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(guò)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(kāi)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(chǎng)的升級(jí)改造，隨后在美國(guó)東西部、加拿大和德國(guó)都有廣泛的應(yīng)用。由于IFAS工藝具有諸多優(yōu)勢(shì)，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(jí)改造，在我國(guó)的新建水廠(chǎng)和改、擴(kuò)建水廠(chǎng)中的應(yīng)用也有增多的趨勢(shì)，如，寧波市某污水處理廠(chǎng)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(duì)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(guó)東部使用IFAS工藝的污水處理廠(chǎng)對(duì)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(duì)其余樣品TrOCs超過(guò)90%的去除率，即IFAS工藝對(duì)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(shì)，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(duì)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(duì)多種污染物良好的去除效果，依賴(lài)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(shì)微生物，也可以通過(guò)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(zhǎng)效果、微生物生態(tài)系統(tǒng)的形成，以及發(fā)揮對(duì)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(guò)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(duì)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(lèi)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(duì)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(duì)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(duì)有機(jī)物的吸附等，這些對(duì)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(cè)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(guò)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(hào)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(zhǎng)成熟；當(dāng)環(huán)境條件不再能滿(mǎn)足微生物生長(zhǎng)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(guò)程，在穩(wěn)定期生物膜保持適宜的厚度與活性，生長(zhǎng)與脫落過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。生物膜厚度一方面對(duì)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(zhǎng)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(lèi)型、操作條件、流體剪切力及填料種類(lèi)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(guò)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(duì)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(duì)流傳質(zhì)，對(duì)應(yīng)用生物膜降解污染物發(fā)揮關(guān)鍵作用。
隨著我國(guó)城市生活污水水量呈逐年升高和對(duì)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(duì)現(xiàn)有污水處理廠(chǎng)的提標(biāo)改造與優(yōu)化運(yùn)營(yíng)勢(shì)在必行?；诖?，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(shì)的IFAS工藝在傳統(tǒng)污水處理工藝的升級(jí)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(duì)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(duì)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(lái)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(duì)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(duì)IFAS工藝運(yùn)行過(guò)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(shì)，對(duì)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(lái)我國(guó)污水處理廠(chǎng)的升級(jí)改造提供了很好的技術(shù)途徑。為進(jìn)一步提高對(duì)IFAS工藝的應(yīng)用能力，未來(lái)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(píng)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(duì)有機(jī)物的去除，結(jié)果表明IFAS-MBR的COD去除率最高(98.95％)，對(duì)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(guò)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(duì)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(duì)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(jí)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(duì)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(guò)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(duì)IFAS工藝的生物脫氮性能開(kāi)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(duì)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(duì)空間、DO和底物的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)對(duì)硝化作用產(chǎn)生影響。另外，C / N比對(duì)于異養(yǎng)和自養(yǎng)細(xì)菌的生長(zhǎng)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(duì)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(guò)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(duì)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(zhǎng)，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(píng)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 /(m3?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(duì)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?xún)H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(lèi)光合作用釋放O2來(lái)替代曝氣，在滿(mǎn)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(duì)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(cè)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(lèi)光曝氣量。通過(guò)微藻光合產(chǎn)氧操作130 d后，無(wú)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(guān)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(lèi)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(zhǎng)、生長(zhǎng)較為緩慢的硝化細(xì)菌附著在填料上，使生長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guān)變化，這可能會(huì)導(dǎo)致生物膜中PAOs的生長(zhǎng)。但是，生物膜中PAOs含量相對(duì)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(lái)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(duì)于污水處理廠(chǎng)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(duì)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(píng)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(shì)，包括反硝化過(guò)程中無(wú)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(guò)富集AOB來(lái)實(shí)現(xiàn)短程硝化，然后通過(guò)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(wèn)題之一是如何在A(yíng)OB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(duì)AnAOB的抑制及對(duì)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(duì)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(duì)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A(yíng)nAOB，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(zhǎng)。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(zhǎng)，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(duì)氮去除率增強(qiáng)的效應(yīng)。通過(guò)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(duì)懸浮污泥中NOB的生長(zhǎng)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(guò)程與生物濾餅過(guò)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(guò)濾網(wǎng)過(guò)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(guò)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(píng)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(guò)程，這表明后者具有更長(zhǎng)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(guān)察到膜孔堵塞更為快速和頻繁，即SFD-MBR中膜孔堵塞趨勢(shì)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(duì)膜孔堵塞的趨勢(shì)產(chǎn)生了負(fù)面作用。
03 運(yùn)行參數(shù)對(duì)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(guò)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(duì)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(zhǎng)而增加，這可能與缺氧條件對(duì)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(duì)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(zhǎng)的階段相應(yīng)的SVI值最高。非曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)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(duì)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(shì)。但當(dāng)C / N從5:1進(jìn)一步降低到3:1時(shí)，沒(méi)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(lái)，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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)。
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(duì)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(guò)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(lái)自懸浮污泥，17%來(lái)自生物膜；其余63%的氨氮經(jīng)生物降解后去除，其中46%來(lái)自懸浮污泥，17%則來(lái)自于生物膜。對(duì)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(shuō)明高濃度氨氮(＞400 mg / L)對(duì)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(duì)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(zhǎng)速率低于A(yíng)OB。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(zhǎng)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(zhǎng)。
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(duì)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(duì)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，因此通常控制在60％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(duì)復(fù)雜系統(tǒng)加以簡(jiǎn)化，并進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化。過(guò)程建?？捎米髟u(píng)估、控制和預(yù)測(cè)生物過(guò)程的效果。由于微生物生長(zhǎng)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(lái)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(zhǎng)過(guò)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(duì)生物質(zhì)特性與IFAS性能之間內(nèi)在聯(lián)系的認(rèn)識(shí)。
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(guò)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(duì)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(jìng)爭(zhēng)受擴(kuò)散進(jìn)入生物膜的COD的影響較大。混合液/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(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定，因此確定其影響的一種方法是使用建模測(cè)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(guò)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(píng)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(guò)有效生物膜表面積的增加來(lái)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(zhǎng)的限制條件是營(yíng)養(yǎng)物的擴(kuò)散，故研究DO和底物的擴(kuò)散曲線(xiàn)對(duì)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(lái)描述生物膜結(jié)構(gòu)及微生物行為，通過(guò)模型預(yù)測(cè)進(jìn)行了DO的參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)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(guò)對(duì)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(duì)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(duì)于IFAS工藝而言，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)其進(jìn)行了大量研究，但仍存在一些關(guān)鍵性問(wèn)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(kāi)展：
1）高性能生物填料的研發(fā)。盡管我國(guó)目前市場(chǎng)上的生物填料種類(lèi)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(kāi)發(fā)出高性能的生物填料來(lái)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(duì)生物膜的生長(zhǎng)過(guò)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(lài)于掛膜與脫膜的動(dòng)態(tài)過(guò)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(duì)污染物的去除作用，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)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(duì)污染物的去除具有重要影響，生物膜對(duì)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(duì)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(kāi)展更為系統(tǒng)、深入的研究。