利用生物填料增强污水处理效能得到越来越多的研究，投加填料不仅可以增加系统生物量、提高脱氮能力，而且可以提升系统的抗冲击负荷性能。目前常见的生物水处理填料可分为无机和有机两大类，玄武岩纤维(ｂａｓａｌｔｆｉｂｅｒ，ＢＦ)是一种无机的新型高技术纤维，是以纯天然火山岩为原材料，在１４５０~１５００℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的，其密度为２.６~３.０５ｇ/ｃｍ３，主要化学成分为高含量ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｎａ２Ｏ(其中ｗ(ＳｉＯ２)为４４％~５２％，ｗ(Ａｌ２Ｏ３)为１２％~１８％，ｗ(ＦｅＯ)和ｗ(Ｆｅ２Ｏ３)为９％~１４％)，目前已广泛应用于航天、军工、环保、建筑等诸多领域。与其他填料相比，ＢＦ填料除了具有比表面积大、耐久性强、抗水力冲击负荷大、耐腐蚀等特点外，还具有良好的生物亲和性和吸附性能，能很快地将悬浮污泥中的微生物吸附在填料表面。
ＢＦ填料通过吸附与富集作用将微生物固定在纤维表面，形成直径１０ｃｍ以上的球状污泥絮凝体，称为“生物巢”，包裹着高密度生物量。张倩等通过将ＢＦ填料引入序批式反应器(ＳＢＲ)中处理生活污水，出水ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＴＮ去除率分别达到８３.２％、８９.９％、８６.８％；戚永洁等利用ＢＦ填料处理印染废水，在ＨＲＴ为１５ｈ时，ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＴＰ去除率分别达到６７.２６％、５１.０２％和７２.１１％。上述结论说明，ＢＦ填料具有良好的脱氮除碳的潜能。但是尚未发现ＢＦ填料应用于Ａ/Ｏ工艺的研究报道。本研究通过在Ａ/Ｏ工艺缺氧池和好氧池加入ＢＦ填料，考察玄武岩纤维填料对Ａ/Ｏ工艺的强化效果，为后续ＢＦ填料应用于污废水处理工艺提供支撑。
１、实验部分
１.１ 实验装置
强化Ａ/Ｏ工艺实验装置由透明有机亚克力玻璃制成，如图１所示，在缺氧池(长×宽×高＝０.６ｍ×０.４ｍ×１.０ｍ，有效容积２００Ｌ)和好氧池(长×宽×高＝１.０ｍ×０.６ｍ×１.０ｍ，有效容积５５０Ｌ)分别加入伞状ＢＦ填料。每束伞状ＢＦ填料重１５ｇ，长１５ｃｍ，每４束ＢＦ填料通过钛丝绞缠固定成一串悬挂于反应器内，其中缺氧池和好氧池分别悬挂４串和１５串ＢＦ填料，每束ＢＦ填料垂直方向间距为１４ｃｍ，水平方向间距为２０ｃｍ，缺氧池和好氧池填充率约为１０.０％和３２.０％。实验另设不加ＢＦ填料的Ａ/Ｏ工艺作为对照实验，Ａ/Ｏ工艺装置所用材料及体积与强化Ａ/Ｏ工艺装置相同。
１.２ 实验用水及分析方法
从加入ＢＦ填料到形成稳定生物巢的过程称为生物巢培养阶段。由于实际生活污水中有机物浓度较低且波动较大，为了快速培养生物巢以及研究生物巢强化Ａ/Ｏ工艺去除污染物的效果，实验采用模拟生活污水。模拟生活污水的水质如表１所示。
实验对出水中ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ、ＴＮ以及ＳＳ等参数进行测定，方法如表２所示。
１.３ 实验方法
实验污泥取自镇江市某污水处理厂回流污泥，采用连续进水的方式培养生物巢，按ｍ(Ｃ)∶ｍ(Ｎ)∶ｍ(Ｐ)＝１００∶５∶１配制ρ(ＣＯＤ)为５００ｍｇ/Ｌ营养液，所用药品有葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾等。生物巢培养时期运行参数为：ＨＲＴ为１５ｈ(缺氧池４ｈ，好氧池１１ｈ)，缺氧池ρ(ＤＯ)为０.１~０.２ｍｇ/Ｌ，好氧池ρ(ＤＯ)为３.０~４.０ｍｇ/Ｌ，好氧池ｐＨ控制在７.３~７.７，温度为２２~２６℃，硝化液回流比为３００％，污泥回流比为９０％。连续培养２０ｄ后，ＢＦ填料形成了稳定形态的球状生物巢，且ＣＯＤ去除率稳定在９０％以上，视为生物巢培养成功，开始进行阶段性实验。
第１阶段实验：以表１中模拟生活污水为原水，考察强化Ａ/Ｏ工艺和常规Ａ/Ｏ工艺对生活污水的处理效果，该阶段２组反应器所用的模拟生活污水药品和运行参数同生物巢培养时期。
第２阶段实验：为了探究强化Ａ/Ｏ工艺抗冲击负荷的性能，该阶段提高进水ＣＯＤ负荷，并与Ａ/Ｏ工艺对比污染物去除效果及污泥减量效果。该阶段２组反应器采用相同的进水条件，所用废水水质指标ρ(ＣＯＤ)为１２３０~１８７２ｍｇ/Ｌ，ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)为５０~６５.３ｍｇ/Ｌ，ρ(ＴＮ)为５５.２~６８.２ｍｇ/Ｌ，ρ(ＴＰ)为１０.５~１３.７ｍｇ/Ｌ。通过监测该阶段实验的进、出水中各项污染物指标与反应器内ＭＬＳＳ(混合液悬浮固体浓度)、污泥沉降比及生物相，及时对反应器的运行状况进行调整。
污泥总量测定：在不影响生物巢结构的前提下，将２组实验反应器活性污泥充分混合均匀后平均分到２组反应器装置内。混合后两系统内悬浮液污泥总量相同，为２.７ｋｇ。
生物巢生物量测定：从反应器内取出１串ＢＦ填料(４束)浸入１ｍｏｌ/ＬＮａＯＨ溶液中，水浴加热至８０℃保持３０ｍｉｎ后进行超声(１００Ｗ，３０ｍｉｎ)处理，然后用去离子水冲洗，再经过滤、烘干、称重得到１串ＢＦ填料的生物量。单个生物巢生物量＝每串ＢＦ填料生物量/每串ＢＦ填料的束数。
微生物在高负荷废水条件下生长繁殖速率较快，从而导致了污泥的快速增长。污泥产率系数可直观表示出污泥产量高低，其计算如式(１)所示：
式中：Ｙ为污泥产率系数，ｋｇ/ｋｇ(以ＣＯＤ计)；ＭＬＳＳｓｔａｒｔ为每１组实验开始时污泥的总量，ｋｇ；ＭＬＳＳｅｎｄ为实验结束时的污泥总量，ｋｇ；ＣＯＤｒｅｍｏｖｅｄ为每１组实验阶段ＣＯＤ的去除总量，ｋｇ。
由于实验过程取出ＢＦ填料测生物量会对实验结果造成较大影响，故实验只在实验开始前及结束时对生物巢生物量进行测定。
２、实验结果与讨论
２.１ 强化Ａ/Ｏ工艺处理生活污水效果分析
图２为强化Ａ/Ｏ工艺处理生活污水的处理效果。可知：进水ρ(ＣＯＤ)为４１０~５７４ｍｇ/Ｌ，Ａ/Ｏ工艺出水ρ(ＣＯＤ)为９.８~４５.４ｍｇ/Ｌ，平均为３０.３ｍｇ/Ｌ；强化Ａ/Ｏ工艺出水ρ(ＣＯＤ)为８.２~３０.９ｍｇ/Ｌ，平均为１９.５ｍｇ/Ｌ，ＣＯＤ平均去除率分别为９３.９％和９５％。强化Ａ/Ｏ工艺使更多的微生物富集在ＢＦ填料上，从而提高系统中的微生物含量，镜检发现在生物巢表面附着的污泥絮体中新生菌胶团无色透明，结构紧密，具有较高的活性(图３)，极大地提高了氧化分解有机物的能力，在进水ＣＯＤ浓度相同的条件下增强了系统对ＣＯＤ的去除率。但是由于ＢＦ填料上生物量较大，低浓度的有机物不能满足反应器微生物所需营养物质进行代谢活动，使其活性受到影响，因此２组反应器出水ＣＯＤ浓度大致相同。
ＮＨ＋４－Ｎ的去除包括微生物同化作用和硝化作用，主要是依靠硝化细菌进行硝化反应来实现。由图２ｂ可知：进水ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)为３２~４４ｍｇ/Ｌ，强化Ａ/Ｏ工艺出水平均ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)为０.５９ｍｇ/Ｌ，平均去除率达到９８％，而常规Ａ/Ｏ工艺出水平均ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)为２.４４ｍｇ/Ｌ，平均去除率为９２％。可以得出：投加ＢＦ填料提高了系统对ＮＨ＋４－Ｎ的抗负荷能力，强化Ａ/Ｏ工艺好氧池由于加入ＢＦ填料，生长周期较长的硝化细菌可以在ＢＦ填料上生长，相应地延长了硝化细菌的停留时间，从而提高了硝化细菌的数量，因此强化Ａ/Ｏ工艺具有高效的ＮＨ＋４－Ｎ去除效果。
由图２ｃ可知：进水ρ(ＴＮ)为３６~５４ｍｇ/Ｌ，强化Ａ/Ｏ工艺出水平均ρ(ＴＮ)为４.６ｍｇ/Ｌ，平均去除率达到８６.３％，高于常规Ａ/Ｏ工艺出水ＴＮ的平均去除率８２.３％。这是由于在好氧池中生物巢内部也存在缺氧微环境，同样会进行部分反硝化去除ＴＮ，且在缺氧池内加入了ＢＦ填料，反硝化细菌可以固定生长在填料上，在相应的微环境生长成为特定的优势菌种，故强化Ａ/Ｏ工艺ＴＮ去除率较高。
２.２ 强化Ａ/Ｏ工艺处理高负荷废水效果分析
强化Ａ/Ｏ工艺处理高负荷废水效果如图４所示。可知：随着ＣＯＤ负荷缓慢提高，２组工艺对ＣＯＤ的去除效果均能达到９０％以上，对ＣＯＤ的去除效果２组实验差别不明显。这是由于当ＣＯＤ负荷较高时，系统内微生物大量繁殖，实验后期Ａ/Ｏ工艺好氧池内ρ(ＭＬＳＳ)达到６０００ｍｇ/Ｌ左右，大量的微生物提高了降解有机物的能力。而强化Ａ/Ｏ工艺由于加入了ＢＦ填料，生物量增加，且镜检发现吸附在填料上的微生物所形成的菌胶团结构紧密，具有强大的吸附和分解有机物的能力。因此２组实验对ＣＯＤ均有高效的去除效果。
由图４ｂ可知：进水ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)为５０~６５.３ｍｇ/Ｌ，前１３ｄ，２组工艺出水ＮＨ＋４－Ｎ均比较稳定，强化Ａ/Ｏ工艺出水平均ρ(ＮＨ＋４－Ｎ)为４.２ｍｇ/Ｌ，Ａ/Ｏ工艺为１０.２ｍｇ/Ｌ，ＮＨ＋４－Ｎ平均去除率分别为９２.６％和８１.８％。从第１４天开始，Ａ/Ｏ工艺ＮＨ＋４－Ｎ去除率下降明显，平均去除率为７７.８％，而强化Ａ/Ｏ工艺ＮＨ＋４－Ｎ去除率无明显变化。这是由于在供气量不变的情况下，随着进水ＣＯＤ浓度的缓慢增加，ＣＯＤ负荷增大，系统内异养细菌以溶解氧为电子受体，分解大量有机物的同时消耗水中的溶解氧，好氧池ρ(ＤＯ)为１.０~２.０ｍｇ/Ｌ，不利于硝化细菌和亚硝化细菌的生长。第１６天，提高Ａ/Ｏ工艺好氧池供气量后ρ(ＤＯ)为３.０~４.０ｍｇ/Ｌ，但是ＮＨ＋４－Ｎ去除率仍低于前１４ｄ平均去除率，这可能是由于反应器ＮＨ＋４－Ｎ浓度的不断积累导致负荷ＮＨ＋４－Ｎ增大，而此时高曝气量下好氧池内存在较强的剪切作用，导致污泥絮体微细化，絮体粒径较小，ＳＶＩ达到１９５ｇ/ｍＬ，活性污泥沉降性能较差，部分亚硝化菌和硝化菌随出水外流。实验后期２５~３０ｄ，常规Ａ/Ｏ工艺好氧池内产生大量白色黏稠泡沫，镜检发现菌胶团结构疏松，活性污泥出现膨胀现象，而强化Ａ/Ｏ工艺在较高有机负荷下，活性污泥仍保持较好的污染物去除与沉降性能，抗冲击性得到验证。
ＴＮ去除效果如图４ｃ所示。可知：ＴＮ的变化趋势同ＮＨ＋４－Ｎ一致，强化Ａ/Ｏ工艺的ＴＮ去除率总体比较平稳，平均去除率达到９１.４％，而Ａ/Ｏ工艺ＴＮ去除率在第１３天随着进水ＣＯＤ负荷的增加而降低，这是由于ＮＨ＋４－Ｎ去除率受到影响，无法为反硝化提供充足的电子受体，从而导致出水ＴＮ浓度上升。后期Ａ/Ｏ工艺ＴＮ去除率仅为７５.６％，远低于强化Ａ/Ｏ工艺。
２.３ 污泥减量效果
实验分别在４组ρ(ＣＯＤ)依次为１２００，１４００，１６００，１８００ｍｇ/Ｌ条件下稳定运行１０ｄ后，计算系统内污泥总量以及ＣＯＤ去除总量，进而得到污泥产率系数，如图５所示。
在第１组实验开始前，测得生物巢生物总量为１.６９ｋｇ，第５组实验结束时，测得生物巢生物总量为１.７０ｋｇ，因此可认为整个实验过程中生物巢生物量保持稳定。为了简化计算，图５中的污泥总量不包括生物巢生物量。由图５可知：对于不同ＣＯＤ浓度，强化Ａ/Ｏ工艺系统内污泥总量均比Ａ/Ｏ工艺少。当提高ＣＯＤ浓度时，Ａ/Ｏ工艺系统内污泥总量增加较快，其中，当ρ(ＣＯＤ)从１４００ｍｇ/Ｌ提高到１６００ｍｇ/Ｌ时，污泥总量从１０.３３ｋｇ增加到１６.４７ｋｇ，而强化Ａ/Ｏ工艺系统内污泥总量从７.４８ｋｇ增加到１０.７７ｋｇ，增幅分别为５９.４％和４３.９％。当ρ(ＣＯＤ)为１６００ｍｇ/Ｌ时，强化Ａ/Ｏ工艺系统内污泥总量比Ａ/Ｏ工艺污泥减少了３４.９％。
由图５还可看出：Ａ/Ｏ工艺污泥产率在０.３０~０.３４ｋｇ/ｋｇ变化，平均值为０.３２ｋｇ/ｋｇ，而强化Ａ/Ｏ工艺系统污泥产率在０.１７~０.２１ｋｇ/ｋｇ变化，平均值为０.１９ｋｇ/ｋｇ，污泥产率降低了４０.６％。
生物巢能起到污泥减量是由于生物巢内部存在很多孔隙运输底物和溶解氧，底物和溶解氧在从生物巢最外层至最内层过程中不断消耗，从而可以在生物巢内形成多种微环境，适宜各种微生物的生长繁殖，提高了微生物的种类和数量。镜检发现生物巢内部存在大量钟虫、轮虫、吸管虫、红斑顠体虫等原生动物和后生动物，可形成较稳定的“细菌－原生动物－后生动物”食物链系统，食物链越长，能量在传递过程中消耗就越大。同时，生物巢上死亡的微生物被原生动物、后生动物消化分解，从而可以更好地达到污泥减量的目的。
３、结论
１)ＢＦ填料可形成“生物巢”球状污泥絮凝体，增加了系统内功能菌种的数量，因此强化Ａ/Ｏ工艺对污水中ＣＯＤ、ＮＨ＋４－Ｎ和ＴＮ具有较高的去除效果，其去除率分别达到９５％、９８％和８６.３％。
２)通过镜检发现附着在ＢＦ填料的菌胶团结构紧密，生物量丰富，提高了系统的抗冲击负荷性能，处理高负荷废水时，强化Ａ/Ｏ工艺ＮＨ＋４－Ｎ和ＴＮ的平均去除率分别提高了１９％和２０.９％。
３)“生物巢”内存在丰富的原生动物和后生动物，可形成较长的食物链，有利于减少剩余污泥的产生。强化Ａ/Ｏ工艺污泥产率为０.１９ｋｇ/ｋｇ，与Ａ/Ｏ工艺相比，污泥产率降低了４０.６％。（来源：江苏大学环境与安全工程学院，艾特克控股集团股份有限公司，江苏大学环境健康与生态安全研究院，东南大学土木工程学院）
