剩余污泥是污水处理过程的副产物，其成分复杂，既包括致癌致畸致基因突变的难降解有机污染物、病原性微生物，还包括有毒有害的重金属元素等。生物膜法工艺系统投加载体，微生物不是漂浮在水中，而是附着在载体表面，有利于大型生物的生长生存，其污泥浓度可以保持在6 000～7 000 mg/L，有利于形成系统的食物链，因此生物膜法是污泥减量的重要工具。生物膜法污泥减量技术的研究方向主要有两种，一是填料优化，二是开发生物膜组合工艺或者研发新的反应器。


蜂窝式固定床生物反应器（ISBS）是课题组前期以污泥减量为目标设计的，其能实现微生物高浓度负载，微生物分区段排布：将高浓度的、可自我调节的、具有协同功效的菌群按污水流进的方向固定在不同载体上，污水不用回流，从而使每个载体上的微生物能够单元化地、专一地处理污水。这种设计不会造成菌种快速涨落而出现污泥膨胀现象，污泥产生量也大大降低。前期试验结果显示，在工艺运行的55 d内，ISBS生物反应器每处理1万t废水，产生0.36 t剩余污泥（湿污泥）。


本文将ISBS生物反应器应用于中试，分析化学需氧量（COD）、总氮（TN）、氨氮（NH3-N）、溶解氧（DO）和盐分等常规指标的沿程变化规律，考察反应器单元格的污水处理效能并探索微生物的生长环境，从脱氢酶活性和胞外聚合物（EPS）两方面讨论反应器与污泥减量的联系，全面系统的研究可以为ISBS生物反应器处理医药废水提供科学依据和理论支撑。


1材料与方法


1.1系统装置与运行


如图1所示，ISBS生物反应器是由多阶段工艺技术单元、系统和设备构成的综合体系，反应器的尺寸为10.5 m×3.2 m×2.4 m，总容积为80 m3，反应器主体结构材质选择的是环氧涂层钢（RST37-2），功能区设有曝气装置与三维特有编织膜（见图2），其有效比表面积为252 m2/m3。ISBS生物反应器由6个区域组成，每个区域都填充多层惰性载体，它属于连续流生物反应器，配备固定生物质和特定空气扩散系统，搅拌效果良好。试验填料采用三维特有编织结构的聚酰胺生物载体，用于取样的载体长为30 cm，宽为22 cm，具有较大的比表面积，载体净质量为50～55 g，两端用轧带系上钢管固定，以悬挂的方式浸没于水中，每两排填料间隔11 cm左右。




1.2采样和分析方法


1.2.1采样


每日监测水质指标，从系统的进水口和出水口分别采样，在实验室进行水质分析。系统稳定运行时期，每隔3 d进行一次生物膜特征和细菌种群分析。以ISBS生物反应器前端与后端作为比较对象，分别从2区与5区设置的采样载体中剪取50 g左右的生物膜，用200 mL蒸馏水对其反复冲刷，收集冲刷液，取两滴于载玻片上并立即进行镜检。其余冲刷液分别装入两个含有100 mL硫代硫酸钠的取样瓶中，放入冰箱-80℃保存。样品编号由采样次序与区域编号组成，分别为1-2、1-5、2-2、2-5、3-2、3-5、4-2、4-5、5-2、5-5。


按照标准方法测定混合液悬浮物（MLSS）、硝态氮（NO3-N）、TN、COD和总磷（TP）。DO测定使用溶解氧快速测定仪，盐分测定使用盐分快速测定仪，pH测定使用丹麦Unisense PH 微电极。


1.2.2生物脱氢酶活性分析方法


微生物对污水中污染物的降解主要是依靠微生物体内各种酶催化作用下的生物氧化反应，脱氢酶尤为关键。脱氢酶活性既可以表征废水中有机物降解活性的强弱，又能表征污泥的活性。试验脱氢酶活性采取脱氢酶试剂盒测定，其原理与2,3,5-三苯基氯化四氮唑分光光度法原理一致。


1.2.3胞外聚合物分析方法


生物膜一般由微生物细胞与胞外聚合物（EPS）组成。胞外聚合物由细胞产物、分解产物、从污泥中吸附的有机物质等组成，其主要成分为蛋白质和多糖，与污泥源头息息相关。COLLIVIGNARELLI等首次确定污泥产量与胞外聚合物的组分相关，后续研究提出多糖在EPS中的比例可以说明生物膜附着性能，蛋白质中的胞外酶是促进大分子胞外聚合物分解成小分子而被微生物吸收的主要成分，一定程度上反映生物膜活性。


另外，EPS结构组成因微生物不同而各异，按聚合物与微生物细胞的结合程度，可将污泥EPS分为黏液层（S-EPS）、松散结合的胞外聚合物（LB-EPS）和紧密结合的胞外聚合物（TB-EPS），提取方法是根据CHENG等样品处理方法稍加改动而获得。


将上述步骤得到的三种粗提取EPS过0.45μm滤膜进行过滤，然后放置在3 500 Da透析袋内，4℃下透析2 d，其间每隔8 h换水一次。本研究将3层胞外聚合物分别提取出来，混合均匀后检测每份样品的蛋白质含量、多糖含量和EPS含量，由于试验条件限制，EPS含量以多糖和蛋白质含量之和粗略估算。蛋白质的测定采用改进型劳里法（Lowry），以牛血清蛋白作为标准物质。多糖测定采用苯酚-硫酸法，以葡萄糖作为标准物质。