摘要：采用自培養和生活污水中的細菌，對石英砂濾柱進行接種掛膜，研究了2種石英砂生物濾料分別在自然通風和厭氧條件下凈化村鎮污水的性能。結果表明，自然通風條件下細砂對濁度具有很好的去除效果，而粗砂除濁能力較差。接種的硝化細菌活性大、具有良好的脫氮能力，脫氮能力隨HRT的延長而增強；HRT=10d時2種石英砂對NH3-N的去除率都高達92%以上。生物膜具有一定的除COD的能力，HRT=10d時2種砂的COD去除率為55%左右，除COD性能在較短的時間內已表現出來。細砂除磷效果較好，HRT=10d的去除率約55%左右，粗砂除磷效果較差，除磷性能要經歷較長的時間才能反映出來。厭氧條件下2種石英砂生物濾料都沒有除磷能力；但是都具有良好的除COD和脫氮性能，除COD和脫氮能力隨HRT的延長而增強，HRT=6d的COD去除率都高達93%以上，NO3-N去除率為50%左右。脫氮過程有NH3-N和N2產生，細砂的N2產率略高于粗砂；2種石英砂的NH3-N產量均低于N2產量。N2產(chan)率隨HRT的增加(jia)而(er)增加(jia)。
中(zhong)國中(zhong)部(bu)(bu)水網區村(cun)鎮(zhen)污(wu)(wu)水主要(yao)來源于降雨產(chan)生(sheng)的(de)地表徑流和居(ju)(ju)民(min)生(sheng)活(huo)排水，具有(you)污(wu)(wu)染負荷低(di)(di)、水量(liang)時(shi)空變化大、分散的(de)特點(dian)。降雨產(chan)生(sheng)的(de)地表徑流中(zhong)污(wu)(wu)染物(wu)因(yin)受雨水的(de)稀釋含量(liang)較低(di)(di)，而居(ju)(ju)民(min)生(sheng)活(huo)排水雖然量(liang)少，但(dan)污(wu)(wu)染物(wu)含量(liang)相對較高(gao)，是中(zhong)部(bu)(bu)水網區村(cun)鎮(zhen)污(wu)(wu)水處(chu)理的(de)重點(dian)。由(you)于這(zhe)部(bu)(bu)分水量(liang)小、分散性(xing)大，因(yin)此適(shi)宜選(xuan)擇工(gong)程投資小、運行費(fei)用低(di)(di)的(de)生(sheng)物(wu)處(chu)理方法。自然復氧的(de)生(sheng)物(wu)濾池不(bu)僅具有(you)這(zhe)些(xie)特點(dian)，而且低(di)(di)負荷運行時(shi)即(ji)具有(you)較好的(de)去除率，又能防止填料內(nei)生(sheng)物(wu)膜增長(chang)過快，導致(zhi)濾層堵(du)塞。因(yin)此，適(shi)用于中(zhong)部(bu)(bu)水網區村(cun)鎮(zhen)污(wu)(wu)水的(de)處(chu)理。
自然復氧(yang)生(sheng)物濾(lv)池復氧(yang)速度(du)慢，因此濾(lv)料層中(zhong)即(ji)有(you)好氧(yang)微生(sheng)物也有(you)兼(jian)氧(yang)和(he)厭氧(yang)微生(sheng)物的(de)存在。根據這種情況，本研究分別探討了(le)自然通風好氧(yang)微生(sheng)物和(he)厭氧(yang)條(tiao)件兼(jian)氧(yang)、厭氧(yang)微生(sheng)物的(de)凈水(shui)作用。
濾(lv)料作為生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)濾(lv)池的(de)(de)(de)載體種類較多，有(you)自(zi)(zi)研發的(de)(de)(de)、天(tian)然的(de)(de)(de)和廢物(wu)(wu)(wu)利用的(de)(de)(de)。其中，經簡易加工的(de)(de)(de)天(tian)然石英砂濾(lv)料價格低廉，適用于農村生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)濾(lv)池。目前(qian)關于生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)濾(lv)池濾(lv)料的(de)(de)(de)研究，主要集(ji)中于好(hao)氧曝氣生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)濾(lv)池濾(lv)料方面(mian)。關于自(zi)(zi)然通風或(huo)厭氧條(tiao)件(jian)下的(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)濾(lv)料的(de)(de)(de)凈水(shui)性(xing)能方面(mian)的(de)(de)(de)研究報道很少，其中有(you)關石英砂生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)濾(lv)料脫氮(dan)除磷除COD的(de)(de)(de)性(xing)能尚(shang)未(wei)見報道。
本研究將分(fen)別探討在自然通風(feng)和厭氧條件下石(shi)英砂對生(sheng)(sheng)(sheng)物膜的(de)影響和表面微生(sheng)(sheng)(sheng)物對氮(dan)磷、COD和濁度等(deng)去除(chu)性能的(de)差異，以期為中部水網區(qu)污水處理工程生(sheng)(sheng)(sheng)物濾(lv)池濾(lv)料(liao)的(de)選擇提供(gong)科學(xue)依(yi)據。
1 材(cai)料(liao)與方法
1.1 水質特點
實驗用水取自武漢市黃陂區某村鎮，其TP、溶解態磷（DP,即PO43--P）的質量濃度分別為0.060~0.11、0.011~0.025mg/L，TN、溶解態氮（DN）、NH3-N、NO3--N的質量濃度分別為30~52、12~25、0.85~1.1、0.32~1.2mg/L，可以看出，污水塘中的N含量較高，超出了地表V類水質標準，P含量較低，因此根據這種水質特點采用生活污水配制模擬塘水水樣時厭氧條件采用硝酸鉀調節N含量、酒石酸鉀鈉調節COD，好氧條件不調節N含量因為經厭氧分解的生活污水中NH3-N含量很高。
1.2 濾(lv)柱特征
實驗用濾料細石英砂（細砂），粒徑4~8mm，密度2.84kg/m3，堆積密度1.46kg/m3，孔隙率48.6%，比表面積0.103m2/g；粗石英砂（粗砂），粒徑8~16mm，密度3.07 kg/m3，堆積密度1.37kg/m3，比表面積0.0621m2/g，孔隙率55.4%。
實驗用(yong)濾柱規格(ge)為長9.0cm、寬8.5cm、高30.0cm，有效(xiao)容積1.84L，見(jian)圖1。濾料清(qing)洗干凈(jing)后(hou)的(de)填(tian)裝體積為1.6L。
1.3 接(jie)種與掛膜
主要接種硝化(hua)(hua)亞(ya)硝化(hua)(hua)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)、反硝化(hua)(hua)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)，其它微生(sheng)物使用稀(xi)(xi)釋的生(sheng)活(huo)污(wu)水(shui)接種培養掛(gua)膜。首先離心(xin)分離培養的亞(ya)硝化(hua)(hua)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)、硝化(hua)(hua)細(xi)(xi)菌(jun)(jun)，得到約為0.1g的濕菌(jun)(jun)種，加入(ru)100mL黃陂(po)村鎮生(sheng)活(huo)污(wu)水(shui)中(zhong)，稀(xi)(xi)釋10倍(bei)后配制成1L實驗(yan)用接種水(shui)。向濾(lv)柱中(zhong)注入(ru)接種水(shui)。接種后，為減(jian)少水(shui)分蒸發損失，采用保鮮膜封口(kou)，靜置5d。
5d后，每天將4個(ge)柱(zhu)子中的(de)(de)水(shui)進行低速的(de)(de)循環(huan)，連(lian)續循環(huan)5d，以保證濾料(liao)表面形成(cheng)好氧微生物(wu)膜。反硝化(hua)(hua)細(xi)菌的(de)(de)接(jie)種方法與(yu)亞硝化(hua)(hua)細(xi)菌、硝化(hua)(hua)細(xi)菌的(de)(de)接(jie)種方法相同。接(jie)種水(shui)是(shi)用生活污水(shui)稀(xi)釋10倍后加入一(yi)定量(liang)的(de)(de)硝酸鉀(jia)和酒石酸鉀(jia)鈉(na)配制(zhi)而成(cheng)。
1.4 樣品分析
收集到的水樣一部分直接用于測定，另一部分經0.45μm濾膜過濾后測定。水樣中的TP含量采用過硫酸鉀高壓氧化，鉬銻抗比色法測定，PO43-P含量則直接用鉬銻抗比色法測定；TN含量采用堿性過硫酸鉀高壓氧化紫外分光光度法測定，DN含量直接用紫外分光光度計測定。顆粒態N（P）含量等于TN（TP）與DN（DP）含量之差；NH3-N含量采用(yong)(yong)納氏試劑分光光度法(fa)測(ce)定(ding)；濁(zhuo)度采用(yong)(yong)濁(zhuo)度儀直接測(ce)定(ding)；CODMn采用(yong)(yong)高錳酸鉀(jia)容量法(fa)測(ce)定(ding)。
2 結果與討論
2.1 自然通風濾(lv)柱性能
2.1.1 HRT=10d時
掛膜后的濾柱用除鹽水清洗后進水樣，水樣由生活污水稀釋10倍后配制而成，在自然通風條件下經10d靜置處理（HRT=10d），取濾柱出水分析NH3-N含量、CODMn濁度和PO43--P含量，同時分(fen)析進水(shui)(shui)水(shui)(shui)質，并依據分(fen)析結果(guo)(guo)計(ji)算(suan)各污(wu)染物去除率，結果(guo)(guo)見表1。
表1 自然通風濾柱(zhu)進(jin)出水水質及污染物(wu)去除率(HRT=10d)
| 水樣 | CODMn/(mg·L-1) | 濁度/NTU | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| NH3-N | PO43--P | 濁度 | CODMn | NH3-N | PO43--P | |||
| 進水 | 40.4 | 28 | 22 | 0.802 | ||||
| 細出 | 16.6 | 1.2 | 1.6 | 0.363 | 95.7 | 58.9 | 92.7 | 54.7 |
| 粗出 | 18.6 | 18.4 | 1.58 | 0.733 | 34.3 | 54.0 | 92.8 | 8.6 |
從表1可以看出，自然通風條件下，2種石英砂表面的生物膜對NH3-N的(de)去除(chu)效(xiao)果(guo)都很(hen)好，去除(chu)率高達92%以上，表明接種的(de)硝化(hua)細(xi)菌活性(xing)大、具有(you)良好的(de)脫氮能(neng)力(li)(li)；除(chu)COD的(de)效(xiao)果(guo)差些(xie)，僅55%左右，表明生物膜中其它(ta)好氧(yang)細(xi)菌的(de)作用差些(xie)。比較(jiao)而言，細(xi)砂對濁度具有(you)很(hen)好的(de)去除(chu)效(xiao)果(guo)，而粗砂除(chu)濁能(neng)力(li)(li)較(jiao)差；細(xi)砂除(chu)磷效(xiao)果(guo)較(jiao)好，約55%左右，粗砂除(chu)磷效(xiao)果(guo)較(jiao)差。
2.1.2 HRT-0.98h時
濾柱用除鹽水清洗后進水樣，水樣由生活污水稀釋10倍后配制而成。控制出水體積流量為17mL/min，HRT=0.98h。取濾柱出水分析其NH3-N含量、CODMn濁度和PO43--P含量(liang)，同時分析進水(shui)水(shui)質，并依據分析結(jie)果(guo)計(ji)算各污(wu)染物去除率，結(jie)果(guo)見表2。
表2 自然通風(feng)濾柱進出水水質及污染(ran)物去除率（HRT=1.98d）
| 水樣 | CODMn/(mg·L-1) | 濁度/NTU | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| NH3-N | PO43--P | 濁度 | CODMn | NH3-N | PO43--P | |||
| 進水 | 17.8 | 8.0 | 19.8 | 0.541 | ||||
| 細出 | 15.1 | 3.8 | 17.7 | 0.538 | 52.5 | 15.0 | 10.6 | 0.55 |
| 粗出 | 13.3 | 4.5 | 19.3 | 0.538 | 43.8 | 25.3 | 2.53 | 0.55 |
表2可看出，在很短的停留時間內，細砂對NH3-N、和濁度的去除效果好于粗砂，除COD的性能比粗砂差。2種石英砂都沒有除磷能力，對NH3-N、COD和濁度的去除能力的高低順序依次為濁度、COD和NH3-N。生物(wu)膜的硝(xiao)化(hua)能(neng)力(li)較(jiao)差(cha)。與HRT=10d時(shi)(shi)(shi)(shi)的結果相比可以看出，微生物(wu)硝(xiao)化(hua)能(neng)力(li)隨時(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)的延長(chang)而增強，表(biao)明(ming)微生物(wu)降解污染物(wu)的速度較(jiao)慢(man)。此外(wai)，HRT=0.98h時(shi)(shi)(shi)(shi)2種(zhong)石英砂表(biao)面的生物(wu)膜對COD去除率已(yi)達20%左右(you)，而HRT=10d時(shi)(shi)(shi)(shi)增至55%左右(you)，表(biao)明(ming)除COD性(xing)能(neng)在較(jiao)短的時(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)內已(yi)表(biao)現出來，但除磷(lin)性(xing)能(neng)要經歷(li)較(jiao)長(chang)的時(shi)(shi)(shi)(shi)間(jian)才能(neng)反映出來。
2.2 厭氧濾(lv)柱性能
2.2.1 HRT=6d時
將生活污水稀釋10倍后加入酒石酸鉀鈉調節COD并作為厭氧微生物的營養物，再加入硝酸鉀調節NO3--N后配制成實驗用水，該水樣m(C)：m(N)=1.53。掛膜后的濾柱用除鹽水清洗后注入水樣。濾料經6d靜置處理（HRT=6d），取濾柱出水分析NO33--N含量、NH3-N、CODMn、和PO43--P的含量，同(tong)時(shi)分析進水水質，并根據分析結果(guo)(guo)計算各污染物去除率，結果(guo)(guo)見表3。
表(biao)3 厭氧(yang)濾柱進出水(shui)水(shui)質及污(wu)染物(wu)去除(chu)率（HRT=6d）
| 水樣 | CODMn/(mg·L-1) | 濁度/NTU | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| NH3-N | PO43--P | 濁度 | CODMn | NH3-N | PO43--P | |||
| 進水 | 49.8 | 19.0 | 0.150 | 0.431 | ||||
| 細出 | 3.14 | 9.31 | 0.234 | 0.568 | 93.7 | 50.9 | -56.5 | -31.8 |
| 粗出 | 1.88 | 10.6 | 0.273 | 0.468 | 96.2 | 44.2 | -82.3 | -8.58 |
從表3可以看出，2種石英砂表面的厭氧生物膜對氮磷和COD的去除效果差別不大。它們均具有很好的除COD性能，原因是反硝化菌是異養微生物，在脫氮的過程中需要利用有機物作為碳源和電子供體；對NO3--N的(de)(de)去(qu)除率沒有(you)對COD的(de)(de)去(qu)除率高，這(zhe)與(yu)進水中的(de)(de)碳氮比較低有(you)關，此外，厭氧(yang)過程沒有(you)除磷能力(li)。磷去(qu)除率為負值是由于接種掛(gua)膜(mo)后的(de)(de)厭氧(yang)生物膜(mo)吸附磷以及柱(zhu)子清(qing)洗不徹底引起的(de)(de)。
該過程的NH3-N去除率為負，表明厭氧反硝化過程有NH3-N生成，據氮平衡計算由NO3--N轉化而來的NH3-N和N2含量及(ji)產率見表4。
表4 HRT=6d時的厭氧濾柱NH3-N和N2含量及產率
| 水樣 | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| N2 | NH3-N | N2 | NH3-N | |||
| 細砂出水 | 9.76 | 0.084 | 51.39 | 0.44 | ||
| 粗砂出水 | 8.52 | 0.123 | 44.86 | 0.65 | ||
從表4可以看出，細砂的N2產率略高于粗砂；2種石英砂的NH3-N產量均遠低于N2產量，表明厭氧反硝化過程中異化作用大于同化作用，因為這部分NH3-N來自于反硝化細菌的同化作用，N2來自于反硝化(hua)細菌(jun)的異化(hua)作用(yong)。
2.2.2 HRT=1.33h時
將生活污水稀釋10倍，用硝酸鉀和酒石酸鉀鈉調節NO3--N含量和(he)COD后(hou)作為實驗(yan)用水(shui)。分(fen)析(xi)進出(chu)水(shui)水(shui)質(zhi)，并根據分(fen)析(xi)結(jie)果(guo)計(ji)算各污染物去除率，結(jie)果(guo)見(jian)表5。
表5 厭氧濾柱進(jin)出水水質(zhi)及污染(ran)物去除率（HRT=1.33h）
| 水樣 | CODMn/(mg·L-1) | 濁度/NTU | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| NH3-N | PO43--P | 濁度 | CODMn | NH3-N | PO43--P | |||
| 進水 | 6.67 | 10.3 | 0.270 | 0.144 | ||||
| 細出 | 4.71 | 8.90 | 0.540 | 0.160 | 29.4 | 13.7 | -99.9 | -11.1 |
| 粗出 | 3.14 | 9.12 | 0.407 | 0.157 | 52.9 | 11.6 | -50.8 | -9.02 |
從表5可以看出，粗砂的COD去除能力好于細砂，NH3-N去除率較低，凈水效果更好些。在較短的時間內，2種石英砂表面的厭氧生物膜均已表現出了一定的脫NO3--N除COD的性能。因水樣中碳氮比較低，所以除COD的能力高于除NO3--N的能力。厭氧過程沒有除磷能力。據氮平衡計算由NO3--N轉化而來的NH3-N和N2含量及產率見表(biao)6。
表6 HRT=1.33h時的厭氧濾柱NH3-N和N2含量及產率
| 水樣 | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| N2 | NH3-N | N2 | NH3-N | |||
| 細砂出水 | 1.66 | 0.270 | 16.12 | 2.62 | ||
| 粗砂出水 | 1.30 | 0.137 | 12.59 | 1.33 | ||
從表6可以看出，與HRT=6d的結果相比，它們具有相似的規律，即細砂的N2產率略高于粗砂；2種石英砂的NH3-N產量均低于N2產(chan)量(liang)。此(ci)外，短HRT的(de)N2產(chan)率小于長HRT的(de)，表明(ming)反硝化(hua)細菌脫氮的(de)異(yi)化(hua)速率隨(sui)HRT的(de)增加(jia)而(er)增加(jia)。
3 結論
自然通風條件下細砂的凈水效果更好些。細砂對濁度具有很好的去除效果，而粗砂除濁能力較差。接種的硝化細菌活性大、具有良好的脫氮能力，脫氮能力隨HRT的延長而增強；HRT=10d時2種石英砂對NH3-N的去除(chu)(chu)(chu)率(lv)都高達92%以(yi)上。生(sheng)物膜具(ju)有一定的除(chu)(chu)(chu)COD的能力，HRT=10d時2種砂(sha)的COD去除(chu)(chu)(chu)率(lv)為55%左右(you)，除(chu)(chu)(chu)COD性(xing)(xing)能在較短的時間內已表現出(chu)來(lai)。細砂(sha)除(chu)(chu)(chu)磷(lin)效(xiao)果較好，HRT=10d的去除(chu)(chu)(chu)率(lv)約(yue)55%左右(you)，粗砂(sha)除(chu)(chu)(chu)磷(lin)效(xiao)果較差(cha)，除(chu)(chu)(chu)磷(lin)性(xing)(xing)能要(yao)經歷較長的時間才能反(fan)映出(chu)來(lai)。
厭氧條件下2種石英砂生物濾料都沒有除磷能力；但是都具有良好的除COD和脫氮性能，除COD和脫氮能力隨HRT的延長而增強，HRT=6d的COD去除率都高達93%以上，NO3--N去除率為50%左右。脫氮過程有NH3-N和N2產生，細砂的N2產率略高于粗砂；2種石英砂的NH3-N產量均低于N2產量。N2產(chan)率隨HRT的(de)增加而增加。
