王洪臣團(tuán)隊(duì)：固定生物膜―活性污泥(IFAS)污水處理工藝的研究進(jìn)展

全康環(huán)保:固定生物膜―活性污泥(IFAS)工藝起源于不設(shè)置污泥回流的接觸氧化法，該法主要通過生物膜上的微生物處理污水，曾被廣泛應(yīng)用。隨著新型填料的開發(fā)和活性污泥回流系統(tǒng)的增設(shè)，基于填料生物膜與懸浮活性污泥的復(fù)合工藝得以形成，最早應(yīng)用于Broomfield污水處理廠的升級改造，隨后在美國東西部、加拿大和德國都有廣泛的應(yīng)用。由于IFAS工藝具有諸多優(yōu)勢，如占地面積小，污泥產(chǎn)量小，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，不僅能高效脫氮除碳，還可以調(diào)和生物脫氮除磷的泥齡矛盾等。

因此，非常適用于活性污泥工藝的升級改造，在我國的新建水廠和改、擴(kuò)建水廠中的應(yīng)用也有增多的趨勢，如，寧波市某污水處理廠將原曝氣池末端改為好氧池，并投加30%的聚乙烯流化床填料。填料掛膜穩(wěn)定后，其對氨氮的處理效率由67.6%升高至86.7%，污泥減量近30%。不僅如此，Shreve等研究了美國東部使用IFAS工藝的污水處理廠對TrOC的去除效果，發(fā)現(xiàn)除17個(gè)未檢出TrOCs的樣品外，實(shí)現(xiàn)了對其余樣品TrOCs超過90%的去除率，即IFAS工藝對生活污水中的微量有機(jī)污染物有優(yōu)良的去除效果。由于IFAS存在諸多優(yōu)勢，其在工業(yè)廢水領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸增多。

Togna等將IFAS工藝用于食品制造業(yè)等工業(yè)廢水的處理，發(fā)現(xiàn)對4080 mg/L的進(jìn)水COD可實(shí)現(xiàn)88%的去除率。IFAS工藝的廣泛應(yīng)用及對多種污染物良好的去除效果，依賴于泥膜兩相功能微生物發(fā)揮協(xié)同作用。IFAS工藝系統(tǒng)中的生物填料可以使微生物特別是那些非優(yōu)勢微生物，也可以通過生物膜的形成而得以保留，從而增加了系統(tǒng)中微生物的功能多樣性，在不增加池容和污泥產(chǎn)率的條件下增大曝氣池中硝化細(xì)菌的生物量，進(jìn)而提高反應(yīng)體系中的總生物量。同時(shí)，IFAS工藝結(jié)合了懸浮污泥與附著生物膜的優(yōu)點(diǎn)，使微生物在IFAS工藝系統(tǒng)中的生存環(huán)境由傳統(tǒng)工藝下的氣、液兩相轉(zhuǎn)變?yōu)楦鼮樨S富的固、液、氣三相；填料上特有的“厭/缺/好”微環(huán)境，使其具有更為復(fù)雜穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)、更加豐富的微生物菌群多樣性，并可提高同步硝化反硝化效率，有助于污水處理系統(tǒng)脫氮除磷性能的提高。IFAS工藝系統(tǒng)的關(guān)鍵是生物填料，選取理化性質(zhì)優(yōu)良、掛脫膜能力強(qiáng)、細(xì)菌多樣性及豐度高、污染物傳質(zhì)性能好的填料，不僅能提高系統(tǒng)的同步硝化反硝化效果，較低的硝酸鹽外回流還有助于提高系統(tǒng)的生物除磷效率，進(jìn)而增強(qiáng)系統(tǒng)的污染物去除性能。填料是IFAS工藝中影響微生物的附著及生長效果、微生物生態(tài)系統(tǒng)的形成，以及發(fā)揮對污水中污染物處理作用的關(guān)鍵因素之一。

常用材料包括天然物質(zhì)(如石頭、砂礫、木片)、活性炭、金屬、塑料(如Kaldnes K1，K2，K3和K5等)、織物、玻璃、陶瓷、泡沫和化學(xué)改性聚合物(如聚乙烯醇―凝膠載體、可生物降解的聚己內(nèi)酯載體等)。不適當(dāng)?shù)奶盍蠋缀涡螤顣?huì)導(dǎo)致其內(nèi)部區(qū)域中生物量的過度積累，進(jìn)而阻礙底物和溶解氧(DO)向內(nèi)部區(qū)域的傳輸，降低污染物降解效率；而適當(dāng)?shù)膸缀涡螤羁纱_保微生物的高效附著并實(shí)現(xiàn)90％以上的污染物去除率。

填料的粗糙度對于微生物的附著具有重要作用，較粗糙的表面可以增強(qiáng)生物膜的粘附性，確保微生物群落的初始粘附并防止其輕易脫落。除材料類型、形狀、比表面積和粗糙度外，尺寸、密度、填充率等工藝參數(shù)，也影響填料掛膜的速度及附著相的生物量，對附著生物膜的形成及污水處理的效能亦發(fā)揮重要作用。

在IFAS工藝系統(tǒng)中，懸浮污泥和生物膜對整體污染物去除性能的貢獻(xiàn)度有所不同。二者的表面電荷和疏水性會(huì)影響懸浮污泥的絮凝、生物膜的粒子附著，以及對有機(jī)物的吸附等，這些對于系統(tǒng)去除污染物的效果具有重要影響。同一IFAS反應(yīng)體系中的懸浮污泥和生物膜具有不同的表面特征，Shao等研究測定了兩相污泥的疏水性、表面電荷、胞外聚合物(EPS)含量及組成，結(jié)果表明與生物膜(-0.05~-0.07 meq/g VSS)相比，懸浮污泥具有較高的負(fù)表面電荷(-0.35~-0.65 meq/g VSS)，而懸浮污泥的疏水性(60%~75%)明顯高于生物膜(19%~34%)；懸浮污泥的EPS含量明顯高于生物膜(2.1~4.5倍)，兩相污泥EPS的組成也存在顯著差異，懸浮污泥EPS中PN占主導(dǎo)地位，生物膜EPS中PN和PS的比例大致相等。

生物膜是微生物及EPS等組分經(jīng)生物化學(xué)過程的綜合作用形成的微生態(tài)系統(tǒng)，由微生物產(chǎn)生的EPS呈絲狀纏繞結(jié)構(gòu)包裹在細(xì)胞表面，與微生物共同構(gòu)成生物膜的主體。單個(gè)微生物受環(huán)境信號驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)至填料表面并在細(xì)胞壁作用下產(chǎn)生附著，隨后眾多微生物間發(fā)生相互作用形成群落并大量增殖，在多聚糖的黏性作用下形成生物膜并逐漸生長成熟；當(dāng)環(huán)境條件不再能滿足微生物生長的需要，微生物與載體分離（即出現(xiàn)脫膜現(xiàn)象），再次處于懸浮狀態(tài)。生物膜在IFAS填料上因填料間的相互接觸，使其外表面受到一定的水力剪切和磨損。

脫膜的三種機(jī)制是：磨損、侵蝕和剝落，而生物膜內(nèi)積聚的N₂也會(huì)導(dǎo)致生物膜的脫落。生物膜的形成、成熟、脫落是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在穩(wěn)定期生物膜保持適宜的厚度與活性，生長與脫落過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。生物膜厚度一方面對基質(zhì)及DO向生物膜內(nèi)部的擴(kuò)散傳遞發(fā)揮重要影響，另一方面在一定程度上可以表征生物膜的生長狀態(tài)并影響其微生物活性。根據(jù)生物膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，厭氧及好氧生物膜中存在著大量隨機(jī)分布且大小形狀各異、彼此交錯(cuò)相連的孔洞和通道結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出各向異性，生物量的分布也并不均勻；基質(zhì)、反應(yīng)器類型、操作條件、流體剪切力及填料種類的不同也會(huì)造成生物膜中微生物種群的多樣化。

這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)為生物膜內(nèi)外的物質(zhì)交換提供了通道，使得基質(zhì)和DO通過液流或分子擴(kuò)散作用進(jìn)入生物膜內(nèi)，與微生物接觸并進(jìn)行相應(yīng)的生化反應(yīng)。生物膜結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性增加了內(nèi)外生物膜間基質(zhì)的濃度梯度，其結(jié)構(gòu)對生物膜中基質(zhì)的傳遞效率具有直接影響；生物膜表層和內(nèi)部的孔洞及通道結(jié)構(gòu)強(qiáng)化了其內(nèi)部的對流傳質(zhì)，對應(yīng)用生物膜降解污染物發(fā)揮關(guān)鍵作用。

隨著我國城市生活污水水量呈逐年升高和對污水排放標(biāo)準(zhǔn)的提高，導(dǎo)致現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)大大增加。因此，對現(xiàn)有污水處理廠的提標(biāo)改造與優(yōu)化運(yùn)營勢在必行。基于此，以減小占地面積為基礎(chǔ)、兼具懸浮污泥與生物膜二者優(yōu)勢的IFAS工藝在傳統(tǒng)污水處理工藝的升級改造中備受青睞。為全面了解IFAS工藝當(dāng)前的研究及應(yīng)用狀況，本文綜述了IFAS工藝對污染物的去除性能，與其它工藝耦合應(yīng)用效果，運(yùn)行參數(shù)對IFAS性能的影響，運(yùn)行優(yōu)化等方面的內(nèi)容，并展望了未來IFAS工藝的研究重點(diǎn)及方向，為更深入地了解IFAS工藝及其應(yīng)用提供了參考。

摘 要

本文總結(jié)了固定生物膜―活性污泥(IFAS)工藝的相關(guān)研究進(jìn)展，主要包括：IFAS工藝對污染物的去除性能、與其它技術(shù)耦合后的工藝性能、關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的影響，以及動(dòng)力學(xué)模擬對IFAS工藝運(yùn)行過程的優(yōu)化。和傳統(tǒng)活性污泥法（CAS）比較，IFAS工藝結(jié)合懸浮污泥與附著生物膜二者的優(yōu)勢，對有機(jī)物和氮素等污染物表現(xiàn)出更好的去除效果。IFAS工藝與其它新型污水處理工藝的耦合，可提高功能菌的代謝活性、多樣性及選擇性。在運(yùn)行沖擊方面，IFAS工藝在C / N變化、低溫及高氨氮的情況下仍具有較高的運(yùn)行穩(wěn)定性；在工藝優(yōu)化方面，動(dòng)力學(xué)模擬有助于更好地理解IFAS反應(yīng)器中運(yùn)行參數(shù)、生物質(zhì)特性，以及工藝性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而可達(dá)到工藝優(yōu)化的目的。IFAS工藝的高污染去除及抗沖擊性能為將來我國污水處理廠的升級改造提供了很好的技術(shù)途徑。為進(jìn)一步提高對IFAS工藝的應(yīng)用能力，未來在高性能填料的研發(fā)、生物膜掛脫膜平衡，以及泥膜兩相間的交互作用及微生物特征分布等方面還有待進(jìn)一步研究。

01 IFAS工藝在污染物去除中的表現(xiàn)

1. 有機(jī)物去除性能

表1總結(jié)了IFAS工藝應(yīng)用于城市生活污水處理的相關(guān)工況參數(shù)和有機(jī)物去除性能。盡管各研究中有機(jī)物含量變化較大，但I(xiàn)FAS工藝仍能保持85%以上的COD去除率。Mannina等評估了IFAS-MBR的性能，并實(shí)現(xiàn)了98％的COD去除率。Trapani等在不同的SRT和溫度下運(yùn)行中試規(guī)模的IFAS，結(jié)果表明能以3.00 kg COD m?3 day?1的負(fù)載率實(shí)現(xiàn)100%的COD去除。Torre等比較了存在微量藥劑化合物時(shí)MBR、IFAS-MBR和MBMBR工藝對有機(jī)物的去除，結(jié)果表明IFAS-MBR的COD去除率最高(98.95％)，對微量藥劑化合物的去除率達(dá)到72.00％。Tao等研究發(fā)現(xiàn)IFAS和MBBR在不同曝氣速率下均實(shí)現(xiàn)了超過90％的COD去除率，并保持低于50 mg / L的出水COD濃度。研究也表明IFAS工藝對難降解及微量有機(jī)污染物亦具有較好的去除效果。

Eslami等的研究發(fā)現(xiàn)，IFAS在有機(jī)負(fù)荷為0.44 g COD/(L?d)時(shí)對COD、LAS和油脂的去除率最高，依次為92.52％，94.24％和90.07％，而進(jìn)一步增加有機(jī)負(fù)荷則降低了有機(jī)物去除率。IFAS亦可升級為IFAS-上升流厭氧污泥床(UASB)，以更高的微生物多樣性增強(qiáng)對微量有機(jī)污染物的去除效果。Arias等運(yùn)行了IFAS-UASB，結(jié)合不同的氧化還原條件及生物相提高微生物多樣性，以溶解態(tài)甲烷作為電子供體提高生物去除微污染有機(jī)物的能力，通過反硝化細(xì)菌和好氧甲烷菌聯(lián)合實(shí)現(xiàn)了廢水中93％COD的去除。

表1IFAS應(yīng)用于城市生活污水處理的工況參數(shù)及污染物去除性能

2.脫氮性能

研究人員對IFAS工藝的生物脫氮性能開展了廣泛深入的研究，表1也總結(jié)了IFAS工藝應(yīng)用于城市生活污水處理對氮素的去除性能。研究認(rèn)為IFAS工藝系統(tǒng)中懸浮填料的應(yīng)用有利于氧氣及基質(zhì)的高效轉(zhuǎn)移，而自養(yǎng)菌和異養(yǎng)菌對空間、DO和底物的競爭會(huì)對硝化作用產(chǎn)生影響。另外，C / N比對于異養(yǎng)和自養(yǎng)細(xì)菌的生長均發(fā)揮關(guān)鍵作用。在低C / N比條件下，因可用有機(jī)碳含量較少而對反硝化作用具有負(fù)面影響。Malovanyy等研究發(fā)現(xiàn)，與MBBR生物膜系統(tǒng)相比，IFAS 反應(yīng)器中懸浮污泥濃度超過800 mg TSS / L時(shí)，由于反應(yīng)器中氨氧化細(xì)菌(AOB)含量增加，氮去除率(NRR)從18±2 g N/(m³?d)增加至55±6 g N/(m³?d)，同時(shí)TN去除率從37％增加至70％。相同條件下IFAS懸浮污泥的硝化速率高于傳統(tǒng)活性污泥工藝，可歸因于IFAS工藝系統(tǒng)中生物膜的脫落對懸浮污泥的播種效應(yīng)，即富含硝化細(xì)菌的生物膜部分脫落至反應(yīng)器中，增強(qiáng)了懸浮污泥的硝化能力，進(jìn)而增強(qiáng)了系統(tǒng)的硝化效果。Veuillet等應(yīng)用IFAS ANITA Mox工藝的NRR達(dá)2.2 kg N/(m3?d)，NH4+-N和TN去除率分別為95％和85％。分子生物學(xué)分析表明，懸浮污泥中AOB含量占總AOB的93％，生物膜中的厭氧氨氧化細(xì)菌(AnAOB)含量占系統(tǒng)中總AnAOB量的96％。在IFAS系統(tǒng)中，AnAOB最初在生物膜中生長，部分分離脫落于懸浮污泥中，有利于增強(qiáng)IFAS體系內(nèi)部氮的生物去除效果。Zhang等將硝化―厭氧氨氧化應(yīng)用于中試規(guī)模的IFAS，評估了生物膜和懸浮污泥中氮的生物去除性能，以0.7~1.3 kg N /(m^3?d)的NRR實(shí)現(xiàn)了80％TN的去除。Pedrouso等將短程硝化―厭氧氨氧化應(yīng)用于中試規(guī)模的IFAS，在低溫(15―21℃)條件下對城市生活污水進(jìn)行厭氧處理，顯示AOB在懸浮污泥中豐度更高，AnAOB則主要存在于生物膜中；IFAS運(yùn)行中有氧與缺氧的結(jié)合使NOB活性僅占其最大潛在活性的10~20％，總體實(shí)現(xiàn)了72±11％的氮去除率。

02 IFAS耦合工藝的應(yīng)用與效果

1.MAIFAS

MAIFAS (microalgae-based IFAS)是一種基于共生微藻的IFAS技術(shù)，借助藻類光合作用釋放O2來替代曝氣，在滿足出水排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)可降低能源消耗。MAIFAS生物膜中存在局部曝氣，促進(jìn)了整個(gè)生物膜中好氧菌對DO的深度利用，而這是機(jī)械曝氣所不能實(shí)現(xiàn)的。Church等分別在MAIFAS、IFAS、懸浮微藻系統(tǒng)中進(jìn)行光曝實(shí)驗(yàn)，使用DO微電極檢測運(yùn)行40，80，130和150 d后黑暗和光照條件下MAIFAS和IFAS生物膜剖面上的DO濃度，以確定生物膜內(nèi)的藻類光曝氣量。通過微藻光合產(chǎn)氧操作130 d后，無光照時(shí)大部分DO只能穿透生物膜總厚度的69%，光照條件下生物膜表面DO濃度增加到6.3mg O2?L-1，與黑暗條件下的DO差別為2.8mg O2?L-1；生物膜底層的DO達(dá)0.3 mg O2?L-1，使得底層生物膜亦具備較充足的O2進(jìn)行硝化作用。另外，生物膜的微觀剖面圖像顯示出密集的混合生物膜的存在，其中外層是藻類和異養(yǎng)細(xì)菌的混合物；微藻與不同菌群之間的相互作用可促進(jìn)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和菌群代謝活性發(fā)生變化。

2.IFAS-EBPR

IFAS-EBPR系統(tǒng)使世代周期較長、生長較為緩慢的硝化細(xì)菌附著在填料上，使生長較快的除磷微生物及反硝化細(xì)菌存在于懸浮污泥中，實(shí)現(xiàn)對SRT值存在沖突的硝化細(xì)菌(>15天)和聚磷菌(PAOs, <5天)的解耦。Hayden等研究IFAS-EBPR系統(tǒng)中與污泥存在的不同形式相關(guān)的PAOs的含量和分布，結(jié)果表明懸浮污泥樣品中PAOs的相對豐度為20~30％，占生物膜樣品的3~8％；多數(shù)PAOs存在于懸浮污泥中，且生物膜中含有聚磷顆粒的細(xì)胞的豐度要比懸浮液污泥中低得多。

研究表明，在交替的厭氧/好氧條件下，生物膜內(nèi)會(huì)產(chǎn)生生物除磷活性。系統(tǒng)中如進(jìn)水COD和氨氮負(fù)荷的晝夜變化，可能會(huì)由于DO濃度和擴(kuò)散深度變化而引起局部的、周期性的有氧或厭氧的微觀變化，這可能會(huì)導(dǎo)致生物膜中PAOs的生長。但是，生物膜中PAOs含量相對較低可能是由于懸浮污泥和生物膜之間生物質(zhì)的脫離和附著交換所導(dǎo)致。為研究IFAS-EBPR系統(tǒng)中懸浮污泥、生物膜之間PAOs活性的水平和分布，Gu等以從好氧池采集的懸浮污泥和生物膜樣品進(jìn)行了吸、釋磷實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明只有少于4％的生物除磷活性來自于生物膜；而懸浮污泥的磷吸收速率和磷釋放速率分別為3.9±0.43和12.1±2.1 mgP / (gVSS?h)。

對于污水處理廠而言，在處理成本和磷去除率之間進(jìn)行權(quán)衡時(shí)，選擇合適的技術(shù)至關(guān)重要。Bashar等采用數(shù)學(xué)建模對包含IFAS-EBPR、MBR工藝在內(nèi)的六種不同的磷去除工藝系統(tǒng)進(jìn)行了除磷性能及成本效益評估。結(jié)果表明，IFAS-EBPR是成本效益最高的系統(tǒng)($ 42.25 / lb-P去除；出水磷濃度為0.82mg / L)。

3.IFAS-ANNAMOX

厭氧氨氧化技術(shù)在污水處理中具有明顯優(yōu)勢，包括反硝化過程中無需額外碳源、較低的曝氣成本和較低的污泥產(chǎn)量。Anammox可分為一階段或兩階段進(jìn)行。兩步法Anammox通過富集AOB來實(shí)現(xiàn)短程硝化，然后通過厭氧氨氧化菌將亞硝酸鹽和剩余的氨氮轉(zhuǎn)化為N₂。一步法Anammox在控制DO的條件下同時(shí)實(shí)現(xiàn)了短程硝化和厭氧氨氧化，其應(yīng)用中的主要問題之一是如何在AOB和AnAOB之間實(shí)現(xiàn)DO供給的平衡，以避免不當(dāng)?shù)腄O濃度對AnAOB的抑制及對NOB增值的促進(jìn)作用。

研究者將Anammox應(yīng)用于IFAS工藝系統(tǒng)中，重點(diǎn)研究了該耦合工藝的污染物去除性能和微生物群落分布特征。Klaus等對原始Anox K3填料和取自IFAS工藝系統(tǒng)的填料進(jìn)行了比較，運(yùn)行一個(gè)月后發(fā)現(xiàn)與對照(0.2g NH₄+-N?m^-2d^-1)相比，取自IFAS工藝系統(tǒng)的填料顯示出厭氧氨氧化速率(1.1gNH₄+-N?m^-2d^-1和1.4g?CNO₂?C-N ?m-2d^-1)的快速增加。中試規(guī)模的IFAS氨氮負(fù)荷率為0.7~1.3 kg N /(m3?d)時(shí)，氮去除率達(dá)到80％；生物膜中存在AnAOB，而懸浮污泥中則存在豐富的AOB。高DO濃度和更豐富的底物有利于懸浮污泥中AOB的生長。此外，較厚的生物膜阻礙了DO的傳質(zhì)，從而限制了異養(yǎng)菌和AOB的生長，同時(shí)增強(qiáng)了AnAOB的增殖。Laureni等研究了不同DO濃度下，NOB和AnAOB對氮去除率增強(qiáng)的效應(yīng)。通過調(diào)控DO選擇性去除NOB會(huì)增加生物膜中的AnAOB可利用的亞硝酸鹽，并對懸浮污泥中NOB的生長產(chǎn)生進(jìn)一步的抑制作用。

4. IFAS-SFD-MBR

活性污泥的絲狀膨脹和膜生物反應(yīng)器的生物污染，被認(rèn)為是影響活性污泥工藝發(fā)揮最佳性能的主要威脅。然而，非絮凝生物質(zhì)也已被廣泛用于特定的污水處理技術(shù)，如IFAS工藝；生物質(zhì)聚集可表現(xiàn)為餅層在支撐面上的積聚，將活性污泥過程與生物濾餅過濾相結(jié)合，產(chǎn)生了自生動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器(SFD-MBR)。該系統(tǒng)中污水通過濾網(wǎng)過濾后，固體在惰性表面積累形成生物層（即 “動(dòng)態(tài)膜”），增強(qiáng)了濾網(wǎng)自身的過濾能力。

Vergine等將填料添加到SFD-MBR中，作為IFAS和SFD-MBR工藝的組合，評估了IFAS-SFD-MBR工藝在典型工況下的運(yùn)行效能。運(yùn)行初期，在SFD-MBR反應(yīng)器中(第43天)比在IFAS-SFD-MBR反應(yīng)器中(第60天)更早實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的COD去除和硝化過程，這表明后者具有更長的適應(yīng)時(shí)間。與懸浮污泥生物反應(yīng)器相比，生物膜反應(yīng)器中COD穩(wěn)定去除性能的實(shí)現(xiàn)速度較慢。在IFAS-SFD-MBR的出水中硝酸鹽的濃度較低，這是由于塑料載體的存在有利于低濃度DO區(qū)域的產(chǎn)生，進(jìn)而產(chǎn)生了明顯的反硝化作用。此外，穩(wěn)態(tài)條件下在IFAS-SFD-MBR中觀察到膜孔堵塞更為快速和頻繁，即SFD-MBR中膜孔堵塞趨勢受污泥絮凝物結(jié)構(gòu)和聚集因素(例如塑料填料是否存在)的影響，填料的存在引起的生物生態(tài)系統(tǒng)的變化對膜孔堵塞的趨勢產(chǎn)生了負(fù)面作用。

03 運(yùn)行參數(shù)對IFAS工藝的影響

1.DO

好氧微生物AOB、NOB在懸浮污泥更容易獲得溶解性底物，故而更容易在懸浮污泥中聚集；而生物膜可提供缺氧條件，AnAOB會(huì)在生物膜中富集。此外，與生物膜相比，懸浮污泥受擴(kuò)散傳質(zhì)限制更少，因此即使在低DO條件下，也可實(shí)現(xiàn)更高的底物轉(zhuǎn)化率。

研究表明，交替缺氧/好氧過程的間歇性曝氣策略，有助于連續(xù)流和序批式反應(yīng)器污水中可生物降解污染物的高效去除。這種運(yùn)行策略也降低了電能消耗及與曝氣相關(guān)的操作成本。Nitin等的研究探討了不同的間歇性曝氣循環(huán)對IFAS反應(yīng)器中EPS產(chǎn)生和污泥特性的影響。整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)階段：三次間歇曝氣運(yùn)行，一次連續(xù)運(yùn)行。結(jié)果表明，IFAS反應(yīng)器中EPS總濃度(結(jié)合態(tài)和可溶態(tài)EPS之和)明顯高于連續(xù)曝氣條件下的EPS總濃度，且在各實(shí)驗(yàn)階段，結(jié)合態(tài)EPS的百分比遠(yuǎn)高于可溶態(tài)EPS(達(dá)6~10倍)；之后可溶態(tài)EPS含量均隨非曝氣時(shí)間的延長而增加，這可能與缺氧條件對生物質(zhì)的脅迫有關(guān)，即缺氧下細(xì)胞自溶釋放可溶態(tài)EPS。此外，研究發(fā)現(xiàn)間歇曝氣階段不同的非曝氣時(shí)間對污泥沉降性有顯著影響，間歇曝氣運(yùn)行中非曝氣時(shí)間最長的階段相應(yīng)的SVI值最高。非曝氣時(shí)間的延長促使更多的EPS產(chǎn)生，高濃度的EPS會(huì)增加微生物的表面電荷，增加細(xì)胞間的斥力，對微生物團(tuán)聚體的沉降性能產(chǎn)生負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致其SVI值增加。

2.C / N

Shao等研究了不同有機(jī)負(fù)荷下(500、250、150 mg/L COD)IFAS反應(yīng)器中生物膜和懸浮污泥中細(xì)菌群落組成的差異。將C / N從10:1改為5:1導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)中生物膜生物量的百分比增加，即生物膜比懸浮污泥具有更高的穩(wěn)定性，凸顯出應(yīng)用IFAS優(yōu)于常規(guī)活性污泥工藝的優(yōu)勢。但當(dāng)C / N從5:1進(jìn)一步降低到3:1時(shí)，沒有出現(xiàn)懸浮污泥的快速洗去，更多的生物質(zhì)從生物膜中分離出來，表明異養(yǎng)細(xì)菌從生物膜中的分離可能會(huì)加劇硝化細(xì)菌的分離。兩相中的硝化細(xì)菌對C / N變化的響應(yīng)不同。當(dāng)C / N從10:1變?yōu)?:1時(shí)，生物膜中AOB基因的百分比從4.4±0.3％下降到1.4±0.4％，隨后該值逐漸增加至7.2±0.3％；在C / N比從5:1繼續(xù)變?yōu)?:1時(shí)再次降至2.9±2.7％。AOB基因的突然減少表明反應(yīng)器對C / N變化敏感，C / N的每次變化都是菌群重建的新起點(diǎn)。在懸浮污泥中，C / N為10:1和C / N為5:1時(shí)AOB基因百分比相似(3.9±0.7％和4.1±1.6％)，而在C / N為3:1時(shí)下降到1.1±0.1％。對于NOB而言，在C / N為3:1時(shí)生物膜中的百分比最高(10.9±1.6％)，而C / N為5:1(9.0±0.5％)和C / N為10:1時(shí)(9.3±0.5％)的占比相似。

此外，AOB和NOB在 C / N變化之后顯示出不同的恢復(fù)行為。當(dāng)C / N為5:1時(shí)，生物膜和懸浮污泥中AOB的恢復(fù)均快于NOB。但當(dāng)C / N僅為3:1時(shí)，生物膜中AOB的恢復(fù)率則慢于NOB。這種差異證明，C / N為 5:1是AOB有利的生存條件。與AOB不同，低C / N對有機(jī)負(fù)荷改變后的NOB恢復(fù)率顯示出負(fù)面影響；但長時(shí)間運(yùn)行后，懸浮污泥中多數(shù)NOB得以恢復(fù)。這表明懸浮污泥中的NOB能夠在低C / N條件下生長。

3.進(jìn)水氨氮濃度

Shao等研究了IFAS工藝系統(tǒng)中生物膜和懸浮污泥的硝化速率，比較了其對氨氮的去除速率(氨氮濃度變化率/生物量干重)和吸附速率(5分鐘內(nèi)單位生物質(zhì)的氨氮吸附去除量)。結(jié)果表明，進(jìn)水氨氮濃度為100~200 mg / L時(shí)實(shí)現(xiàn)了完整的硝化作用，超過99%的氨氮被氧化；進(jìn)水氨氮濃度為400 mg / L時(shí)48%的氨氮轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽。根據(jù)生物吸附能力和氨氧化速率，生物吸附和生物降解是反應(yīng)器中氨氮去除的兩種主要機(jī)制；其中氨氮的生物吸附與細(xì)菌分泌的EPS有關(guān)。經(jīng)生物吸附去除的氨氮20%來自懸浮污泥，17%來自生物膜；其余63%的氨氮經(jīng)生物降解后去除，其中46%來自懸浮污泥，17%則來自于生物膜。對懸浮污泥和附著生物膜的比較發(fā)現(xiàn)，懸浮污泥在氨氮氧化中起著更重要的作用，66%的氨氮被懸浮污泥去除，34%則被生物膜去除。

低氨氮負(fù)荷條件(＜400 mg / L)下亞硝酸鹽積累速率為零；隨著氨氮負(fù)荷的增加，其氧化速率和亞硝酸鹽的積累速率增加，這可能與AOB的數(shù)量和活性增加有關(guān)。隨著進(jìn)水氨氮濃度的增加，懸浮污泥及生物膜樣品中物種的豐富度下降說明高濃度氨氮(＞400 mg / L)對微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的抑制作用。

4.溫度

溫度驅(qū)動(dòng)微生物群落結(jié)構(gòu)的變化主要原因是不同溫度下微生物的敏感性和抗性不同。Regmi等研究了高、低溫條件對IFAS反應(yīng)器內(nèi)附著生物膜和懸浮污泥中氮素轉(zhuǎn)化性能的影響。結(jié)果表明不同溫度下填料上AOB的平均活性遠(yuǎn)高于懸浮污泥AOB的平均活性，填料上的NOB平均活性亦遠(yuǎn)高于懸浮污泥。研究期間內(nèi)AOB活性在懸浮污泥中始終保留，但在較低溫度下與附著生物膜相比則明顯較低。不同溫度下生物膜中AOB活性的波動(dòng)較為小，而懸浮污泥中AOB活性則隨著溫度的升高而迅速增加。

研究發(fā)現(xiàn)懸浮污泥中NOB的含量較低，這一事實(shí)可能是由于溫度高于15°C時(shí)，NOB的最大比生長速率低于AOB。生物膜微生物群落具有影響其微生物學(xué)和群落動(dòng)力學(xué)的獨(dú)特特征，IFAS系統(tǒng)中的硝化速率受溫度變化的影響較小，這有利于其在低溫條件下脫氮。在較低溫度下較高的DO濃度也可彌補(bǔ)硝化細(xì)菌生長速率較低的缺陷，因?yàn)樵谏锬?nèi)會(huì)有更深的DO滲透，并促進(jìn)硝化細(xì)菌的生長。

5.填料的填充率

填料填充率及所占體積會(huì)影響HRT和SRT，較高的填料填充率會(huì)降低IFAS反應(yīng)器的有效容積。由于進(jìn)水成分的多樣性，處理工業(yè)污水時(shí)IFAS的填充率比進(jìn)水成分相對均一穩(wěn)定的生活污水的填充率變化大。進(jìn)水水質(zhì)和預(yù)期出水水質(zhì)對IFAS處理工業(yè)污水時(shí)填充率這一工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)非常重要。填充率較高時(shí)(60~70％)會(huì)降低IFAS的水力承受能力，因?yàn)樵摋l件下縮減了懸浮污泥的體積，并縮短了其HRT，同時(shí)增加了生物膜SRT。在較高的填充率下，更高的SRT和生物量促進(jìn)IFAS實(shí)現(xiàn)更高效的底物去除。較高的填充率有利于氮的生物去除，但同時(shí)存在較高的攪拌能耗，因此通?？刂圃?0％以下。研究表明，填充率從15％提高到20％可使氮去除率從80％提高到85％，20％的填料填充率足以實(shí)現(xiàn)較高的有機(jī)物去除率。Kim等的研究顯示，較高的填充率可提高懸浮污泥的沉降性。Torre等使用聚乙烯填料在50％的填充率下運(yùn)行了IFAS-MBR，該系統(tǒng)在11.6~14.45 h的HRT和10~20 d的SRT下運(yùn)行，COD去除率達(dá)98％以上。

04 IFAS工藝運(yùn)行狀況的優(yōu)化模擬

數(shù)學(xué)建模可對復(fù)雜系統(tǒng)加以簡化，并進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化。過程建模可用作評估、控制和預(yù)測生物過程的效果。由于微生物生長特性和分布的差異，IFAS體系中生物膜和懸浮污泥的結(jié)合增加了模型的復(fù)雜程度。研究者已應(yīng)用若干種模型來模擬IFAS反應(yīng)體系的設(shè)計(jì)與操作參數(shù)、活性污泥的生長過程及污染物去除性能，用以闡述懸浮污泥及附著污泥間復(fù)雜的相互作用，從而加深對生物質(zhì)特性與IFAS性能之間內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識。

Liu等采用反應(yīng)―擴(kuò)散生物膜模型模擬了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模IFAS反應(yīng)器的硝化/反硝化性能。當(dāng)懸浮污泥活性因SRT較短而受限時(shí)，填料將通過保持活性較為穩(wěn)定的硝化菌群而積極發(fā)揮脫氮作用。在整個(gè)模擬階段，進(jìn)入生物膜的生物量隨著底物負(fù)荷的增加和SRT的減少而逐步增加，表明IFAS系統(tǒng)中的生物膜具有能發(fā)揮硝化作用的“保留能力”，有助于實(shí)現(xiàn)對污染物的去除。另外，模擬結(jié)果表明，生物膜中微生物組成主要受COD擴(kuò)散通量的影響，生物膜中異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌之間的競爭受擴(kuò)散進(jìn)入生物膜的COD的影響較大?；旌弦?生物膜界面的傳質(zhì)和載體上有效生物膜表面積是影響總生物膜性能(尤其是硝化效率)的兩個(gè)主要因素。這兩個(gè)因素都由于復(fù)雜的載體幾何形狀而難以通過實(shí)驗(yàn)直接測定，因此確定其影響的一種方法是使用建模測試更大范圍的值，并與穩(wěn)態(tài)下的結(jié)果進(jìn)行比較。通過改變各組分基質(zhì)的傳質(zhì)系數(shù)和有效生物膜表面積進(jìn)行模擬，使用氨氮去除率評估傳質(zhì)系數(shù)和有效生物膜表面積的影響。模擬結(jié)果表明，有效生物膜表面積固定時(shí)，氨氮的去除率隨傳質(zhì)系數(shù)的增加而增加；傳質(zhì)系數(shù)固定時(shí)，氨氮的去除率隨有效生物膜表面積的增加而增加。該模擬表明，傳質(zhì)系數(shù)和有效生物膜表面積均為IFAS系統(tǒng)中硝化性能的重要因素。為了保持系統(tǒng)性能恒定，傳質(zhì)系數(shù)的降低可以通過有效生物膜表面積的增加來補(bǔ)償，反之亦然?？紤]到有效生物膜系統(tǒng)效率和能源消耗之間的權(quán)衡，傳質(zhì)系數(shù)最佳范圍為3~4 m/d；相應(yīng)有效生物膜表面積的最佳范圍在88％(4m²)和63％(2.9m²)之間，并實(shí)現(xiàn)95％以上的氨氮去除率。

動(dòng)態(tài)建模有助于更好地理解反應(yīng)器中生物質(zhì)特性和工藝性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。生物膜的厚度決定了傳質(zhì)阻力的大小，生物膜生長的限制條件是營養(yǎng)物的擴(kuò)散，故研究DO和底物的擴(kuò)散曲線對于了解IFAS反應(yīng)器中生物膜的特性非常重要。Li等采用一維多物種生物膜模型和IWA活性污泥模型1(ASM-1)來描述生物膜結(jié)構(gòu)及微生物行為，通過模型預(yù)測進(jìn)行了DO的參數(shù)優(yōu)化。通過生物膜中異層模型的輸出獲得了沿生物膜厚度的DO、氨氮濃度的分布。生物膜中的氨氮及DO分布有助于更好地了解硝化作用和DO擴(kuò)散之間的相關(guān)性。隨著DO濃度從8mg / L下降至1mg / L，氨氮濃度從1.8mg / L增加至9.3mg / L；DO濃度低于2mg / L時(shí)氨氮濃度迅速增加，顯示了生物膜中從氨氮限制擴(kuò)散狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镈O限制狀態(tài)的情況。當(dāng)反應(yīng)器整體DO濃度低至1 mg / L時(shí)，生物膜中的DO低于0.5 mg / L，其硝化作用被完全抑制。

05 結(jié)論與展望

通過對IFAS工藝的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理，得出以下結(jié)論：

1）IFAS工藝系統(tǒng)中懸浮污泥和具有厭/缺/好微環(huán)境的附著生物膜的組合，使得IFAS工藝系統(tǒng)中微生物多樣性及污染物去除途徑趨于多樣化；生物膜的存在有利于增強(qiáng)AOB、NOB和AnAOB的適應(yīng)性及活性，對有機(jī)物和氮素等污染物表現(xiàn)出更高的去除效果。

2）由于填料生物膜上存在厭/缺/好微環(huán)境能得到很好保護(hù)，IFAS工藝具有很好的抗沖擊性能，在低溫，高氨氮和C / N變化的情況下，IFAS工藝表現(xiàn)出了穩(wěn)定的污染物去除性能。

3）IFAS工藝與其它生物脫氮除磷工藝的耦合又進(jìn)一步提高了功能菌的代謝活性及多樣性，使其在污水處理應(yīng)用方面體現(xiàn)出更高的靈活性。

然而對于IFAS工藝而言，雖然國內(nèi)外學(xué)者已對其進(jìn)行了大量研究，但仍存在一些關(guān)鍵性問題亟待突破。今后的研究總體上可從以下3個(gè)方面進(jìn)一步開展：

1）高性能生物填料的研發(fā)。盡管我國目前市場上的生物填料種類繁多，然而在材料的親疏水性、掛脫模性能、工藝狀態(tài)下的懸浮狀態(tài)等方面還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，需開發(fā)出高性能的生物填料來提升IFAS工藝的應(yīng)用潛力。

2）生物膜的掛脫膜平衡機(jī)制研究。目前針對生物膜的生長過程及掛膜機(jī)制研究較為成熟，然而污水處理系統(tǒng)中成熟生物膜的形成依賴于掛膜與脫膜的動(dòng)態(tài)過程，只有實(shí)現(xiàn)掛脫膜的動(dòng)態(tài)平衡才能使填料上的微生物保持穩(wěn)定且高效的活性，更大程度地發(fā)揮對污染物的去除作用，因此應(yīng)加強(qiáng)對相關(guān)機(jī)制的研究，為提高生物膜掛脫膜平衡的效率提供理論基礎(chǔ)。

3）泥膜兩相間交互作用的研究。生物膜和懸浮污泥的特性對污染物的去除具有重要影響，生物膜對懸浮污泥的播種現(xiàn)象會(huì)引起懸浮污泥中微生物的動(dòng)態(tài)變化。應(yīng)當(dāng)對IFAS工藝系統(tǒng)內(nèi)生物膜與懸浮污泥間的交互作用及相應(yīng)的微生物活性及種群結(jié)構(gòu)的變化開展更為系統(tǒng)、深入的研究。