0 引 言
随着国家现代化和城镇化进程的加快，氮和磷的过量排放引起水体富营养化，已成为人们关注的焦点，研究和开发高效的脱氮除磷工艺迫在眉睫[1，2]。
生物接触氧化技术研究和应用起始于 20世纪初，广泛用于工业污水及高负荷生活污水处理[3-5]，以及给水水源处理[6-8]。生物接触氧化法具有能耗低、高效、耐冲击负荷强等特点[9]，在污水处理中被广泛应用。生物接触氧化法-滴滤工艺处理水产养殖高负荷废水有较高的去除率，为养殖废水的处理提供了新思路[10]。针对含藻废水，采用超声波处理可以强化生物膜对污染物的去除性能，处理后的污染物去除率比未经超声波处理有小幅提升[11]。生物接触氧化工艺用于农村污水治理，出水可达GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准[12]。
生物接触氧化法处理污水是利用填料上所附着的生物膜的氧化分解作用、填料和生物膜的吸附截留作用以及生物膜内部的缺氧反硝化作用来达到脱氮目的。随着填料的开发和污水处理技术的发展，生物接触氧化法不断改良[13]，生物膜是该工艺的核心，微生物活性的高低对处理效果起着决定性的作用。
多段式生物接触氧化法将传统的生物接触氧化池分为12段，可充分发挥不同微生物种群间的拮抗作用，大大提高污水的处理效率[14]。本文研究了多段式生物接触氧化装置，重点探究进水方式和回流点位置对生物接触氧化法脱氮除磷的影响，为实际工程提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验装置
试验装置主体反应器采用有机玻璃制成，外形为长方体。试验装置示意如图1所示。内部尺寸：长为100 cm，宽为30 cm，高为45 cm，有效容积为90 L。一共有13格，其中前12格装满了填料，为多段式生物接触氧化装置的主反应区，最后1格为斜板沉淀池。反应器前端设配水箱，原水经过蠕动泵从配水箱进入反应器第1格上部，从第1格底部流入第2格，再经过第2格上部溢流堰流入第3格，循环往复，依次流入第12格后，经过第12格溢流口流入沉淀池。进水流量为180 L/d，反应器总水力停留时间为12 h。由空压机输入的压缩空气经过空气转子流量计进行调节并控制总空气量，空气量在通过分气缸分配到装置。12格每格布设1个砂结曝气头进行微量曝气，调节分气缸阀门来控制每格曝气量的大小，进而调节每格溶解氧(DO)，为生物膜的微生物提供氧气, 调节1～6格ρ(DO)为3～4 mg/L，7～12格ρ(DO)为4～5 mg/L。
1—过滤网； 2—泄空阀； 3—调节池； 4—蠕动泵； 5—特制曝气头； 6—实验底座；7—沉淀池； 8—排泥阀； 9—流量计； 10—空压机； 11—曝气阀门。
图1 多段式生物接触氧化法装置示意
Figure 1 Schematic diagram of multi-stage biological contact oxidation
1.2 填料特性
生物接触氧化法的关键在于生物填料，填料的选择对微生物的生长和繁殖以及传质效率都有着重要影响[15]。此外，填料的挂膜特性不仅影响硝化效果，而且与基建费用、运行成本等密切相关[16]。多段式生物接触氧化装置采用的填料是卷曲率最高的纤维填料之一，填料微观结构如图2所示。此填料可为缺氧、好氧微生物提供良好的载体，以便提供最大的膜上微生物附着量，同时利用填料上的缺氧、好氧环境，达到同步硝化反硝化脱氮效果。所用填料材质为改性尼龙，改性后附着力提高3倍以上，采用特殊纺丝工艺，纤维单丝结构呈内凹三角形，三角形末端直径≤10 nm，主丝为微米或纳米级，横纵比>2500∶1，比表面积>20000 m2/kg，幅宽1500 mm，单幅跨度500 mm，最小附着量为100 kg/kg。该填料在105 ℃高温下结构不变，仍为内凹三角形结构。
图2 改性填料微观结构
Figure 2 The modified filler and the cross section
1.3 原水水质
原水来源于某18层塔楼的实际生活污水，原水水质指标见表1。C/N为2.7，属于典型的低C/N生活污水。
表1 试验进水水质
Table 1 Characteristics of influent wastewater used in this study
项目ρ(COD)/(mg/L)ρ(TN)/(mg/L)ρ(TP)/(mg/L)温度/℃pH范围266～34781.3～103.55.27～6.3420～357～8均值30693.15.76227.6
1.4 启动运行
挂膜启动是影响生物处理系统运行性能的关键因素之一[17]。反应器的启动方法分为自然挂膜和人工接种挂膜，培养方式有间歇培养和连续流培养[18]。为了实现快速挂膜，试验采用人工接种的连续流挂膜。启动驯化1周后，COD去除率开始不断提高。当挂膜驯化24 d时，COD去除率达到80%以上。当COD去除率>80%，观察填料上活性污泥附着较成熟且微生物种类较多时，启动驯化阶段结束[19]。同时，对填料上的微生物进行观察。
培养驯化后期，填料上微生物大量繁殖，系统达到稳定的处理效果。填料上不同格的微生物如图3所示。观察发现每格填料上附着的活性污泥逐渐变厚，活性污泥颜色逐渐变成棕褐色，填料上微生物以附着型为主。本实验在挂膜成功后，重点研究不同进水方式和回流点位置对反应器处理效果的影响。间歇进水会使进水有机物减少，有机负荷降低，对系统造成冲击。不同工况的回流点位置见表2。
图3 反应器中不同格微生物生长情况
Figure 3 Microbial growth in different grids of the reactor
1.5 检测指标及分析方法
对各项水质指标的分析方法主要采用水和废水监测分析方法中的标准方法[20]。COD采用快速消解分光光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法，膜上生物量采用重量法，DO、温度等指标利用Multi 3620水质多参数测定仪测定，微生物相采用Olympus BX53高倍显微镜进行观察，填料及填料上附着膜采用日立 S-4300扫描电镜进行观测。
表2 不同工况回流点位置
Table 2 Return point position concentration for different working conditions
工况回流点位置1第6格回流到第1格2第4格回流到第1格3第8格回流到第1格
2 结果与分析
2.1 进水方式对COD的影响
启动驯化阶段结束后，先稳定运行一段时间，然后改变进水方式(白天进水16 h，夜间停止进水8 h)，研究间歇进水方式对COD去除效果的影响。挂膜启动、稳定运行阶段和间歇进水阶段进、出水COD浓度及去除效果如图4所示。
—进水； 
—出水； 
—去除率。
图4 进水方式对COD的去除效果
Figure 4 The removal of COD by water intake methods
由图4可知：挂膜启动过程中，第1天进水ρ(COD)为243 mg/L，出水ρ(COD)为143 mg/L，去除率为 41.15%。分析原因：一方面是由于接种污泥的降解，另一方面是由于填料对COD的截留和吸附作用。随着污泥的培养与驯化，膜上微生物的种类逐渐成熟，COD去除效果显著增强。
连续进水阶段，进水ρ(COD)平均为260 mg/L，出水为32 mg/L，平均去除率为87.61%；间歇进水阶段，进水ρ(COD)平均为200 mg/L，出水为42 mg/L，平均去除率为78.94%，比连续进水阶段的COD去除效果稍差，但仍满足出水GB 18918—2002的一级A出水标准。这说明在间歇进水的情况下，多段式生物接触氧化法对COD也具有良好的去除性能。这主要是因为，间歇进水的停水阶段微生物通过内源呼吸作用恢复其代谢和吸附能力，再次进水后，微生物迅速吸附污水中污染物，加速对有机物的去除[21]。这说明生物接触氧化法具有较强的耐冲击负荷能力和间歇运行能力。
2.2 回流点位置的影响
2.2.1 COD去除性能
多段式生物接触氧化工艺运行期间，不同回流点位置对COD的去除效果如图5所示。
—进水； —出水； —去除率。
图5 3种工况下反应器对COD的去除效果
Figure 5 Effect of COD removal by the reactor under three working conditions
工况1—3进水ρ(COD)平均为323，298，295 mg/L，系统对应的出水ρ(COD)平均分别为36，33，30 mg/L，平均去除率分别为88.78%、88.91%和89.78%。工况1—3稳定后，出水平均ρ(COD)分别为27，29，28 mg/L，平均去除率分别为91.64%、90.16%和90.92%。出水平均ρ(COD)<50 mg/L，达到GB 18918—2002一级A标准。
镜检发现悬浮污泥中含有大量结构紧密的菌胶团，其具有较强的生物吸附和氧化有机物的能力，对 COD 的去除有明显促进作用。在填料表面的污泥絮体中，生长着大量利于菌胶团吸附的丝状菌，不仅改善了污泥沉降性能，还有效促进有机物的氧化分解[13]。回流的加入，使每个格均有悬浮污泥，在悬浮污泥与膜上微生物的共同作用下，完成对COD的去除。研究结果表明，回流点位置对COD去除无显著影响。分析其原因主要是采用的填料具有易挂膜、生物膜厚等优点，生物膜中含有能降解有机物的好氧菌，好氧菌以COD为营养物质进行新陈代谢，保证了对COD的高效去除，同时，生物膜上的微生物数量多，具有高效的截留作用，使部分COD被截留在系统内。
2.2.2 TN去除性能
试验期间，不同回流点位置对TN的去除效果如图6所示。
—进水； —出水； —去除率。
图6 3种工况下反应器对TN的去除效果
Figure 6 Effect of TN removal by the reactor under three working conditions
由图6可知：工况1—3运行稳定后，出水平均ρ(TN)分别为13.4，19.3，16.8 mg/L，平均去除率分别为85.73%、80.27%和83.46%。工况1稳定阶段出水ρ(TN)<15 mg/L，达到GB 18918—2002一级A标准。
工况1和工况2说明，当COD浓度高时，硝化细菌在与异氧细菌的竞争中处于不利地位，大量异氧菌生长，硝化细菌增长率低，影响了硝化效果，而第6格的混合液中污泥活性强，强化了氨氮的转化，在前段氨氮转化效率高，进一步提高了膜上的传质效率。工况1和工况3说明，后段DO高，回流到第1格后，异氧菌会消耗大量易降解脂肪酸，造成异氧菌大量繁殖，引起后段反硝化碳源不足。反硝化条件要求，C/N≥8时反硝化才能正常进行[22]。碳源不足会抑制反硝化细菌的生长，影响了反硝化的顺利进行，导致TN去除率较低。
2.2.3 TP去除性能
多段式生物接触氧化法在系统运行阶段未排泥，剩余污泥量少。系统稳定运行期间，不同回流点位置对TP去除的影响如图7所示。
—进水； —出水； —去除率。
图7 3种工况下反应器对TP的去除效果
Figure 7 Effect of TP removal by the reactor under three working conditions
由图7可知：工况1—3的进水平均ρ(TP)分别为5.66，5.71，5.91 mg/L，出水平均ρ(TP)分别为3.41，3.42，3.42 mg/L，平均去除率分别为39.85%、40.08%和42.09%。
磷的去除主要依靠聚磷菌的排出，其可过量吸收污水中磷，而多段式生物接触氧化装置产泥量小，运行期间不排泥，装置排除聚磷菌有限，回流点位置对TP去除效果影响不大。因此系统采用化学法辅助强化除磷。
2.3 生物膜的生长特性
对工况1的微生物膜进行观察，前6格因为污染物与DO都相对稳定，适合生物膜生长，其厚度与干质量较高；而后6格中的有机底物，特别是易降解有机物的浓度逐格减少，因此生物膜生长缓慢。反应器在未回流工况和回流工况1下，各格内生物膜干质量的变化如图8所示。
—未回流工况； --
---最佳回流。
图8 有无回流条件下反应器生物膜干质量的变化
Figure 8 Changes in dry mass of biofilm in the reactor with/without recirculation
由图8可知：前段生物膜干质量比后段大，有机物浓度降解速度加快，底物的缺乏使微生物处于内源呼吸期，生物量降低。在最佳回流工况下，生物膜干质量下降。这主要是由于回流加大了水的流动速度，使水力剪切力变强，造成膜上微生物附着量减少。刘雨等[22]在研究不同构型的复合式活性污泥/生物膜反应器处理合成污水和啤酒加工污水时，亦分析了水力剪切力及机械搅拌桨引起的剪切力对生物膜量的影响，认为剪切力是影响生物膜厚度和生物膜量的主要原因之一。同时剪切力加快了微生物的更新速度，使微生物新陈代解加快。
较薄的生物膜为氨氮的高效氧化奠定基础[16]，反应器呈推流状态，由于DO和COD 的变化，生物膜量逐渐降低。但填料的良好性能，为微生物的附着创造了条件，也为同步硝化反硝化创造了条件，对低C/N生活污水在不投加外加碳源的情况下，处理效率比较高。填料的特殊性，使微生物附着力强，生物膜上的微生物量满足脱氮除磷需要。在工况1下，生物膜干质量虽然降低，生物膜厚度变薄，但DO并没有穿透膜，形成一个完全好氧的环境。可见对于生物接触氧化法，填料的选取至关重要。
在最优回流工况下，第1格填料吸附悬浮物质后比表面积增加,形成了相对稳定且利于微生物生长的微环境,因此第1格内生物膜的生长速度最快,但受冲击负荷的影响,稳定后的生物膜干质量略低；第2格中的污染物与DO皆相对稳定,适合生物膜生长,其干质量最高。
分别选取第1，2，4，6，8，10，12格内挂膜后的特殊填料，利用扫描电镜观察其微观结构，扫描图片如图9所示。可知：第1，2，4格扫描照片显示特殊填料基本被大量膜所覆盖，基本看不到内凹三角形结构；第6，8格也被膜所覆盖，但少部分填料的内凹三角形结构裸露出来；第10，11格填料表面附着的生物膜相对较少，但大部分填料仍被生物膜所覆盖，观察到较多的内凹三角形结构，生物膜数量明显比前段少。
图9 反应器各段填料上的微生物膜扫描电镜微观结构
Figure 9 SEM images of microbial membrane on the filler in each grid of the reactor
在最佳回流工况稳定运行后期，观察微生物生长情况，整个系统微生物优势种属分布呈现：前段以细菌为主，中段以原生动物为主，后段以后生动物为主。分别选取第1，2，4，6，8，10，12格填料上的微生物进行观察，微生物生长情况如图10所示。观察发现：第1格生长大量丝状菌，并观察到钟形虫；第2格丝状菌数量稍微减小，钟形虫数量增多，并观察到少量线虫；第4格以钟形虫居多，数量明显多于第2格；第6格开始出现轮虫；第8格轮虫数量增多，钟形虫和草履虫出现；第10格轮虫数量减少，钟形虫和草履虫数量增多；第12格以轮虫为主，但数量少于第10格。回流前后对比可知：前段微生物种类增加，尤其是第1格和第2格，钟形虫和线虫数量明显增多，回流后在第6格开始出现轮虫，且轮虫数量最多的格数前移到第8格。
图10 最佳回流工况下反应器中各段微生物生长情况
Figure 10 The growth of microorganism in each grid of the reactor under the best recirculation condition
3 结 论
1)在多段式生物接触氧化装置中，进水方式对COD去除效果影响不大，装置具有良好的耐冲击负荷能力。
2)在多段式生物接触氧化装置中，混合液从第6格回流到第1格时，对TN去除效果影响较大。出水COD、TN平均浓度满足GB 18918—2002出水一级A标准。
3)回流点位置对TP去除影响不大，TP去除效果不理想，需要增加化学除磷工艺。
4)多段式生物接触氧化装置，自进水到出水呈现由细菌到原生动物再到后生动物的微生物种群结构，在最优回流工况下，后生动物前移，提高了各段的微生物种群丰富度。
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