我國(guó)水環(huán)境問(wèn)題突出，近年來(lái)經(jīng)過(guò)積極治理，水體質(zhì)量得到了很大改善。然而，我國(guó)主要流域水體中的氮、磷等超標(biāo)情況仍然時(shí)有發(fā)生。為改善流域水環(huán)境質(zhì)量，國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局早在2006 年就發(fā)布《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)修改單，將其中的4.1.2.2 節(jié)修改為：城鎮(zhèn)污水處理廠出水排入國(guó)家和省確定的重點(diǎn)流域及湖泊、水庫(kù)等封閉、半封閉水域時(shí)，執(zhí)行一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的A 標(biāo)準(zhǔn)。這意味著重點(diǎn)流域執(zhí)行一級(jí)B 標(biāo)的城鎮(zhèn)污水處理廠需要進(jìn)行提標(biāo)改造。然而，城鎮(zhèn)污水處理廠尾水具有低C/N 比和磷濃度低等特點(diǎn)，如何進(jìn)一步有效降低尾水中的氮磷已成為污水提標(biāo)的核心問(wèn)題。

　　目前，污水提標(biāo)改造應(yīng)用較多的技術(shù)主要包括高效纖維濾池、連續(xù)流砂濾池、纖維轉(zhuǎn)盤(pán)濾池和生物活性炭技術(shù)。由于生物炭具有較大的比表面積和較強(qiáng)的離子交換能力，可以將水中污染物吸附到表面，再通過(guò)微生物的作用實(shí)現(xiàn)去除。將生物炭和濾池技術(shù)進(jìn)行組合，形成生物炭濾池技術(shù)，也可有效去除水中的常規(guī)污染物。因此，本研究利用生物炭作為微生物載體，搭建生物炭濾池反應(yīng)器，研究反應(yīng)器對(duì)一級(jí)B標(biāo)水質(zhì)的提標(biāo)效果，以期為城鎮(zhèn)污水處理廠水質(zhì)提標(biāo)提供新的方法和途徑。

　　1 材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和材料

　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，該裝置由2 組同尺寸的模型生物濾池組成。反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制作而成，柱高 1 200 mm，內(nèi)徑100 mm。1 號(hào)柱作為對(duì)照組，底部裝填高度為100 mm 的鵝卵石作為承托層，中間裝填高度為900 mm 的河砂，上部裝填高度為100 mm 粒徑大小不同的混合河砂作為保護(hù)層。2 號(hào)柱作為實(shí)驗(yàn)組，濾池中間裝填高度比為1∶1 的青岡木生物炭和河砂。2 座生物濾池出水口采用橡膠軟管用來(lái)控制出水口高度。

　　實(shí)驗(yàn)用水模擬城鎮(zhèn)污水處理廠一級(jí)B標(biāo)出水，其主要水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。此外向水中添加適量微量元素，以保證微生物生長(zhǎng)所需，具體成分含量如表2 所示。每次配制污水時(shí)，利用稀硫酸溶液調(diào)節(jié)污水進(jìn)水pH 值，使其保持在中性范圍。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)方法及分析方法

　　2 組生物濾池同時(shí)通過(guò)自然掛膜啟動(dòng)，整個(gè)系統(tǒng)采取下向流連續(xù)過(guò)濾方式，2 組反應(yīng)器厭氧與好氧高度比為 5∶5。系統(tǒng)掛膜期間，進(jìn)水流量均保持在 10mL/min，即表面水力負(fù)荷為0.13 cm3/(cm2·min)，水溫為14~20 ℃。當(dāng)各項(xiàng)污染物的去除率趨于穩(wěn)定狀態(tài)，表明反應(yīng)器內(nèi)濾料表面已形成了比較穩(wěn)定的生物膜。自然掛膜成功后調(diào)節(jié)C/N 比、厭氧/好氧高度比和表面水力負(fù)荷，采用控制變量法進(jìn)行單因素影響實(shí)驗(yàn)。其中，出水口連接橡膠軟管，通過(guò)改變橡膠軟管掛靠在反應(yīng)器上的支點(diǎn)高度，從而改變出水口的高度，使得在反應(yīng)器內(nèi)形成不同的厭氧/好氧區(qū)高度。最后選取每個(gè)因素的最佳水平，組成較優(yōu)的工藝參數(shù)，研究2 組反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果。定時(shí)取樣測(cè)量反應(yīng)器進(jìn)、出水的 COD、TP、NH4+- N、TN 和 NO2--N 濃度，以上水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定均按照國(guó)標(biāo)所述方法進(jìn)行，NO3--N 的測(cè)定采用麝香草酚分光光度法。 此外，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Origin 8.5 軟件進(jìn)行繪圖，采用SPSS 21.0 軟件進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 C/N 比對(duì)污染物去除影響

　　C/N 比是反硝化過(guò)程中一個(gè)很重要的參數(shù)，它決定著微生物脫氮效果的好壞。碳源不足將導(dǎo)致反硝化菌因缺少能量和電子供體造成脫氮效果變差，若碳源過(guò)量可能導(dǎo)致出水COD 濃度偏大，從而影響出水水質(zhì),因此需尋找一個(gè)較為合適的C/N。本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中控制水力表面負(fù)荷為0.13 cm3/(cm2·min)，厭氧/好氧高度比為5∶5，保持TN 濃度不變，通過(guò)改變甲醇的投加量改變進(jìn)水的C/N 比。在不同C/N 比下，2 組反應(yīng)器對(duì)污染物去除效果如圖2 所示。

　　由圖2(a)可知，在不同C/N 比條件下，2 組反應(yīng)器對(duì)COD 的平均去除率約為80%，出水濃度為40 mg/L左右，表明 2 組反應(yīng)器均對(duì)COD 有著良好的去除能力。COD 進(jìn)入反應(yīng)器后通過(guò)濾料的初期吸附作用和后期的微生物代謝作用得以降解。由圖2(b)可知，對(duì)TP 而言，在C/N 比分別為4.34∶1、6.30∶1 和7.61∶1條件下，1# 反應(yīng)器對(duì)TP 平均去除率分別為 74.18%、58.60% 和57.46%，2#反應(yīng)器對(duì)TP 平均去除率分別為75.05%、61.69% 和58.24%，即在不同C/N 比下，2 組反應(yīng)器對(duì)TP 的去除能力大致相當(dāng)。對(duì)于氮素而言，提高C/N 比可增加污水中碳源的濃度，保證反硝化的順利進(jìn)行，提高脫氮性能。反應(yīng)器對(duì)NH4 -N 的去除，主要通過(guò)前期的濾料吸附和后期的微生物轉(zhuǎn)化作用。由圖2(c)可知，隨著C/N 的增加， 1#反應(yīng)器和2#反應(yīng)器對(duì)NH4+-N 的去除率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)C/N 比從 4.34∶1 提高至 6.30∶1，因硝化菌生長(zhǎng)較慢，硝化菌仍處于持續(xù)增長(zhǎng)階段， NH4+-N 的去除率逐漸提高。進(jìn)一步提高C/N 比，由于碳源的增加使得異養(yǎng)菌迅速繁殖，抑制硝化菌的生長(zhǎng)，使得NH4+-N 去除率有所下降。由圖 2(d)可知，在 C/N 比分別為 4.34∶1、6.30∶1和7.61∶1 條件下，1#反應(yīng)器對(duì)NO3--N 平均去除率分別為53.19%、84.63% 和85.45%，而2#反應(yīng)器對(duì)NO3 -N 平均去除率分別為53.54%、85.40% 和93.72%，即隨著C/N 比的不斷提高，對(duì)NO3 -N 的去除率也隨之增加。再結(jié)合圖2(e)可知，在C/N 比分別為4.34∶1、6.30∶1 和 7.61∶1 條件下，1#反應(yīng)器對(duì)TN 的平均去除率分別為46.83%、67.87% 和 68.14%，而 2# 反應(yīng)器對(duì)TN 的平均去除率分別為47.73%、70.04% 和72.65%，即隨著C/N比不斷提高，TN 平均去除率總體上也隨之上升。與掛膜穩(wěn)定階段相比，2 組反應(yīng)器對(duì)TN 的去除率均提高約30% 以上，可見(jiàn)投加有機(jī)碳源可顯著提高反應(yīng)器的脫氮效果。

　　綜上所述，鑒于對(duì)各項(xiàng)污染物的有效去除以及外加碳源的經(jīng)濟(jì)成本，2 組反應(yīng)器控制C/N 比為6.30∶1較為合理。在此條件下，2#反應(yīng)器對(duì)各項(xiàng)污染物去除率均高于1#反應(yīng)器，可見(jiàn)添加生物炭的反應(yīng)器對(duì)污染物去除效果要優(yōu)于普通的河砂反應(yīng)器。此外，由圖2(f)可知，在不同 C/ N 比條件下，2 組反應(yīng)器出水的

NO2--N 濃度均在0.16 mg/L 以下，表明2 組反應(yīng)器在脫氮過(guò)程中無(wú)明顯的NO2 -N 積累。

　　2.2 厭氧/好氧高度比對(duì)污染物去除影響

　　由于反應(yīng)器內(nèi)液相和氣相高度比(即厭氧/好氧高度比)決定反應(yīng)器垂向溶解氧的含量，從而影響硝化和反硝化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)控制表面水力負(fù)荷為 0.13cm3/(cm2·min)，C/N 比為6.30∶1，得到不同厭氧/好氧高度比下對(duì)各污染物的去除影響，結(jié)果如圖4 所示。由圖3(a)和圖3(b)可知，厭氧/好氧高度比對(duì)COD 和TP 的去除效果影響較小，1#和2#反應(yīng)器出水中COD和TP 濃度保持在40 mg/L和0.4 mg/L左右。然而，不同的厭氧/好氧高度比明顯影響NH4 -N 的轉(zhuǎn)化。由圖3(c)可知，隨著厭氧/好氧高度比的增加，NH4+-N 的去除率呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)器厭氧高度區(qū)的增加，液相區(qū)不斷增加，致使好氧區(qū)溶解氧減少，不利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。

　　此外，由圖3(d)可以看出，在厭氧/好氧高度比為3∶7 的條件下，1#和2#反應(yīng)器出水中NO3--N 濃度偏高，在此條件下有利于NH4 -N 向NO3 -N 轉(zhuǎn)化。當(dāng)厭氧/好氧高度比為5∶5 和7∶3 時(shí)，1#反應(yīng)器對(duì)NO3 -N平均去除率分別為 84.63% 和 87.48%，2# 反應(yīng)器對(duì)NO3--N 平均去除率分別為85.40% 和88.69%，表明隨著厭氧/好氧高度比增加，有利于反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了2 組反應(yīng)器對(duì)NO3--N 的去除率。由圖3(e)可知，當(dāng)厭氧/好氧高度比為3∶7、5∶5 和7∶3，1#反應(yīng)器對(duì)TN 平均去除率分別為 37.79%、67.87% 和68.08%，2# 反應(yīng)器對(duì)TN 平均去除率分別為 65.63%、70.04% 和71.78%，可見(jiàn)提高厭氧/好氧高度比也有利

　　于2 組反應(yīng)器對(duì)TN 的去除。同時(shí)在不同厭氧/好氧高度比的條件下，2#反應(yīng)器對(duì)TN 的去除率均高于1#反應(yīng)器，即表明添加生物炭有助于提高反應(yīng)器的脫氮效果。為保證對(duì)各項(xiàng)污染物均有較好的去除效果，故選擇厭氧/好氧高度比為5∶5 作為2 組反應(yīng)器較優(yōu)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2.3 表面水力負(fù)荷對(duì)污染物去除影響

　　為考察在不同表面水力負(fù)荷下，反應(yīng)器對(duì)污染物抗沖擊能力，控制C/N 為6.30∶1、厭氧/好氧高度比為5∶5，通過(guò)改變表面水力負(fù)荷大小，考察其對(duì)污染物去除情況的影響，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。由圖 4(a)和(b)可知，當(dāng)表面水力負(fù)荷從0.13 cm3/(cm2·min)增加到 0.26 cm3/(cm2·min)時(shí)，2 組反應(yīng)器對(duì)COD 和TP 均能保持良好的去除能力，去除率隨表面水力負(fù)荷的增加變化較小，表明 2 組反應(yīng)器對(duì)進(jìn)水COD 和TP 變化具有良好的抗沖擊能力。

　　從圖4(c)、(d)和(e)中可知，2 組反應(yīng)器對(duì)NH4+-N、 NO3--N 和TN 的去除率均隨著表面水力負(fù)荷的增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這是由于增大表面負(fù)荷，在單位時(shí)間內(nèi)將增加與反應(yīng)器內(nèi)濾料接觸污染物的質(zhì)量，同時(shí)水力停留時(shí)間變小，導(dǎo)致污染物未能完全被微生物轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致出水中污染物濃度上升。為保證反應(yīng)器對(duì)各項(xiàng)污染物均能有效去除，選擇較小表面水力負(fù)荷0.13 cm3/(cm2·min)作為2 組反應(yīng)器適宜的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

　　2.4 較優(yōu)工藝參數(shù)下污染物去除效果

　　選取上文已探討出的較優(yōu)工藝參數(shù)，即 C/N 為6.30∶1，厭氧/好氧高度比為5∶5，表面水力負(fù)荷為0.13cm3/(cm2·min)，組合作為反應(yīng)器運(yùn)行的較優(yōu)工藝參數(shù)，定時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器對(duì)污染物的去除情況，所得結(jié)果如圖5 所示。由圖5(a)和(b)可知，1#反應(yīng)器對(duì)COD和TP的平均去除率分別為85.86% 和75.73%，出水平均濃度分別為(20.28±4.78)mg/L 和(0.24±0.07)mg/L;2#反應(yīng)器對(duì)COD 和TP 的平均去除率分別為86.16%和77.60%，出水平均濃度依次為(19.90±5.81)mg/L 和(0.22±0.06)mg/L。即2#反應(yīng)器對(duì)COD 和TP 的平均去除率稍高于1#反應(yīng)器。此外，2 組反應(yīng)器出水COD和TP 濃度均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

　　其次，2 組反應(yīng)器對(duì)NH4 -N、NO3 -N 和TN 的去除見(jiàn)圖 5(c)、(d)及(e)可知，1# 反應(yīng)器對(duì)NH4+- N、 NO3--N 和TN 的平均去除率分別為84.21%、19.75% 和42.09%，出水平均濃度依次為(1.38 ± 0.46)、(11.86 ±1.32)和(14.05± 1.53)mg/L;而 2#反應(yīng)器對(duì)NH4 -N、 NO3--N 和TN 的平均去除率分別為84.25%、43.99% 和56.71%，出水平均濃度依次為(1.30 ± 0.42)、(8.28 ±0.96)和(10.51±1.25)mg/L。雖然2 組反應(yīng)器出水的NH4+-N 和TN 平均濃度達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)，但是 1#反應(yīng)器TN 出水濃度偏高，難以實(shí)現(xiàn)出水 TN 的穩(wěn)定達(dá)標(biāo);2#反應(yīng)器出水TN 濃度穩(wěn)定，能很好地滿(mǎn)足一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。此外，由圖5(f)可知，1#反應(yīng)器和2#反應(yīng)器出水中NO2--N 平均濃度分別為0.11 mg/L和0.14 mg/L，表明2 組反應(yīng)器出水NO2 -N 濃度較小，反應(yīng)器底部無(wú)明顯的NO2--N 積累。最后，2 組反應(yīng)器對(duì)COD、TP、NH4 -N、NO3 -N 及TN 去除率數(shù)值通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行獨(dú)立樣本 t 檢驗(yàn)，結(jié)果顯示 COD、TP、 NH4+-N、NO3 -N 及TN 的P 值分別為0.76、0.33、0.54、0.00 和0.00，說(shuō)明2 組反應(yīng)器對(duì)COD、TP 和NH4+-N 的去除率不存在顯著性差異(P>0.05)，然而對(duì)NO3 -N 和TN 的去除率卻存在顯著性差異(P<0.05)。進(jìn)一步表明在2#反應(yīng)器中添加生物炭有利于反硝化過(guò)程，使得2#反應(yīng)器出水TN 濃度達(dá)到污水提標(biāo)的要求。

　　綜上所述，雖然在較優(yōu)參數(shù)條件下，1#反應(yīng)器和2#反應(yīng)器均可實(shí)現(xiàn)對(duì)水中污染物的有效去除，將污水水質(zhì)從一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)提升到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。但對(duì)污染物的去除率而言，2#反應(yīng)器對(duì)污染物的去除率均高于1#反應(yīng)器，含有生物炭反應(yīng)器對(duì)NO3--N 和TN 的去除率可分別增加約24% 和14%，因而更有可能將一級(jí)A 標(biāo)水質(zhì)提升至更高的出水排放標(biāo)準(zhǔn)，如地表水Ⅳ類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，以滿(mǎn)足新形勢(shì)下的環(huán)境排放要求。因此，生物炭作為生物濾池的填料比普通河砂作為填料有著更多的優(yōu)勢(shì)。一方面，由于生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)可附著更多的微生物，且含有大量羧基酸性基團(tuán)，可中和反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)多堿度，因而有助于提高反應(yīng)器對(duì)NO3 -N和TN 去除率。另一方面，后期更換的生物炭填料含有豐富的碳元素和大量的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，可將其作為土壤改良劑，以改善土壤通氣狀況和提高土壤持水量，有利于農(nóng)作物增產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)廢棄物的再利用。

　　2.5 微生物鏡檢分析

　　為觀察和鑒定反應(yīng)器好氧區(qū)內(nèi)填料上負(fù)載微生物種類(lèi)情況，分別取2 組反應(yīng)器中上部的填料置于燒杯中，加入適量去離子水，用玻璃棒攪拌，取1~2 滴懸濁液制成制片，在顯微鏡下觀察微生物的形貌所得結(jié)果如圖6 所示。根據(jù)其他學(xué)者對(duì)活性污泥中微生物種類(lèi)鑒定結(jié)果比對(duì)可知，圖6(a)、(b)和(c)中對(duì)應(yīng)微生物的名稱(chēng)為肉足蟲(chóng)、輪蟲(chóng)及線蟲(chóng)，表明2 組反應(yīng)器內(nèi)出現(xiàn)了種類(lèi)豐富的后生動(dòng)物，它們與細(xì)菌及真菌構(gòu)成了良好的微生態(tài)系統(tǒng)，從而共同實(shí)現(xiàn)對(duì)水中污染物的去除。

　　3 結(jié)論

　　本文通過(guò)搭建河砂濾池及生物炭濾池反應(yīng)器，研究其對(duì)污水處理廠一級(jí)B標(biāo)出水的提標(biāo)效果。

　　(1)在不同C/N 比、厭氧/好氧高度比及表面水力負(fù)荷條件下，適當(dāng)提高進(jìn)水C/N 比、厭氧/好氧高度比以及降低表面水力負(fù)荷，均有利于提高2 組反應(yīng)器對(duì)污染物的去除率。

　　(2)在較優(yōu)工藝參數(shù)條件下，即C/N 為6.30∶1，厭氧/好氧高度比為5∶5，表面水力負(fù)荷為0.13 cm3/(cm2·min)，2 組反應(yīng)器均能較好地將污水水質(zhì)從一級(jí)B標(biāo)提升至一級(jí)A 標(biāo)。2#反應(yīng)器對(duì)污染物的去除率均高于1#反應(yīng)器，表明在河砂濾池內(nèi)添加生物炭有助于提高對(duì)污染物的去除效果。

　　(3)對(duì)2 組反應(yīng)器內(nèi)的填料進(jìn)行微生物鏡檢分析可知，反應(yīng)器內(nèi)形成了良好的微生態(tài)系統(tǒng)，后生動(dòng)物主要以肉足蟲(chóng)、輪蟲(chóng)和線蟲(chóng)為主。(來(lái)源：成都理工大學(xué)環(huán)境學(xué)院)