生物接觸氧化法(Bio-contact oxidation)通過在系統(tǒng)中加入載體(即填料)使微生物附著于載體表面生長，形成質(zhì)密的生物膜，在污水流經(jīng)膜面時污染物得以被微生物吸收而達(dá)到凈化污水的目的。該技術(shù)的專利權(quán)，在國外已有百余年的發(fā)展歷史，技術(shù)已趨于成熟[1]。作為一種高效的水處理工藝，它兼具生物膜法和傳統(tǒng)活性污泥的工藝特點，具有耐沖擊能力強(qiáng)、污泥含量高、剩余污泥少、占地小、運行管理方便等工藝優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各類工業(yè)廠區(qū)及醫(yī)療機(jī)構(gòu)的污水處理。
目前，采用接觸氧化法的多數(shù)為一段或二段式工藝，三段及以上的雖也有一些應(yīng)用但未成規(guī)模。關(guān)于多段式接觸氧化法污染物去除規(guī)律及各段微生物群落結(jié)構(gòu)的分布研究甚少[4-5]。相比于一、二段工藝，多段式接觸氧化工藝針對原水水質(zhì)突變有更好的適應(yīng)性，耐沖擊能力更為突出，隨著污染物逐段去除，不同負(fù)荷條件下各段能聚集與之相適應(yīng)的微生物種群，生物多樣性增加，處理效率更高。此外，多段式接觸氧化法將等量填料均勻分布于各段，顯著降低單段填料載體支架負(fù)重，避免氧化池排空檢修時因負(fù)重過高導(dǎo)致支架垮塌，同時也增加了填料利用效率。
本研究采用改性尼龍 6 材質(zhì)的軟性纖維填料作為生物載體，將氧化單元分為 12 段推流式連續(xù)進(jìn)水，單獨曝氣，構(gòu)建了多段式生物接觸氧化系統(tǒng)。將重點考察不同水力停留時間(HRT)下污染物在各段單元格的去除情況，并通過對填料表面附著污泥的鏡檢，考察微生物在各段的種群分布規(guī)律，以期為后來多段式接觸氧化法的研究與應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)參考。
1 實驗部分
1.1 實驗裝置及流程
實驗裝置主要有 3 部分組成，即進(jìn)水罐、主反應(yīng)池和曝氣設(shè)備，見圖 1。
原水首先由潛水泵打入進(jìn)水罐，后經(jīng)計量泵提升至主反應(yīng)器，流入主反應(yīng)器的原水經(jīng)初沉池沉淀后溢流至接觸氧化區(qū)，在 12 段接觸氧化池之間，水流以底部聯(lián)通和頂部溢流 2 種方式交替遞水，可避免短流并在很大程度上增加了水流和填料接觸的時間。在每格氧化池底部均設(shè)有曝氣盤，曝氣強(qiáng)度可單獨調(diào)節(jié)，同時每格設(shè)排泥口，防止污泥沉積。氧化池處理后的水最終流入二沉池經(jīng)沉淀后出水。
1.2 進(jìn)水水質(zhì)
進(jìn)水取自北方某開發(fā)區(qū)污水廠細(xì)格柵后的旋流沉砂池，其中生活污水與工業(yè)廢水的體積比為 6:4。
COD 為 155～200 mg/L，BOD5 為 65～100 mg/L，pH為 7.0 ～8.0，NH +-N 質(zhì)量濃度為 20.0 ～35.0 mg/L，COD/ρ(TN)在 4～5，與一般生活污水水質(zhì)較為接近。
1.3實驗步驟
1)掛膜。裝置調(diào)試正常后，從污水廠污泥儲池抽取活性污泥約 2 m3(未經(jīng)加藥)至裝置接觸氧化區(qū)前 6 格，啟動計量泵以大流量對反應(yīng)器進(jìn)水，并啟動曝氣，使已適應(yīng)無需馴化的活性污泥均勻的附著接種于填料細(xì)絲的表層。當(dāng)水流順流充滿后 6 格氧化區(qū)，隨即調(diào)低進(jìn)水體積流量至 0.101 m3/h 并連續(xù)進(jìn)水。經(jīng) 10 d 培養(yǎng)后，COD 去除效果趨于穩(wěn)定，即掛膜成功。
2)運行。設(shè)置第 1 階段的 HRT 為 12 h 連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水體積流量為 0.335 m3/h，監(jiān)測進(jìn)、出水 COD、 NH +-N 含量及微生物相。第 2 階段設(shè)置HRT 為 24 h連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水體積流量為 0.166 m3/h，監(jiān)測指標(biāo)同第 1 階段。
1.1 分析方法
NH +-N 含量按 HJ 535-2009(TU-1810 型紫外分光光度計)進(jìn)行測定[6]。DO 含量采用多水質(zhì)參數(shù)測定儀(HACH-HQ40 型)，COD 采用便攜式COD 測定儀進(jìn)行測定，微生物相的鏡檢采用高倍生物顯微鏡(Olympus BX53 型)進(jìn)行觀察。
2 結(jié)果與討論
2.1 掛膜階段
采用直接掛膜法進(jìn)行實驗，接種的污泥量占接觸氧化區(qū)有效容積的 50%。實驗過程中連續(xù)進(jìn)水并不斷曝氣，在剪切力的作用下接種污泥與填料細(xì)絲充分接觸并附著其上。以 COD 去除率作為判斷掛膜狀態(tài)的指示參數(shù)，掛膜期間反應(yīng)器進(jìn)、出水 COD及去除率變化情況如圖 2 所示。
由圖 2 可知，在生物膜培養(yǎng)期間，進(jìn)水 COD 在 160～185 mg/L 小幅波動，為生物膜生長提供了比較穩(wěn)定的碳源補(bǔ)給。連續(xù)進(jìn)水培養(yǎng)前 3 d，COD 去除率在 64%～69%，無明顯提升，系統(tǒng)處于附著接種狀態(tài)。第 4 天去除率有較大提升，第 6 天去除率就已首次達(dá)到 80%，10 d 后去除率穩(wěn)定在 80%以上，即掛膜成功。此時觀察填料外觀可發(fā)現(xiàn)其表面已附著了較厚一層生物膜，隨水流方向各段反應(yīng)器生物膜厚度逐漸遞減。
與傳統(tǒng)工藝相比，該工藝得益于更大的填料比表面積掛膜速度更快，多段連續(xù)的氧化單元構(gòu)造也使得掛膜過程更穩(wěn)定，在碳源保證的前提下，隨掛膜時間增加，COD 去除率具有穩(wěn)定的提升趨勢。
1.1 HRT 對去除污染物的影響
有研究表明，HRT 是影響活性污泥系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要參數(shù)，將直接影響系統(tǒng)對污染物的去除效果。為了考察反應(yīng)器在不同 HRT 下的污染物去除規(guī)律，實驗先后進(jìn)行了相對較短(12 h)與較長(24 h)2 4種 HRT 下進(jìn)出水 COD、NH +-N 含量的監(jiān)測，如圖3 和圖 4 所示。
由圖 3 可知，系統(tǒng)運行期間，2 種 HRT 下進(jìn)水COD 相差不大，均維持在 150～180 mg/L，經(jīng)系統(tǒng)處理后，HRT 分別為 12、24 h 時出水 COD 平均分別在 27.0、17.1 mg/L，均已達(dá)到 GB 18918-2002 一級A 標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“一級 A”)COD 小于 50 mg/L要求[7]。相對于 HRT 為 12 h，HRT 為 24 h 時能多去除平均 5.5%的 COD 量。在 COD 去除率隨時間變化的規(guī)律上，2 種 HRT 下規(guī)律大體一致，均呈現(xiàn)先低后高的變化趨勢，主要原因是設(shè)置或改變 HRT 后氧化池內(nèi)的細(xì)菌及原后生動物對于營養(yǎng)物含量的有適應(yīng)過程，與新適應(yīng)的微生物的世代周期也有較大關(guān)系。調(diào)整初期去除率波動相對明顯，運行 10～13 d 后，系統(tǒng) COD 去除率開始穩(wěn)定，25 d 后，HRT 為 24 h下 COD 去除率甚至可達(dá) 93.5%。此時改變進(jìn)水負(fù)荷，仍可以得到穩(wěn)定而良好的出水效果。
由圖 4 可知，因原水摻混較大比例的生活污水，系統(tǒng)運行期間，2 種HRT 下進(jìn)水NH +-N 質(zhì)量濃度均波動明顯，在 20～40 mg/L，HTR 為 24 h 時進(jìn)水NH +-N含量略低于 HTR 為 12 h 時。從監(jiān)測結(jié)果來看，初期2 種 HRT 下 NH +-N 去除效果均不理想，具有較大波動，在運行 3～7 d 后，NH +-N 去除效果開始趨于穩(wěn)定，HRT 為 24 h 時 NH +-N 的去除效果明顯較好，此時 2 種 HTR 下出水均能達(dá)到一級 A 對 NH +-N的質(zhì)量濃度小于 8 mg/L 的要求。
在 HRT 為 12 h 運行 18 d 后，改連續(xù)進(jìn)水為長周期(HRT 為 12 h)間歇進(jìn)水進(jìn)行實驗，發(fā)現(xiàn) NH +-N去除率急劇下降，出水 NH +-N 的質(zhì)量濃度上升至13.13 mg/L。在第 1～4 段接觸氧化單元淹沒液面觀察到有部分黑色懸浮狀污泥并伴有絮狀泡沫，可知在進(jìn)水長間歇期，由于營養(yǎng)物缺乏，部分原本適應(yīng)營養(yǎng)物含量的微生物死亡，并從填料表面脫落形成懸浮狀污泥，隨后經(jīng)過各段曝氣剪切力的作用下，以碎屑的形式排出反應(yīng)器，造成污泥流失，從而影響了系統(tǒng) NH +-N 去除效果。
2.3 各接觸氧化段污染物去除規(guī)律
在 2 種 HRT 運行達(dá)到各自工況下穩(wěn)定期時，對反應(yīng)器進(jìn)水(0)、12 個接觸氧化段及出水(13)進(jìn)行 COD 和 NH +-N 含量的監(jiān)測，結(jié)果如圖 5 和圖 6所示。
由圖 5 可知，2 種 HRT 下，隨接觸氧化段序號增加，COD 不斷降低。兩者 COD 去除規(guī)律一致，均為第 1 段去除率最高，2～9 段去除率基本維持在一個小范圍內(nèi)，得益于停留時間的增加，HRT 為 24 h 時COD 去除率平均高出 12 h 時 10 個百分點，達(dá)到一級 A COD 小于 50 mg/L 的要求,較 12 h 時也提前了5 個氧化單元(12 h 時為第 4 段，24 h 時為第 9 段)。但在第 9 段后，24h 工況下 COD 去除率為負(fù)，COD在 9～12 段小幅回升的規(guī)律。
觀察發(fā)現(xiàn)，后幾段氧化單元格不銹鋼隔板上棲息大量搖蚊，同時通過取樣鏡檢在水中發(fā)現(xiàn)大量懸浮或附著態(tài)搖蚊幼蟲。有關(guān)研究表明，搖蚊幼蟲的大量增殖可導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)污泥量急劇下降，影響系統(tǒng)污水處理效果，而類似于搖蚊幼蟲的大型后生動物在捕食污泥絮體時會導(dǎo)致部分細(xì)胞體破裂而釋放內(nèi)含物，也會增加有機(jī)物含量。通過判斷可以發(fā)現(xiàn)搖蚊幼蟲的過量增殖是導(dǎo)致 9～12 段 COD 回升的原因所在。
這一規(guī)律同樣反映在 NH +-N 含量上。由圖 6 可知，2 種 HRT 下，在第 5～10 接觸氧化段 NH +-N 含量均呈線性下降的趨勢，但 HRT 為 24 h 時 NH +-N去除率更高;而在第 11～12 段 NH +-N 去除率低于 12 h，NH +-N 含量下降逐漸放緩，其原因也與上述COD 在后段回升類似。此外，由于進(jìn)水端 DO 含量控制較低，硝化作用被抑制，2 種 HRT 下在第 1～5段 NH +-N 基本無去除效果，對 NH +-N 的去除規(guī)律沿各段去除規(guī)律基本一致，均在第 12 段后達(dá)到一級A 的 NH +-N 質(zhì)量濃度小于 8 mg/L 的要求。
2.4 微生物相鏡檢
在系統(tǒng)穩(wěn)定后，對第 1～12 接觸氧化段進(jìn)行多次連續(xù)生物相鏡檢，研究各段填料表面剝落的生物膜和水中主要的微生物種群，結(jié)果如表 1 所示。
由表 1 可知，共發(fā)現(xiàn) 13 種主要微生物。HRT 為 12 h 時，1～4 段主要以絲狀菌、草履蟲和累枝蟲等好氧性細(xì)菌及小型原生生物為主，填料上附著的污泥外觀呈黑色并有粘稠感，厚度可達(dá) 0.8～1.0 cm。實驗中發(fā)現(xiàn)，若第 1～4 段 DO 含量降低將導(dǎo)致前段絲狀菌數(shù)量顯著增加。第 4～8 段后輪蟲、橈足蟲、線蟲等后生生物開始出現(xiàn)并逐漸成為主要微生物種群，與原生生物一起構(gòu)成系統(tǒng)微生物最豐富段，此階段物污染物去除效果最穩(wěn)定。第 9～12 段后水絲蚓、水蚤和搖蚊幼蟲等體型稍大的后生生物開始出現(xiàn)，而原生生物逐漸消失。這些后生生物體長在 5～8mm，可通過肉眼進(jìn)行觀察。張建男的研究表明，水蚤具有一定的捕食細(xì)菌和減量污泥的能力[8];祁偉的研究表明水絲蚓的活動具有較強(qiáng)的污泥減量和改善污泥沉降性效果[9]。
改變HRT 為 24 h 后，初期 2 周內(nèi)填料上微生物相分布無明顯變化，2 周后接觸氧化單元后段后生生物開始逐漸前移。整個接觸氧化段仍然呈由細(xì)菌到后生生物的遞變規(guī)律。顯著變化的特征有：1)單位體積內(nèi)水絲蚓數(shù)量增多;2)單位體積水蚤數(shù)量減少;3)單位體積內(nèi)搖蚊幼蟲數(shù)量增多;4)第 7 段之后開始出現(xiàn)腹足類動物(附著在填料、箱體表面);5)種群最豐富段由第 7～8 段前移至第 4～5 段;7)部分后生動物如輪蟲、線蟲，個體尺寸增大。
生態(tài)學(xué)研究表明，食物鏈中能量在相鄰營養(yǎng)級之間傳遞效率僅為 10%～20%[10-11]。利用能量在高低營養(yǎng)級之間的傳遞損失，延長食物鏈來獲得最大的污泥削減效果近年來已成為污泥減量研究領(lǐng)域的熱點。本工藝系統(tǒng)從進(jìn)到出沿水流方向均構(gòu)成了由細(xì)菌到原生生物再到后生生物的食物鏈捕食關(guān)系，在HRT 為 12 h 運行期間，處理污水體積為 352 m3，產(chǎn)HRT 為 24 h 運行期間處理污水體積 228 m3，產(chǎn)生污泥干 1.84 kg，折算產(chǎn)泥量僅為 8.07 g/m3，具有良好的污泥減量效果。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié) 論
多段式接觸氧化法對生活與工業(yè)混合污水的處理效果良好，在 HRT 為 12 h 或 24 h 處理后，COD、NH +-N 含量均能達(dá)到 GB18918-2002 的一級 A 要求，出水效果穩(wěn)定。
與傳統(tǒng)工藝相比，多段式接觸氧化工藝掛膜速度更快，掛膜期間 COD 去除率穩(wěn)步提升，波動較溫度合適時，經(jīng) 6 d 培養(yǎng)，污水 COD 去除效果可達(dá)小80%，10 d 后即可穩(wěn)定運行。
HRT 是影響多段式接觸氧化法處理效果的重要因素，HRT=24 h 時 COD、NH +-N 處理率明顯高于 HRT=12 h。但是過長的停留將導(dǎo)致后段氧化單元后生生物如搖蚊幼蟲、腹足類動物增殖，雖然在一定程度上可優(yōu)化污泥沉降性能、降低污泥產(chǎn)率，但也會影響污染物去除效果，需適當(dāng)縮短 HRT。
多段式的構(gòu)造可增加系統(tǒng)耐負(fù)荷能力，但工況改變后，也需更長時間適應(yīng)變化達(dá)到穩(wěn)定，經(jīng)監(jiān)測該工藝一般需要 10～13 d。長周期間歇進(jìn)水方式不適用于多段式接觸氧化法，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)營養(yǎng)物缺乏時將導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)微生物死亡、污泥流失，破壞微生物平衡影響處理效果。
多段式接觸氧化法處理污水時，自進(jìn)水到出水逐段將構(gòu)成由細(xì)菌到原生生物再到后生生物的食物鏈?zhǔn)椒N群結(jié)構(gòu)，具有良好的污泥減量效果，增加 HRT有利于增加各段微生物種群豐富度并能顯著提升系統(tǒng)污泥減量能力。（北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院）
