王 蕭，蔡 娟，馮 騫，肖玉冰，李 軍，盧瑩瑩

（1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098；3.浙江環(huán)科環(huán)境咨詢有限公司，浙江 杭州 310007）

隨著城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的高速發(fā)展，河道水質 惡化的日趨加重［1，2］，河道的修復治理逐漸受到人們的重視。近年來，人工濕地［3－5］、人工浮床［6，7］、生物膜技術［8，9］等是河道修復治理中經常采用的技術，作為原位生物處理技術人工濕地、人工浮床需要較大的空間和較長的HRT［10，11］。生物膜技術因污泥量少、實施簡便、運行靈活、占用空間少、HRT短等優(yōu)點［12－15］得到了較為廣泛的使用。姚磊等［16］在不同HRT下對污染河水處理的研究發(fā)現(xiàn)當DO為2～4mg/L、HRT為2h時取得較好的效果，但沒有研究DO為4～6mg/L時的結果；龔靈瀟等［17］采用SBBR對污染河水進行處理，比較了不同氣水比條件下的去除效果，但是對于停留時間沒有探討。戰(zhàn)楠等［18］采用 BAF－BAC組合工藝處理污染河水時，該工藝對TN的去除率僅20%。以上等人采用鼓風曝氣技術對生物膜進行供氧，能耗較高。為此，筆者針對城市受污染河水特點與生物膜技術的優(yōu)點開發(fā)了組合式生物膜裝置(新型公開號CN202968253U)，以期在提高系統(tǒng)脫氮效果的同時，降低系統(tǒng)的運行成本。本文以某市重污染城市河水為原水，開展了組合式生物膜裝置凈化污染河水的中試研究。通過現(xiàn)場中試，分析組合式生物膜裝置凈化污染河水的可行性，在此基礎上探討技術參數的優(yōu)化方案，為該技術的進一步推廣應用提供科學依據和支撐。

1 裝置、材料與方法

1.1 試驗裝置

組合式生物膜裝置由生物處理單元、回流單元、出水單元以及水泵等附屬設備組成，通過時間控制器控制調節(jié)水泵的啟動與關停，實現(xiàn)裝置間歇運行。裝置的工藝流程如圖1所示。

圖1 試驗裝置工藝流程圖Fig.1 Process Flow Diagram of Experimental Equipment

受污染河水經入水口輸入，然后順序流經厭氧池、缺氧池、蓄水回流池，之后由蓄水回流池內的水泵打入好氧池頂端。好氧池建于二沉池之上，其出水呈S型逐級虹吸跌落至底端二沉池。二沉池的一部分出水流入蓄水回流池，隨蓄水回流池內水位的升高，回流至缺氧池，完成一個循環(huán)；另一部分出水經斜管沉淀后排入清水池，最后由出水口排出，完成受污染河水的治理過程。

試驗裝置為處理能力60m3/d的組合式生物膜裝置，如圖2所示(箭頭代表水流方向)。裝置總高為2.5 m，其中厭氧池、缺氧池、蓄水回流池、二沉池、清水池均采用鋼板焊接而成，各池的體積分別為3.2、1.1、2.6、3.0、2.6m3，另外體積為4.3m3的多級好氧池采用硬質塑料板粘接而成。組合式生物膜裝置中厭氧池和缺氧池內設置束狀彈性填料，填充率為35% ～45%；多級好氧池采用勢能增氧原理［19］，該池分4層設置，層與層之間用不透水硬質塑料板隔開，每層高度為50 cm，內填加直徑為25mm的球形填料，填充率為90%。

圖2 試驗裝置照片F(xiàn)ig.2 Photo of Experimental Equipment

1.2 試驗材料

表1 組合式生物膜裝置進水水質Tab.1 Water Quality of Influence

1.3 試驗過程

試驗分裝置啟動和穩(wěn)定運行2個階段。從1 d到第16 d為啟動期，采用自然掛膜啟動，啟動期多級好氧池水力停留時間(M－HRT)控制在35min。隨著裝置的運行，系統(tǒng)對污染物去除效果逐漸提高，至第16 d裝置對COD、－N去除率已分別達到80%、70%以上，可認為啟動成功。第16 d到第106 d為穩(wěn)定運行期，主要通過改變進水泵的啟閉時間間隔，調整M－HRT，考察組合式生物膜裝置凈化污染河水的效果，比較多級好氧池不同的HRT對處理效果的影響，在此基礎上對系統(tǒng)凈化污染河水的可行性和效果進行分析，對主要運行參數進行優(yōu)化。7月16日～8月16日，M－HRT仍維持在35min；8月16日～9月21日，M－HRT調整為17.5min；9月21日 ～10月 25日，M－HRT進一步調整為26.25min。

在運行過程中定期監(jiān)測裝置的進、出水水質，分析裝置DO差異，考察多級好氧池填料上生物膜量。

1.4 分析方法

2 裝置對污染物的降解效果

圖3為M－HRT在17.5～35min時，組合式生物膜對COD、－N和TN的去除效果。

圖3 不同的M－HRT對污染物去除效果Fig.3 Effect of Pollutants Removal by Combined Biofilm Device at Different M－HRT

由圖3可知試驗進水條件下，M－HRT在17.5～35min時，該裝置對COD、－N和TN去除率分別可達80%、62%和22%以上；出水中 COD、－N和TN濃度分別在30、8和15mg/L以下，出水水質達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準要求。在8月16日和9月21日出水水質出現(xiàn)惡化，去除率也出現(xiàn)降低，主要原因在于運行參數的調整對裝置的運行造成了一定的沖擊，導致出水水質惡化。4～6 d之后，隨著裝置逐步適應該工況，去除率基本恢復到穩(wěn)定，裝置表現(xiàn)出較強的適應性。此外，8月4日COD與－N的出水濃度出現(xiàn)了較大的升高，這主要是由于7月31日裝置出現(xiàn)故障，蓄水回流池內水位升高，使得蓄水回流池內部分水體進入二沉池，導致出水濃度上升。

3 不同M-HRT對裝置運行效果的影響

M－HRT是系統(tǒng)設計和運行中的重要參數，對系統(tǒng)的運行效果和能耗均有較大影響。為此，筆者進一步分析了不同M－HRT對污染物去除效果、復氧效果和微生物附著狀況的影響。

3.1 不同的M-HRT對污染物去除效果的影響

圖3(d)表明了組合式生物膜裝置在不同MHRT下對污染物的去除效果。由圖可知在M－HRT為17.5min時，該裝置對COD、－N和 TN的平均去除率分別達到80.1%、63.6%和22.0%；HRT增加到26.25min時，COD、－N和TN平均去除率分別升高到85.4%、73.3%和25.0%；進一步增大HRT到35min時，COD、－N和TN平均去除率進一步增加到86.8%、77.9%和23.7%。由此可知隨著M－HRT的增大，系統(tǒng)對COD、－N的平均去除率逐漸升高，TN的平均去除率則表現(xiàn)為先升高后降低的規(guī)律。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是由于對COD、－N的去除主要在多級好氧池內實現(xiàn)，隨著M－HRT的增加，水中污染物質與生物膜接觸時間增加，從而使去除率上升；對TN的去除主要是在缺氧池中進行，隨著HRT的增加，多級好氧池出水中DO增加(如圖4所示)，DO增大到一定程度，導致回流液中DO過高，使缺氧池中反硝化反應受到抑制造成的［18］。此外，由于試驗選取的受污染河水碳氮比較低［22］，影響反硝化過程，導致總氮去除率不高。

圖4 不同M－HRT下出水中DO的變化Fig.4 Concentration of DO at Different M－HRT

3.2 不同的M-HRT對復氧效果的影響

為了從DO利用和微生物增殖角度進一步解讀系統(tǒng)運行參數對裝置運行效果的影響，筆者監(jiān)測了多級好氧池內不同HRT下出水中DO和填料上的微生物量。

由圖4可知各工況下多級好氧池出水中DO的平均濃度均在4mg/L以上，且出水中DO隨著MHRT的增大而增加。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于多級好氧池內水流自多級好氧池頂部沿S形線路交替通過多級好氧池兩端的虹吸管逐層流下，在水流跌落的過程中進行虹吸跌水復氧，虹吸作用吸凈床內水后，使該層的填料暴露在空氣中，填料表面的生物膜通過表面的水膜與空氣接觸，進行大氣復氧。M－HRT代表著水流在多級好氧池內的循環(huán)次數，停留時間越長，循環(huán)次數越多，水中 DO越高［23］。

3.3 不同的 M-HRT對填料掛膜效果的影響

表2表明不同M－HRT對填料表面生物膜特征的影響。

表2 不同M－HRT下生物膜特征Tab.2 Biofilm Characteristics at Different M－HRT

由表2可知生物量隨著M－HRT的增大而增大。在組合式生物膜裝置的一個運行周期內，水流從多級好氧池的頂部間歇循環(huán)的跌流至底部的二沉池中，調整M－HRT是通過控制水流在多級好氧池內的循環(huán)次數來實現(xiàn)的，循環(huán)次數越多，停留時間越長，由于在循環(huán)的過程中水流均是從同一高度跌落，所以每次循環(huán)對生物膜的水流剪切作用基本是相同的。M－HRT增加表現(xiàn)在一個運行周期里多級好氧池內的水流循環(huán)次數增多，循環(huán)周期內微生物與底物的反應時間增加，從水中獲得的營養(yǎng)物質和DO增多，同時水流剪切作用的刺激，均有利于生物膜增長；隨著時間的推移，生物膜逐漸趨于老化脫落，循環(huán)周期內水流剪切能量的增加促進生物膜的脫落更新。以上各因素共同促進生物膜的生長、脫落與更新。此外隨著M－HRT的增加，生物膜厚度、生物膜空隙率均在增大。對于生物膜來說，生物量的增加體現(xiàn)于生物膜的增厚［24］，水流剪切作用的刺激以及向膜內側傳質的需要，促進生物膜空穴的形成以及膜孔隙率的增加。圖5是不同M－HRT下生物膜表面SEM觀察圖，依次是好氧池HRT為17.5、26.25和35min時多級好氧池內填料上生長的生物膜，由圖可知多級好氧池當HRT為26.25和35min時，生物膜質地較均勻，孔隙大而明顯。較大的空隙有利于向生物膜內部傳遞營養(yǎng)物質和氧氣，促進生物膜內部進行好氧呼吸作用。當HRT為17.5min時，生物膜表面致密，在放大1000倍的情況下基本看不到明顯的大孔隙，影響了營養(yǎng)物質和DO向生物膜內部擴散。

圖5 不同M－HRT下生物膜表面SEM觀察圖Fig.5 SEM Analysis of Biofilm at Different M－HRT

4 不同M-HRT對運行成本的影響

圖6展示了不同M－HRT下組合式生物膜裝置對污染物去除效果與能耗的相關性。其中以MHRT為17.5min時組合生物膜裝置對污染物的去除效果和能耗情況作為增幅計算基期量(其中電價以0.6元/度計)。

圖6 不同M－HRT下污染物去除效果與能耗相關性Fig.6 Correlation between Pollutants Removal Performance and Energy Consumption at Different M－HRT

5 結論

(1)在M－HRT為35min下運行時，該裝置對COD、－N和 TN的平均去除率達到86.8%、77.9%和23.7%；在M－HRT為17.5min下運行時，該裝置對COD、－N和 TN的平均去除率達到80.1%、63.6%和22.0%；在M－HRT為26.25min下運行，該裝置對COD、－N和TN的平均去除率達到85.4%、73.3%和25.0%。

(2)組合式生物膜裝置在M－HRT為26.25min時，處理效果較好，運行成本較低。

(3)本組合式生物膜裝置，不僅利用了虹吸現(xiàn)象與大氣復氧現(xiàn)象進行曝氣，而且利用二沉池、蓄水回流池、缺氧池之間的高位差實現(xiàn)自動的蓄水回流；還利用了不同填料的特性，解決了填料堵塞的問題；結合厭氧、缺氧、好氧，由進水過濾單元、生物處理單元、回流單元和出水單元四部分組成，結構簡單緊湊，占地面積小，易于實施和維護，前期投資小，無放大問題，運行費用低，經對中試現(xiàn)場的總用電量進行核算，運行成本低至0.05元/t左右(若電費按每kW·h為0.6元計)；構建在地表水體旁邊，不破壞原有的河道景觀，可將受污染缺氧地表水中的DO提高到3mg/L以上，水質得到極大提升。

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