近年來水質(zhì)性缺水現(xiàn)象非常嚴(yán)重.許多城市雖然水資源豐富，但是水源水受到了嚴(yán)重的污染，主要表現(xiàn)為氨氮濃度上升，溶解氧下降，有機(jī)污染加重，源水水質(zhì)呈下降趨勢(shì).然而，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)物和氮磷等溶解性污染物的去除效果十分有限，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)物和氮磷在處理出水中的含量，是當(dāng)前水質(zhì)凈化面臨的主要問題之一.許多學(xué)者根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)及供水水質(zhì)的要求提出了各種微污染水源水的給水處理工藝，主要包括強(qiáng)化常規(guī)處理、預(yù)處理技術(shù)和深度處理技術(shù).生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)因具有生物量大、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)，目前已被廣泛研究和應(yīng)用.與生物轉(zhuǎn)盤工藝相比，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.筆者結(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，探討了該技術(shù)在不同水力負(fù)荷下對(duì)微污染源水中濁度和有機(jī)物、氨氮、總磷的去除規(guī)律，以期為微污染源水的處理和現(xiàn)有飲用水凈化工藝技術(shù)改造提供理論和技術(shù)支撐.

　　1 材料與方法

       1.1 試驗(yàn)用水

　　試驗(yàn)用水取自西安市主要供水水源黑河水庫(kù)以及校園污水排污口，其中，校園污水用量約占試驗(yàn)總用水量的7%.試驗(yàn)期間水溫為27~35℃，水質(zhì)指標(biāo)見表 1.

　　　　表 1 原水水質(zhì)

　　1.2 試驗(yàn)裝置

　　實(shí)驗(yàn)室所用一體式生物凈化-沉淀裝置，如圖 1所示.其主體材質(zhì)為有機(jī)玻璃，尺寸400 mm×110 mm×100 mm，總?cè)莘e4.4 L，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，盤片直徑在100 mm左右，浸沒面積占盤片總面積的40%.轉(zhuǎn)軸貫穿盤片形心，并固定在兩端支架上，轉(zhuǎn)速控制在3.0 r ·min-1.試驗(yàn)用水經(jīng)混凝處理后進(jìn)入一體式生物凈化-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50.0 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 試驗(yàn)裝置流程示意

　　1.3 試驗(yàn)方法

　　裝置掛膜成功后，在連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的條件下逐次改變系統(tǒng)的水力負(fù)荷，每次改變后均留有1~2周的觀察期.待系統(tǒng)再次穩(wěn)定后，連續(xù)監(jiān)測(cè)進(jìn)、出水濁度，以及TOC、NH4+-N、TP含量，后續(xù)特定水力負(fù)荷條件下所得濁度和有機(jī)組分(以TOC計(jì)，下同)、NH4+-N、TP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.此外，分別對(duì)進(jìn)、出水端的盤片表面上生物膜進(jìn)行鏡檢，以評(píng)價(jià)一體式生物凈化-沉淀池在不同水力負(fù)荷條件下對(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;氨氮采用納氏試劑分光光度法(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;微生物鏡檢采用熒光顯微鏡(Nikon90i)分析.

　　2 結(jié)果與討論

       2.1 盤片的掛膜

　　本試驗(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27~35℃，pH在7.0左右，生物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速3.0 r ·min-1，在水力負(fù)荷為0.064 m3 ·(m2 ·d)-1的條件下連續(xù)運(yùn)行40 d后，盤片表面形成一層構(gòu)造均勻、薄且致密的生物膜，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可認(rèn)為掛膜成功.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)荷條件下所得濁度、有機(jī)組分、NH4+-N、TP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.

　　2.2 水力負(fù)荷對(duì)濁度去除效果的影響

　　控制進(jìn)水水溫、pH和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速分別在27~35℃、7.0和3.0 r ·min-1，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，改變系統(tǒng)水力負(fù)荷考察處理出水中污染物含量的變化情況.由圖 2可知，系統(tǒng)水力負(fù)荷最低[0.036 m3 ·(m2 ·d)-1]時(shí)，一體式生物凈化-沉淀池對(duì)水中致濁物質(zhì)的去除效果最好，平均去除率約為78.0%(圖 2).隨著系統(tǒng)水力負(fù)荷增加，濁度的平均去除率呈逐漸下降的趨勢(shì).但在水力負(fù)荷≤0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，上述變化趨勢(shì)并不顯著.這可能是因?yàn)檩^低的水力負(fù)荷對(duì)沉淀過程的干擾相對(duì)較小，系統(tǒng)易形成沉淀性較強(qiáng)的絮體，從而處理出水中濁度物質(zhì)的殘留量相應(yīng)較小.但水力負(fù)荷>0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，混凝后形成的絮體在一體式生物凈化-沉淀池中還未完全沉淀，此時(shí)濁度的去除主要依靠生物轉(zhuǎn)盤上微生物對(duì)難沉淀的微小懸浮顆粒及污染物質(zhì)的吸附、降解作用，出水濁度偏大，濁度的平均去除率下降.

圖 2 水力負(fù)荷對(duì)濁度去除效果的影響

　　2.3 水力負(fù)荷對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除效果的影響

       2.3.1 有機(jī)組分

　　圖 3為不同水力負(fù)荷下有機(jī)組分(以TOC計(jì)，下同)的去除情況.從中可知，水力負(fù)荷在0.036 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，TOC的去除效果最佳，此時(shí)系統(tǒng)TOC平均去除率為58.07%，處理出水中有機(jī)組分的殘留量約為2.09 mg ·L-1.隨著水力負(fù)荷的增大，TOC的平均去除率呈逐漸下降的趨勢(shì).在水力負(fù)荷增大至0.13 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，TOC的平均去除率最低，僅為52.30%.分析認(rèn)為:系統(tǒng)在較低水力負(fù)荷條件下，生物膜與污染物的平均接觸時(shí)間較長(zhǎng)，有利于有機(jī)組分被充分降解.但當(dāng)水力負(fù)荷過大時(shí)，微生物與污染物的平均接觸時(shí)間縮短，導(dǎo)致有機(jī)組分作為碳源的利用效率不高.同時(shí)水力負(fù)荷過大，對(duì)微生物的生長(zhǎng)和繁殖造成較大沖擊，易使盤片表面部分生物膜脫落，系統(tǒng)生物量降低，進(jìn)而影響生物轉(zhuǎn)盤的污染物降解功能.

圖 3 水力負(fù)荷對(duì)TOC去除效果的影響

　　在水力負(fù)荷從0.036 m3 ·(m2 ·d)-1增大至0.13 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，裝置處理出水中的TOC殘留量呈現(xiàn)一定程度的上升趨勢(shì)，但絕對(duì)增加量并不顯著，這一性能從有機(jī)組分的去除率上觀察則更為明顯.這可能是由于河水在遷移過程中本身具有自凈作用.劉輝研究表明，在水質(zhì)較好的水庫(kù)中低分子有機(jī)物占總有機(jī)物40.00%~50.00%左右.根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，在反應(yīng)時(shí)間一定時(shí)底物濃度越低，其反應(yīng)速度越慢，對(duì)底物的降解程度越小.生物轉(zhuǎn)盤對(duì)有機(jī)組分良好穩(wěn)定的去除性能可能與盤片為微生物生長(zhǎng)提供了穩(wěn)定接觸面和較長(zhǎng)的生長(zhǎng)時(shí)間有關(guān).同時(shí)也說明水力負(fù)荷對(duì)生物膜內(nèi)異養(yǎng)菌群總量的影響不大，只是對(duì)菌群起到了重新分布的作用，使其更適應(yīng)相應(yīng)水力負(fù)荷環(huán)境.表明一體式生物凈化沉淀裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)水中的水力負(fù)荷波動(dòng)具有一定的抗沖擊能力.

　　2.3.2 NH4+-N

　　不同水力負(fù)荷下處理出水中NH4+-N的殘留量和去除率如圖 4所示.從中可知，在較低水力負(fù)荷條件下，隨水力負(fù)荷的增大，NH4+-N的平均去除率變化并不顯著.在水力負(fù)荷≤0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，NH4+-N的平均去除率為82.60%~83.33%，出水NH4+-N質(zhì)量濃度在0.325~0.425 mg ·L-1之間波動(dòng)(圖 4).這可能是因?yàn)樗�力�?fù)荷較低時(shí)，系統(tǒng)中可供微生物利用的碳源相對(duì)不足，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).同時(shí)由于硝化菌與反硝化菌的生長(zhǎng)也需要碳源，結(jié)合圖 3，水力負(fù)荷在0.064 m3 ·(m2 ·d)-1以下時(shí)，處理出水中平均TOC殘余量 < 2.50 mg ·L-1，硝化菌、反硝化菌因可利用碳源減少，亦不能最大限度地發(fā)揮脫氮作用.但當(dāng)水力負(fù)荷 > 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，NH4+-N的平均去除率隨水力負(fù)荷的增大呈快速下降趨勢(shì).這可能是由于硝化菌屬自養(yǎng)型細(xì)菌，生長(zhǎng)速率低于降解有機(jī)物的異養(yǎng)型微生物，且異養(yǎng)型微生物成為優(yōu)勢(shì)菌種后，會(huì)包裹和覆蓋硝化菌，導(dǎo)致溶解氧、氨氮的傳質(zhì)效果減弱.同時(shí)，硝化細(xì)菌對(duì)環(huán)境極為敏感，水力負(fù)荷過大，還會(huì)影響硝化細(xì)菌的生存環(huán)境，導(dǎo)致系統(tǒng)處理效率下降.

圖 4 水力負(fù)荷對(duì)氨氮去除效果的影響

　　2.3.3 總磷

　　圖 5為不同水力負(fù)荷下總磷的去除情況.從中可知，在水力負(fù)荷為0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，一體式生物凈化-沉淀池對(duì)TP的平均去除效果最差，平均去除率僅為60.96%，處理出水中TP的殘留量約為0.073 mg ·L-1.適當(dāng)減小或增大水力負(fù)荷均有利于提高系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果.當(dāng)水力負(fù)荷 < 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，隨著水力負(fù)荷的增大，TP平均去除率呈先緩慢上升后快速下降的趨勢(shì).這可能與水力負(fù)荷較小時(shí)，污水在一體式生物凈化-沉淀池中停留時(shí)間較長(zhǎng), 微生物與污染物接觸充分，有利于系統(tǒng)中污染物更有效地降解.在低營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下，提高系統(tǒng)水力負(fù)荷，硝化菌與聚磷菌競(jìng)爭(zhēng)有限碳源和溶解氧，系統(tǒng)中易形成厭氧區(qū)域，致使聚磷菌在好氧環(huán)境下過量吸收的磷又重新釋放有關(guān).但當(dāng)水力負(fù)荷 > 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，隨著水力負(fù)荷的增加，總磷的平均去除率再次上升，這可能是因?yàn)檫m當(dāng)提高水力負(fù)荷，進(jìn)水中有機(jī)組分含量相對(duì)增加，提高了系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷，緩解了體系中碳源不足的問題.但繼續(xù)增大水力負(fù)荷，污水的流速過大，微生物與污染物接觸不能充分，同時(shí)，水力負(fù)荷過大，對(duì)生物膜的沖擊使原先被吸附在盤片表面的磷沖出系統(tǒng)，反而造成總磷去除率下降.

圖 5 水力負(fù)荷對(duì)總磷去除效果的影響

　　總的來說，水力負(fù)荷越小，微生物與污染物接觸越充分，污染物去除效果越好.但水力負(fù)荷過小，低濃度的有機(jī)組分、氮磷會(huì)抑制微生物的生物活性.在達(dá)到要求的出水效果的前提下，適當(dāng)增大系統(tǒng)水力負(fù)荷，可以減小占地面積和基建投資，提高經(jīng)濟(jì)效益.建議將一體式生物凈化-沉淀池的水力負(fù)荷控制在0.064 m3 ·(m2 ·d)-1.此時(shí)，系統(tǒng)對(duì)濁度、TOC、NH4+-N和總磷的平均去除率分別為73.70%、54.98%、83.24%和60.96%，具有良好的懸浮物、有機(jī)物以及氮磷同步去除功能.

　　2.4 生物相分析

　　微生物在污水的生化處理中起決定性作用，其種群的組成與數(shù)量很大程度上影響著出水質(zhì)量，同時(shí)也揭示了微生物對(duì)外界環(huán)境變化的反應(yīng)機(jī)制.為此本試驗(yàn)在水力負(fù)荷為0.064 m3 ·(m2 ·d)-1的運(yùn)行條件下，對(duì)一體式生物凈化-沉淀池進(jìn)水端和出水端盤片表面生物膜的生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期觀察，以了解特定水力負(fù)荷對(duì)微生物的影響機(jī)制.

　　觀察發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水端生物膜生長(zhǎng)速度較快，生物膜內(nèi)部呈灰褐色，如圖 6(a)，膜易脫落;出水端生物膜呈淡黃褐色，如圖 6(b)，生物膜質(zhì)密、較薄.分析認(rèn)為當(dāng)生物膜厚度增加到一定程度時(shí)，生物膜內(nèi)部微生物活性降低，新陳代謝下降，附著力減弱，在沖擊負(fù)荷的影響下生物膜易脫落;出水端有機(jī)底物特別是易降解有機(jī)物的濃度大幅降低，生物膜生長(zhǎng)緩慢.從進(jìn)水端盤片表面生物膜的鏡檢結(jié)果[圖 6(b)、圖 6(c)]和出水端盤片表面生物膜的鏡檢結(jié)果[圖 6(e)、圖 6(f)]可看出，進(jìn)水端生物相非常豐富，有相當(dāng)數(shù)量的絲狀菌存在.出水端原生動(dòng)物、后生動(dòng)物都非常活躍，數(shù)量和種類也很多.對(duì)試驗(yàn)中后期進(jìn)水端、中間段、出水端生物轉(zhuǎn)盤表面的生物膜進(jìn)行高通量測(cè)序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)盤片表面生物相基本類似，生物膜中異養(yǎng)菌群數(shù)量在細(xì)菌總數(shù)中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)菌種為變形菌門、擬桿菌門、放線菌門等.沿水流方向，異養(yǎng)菌群總量變化不大[圖 7(a)]，沿程污染物的減少只是對(duì)菌群起到了重新分布的作用，使與環(huán)境條件相適應(yīng)的微生物種群優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng).同時(shí)還發(fā)現(xiàn)盤片表面上固著或附著生長(zhǎng)的原生動(dòng)物、后生動(dòng)物占絕大多數(shù)，其中鐘蟲、纖毛蟲、鞘居蟲等是原生動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種群;線蟲、輪蟲(多種)、環(huán)節(jié)動(dòng)物等是后生動(dòng)物的優(yōu)勢(shì)種群.從空間分布看，如圖 7(b)，沿生物處理池進(jìn)水端到出水端，微型動(dòng)物的相對(duì)豐度呈逐漸增加趨勢(shì).

圖 6 轉(zhuǎn)盤區(qū)生物膜 Fig. 6 Biofilm on turntable area

　　微生物種群的沿程變化和良好生長(zhǎng)，使得污水中的污染物沿程得到逐步轉(zhuǎn)化，并穩(wěn)定降解.有研究結(jié)果也表明，沿著流程的分布，各級(jí)生物膜的顏色、厚度、生物膜的微生物組成，種類與數(shù)量有著明顯的不同，這樣避免了不同種群間生態(tài)幅的過多重復(fù)，從而保證相應(yīng)的微生物相擁有最佳的工作活性.生物膜中生態(tài)體系發(fā)展完善，種群豐富，這也是生物膜在不同水力負(fù)荷條件下仍具有較高除污效率的主要原因，同時(shí)也體現(xiàn)了一體式生物凈化-沉淀池具有很強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力與環(huán)境適應(yīng)能力.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　3 結(jié)論

　　(1)本研究將生物轉(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，在進(jìn)水水力負(fù)荷較小時(shí)，轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)的設(shè)置對(duì)顆粒物的沉淀過程并無明顯影響，出水濁度可控制在1.8 NTU左右.同時(shí)，工藝對(duì)原水中的有機(jī)組分、NH4+-N和TP還有一定的同步去除功能.當(dāng)進(jìn)水水力負(fù)荷在0.064 m3 ·(m2 ·d)-1，上述各項(xiàng)指標(biāo)的平均去除率分別為54.98%、83.24%和60.96%.在進(jìn)水水力負(fù)荷 < 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，隨著水力負(fù)荷的上升，工藝對(duì)顆粒物、有機(jī)組分和氨氮的去除相對(duì)穩(wěn)定，但總磷的去除性能將受到一定的影響;而在進(jìn)水水力負(fù)荷 > 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時(shí)，隨著水力負(fù)荷的上升，工藝對(duì)總磷的去除性能略有增強(qiáng)，表明工藝具有一定抗沖擊負(fù)荷能力.

　　(2)對(duì)生物轉(zhuǎn)盤盤片表面生物膜進(jìn)行分析，盤片表面呈現(xiàn)出與環(huán)境條件相適應(yīng)的微生物種群，形成了良好的種群配合和沿程分布，體現(xiàn)了一體式生物凈化-沉淀池具有很強(qiáng)的自我調(diào)節(jié)能力與環(huán)境適應(yīng)能力.

　　(3)一體式生物凈化-沉淀工藝在不同水力負(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.