隨著我國經濟的快速發展，城市生活污水和工業廢水的大量排放，大多數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，個別時段甚至達到3.0~4.0 mg·L-1[6].然而，現有以混凝-沉淀-過濾-消毒為代表的傳統凈水工藝對有機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中的二次繁殖，存在生物安全風險.因此，通過新工藝開發或現有工藝優化，控制有機物以及氮磷在水廠處理出水中的含量，是當前水質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，已經成為微污染水體強化凈化技術的重要發展方向.生物轉盤具有生物相分級、耐沖擊負荷能力強、污泥量少、動力消耗低、維護管理方便等優點[9~12]，在微污染水體的凈化處理中具有良好的推廣應用前景.目前，該技術作為預處理手段在日本、我國大陸和臺灣地區均有應用實例[13].與生物轉盤技術相比，平流式沉淀池具有相近的水力停留時間，但污染物去除功能相對單一.本文結合兩工藝自身特點，提出一體式生物凈化-沉淀技術，并通過實驗室小試研究，評價了該技術對微污染水體中有機物、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化處理和現有凈化工藝技術改造提供理論和技術支撐.

　　1 材料與方法

　　1.1 實驗用水

　　實驗用水均取自西安市主要供水水源黑河水庫，現場檢測水溫在14~17℃之間，其它各項水質指標如表 1所示.我國典型城市污水屬于低碳源污水，因此應投加外部碳源以滿足脫氮除磷的需要[14~17].實驗過程中通過投加一定數量的乙酸鈉(代表水源水體中難降解有機組分)調節系統進水中的有機組分含量.

　　表 1 原水水質

　　1.2 實驗裝置

　　實驗室所用一體化生物凈化-沉淀池如圖 1所示.其主體構造分上下兩個功能區，上部分為轉盤區，下部為沉淀區.轉盤區采用單軸單級的連接方式，轉盤直徑在100 mm左右，浸沒面積占盤片面積的40%.轉軸貫穿生物轉盤的形心，并固定在兩端支架上，轉速控制在3.0 r·min-1.實驗用水經混凝處理后進入一體化生物凈化-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的攪拌強度下反應1.0 min;而后，在50 r·min-1的攪拌強度下反應15 min.混凝出水在裝置上部與轉盤表面的生物膜接觸、吸附并最終凈化去除，轉盤區老化脫落的生物膜連同混凝絮體進入下部沉淀區，定期排放.

　　圖 1 實驗裝置流程示意

　　1.3 實驗方法

　　掛膜成功后，繼續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，改變進水中的總有機碳(TOC)含量，使其處于不同的濃度水平.每次調整系統進水中的有機物濃度后，留有1~2周的觀察期.待系統再次穩定后，連續監測出水濁度，以及TOC、總磷、氨氮和總氮含量，以評價系統對污染物的去除性能.

　　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、玻璃電極法和濁度計(HI93703-11，HANNA，意大利)測定;總有機碳(TOC)采用總有機碳分析儀(TOC-5000A，島津，日本)測定;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)測定;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)測定[18].

　　1.5 盤片的掛膜

　　本實驗采用直接掛膜的方式，利用河水作為掛膜用水.掛膜期間，維持進水水溫14~17℃，pH在7.0左右，生物轉盤轉速3.0 r·min-1，水力停留時間2.0 h的條件下，連續運行40 d后，轉盤表面形成一層構造均勻、薄且致密的生物膜，認為掛膜成功[7].在特定的進水水質條件和系統運行工況條件下，出水中殘留的污染物濃度相對穩定，后續特定有機負荷條件下所得有機組分、氨氮、總氮和濁度的殘留量和去除率數據，均為連續監測數據的平均值.

　　2 結果與討論 2.1 一體化生物凈化沉淀裝置對濁度的去除性能

　　濁度是水中反映顆粒物質量濃度的綜合指標.對于飲用水來說，濁度降低，水的色度、嗅味、有機物含量也相應降低[19].因此，出水濁度是沉淀池運行效果的重要評價依據.為考察一體化生物凈化沉淀裝置對混凝出水中懸浮顆粒的去除性能，本研究對裝置的進出水濁度進行了連續監測.以混凝出水作為裝置進水，混凝前向水中投加不同濃度的乙酸鈉調節系統的有機負荷，在不同有機負荷條件下，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，原水中有機負荷的增加對裝置出水中致濁物質的殘留并無明顯影響，出水濁度穩定在0.39 NTU左右.膜生物工藝對廢水濁度的去除主要是依靠附著生物膜對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、水力停留時間以及沉淀池的表面積有關.有機負荷的變化對上述因子并無直接影響.同時，貧營養狀態下盤片上附著的生物量并不大，進水有機負荷的變化也并未引起生物膜的大量脫落，這可能是系統對濁度具有穩定去除效率的主要原因.

　　圖 2 不同有機負荷下濁度的去除效果

　　2.2 一體化生物凈化裝置對營養物質的去除性能

　　2.2.1 TOC

　　與生活污水不同，天然水體中的有機組分含量低，可生物降解性能相對較差.本研究通過向混凝前的水中投加不同濃度的乙酸鈉(難降解有機組分)調節系統的有機負荷，以期所得研究結果可與實際情況相吻合. 圖 3為不同有機負荷條件下，一體化生物凈化裝置對水中有機組分的去除效果.從中可知，隨著系統進水有機負荷的增加，裝置處理出水中的TOC含量呈現一定程度的上升趨勢，但絕對增加量并不顯著.當系統有機負荷為0.1 g·(m2·d)-1時，處理出水中有機組分的殘留量(以TOC計，下同)為0.73 mg·L-1;當有機負荷增至0.46 g·(m2·d)-1時，有機組分的殘留量約為1.32 mg·L-1.這表明一體化生物凈化沉淀裝置對系統進水中的有機組分負荷波動具有一定的抗沖擊能力.這一性能從有機組分的去除率上觀察則更為明顯，即隨著系統進水有機負荷的增加，TOC的去除率呈現明顯的上升趨勢，由0.1 g·(m2·d)-1時的53.4%迅速增至82.0%，而后則相對穩定.這表明當進水有機負荷在0.27 g·(m2·d)-1以上時，系統的抗沖擊負荷能力開始出現下降.控制系統進水有機負荷在0.27 g·(m2·d)-1以下，有利于保證有機組分去除的穩定性.

　　圖 3 不同有機負荷下有機組分的去除效果

　　生物轉盤為微生物生長提供了穩定接觸面和較長的生長時間，形成了與低負荷環境相適應的難降解有機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境下，進行難降解有機組分的水解酸化、氧化降解或吸收利用，進而保證了系統在不同負荷下對有機組分的降解性能.在低負荷條件下，有機組分含量是限制微生物生長的重要因素之一.隨著進水有機組分含量的增加，改善了轉盤表面微生物的生長潛力和代謝活性，負荷增加對系統出水帶來的影響經過短暫的緩沖即可修復.但當進水有機負荷增至0.27 g·(m2·d)-1以上時，水中氮源相對不足，不利于新細胞的合成，可能是影響有機組分去除的制約因素.

　　2.2.2 NH4+-N和TN

　　本研究結果表明，進水氨氮濃度維持在0.63~0.71 mg·L-1，總氮維持在1.5~2.5 mg·L-1范圍內時，隨著有機負荷的增加，處理出水中氨氮的濃度一直在檢測限以下，平均去除率在95%以上.這說明轉盤對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組分相對較低，限制了異養菌的大量繁殖，以及轉盤為自養型的硝化菌或亞硝化菌提供了穩定接觸面有關.同時，在轉盤旋轉過程中，大氣中的溶解氧可及時進入生物膜[22]，為硝化反應提供充足的電子受體，進而保證了氨氮向亞硝態氮和硝態氮的轉化效率[7].

　　圖 4 不同有機負荷下氨氮和總氮的去除效果

　　反硝化則主要是由異養菌在缺氧環境中完成的，以有機物為電子受體和營養源，若有機組分含量不足，將抑制反硝化過程的進行[23].由圖 5可知，裝置出水中的硝酸鹽氮濃度隨進水有機負荷的變化出現一定波動.當進水有機負荷小于0.27 g·(m2·d)-1時，出水中硝酸鹽氮的濃度與進水有機負荷正相關;而當進水有機負荷在0.27 g·(m2·d)-1以上時，出水中的硝酸鹽氮濃度與進水有機負荷呈現負相關關系.這可能是由于碳源投加量較少時，反硝化菌與其他異養菌競爭有限碳源時更具優勢[7]，隨著有機負荷的增加，系統中異養微生物生長優勢則強于反硝化細菌，使處理出水中的硝酸鹽氮含量上升.

　　圖 5 不同有機負荷下硝酸鹽氮的去除效果

　　綜上分析可知，在低營養環境下，進水中有機負荷的增加在為反硝化細菌提供電子受體和營養源的前提下，并未使亞硝酸菌和硝酸菌成為劣勢菌群，限制氨氮向硝酸鹽氮的轉化.同時，不同有機負荷下氨氮和總氮有著相近的變化趨勢.這說明亞硝態氮和硝態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鍵因素.

　　2.2.3 TP

　　系統的除磷作用包括聚磷菌對磷的厭氧釋放和好氧吸收兩個過程.厭氧階段的釋磷過程有助于好氧階段對磷的過量吸收[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物含量[23].因此，進水有機負荷的變化對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，當進水有機負荷在0.27 g·(m2·d)-1以下時，TP去除率相對穩定，在67.4%~75.4%之間波動.而當進水有機負荷在0.27 g·(m2·d)-1以上時，TP的去除率呈顯著增加趨勢.當進水中有機負荷在0.46 g·(m2·d)-1時，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.對比相同條件下硝酸鹽氮的去除規律可知，反硝化菌和聚磷菌對有限碳源存在競爭關系[26].進水中有機組分含量的增加，提高了系統有機負荷，緩解了體系碳源不足的問題，進而提升了裝置對磷的去除能力.這與劉方婧等[27]研究A2O工藝對磷的去除性能的結論基本一致.

　　圖 6 不同有機負荷下TP的去除效

　　3 結論

　　本文將生物轉盤與平流沉淀池設計理念相結合，開發出一種一體式生物凈化沉淀工藝，實驗室研究結果表明，工藝對生物轉盤的設置以及進水有機負荷的變化并未對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定在0.39 NTU左右.同時，工藝對原水中的有機組分、氨氮、總氮和總磷均有一定的去除功能;當進水有機負荷在0.46 g·(m2·d)-1時，上述各項指標的去除率分別為81.4%、95.0%、21.1%和86.0%.隨著進水有機負荷的上升，工藝對總磷的去除性能略有增強，但反硝化過程將受到一定的影響，氨氮和有機組分的殘留量則相對穩定.表明工藝具有一定抗沖擊負荷能力，在低有機負荷條件下仍可實現有機物、氮磷以及致濁物質的同步去除;考慮到組合工藝具有結構緊湊、占地面積省，處理效果穩定等優點，在微污染水體的強化凈化處理中具有一定的應用前景.(來源及作者：西安建筑科技大學環境與市政工程學院 王文東、劉薈、馬翠、韓雨、常妮妮)