隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市生活污水和工業(yè)廢水的大量排放，大多數(shù)飲用水源均受到了不同程度的污染[1].氮、磷污染已成為破壞水體環(huán)境的主要因素之一，生物脫氮除磷越來越受到人們的重視[2~5].以氨氮為例，其在地表水中的濃度在枯水期一般在1.0 mg·L-1以上，個(gè)別時(shí)段甚至達(dá)到3.0~4.0 mg·L-1[6].然而，現(xiàn)有以混凝-沉淀-過濾-消毒為代表的傳統(tǒng)凈水工藝對(duì)有機(jī)物和氨氮等溶解性污染物的去除效果十分有限[7, 8]，易引起微生物在管網(wǎng)中的二次繁殖，存在生物安全風(fēng)險(xiǎn).因此，通過新工藝開發(fā)或現(xiàn)有工藝優(yōu)化，控制有機(jī)物以及氮磷在水廠處理出水中的含量，是當(dāng)前水質(zhì)凈化面臨的主要問題之一[1].將生物法用于飲用水凈化過程，已經(jīng)成為微污染水體強(qiáng)化凈化技術(shù)的重要發(fā)展方向.生物轉(zhuǎn)盤具有生物相分級(jí)、耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、污泥量少、動(dòng)力消耗低、維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)[9~12]，在微污染水體的凈化處理中具有良好的推廣應(yīng)用前景.目前，該技術(shù)作為預(yù)處理手段在日本、我國大陸和臺(tái)灣地區(qū)均有應(yīng)用實(shí)例[13].與生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)相比，平流式沉淀池具有相近的水力停留時(shí)間，但污染物去除功能相對(duì)單一.本文結(jié)合兩工藝自身特點(diǎn)，提出一體式生物凈化-沉淀技術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)室小試研究，評(píng)價(jià)了該技術(shù)對(duì)微污染水體中有機(jī)物、氨氮、總氮、總磷以及濁度的綜合去除性能，以期為微污染源水的強(qiáng)化處理和現(xiàn)有凈化工藝技術(shù)改造提供理論和技術(shù)支撐.

　　1 材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)用水

　　實(shí)驗(yàn)用水均取自西安市主要供水水源黑河水庫，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)水溫在14~17℃之間，其它各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)如表 1所示.我國典型城市污水屬于低碳源污水，因此應(yīng)投加外部碳源以滿足脫氮除磷的需要[14~17].實(shí)驗(yàn)過程中通過投加一定數(shù)量的乙酸鈉(代表水源水體中難降解有機(jī)組分)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)水中的有機(jī)組分含量.

　　表 1 原水水質(zhì)

　　1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)室所用一體化生物凈化-沉淀池如圖 1所示.其主體構(gòu)造分上下兩個(gè)功能區(qū)，上部分為轉(zhuǎn)盤區(qū)，下部為沉淀區(qū).轉(zhuǎn)盤區(qū)采用單軸單級(jí)的連接方式，轉(zhuǎn)盤直徑在100 mm左右，浸沒面積占盤片面積的40%.轉(zhuǎn)軸貫穿生物轉(zhuǎn)盤的形心，并固定在兩端支架上，轉(zhuǎn)速控制在3.0 r·min-1.實(shí)驗(yàn)用水經(jīng)混凝處理后進(jìn)入一體化生物凈化-沉淀裝置.混凝條件如下：原水投加5.0 mg·L-1的聚合氯化鋁(PACl)后，在200 r·min-1的攪拌強(qiáng)度下反應(yīng)1.0 min;而后，在50 r·min-1的攪拌強(qiáng)度下反應(yīng)15 min.混凝出水在裝置上部與轉(zhuǎn)盤表面的生物膜接觸、吸附并最終凈化去除，轉(zhuǎn)盤區(qū)老化脫落的生物膜連同混凝絮體進(jìn)入下部沉淀區(qū)，定期排放.

　　圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置流程示意

　　1.3 實(shí)驗(yàn)方法

　　掛膜成功后，繼續(xù)維持原水中的總磷和氨氮濃度分別在0.20~0.24 mg·L-1和0.64~0.70 mg·L-1，通過投加乙酸鈉，改變進(jìn)水中的總有機(jī)碳(TOC)含量，使其處于不同的濃度水平.每次調(diào)整系統(tǒng)進(jìn)水中的有機(jī)物濃度后，留有1~2周的觀察期.待系統(tǒng)再次穩(wěn)定后，連續(xù)監(jiān)測(cè)出水濁度，以及TOC、總磷、氨氮和總氮含量，以評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)污染物的去除性能.

　　1.4 分析方法

　　裝置出水的溫度、pH和濁度分別采用水銀溫度計(jì)、玻璃電極法和濁度計(jì)(HI93703-11，HANNA，意大利)測(cè)定;總有機(jī)碳(TOC)采用總有機(jī)碳分析儀(TOC-5000A，島津，日本)測(cè)定;氨氮和總氮分別采用納氏試劑分光光度法和堿性過硫酸鉀消解分光光度法(普析TU-1901紫外可見分光光度計(jì))測(cè)定;總磷采用鉬酸銨分光光度法(普析TU-1901紫外可見分光光度計(jì))測(cè)定[18].

　　1.5 盤片的掛膜

　　本實(shí)驗(yàn)采用直接掛膜的方式，利用河水作為掛膜用水.掛膜期間，維持進(jìn)水水溫14~17℃，pH在7.0左右，生物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速3.0 r·min-1，水力停留時(shí)間2.0 h的條件下，連續(xù)運(yùn)行40 d后，轉(zhuǎn)盤表面形成一層構(gòu)造均勻、薄且致密的生物膜，認(rèn)為掛膜成功[7].在特定的進(jìn)水水質(zhì)條件和系統(tǒng)運(yùn)行工況條件下，出水中殘留的污染物濃度相對(duì)穩(wěn)定，后續(xù)特定有機(jī)負(fù)荷條件下所得有機(jī)組分、氨氮、總氮和濁度的殘留量和去除率數(shù)據(jù)，均為連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的平均值.

　　2 結(jié)果與討論 2.1 一體化生物凈化沉淀裝置對(duì)濁度的去除性能

　　濁度是水中反映顆粒物質(zhì)量濃度的綜合指標(biāo).對(duì)于飲用水來說，濁度降低，水的色度、嗅味、有機(jī)物含量也相應(yīng)降低[19].因此，出水濁度是沉淀池運(yùn)行效果的重要評(píng)價(jià)依據(jù).為考察一體化生物凈化沉淀裝置對(duì)混凝出水中懸浮顆粒的去除性能，本研究對(duì)裝置的進(jìn)出水濁度進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè).以混凝出水作為裝置進(jìn)水，混凝前向水中投加不同濃度的乙酸鈉調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷，在不同有機(jī)負(fù)荷條件下，沉淀出水中濁度的殘留量和去除效率如圖 2所示.從中可知，原水中有機(jī)負(fù)荷的增加對(duì)裝置出水中致濁物質(zhì)的殘留并無明顯影響，出水濁度穩(wěn)定在0.39 NTU左右.膜生物工藝對(duì)廢水濁度的去除主要是依靠附著生物膜對(duì)懸浮物和膠體的物理截留作用以及吸附、絮凝和降解作用[20, 21].依據(jù)固體微粒絮凝沉淀理論，其在出水中的殘留量主要與水溫、水力停留時(shí)間以及沉淀池的表面積有關(guān).有機(jī)負(fù)荷的變化對(duì)上述因子并無直接影響.同時(shí)，貧營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下盤片上附著的生物量并不大，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的變化也并未引起生物膜的大量脫落，這可能是系統(tǒng)對(duì)濁度具有穩(wěn)定去除效率的主要原因.

　　圖 2 不同有機(jī)負(fù)荷下濁度的去除效果

　　2.2 一體化生物凈化裝置對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的去除性能

　　2.2.1 TOC

　　與生活污水不同，天然水體中的有機(jī)組分含量低，可生物降解性能相對(duì)較差.本研究通過向混凝前的水中投加不同濃度的乙酸鈉(難降解有機(jī)組分)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷，以期所得研究結(jié)果可與實(shí)際情況相吻合. 圖 3為不同有機(jī)負(fù)荷條件下，一體化生物凈化裝置對(duì)水中有機(jī)組分的去除效果.從中可知，隨著系統(tǒng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的增加，裝置處理出水中的TOC含量呈現(xiàn)一定程度的上升趨勢(shì)，但絕對(duì)增加量并不顯著.當(dāng)系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷為0.1 g·(m2·d)-1時(shí)，處理出水中有機(jī)組分的殘留量(以TOC計(jì)，下同)為0.73 mg·L-1;當(dāng)有機(jī)負(fù)荷增至0.46 g·(m2·d)-1時(shí)，有機(jī)組分的殘留量約為1.32 mg·L-1.這表明一體化生物凈化沉淀裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)水中的有機(jī)組分負(fù)荷波動(dòng)具有一定的抗沖擊能力.這一性能從有機(jī)組分的去除率上觀察則更為明顯，即隨著系統(tǒng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的增加，TOC的去除率呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，由0.1 g·(m2·d)-1時(shí)的53.4%迅速增至82.0%，而后則相對(duì)穩(wěn)定.這表明當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷在0.27 g·(m2·d)-1以上時(shí)，系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力開始出現(xiàn)下降.控制系統(tǒng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷在0.27 g·(m2·d)-1以下，有利于保證有機(jī)組分去除的穩(wěn)定性.

　　圖 3 不同有機(jī)負(fù)荷下有機(jī)組分的去除效果

　　生物轉(zhuǎn)盤為微生物生長(zhǎng)提供了穩(wěn)定接觸面和較長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間，形成了與低負(fù)荷環(huán)境相適應(yīng)的難降解有機(jī)組分的生物降解群落.微生物在好氧、缺氧和厭氧交替存在的環(huán)境下，進(jìn)行難降解有機(jī)組分的水解酸化、氧化降解或吸收利用，進(jìn)而保證了系統(tǒng)在不同負(fù)荷下對(duì)有機(jī)組分的降解性能.在低負(fù)荷條件下，有機(jī)組分含量是限制微生物生長(zhǎng)的重要因素之一.隨著進(jìn)水有機(jī)組分含量的增加，改善了轉(zhuǎn)盤表面微生物的生長(zhǎng)潛力和代謝活性，負(fù)荷增加對(duì)系統(tǒng)出水帶來的影響經(jīng)過短暫的緩沖即可修復(fù).但當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷增至0.27 g·(m2·d)-1以上時(shí)，水中氮源相對(duì)不足，不利于新細(xì)胞的合成，可能是影響有機(jī)組分去除的制約因素.

　　2.2.2 NH4+-N和TN

　　本研究結(jié)果表明，進(jìn)水氨氮濃度維持在0.63~0.71 mg·L-1，總氮維持在1.5~2.5 mg·L-1范圍內(nèi)時(shí)，隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，處理出水中氨氮的濃度一直在檢測(cè)限以下，平均去除率在95%以上.這說明轉(zhuǎn)盤對(duì)水中氨氮具有良好的硝化性能(圖 4).這可能與原水中的有機(jī)組分相對(duì)較低，限制了異養(yǎng)菌的大量繁殖，以及轉(zhuǎn)盤為自養(yǎng)型的硝化菌或亞硝化菌提供了穩(wěn)定接觸面有關(guān).同時(shí)，在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)過程中，大氣中的溶解氧可及時(shí)進(jìn)入生物膜[22]，為硝化反應(yīng)提供充足的電子受體，進(jìn)而保證了氨氮向亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化效率[7].

　　圖 4 不同有機(jī)負(fù)荷下氨氮和總氮的去除效果

　　反硝化則主要是由異養(yǎng)菌在缺氧環(huán)境中完成的，以有機(jī)物為電子受體和營(yíng)養(yǎng)源，若有機(jī)組分含量不足，將抑制反硝化過程的進(jìn)行[23].由圖 5可知，裝置出水中的硝酸鹽氮濃度隨進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的變化出現(xiàn)一定波動(dòng).當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷小于0.27 g·(m2·d)-1時(shí)，出水中硝酸鹽氮的濃度與進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷正相關(guān);而當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷在0.27 g·(m2·d)-1以上時(shí)，出水中的硝酸鹽氮濃度與進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系.這可能是由于碳源投加量較少時(shí)，反硝化菌與其他異養(yǎng)菌競(jìng)爭(zhēng)有限碳源時(shí)更具優(yōu)勢(shì)[7]，隨著有機(jī)負(fù)荷的增加，系統(tǒng)中異養(yǎng)微生物生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)則強(qiáng)于反硝化細(xì)菌，使處理出水中的硝酸鹽氮含量上升.

　　圖 5 不同有機(jī)負(fù)荷下硝酸鹽氮的去除效果

　　綜上分析可知，在低營(yíng)養(yǎng)環(huán)境下，進(jìn)水中有機(jī)負(fù)荷的增加在為反硝化細(xì)菌提供電子受體和營(yíng)養(yǎng)源的前提下，并未使亞硝酸菌和硝酸菌成為劣勢(shì)菌群，限制氨氮向硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化.同時(shí)，不同有機(jī)負(fù)荷下氨氮和總氮有著相近的變化趨勢(shì).這說明亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮在體系中有一定的殘留，反硝化過程是影響總氮去除的關(guān)鍵因素.

　　2.2.3 TP

　　系統(tǒng)的除磷作用包括聚磷菌對(duì)磷的厭氧釋放和好氧吸收兩個(gè)過程.厭氧階段的釋磷過程有助于好氧階段對(duì)磷的過量吸收[24, 25]，而在厭氧階段能否充分釋磷很大程度上取決于可供利用的有機(jī)物含量[23].因此，進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的變化對(duì)總磷在生物凈化沉淀裝置中的去除效率也將存在一定的影響.由圖 6可知，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷在0.27 g·(m2·d)-1以下時(shí)，TP去除率相對(duì)穩(wěn)定，在67.4%~75.4%之間波動(dòng).而當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷在0.27 g·(m2·d)-1以上時(shí)，TP的去除率呈顯著增加趨勢(shì).當(dāng)進(jìn)水中有機(jī)負(fù)荷在0.46 g·(m2·d)-1時(shí)，凈化出水中TP的殘留量約為0.029 mg·L-1，去除率在85.9%左右.對(duì)比相同條件下硝酸鹽氮的去除規(guī)律可知，反硝化菌和聚磷菌對(duì)有限碳源存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[26].進(jìn)水中有機(jī)組分含量的增加，提高了系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷，緩解了體系碳源不足的問題，進(jìn)而提升了裝置對(duì)磷的去除能力.這與劉方婧等[27]研究A2O工藝對(duì)磷的去除性能的結(jié)論基本一致.

　　圖 6 不同有機(jī)負(fù)荷下TP的去除效

　　3 結(jié)論

　　本文將生物轉(zhuǎn)盤與平流沉淀池設(shè)計(jì)理念相結(jié)合，開發(fā)出一種一體式生物凈化沉淀工藝，實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果表明，工藝對(duì)生物轉(zhuǎn)盤的設(shè)置以及進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的變化并未對(duì)沉淀池原有的懸浮物去除功能存在顯著影響，出水中濁度的殘留量穩(wěn)定在0.39 NTU左右.同時(shí)，工藝對(duì)原水中的有機(jī)組分、氨氮、總氮和總磷均有一定的去除功能;當(dāng)進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷在0.46 g·(m2·d)-1時(shí)，上述各項(xiàng)指標(biāo)的去除率分別為81.4%、95.0%、21.1%和86.0%.隨著進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷的上升，工藝對(duì)總磷的去除性能略有增強(qiáng)，但反硝化過程將受到一定的影響，氨氮和有機(jī)組分的殘留量則相對(duì)穩(wěn)定.表明工藝具有一定抗沖擊負(fù)荷能力，在低有機(jī)負(fù)荷條件下仍可實(shí)現(xiàn)有機(jī)物、氮磷以及致濁物質(zhì)的同步去除;考慮到組合工藝具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積省，處理效果穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在微污染水體的強(qiáng)化凈化處理中具有一定的應(yīng)用前景.(來源及作者：西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 王文東、劉薈、馬翠、韓雨、常妮妮)