近年來(lái)，我國(guó)污水處理工程項(xiàng)目發(fā)展迅速，對(duì)防治水環(huán)境質(zhì)量惡化起到了很重要的作用。但是，新建的污水處理廠大多集中在大中城市，稱之為集中式污水處理系統(tǒng)，而一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)或工業(yè)園區(qū)的污水處理設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后，這對(duì)水污染防治工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，特別是面源污染治理。集中式污水處理系統(tǒng)投資大、運(yùn)行管理費(fèi)用高，并不適合鄉(xiāng)鎮(zhèn)或工業(yè)園區(qū)等級(jí)別的分散式污水處理系統(tǒng)(也稱之為小型生活污水處理系統(tǒng))建設(shè)〔1, 2〕。為此，為全面防控水環(huán)境質(zhì)量進(jìn)一步惡化，研發(fā)適合于小型生活污水處理系統(tǒng)的設(shè)施或設(shè)備(主要用于有機(jī)污染物和氨氮的去除)已非常緊迫。

　　自19世紀(jì)末期生物濾池在英國(guó)問(wèn)世以來(lái)，生物膜法在污水處理方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，特別是在小型生活污水處理領(lǐng)域〔3, 4〕。與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，生物膜法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)〔5, 6, 7〕：(1)微生物呈多樣性，生物量豐富，處理能力強(qiáng);(2)污泥沉降性能好，剩余污泥量少;(3)受水質(zhì)、水量變化影響小，耐沖擊;(4)具有較強(qiáng)的吸附過(guò)濾性能;(5)易于管理，運(yùn)行成本低�；�于上述優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)生物膜法進(jìn)行了深入研究〔8, 9, 10, 11〕，主要包括新型生物膜填料的研發(fā)、微生物的生長(zhǎng)規(guī)律、污染物質(zhì)和溶解氧在生物膜內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程以及生物膜反應(yīng)器研發(fā)與設(shè)計(jì)等，而針對(duì)生物膜掛膜方法和工程參數(shù)的研究較少。本課題組在前期采用生物膜法處理玉米青貯液〔12〕和染料廢水〔13〕時(shí)發(fā)現(xiàn)：生物膜掛膜過(guò)程和生物膜反應(yīng)器工程運(yùn)行參數(shù)對(duì)處理效果有著顯著影響。

　　為此，本研究對(duì)比分析了2種掛膜方法(自然掛膜法和接種掛膜法)，以探究最佳的掛膜手段;同時(shí)對(duì)影響生物膜反應(yīng)器運(yùn)行的2個(gè)主要工況參數(shù)HRT和DO進(jìn)行了考察，探究最佳的運(yùn)行工況，以期為小型生活污水處理和生物膜反應(yīng)器的推廣應(yīng)用提供借鑒。

　　1 材料與方法

　　1.1 生物膜反應(yīng)器

　　本研究采用2套完全相同的生物膜反應(yīng)器(見(jiàn)圖 1)開(kāi)展對(duì)比試驗(yàn)。生物膜反應(yīng)器由PVC材質(zhì)加工制作，總高度140cm，填料層高度100cm，填料層下部8cm處設(shè)置支撐層，填料層上部15cm處安裝液位計(jì)。填料層填料為沸石(粒徑約4mm)，支撐層填料為卵石(粒徑約15mm);填料層每隔20cm處設(shè)置一個(gè)采樣口。生物膜反應(yīng)器出水進(jìn)入澄清池，經(jīng)澄清后部分用于填料層反沖洗;反沖洗程序?yàn)槠貧鉀_(3min)、曝氣和水沖(5min)、水沖(8min)，反沖洗周期為96h。

 圖 1 生物膜反應(yīng)器

　　1.2 試驗(yàn)廢水

　　試驗(yàn)廢水采用模擬生活廢水，試驗(yàn)廢水組成：CH3COONa 0.320g/L，F(xiàn)eCl3·6H2O 1.50g/L，KH2PO40.013g/L，H3BO3 0.15g/L，(NH4)2SO4 0.198g/L，CuSO4·5H2O 0.03g/L，CaCl2 0.005g/L，KI 0.18g/L，MgSO4·7H2O 0.05g/L，MnCl2·4H2O 0.12g/L，營(yíng)養(yǎng)液0.30mL/L。營(yíng)養(yǎng)液組成：Na2MoO4·2H2O 0.06g/L，ZnSO4·7H2O 0.12g/L，CoCl2·6H2O 0.15g/L，EDTA 10.00g/L。進(jìn)水中COD為282~299mg/L，NH4+-N為43.2~49.6mg/L。

　　1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　1.3.1 生物膜反應(yīng)器2種掛膜方法比較

　　接種掛膜法：采用某污水處理廠曝氣池活性污泥作為接種污泥，先悶曝24h(曝氣流量4L/min)，然后將生物膜反應(yīng)器內(nèi)活性污泥和廢水的混合物排空，通入試驗(yàn)廢水。

　　自然掛膜法：與接種掛膜法同時(shí)通入試驗(yàn)廢水即可。

　　2種掛膜方法的工況參數(shù)：DO控制在3mg/L以上，HRT控制為5h，定期采集2個(gè)生物膜反應(yīng)器出水水樣，測(cè)定其COD和NH4+-N濃度。

　　1.3.2 生物膜反應(yīng)器主要影響因素研究

　　在生物膜反應(yīng)器掛膜成熟后，開(kāi)展HRT和DO 2個(gè)主要影響因素研究。HRT的設(shè)計(jì)水平為1、2、3、4、5、6、7、8h;DO的設(shè)計(jì)水平為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 、6.5mg/L。

　　1.4 分析方法

　　NH4+-N的測(cè)定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009);COD的測(cè)定采用密閉回流滴定法(APHA 2005);pH的測(cè)定采用玻璃電極法(GB/T 6920—1986)。

　　圖形繪制采用Microsoft Office Visio 2003軟件;數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Origin 8.5軟件。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 自然掛膜法與接種掛膜法的比較

　　在整個(gè)30 d的掛膜試驗(yàn)期間，進(jìn)行了接種掛膜法和自然掛膜法的比較，結(jié)果分別見(jiàn)圖 2和圖 3。

 圖 2 接種掛膜法和自然掛膜法進(jìn)出水COD的變化

　　由圖 2和圖 3可知，對(duì)于接種掛膜法，經(jīng)過(guò)30 d的掛膜，出水COD和NH4+-N分別降至43.9、15.3mg/L，COD和NH4+-N去除率分別達(dá)到85.3%和67.8%。采用接種掛膜法，在前6 d，COD的去除效果較差，COD去除率為49.5%，但明顯高于自然掛膜法COD的去除率(15.6%)，這主要由于2個(gè)方面原因：(1)接種掛膜開(kāi)始階段，微生物量少且沒(méi)有完全適應(yīng)試驗(yàn)水質(zhì);(2)接種掛膜法開(kāi)始階段的悶曝過(guò)程使填料表面附著有一定的微生物，這些微生物的生長(zhǎng)繁殖消耗掉部分有機(jī)污染物，致使其COD去除效果要好于自然掛膜法。隨著掛膜時(shí)間的增加，沸石表面微生物量逐漸增多，COD去除率逐步上升。在第17天，COD去除率超過(guò)了80%;在第18~30天，COD去除率穩(wěn)定在85%左右，最高為86.9%，出水水質(zhì)穩(wěn)定。

 圖 3 接種掛膜法和自然掛膜法進(jìn)出水NH₄⁺-N的變化

　　在生物膜反應(yīng)器接種掛膜階段，NH4+-N的去除要比COD的去除慢。第7天，COD去除率超過(guò)50%，而NH4+-N去除率僅有26.6%;NH4+-N去除率在第22~30天穩(wěn)定在65%左右，出水NH4+-N為13.7~15.8mg/L。這主要由于硝化細(xì)菌相對(duì)于好氧異養(yǎng)菌對(duì)氧的競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)地位，其增長(zhǎng)速度也較慢，只有當(dāng)易降解的有機(jī)污染物被去除后，硝化細(xì)菌才能成為優(yōu)勢(shì)菌群。

　　與接種掛膜法相比，自然掛膜法在開(kāi)始階段COD和NH4+-N去除率明顯較低。自然掛膜第6天，COD和NH4+-N去除率分別為15.6%和9.8%，明顯低于此時(shí)的接種掛膜法COD和NH4+-N去除率(分別為49.5%和23.4%)，這主要由于2個(gè)方面原因：(1)自然掛膜初期，沸石填料附著的生物量較少，COD和NH4+-N的去除主要由沸石吸附完成;(2)由于本試驗(yàn)采用的是人工模擬生活廢水，其懸浮物含量少，增加了生物膜掛膜的難度，要達(dá)到接種掛膜法中COD和NH4+-N的去除效果，則需要更長(zhǎng)的時(shí)間(但在生物膜反應(yīng)器實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際生活污水中懸浮物濃度較高，會(huì)加快自然掛膜過(guò)程)。隨著自然掛膜生物膜的增長(zhǎng)，COD和NH4+-N去除率也逐漸增加，在第26~30天，COD和NH4+-N去除率分別穩(wěn)定在84%和60%以上，最高分別達(dá)85.7%和66.2%，出水COD和NH4+-N最低分別降至40.6、16.1mg/L。

　　由圖 2和圖 3可以看出，當(dāng)掛膜成熟時(shí)，采用接種掛膜法的COD和NH4+-N去除率分別為85.3%和67.8%，采用自然掛膜法的COD和NH4+-N去除率分別為84.6%和66.2%，這表明生物膜反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)時(shí)，可不需要添加接種污泥，直接采用自然掛膜法即可。

　　2.2 生物膜反應(yīng)器主要影響因素研究

　　2.2.1 HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響

　　在DO為3.0mg/L的條件下，考察了HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響，結(jié)果如圖 4所示。

 圖 4 HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH₄⁺-N效果的影響

　　由圖 4可知，在DO控制在3.0mg/L時(shí)，隨著HRT的增加，COD和NH4+-N去除率逐漸上升。當(dāng)HRT為1h時(shí)，COD和NH4+-N去除率分別僅為55.6%和28.5%，這主要由于以下3個(gè)方面原因：(1)HRT過(guò)短，導(dǎo)致微生物不能完全分解代謝易降解的有機(jī)污染物質(zhì);(2)HRT過(guò)短，微生物沒(méi)有足夠的分解代謝時(shí)間，且硝化細(xì)菌相對(duì)于好氧異養(yǎng)菌對(duì)氧的競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)地位，導(dǎo)致NH4+-N去除率更低;(3)HRT過(guò)短，導(dǎo)致進(jìn)水量增加，造成對(duì)生物膜沖刷力增強(qiáng)，使一部分微生物隨水流失，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)此時(shí)的出水濁度明顯增加。當(dāng)HRT增加至6~8h時(shí)，COD去除率穩(wěn)定在90%以上，NH4+-N去除率穩(wěn)定在80%以上，可以保證出水的達(dá)標(biāo)排放。

　　2.2.2 DO對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響

　　在HRT為6h的條件下，考察了DO對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響，結(jié)果如圖 5所示。

 圖 5 DO對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH₄⁺-N效果的影響

　　由圖 5可以看出，隨著DO的增加，COD和NH4+-N去除率均先上升然后趨于一致。當(dāng)DO為1.0mg/L時(shí)，COD和NH4+-N去除率較低，這是因?yàn)樯�物膜反�?yīng)器內(nèi)DO不足，致使好氧異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌在分解代謝過(guò)程中缺乏電子受體，不能持續(xù)地降解有機(jī)污染物質(zhì)和氨氮。隨著DO的增加，生物膜反應(yīng)器對(duì)COD和NH4+-N的去除效果明顯增強(qiáng)，當(dāng)DO為4.0mg/L時(shí)，COD和NH4+-N去除率分別為90.2%和85.5%，這表明溶液中充足的DO可明顯促進(jìn)有機(jī)污染物的降解和氨氮的硝化。但是，過(guò)高的DO并不能顯著提高COD和NH4+-N去除效果，甚至?xí)�有所降低，這主要是由于當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定時(shí)，在一定的HRT條件下，生物膜反應(yīng)器內(nèi)的COD和NH4+-N負(fù)荷是一定的，而當(dāng)?shù)孜餄舛炔蛔儠r(shí)，提高DO不能顯著提高底物的去除效果;此外，過(guò)高的曝氣量對(duì)生物膜有較強(qiáng)的沖刷作用，會(huì)使有活性的生物膜隨出水流失。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須根據(jù)待處理廢水的水質(zhì)特點(diǎn)來(lái)探究最佳的HRT和DO濃度。具體參見(jiàn)http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)生物膜反應(yīng)器接種掛膜法和自然掛膜法的比較結(jié)果表明，采用自然掛膜法完全可以取得接種掛膜法的效果。在整個(gè)30 d的掛膜過(guò)程中，接種掛膜法在初期階段去除COD和NH4+-N的能力要強(qiáng)于自然掛膜法，但掛膜成熟后，2種掛膜方法的COD和NH4+-N去除率沒(méi)有明顯差異，表明生物膜反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)時(shí)，可不需要添加接種污泥，直接采用自然掛膜法即可。

　　(2)HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除有機(jī)污染物和氨氮有著重要影響。增加HRT，可顯著提高生物膜反應(yīng)器對(duì)COD和NH4+-N的去除效果。

　　(3)DO是影響生物膜反應(yīng)器去除有機(jī)污染物和氨氮的另一個(gè)重要因素。DO過(guò)低，會(huì)使微生物因缺乏電子受體而分解代謝緩慢，導(dǎo)致COD和NH4+-N去除率較低;溶液中充足的DO可明顯促進(jìn)有機(jī)污染物的降解和氨氮的硝化。但是，過(guò)高的DO并不能顯著提高COD和NH4+-N去除效果，甚至?xí)�有所降低�?/P>