Table 2PHB and glycogen contents in biofilm of the bioreactor196第 4 期郭其艺，等：沸石颗粒填料固定床生物膜免曝气污水处理工艺表 2。测试结果显示，厌氧阶段结束时反应器生物膜胞内 PHB含量明显高于好氧段结束时，糖原含量的变化趋势则相反，这与 Wei 等29得出的 GAOs 细胞内 PHAs和糖原的变化规律相同。2.5生物膜反应器长期运行情况图 6是沸石颗粒固定床生物膜反应器长期运行情况。结果显示，反应器具有稳定的 COD 和氨氮去除效率，其中，出水 COD 平均值为（62.210.2）mg/L，NH4+-N平均浓度为（7.11.1）mg/L，二者平均去除率分别为 87.0%3.2%和 82.7%2.1%，且 出 水 中 不 含 硝 态 氮。与 Hossain 等15和 Cheng等16使用沸石粉改性 HDPE塑料悬浮填料生物膜反应器相比，COD 去除率降低了约 7%，而氨氮去除率升高了 10%。该结果表明，在长期运行过程中，采用沸石颗粒作为生物填料能够稳定去除污水中的氨氮。同时，相比于 Hossain33研究中采用沸石粉作为氨氮吸附材料，在长期运行过程中，氨氮去除率逐步下降（运行 90 d下降约 10%）