近年來，我國污水處理工程項目發展迅速，對防治水環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，而一些鄉鎮或工業園區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，特別是面源污染治理。集中式污水處理系統投資大、運行管理費用高，并不適合鄉鎮或工業園區等級別的分散式污水處理系統(也稱之為小型生活污水處理系統)建設〔1, 2〕。為此，為全面防控水環境質量進一步惡化，研發適合于小型生活污水處理系統的設施或設備(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〕。與傳統的活性污泥法相比，生物膜法具有明顯的優點〔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、微生物的生長規律、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與設計等，而針對生物膜掛膜方法和工程參數的研究較少。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〕時發現：生物膜掛膜過程和生物膜反應器工程運行參數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，FeCl3·6H2O 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，營養液0.30mL/L。營養液組成：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：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;數據統計分析采用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去除率穩定在85%左右，最高為86.9%，出水水質穩定。
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，試驗中發現此時的出水濁度明顯增加。當HRT增加至6~8h時，COD去除率穩定在90%以上，NH4+-N去除率穩定在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，致使好氧異養菌和硝化細菌在分解代謝過程中缺乏電子受體，不能持續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，而當底物濃度不變時，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http://www.dongaorq.cn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。
