近年來，我國污水處理工程項目發(fā)展迅速，對防治水環(huán)境質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)的污水處理設施建設嚴重滯后，這對水污染防治工作提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，特別是面源污染治理。集中式污水處理系統(tǒng)投資大、運行管理費用高，并不適合鄉(xiāng)鎮(zhèn)或工業(yè)園區(qū)等級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〔1, 2〕。為此，為全面防控水環(huán)境質量進一步惡化，研發(fā)適合于小型生活污水處理系統(tǒng)的設施或設備(主要用于有機污染物和氨氮的去除)已非常緊迫。
自19世紀末期生物濾池在英國問世以來，生物膜法在污水處理方面的應用受到廣泛關注，特別是在小型生活污水處理領域〔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〔5, 6, 7〕：(1)微生物呈多樣性，生物量豐富，處理能力強;(2)污泥沉降性能好，剩余污泥量少;(3)受水質、水量變化影響小，耐沖擊;(4)具有較強的吸附過濾性能;(5)易于管理，運行成本低。基于上述優(yōu)點，近年來國內外諸多學者對生物膜法進行了深入研究〔8, 9, 10, 11〕，主要包括新型生物膜填料的研發(fā)、微生物的生長規(guī)律、污染物質和溶解氧在生物膜內的傳質過程以及生物膜反應器研發(fā)與設計等，而針對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〕時發(fā)現(xiàn)：生物膜掛膜過程和生物膜反應器工程運行參數(shù)對處理效果有著顯著影響。
為此，本研究對比分析了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;同時對影響生物膜反應器運行的2個主要工況參數(shù)HRT和DO進行了考察，探究最佳的運行工況，以期為小型生活污水處理和生物膜反應器的推廣應用提供借鑒。
1 材料與方法
1.1 生物膜反應器
本研究采用2套完全相同的生物膜反應器(見圖 1)開展對比試驗。生物膜反應器由PVC材質加工制作，總高度140cm，填料層高度100cm，填料層下部8cm處設置支撐層，填料層上部15cm處安裝液位計。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處設置一個采樣口。生物膜反應器出水進入澄清池，經(jīng)澄清后部分用于填料層反沖洗;反沖洗程序為曝氣沖(3min)、曝氣和水沖(5min)、水沖(8min)，反沖洗周期為96h。
?圖 1 生物膜反應器
1.2 試驗廢水
試驗廢水采用模擬生活廢水，試驗廢水組成：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，營養(yǎng)液0.30mL/L。營養(yǎng)液組成：Na2MoO4·2H2O 0.06g/L，ZnSO4·7H2O 0.12g/L，CoCl2·6H2O 0.15g/L，EDTA 10.00g/L。進水中COD為282~299mg/L，NH4+-N為43.2~49.6mg/L。
1.3 試驗設計
1.3.1 生物膜反應器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)，然后將生物膜反應器內活性污泥和廢水的混合物排空，通入試驗廢水。
自然掛膜法：與接種掛膜法同時通入試驗廢水即可。
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個生物膜反應器出水水樣，測定其COD和NH4+-N濃度。
1.3.2 生物膜反應器主要影響因素研究
在生物膜反應器掛膜成熟后，開展HRT和DO 2個主要影響因素研究。HRT的設計水平為1、2、3、4、5、6、7、8h;DO的設計水平為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的測定采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009);COD的測定采用密閉回流滴定法(APHA 2005);pH的測定采用玻璃電極法(GB/T 6920—1986)。
圖形繪制采用Microsoft Office Visio 2003軟件;數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Origin 8.5軟件。
2 結果與討論
2.1 自然掛膜法與接種掛膜法的比較
在整個30 d的掛膜試驗期間，進行了接種掛膜法和自然掛膜法的比較，結果分別見圖 2和圖 3。
?圖 2 接種掛膜法和自然掛膜法進出水COD的變化
由圖 2和圖 3可知，對于接種掛膜法，經(jīng)過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個方面原因：(1)接種掛膜開始階段，微生物量少且沒有完全適應試驗水質;(2)接種掛膜法開始階段的悶曝過程使填料表面附著有一定的微生物，這些微生物的生長繁殖消耗掉部分有機污染物，致使其COD去除效果要好于自然掛膜法。隨著掛膜時間的增加，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%，出水水質穩(wěn)定。
?圖 3 接種掛膜法和自然掛膜法進出水NH4+-N的變化
在生物膜反應器接種掛膜階段，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。這主要由于硝化細菌相對于好氧異養(yǎng)菌對氧的競爭處于劣勢地位，其增長速度也較慢，只有當易降解的有機污染物被去除后，硝化細菌才能成為優(yōu)勢菌群。
與接種掛膜法相比，自然掛膜法在開始階段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，要達到接種掛膜法中COD和NH4+-N的去除效果，則需要更長的時間(但在生物膜反應器實際應用中，實際生活污水中懸浮物濃度較高，會加快自然掛膜過程)。隨著自然掛膜生物膜的增長，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，當掛膜成熟時，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%，這表明生物膜反應器掛膜啟動時，可不需要添加接種污泥，直接采用自然掛膜法即可。
2.2 生物膜反應器主要影響因素研究
2.2.1 HRT對生物膜反應器去除COD和NH4+-N效果的影響
在DO為3.0mg/L的條件下，考察了HRT對生物膜反應器去除COD和NH4+-N效果的影響，結果如圖 4所示。
?圖 4 HRT對生物膜反應器去除COD和NH4+-N效果的影響
由圖 4可知，在DO控制在3.0mg/L時，隨著HRT的增加，COD和NH4+-N去除率逐漸上升。當HRT為1h時，COD和NH4+-N去除率分別僅為55.6%和28.5%，這主要由于以下3個方面原因：(1)HRT過短，導致微生物不能完全分解代謝易降解的有機污染物質;(2)HRT過短，微生物沒有足夠的分解代謝時間，且硝化細菌相對于好氧異養(yǎng)菌對氧的競爭處于劣勢地位，導致NH4+-N去除率更低;(3)HRT過短，導致進水量增加，造成對生物膜沖刷力增強，使一部分微生物隨水流失，試驗中發(fā)現(xiàn)此時的出水濁度明顯增加。當HRT增加至6~8h時，COD去除率穩(wěn)定在90%以上，NH4+-N去除率穩(wěn)定在80%以上，可以保證出水的達標排放。
2.2.2 DO對生物膜反應器去除COD和NH4+-N效果的影響
在HRT為6h的條件下，考察了DO對生物膜反應器去除COD和NH4+-N效果的影響，結果如圖 5所示。
?圖 5 DO對生物膜反應器去除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DO為1.0mg/L時，COD和NH4+-N去除率較低，這是因為生物膜反應器內DO不足，致使好氧異養(yǎng)菌和硝化細菌在分解代謝過程中缺乏電子受體，不能持續(xù)地降解有機污染物質和氨氮。隨著DO的增加，生物膜反應器對COD和NH4+-N的去除效果明顯增強，當DO為4.0mg/L時，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可明顯促進有機污染物的降解和氨氮的硝化。但是，過高的DO并不能顯著提高COD和NH4+-N去除效果，甚至會有所降低，這主要是由于當進水水質穩(wěn)定時，在一定的HRT條件下，生物膜反應器內的COD和NH4+-N負荷是一定的，而當?shù)孜餄舛炔蛔儠r，提高DO不能顯著提高底物的去除效果;此外，過高的曝氣量對生物膜有較強的沖刷作用，會使有活性的生物膜隨出水流失。因此，在實際應用中，必須根據(jù)待處理廢水的水質特點來探究最佳的HRT和DO濃度。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
3 結論
(1)生物膜反應器接種掛膜法和自然掛膜法的比較結果表明，采用自然掛膜法完全可以取得接種掛膜法的效果。在整個30 d的掛膜過程中，接種掛膜法在初期階段去除COD和NH4+-N的能力要強于自然掛膜法，但掛膜成熟后，2種掛膜方法的COD和NH4+-N去除率沒有明顯差異，表明生物膜反應器掛膜啟動時，可不需要添加接種污泥，直接采用自然掛膜法即可。
(2)HRT對生物膜反應器去除有機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器對COD和NH4+-N的去除效果。
(3)DO是影響生物膜反應器去除有機污染物和氨氮的另一個重要因素。DO過低，會使微生物因缺乏電子受體而分解代謝緩慢，導致COD和NH4+-N去除率較低;溶液中充足的DO可明顯促進有機污染物的降解和氨氮的硝化。但是，過高的DO并不能顯著提高COD和NH4+-N去除效果，甚至會有所降低。
