组合式生物膜装置对受污染河水净化的中试试验

王 萧，蔡 娟，冯 骞，肖玉冰，李 军，卢莹莹

（1.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098；3.浙江环科环境咨询有限公司，浙江 杭州 310007）

随着城镇化和工业化的高速发展，河道水质 恶化的日趋加重［1，2］，河道的修复治理逐渐受到人们的重视。近年来，人工湿地［3－5］、人工浮床［6，7］、生物膜技术［8，9］等是河道修复治理中经常采用的技术，作为原位生物处理技术人工湿地、人工浮床需要较大的空间和较长的HRT［10，11］。生物膜技术因污泥量少、实施简便、运行灵活、占用空间少、HRT短等优点［12－15］得到了较为广泛的使用。姚磊等［16］在不同HRT下对污染河水处理的研究发现当DO为2～4mg/L、HRT为2h时取得较好的效果，但没有研究DO为4～6mg/L时的结果；龚灵潇等［17］采用SBBR对污染河水进行处理，比较了不同气水比条件下的去除效果，但是对于停留时间没有探讨。战楠等［18］采用 BAF－BAC组合工艺处理污染河水时，该工艺对TN的去除率仅20%。以上等人采用鼓风曝气技术对生物膜进行供氧，能耗较高。为此，笔者针对城市受污染河水特点与生物膜技术的优点开发了组合式生物膜装置(新型公开号CN202968253U)，以期在提高系统脱氮效果的同时，降低系统的运行成本。本文以某市重污染城市河水为原水，开展了组合式生物膜装置净化污染河水的中试研究。通过现场中试，分析组合式生物膜装置净化污染河水的可行性，在此基础上探讨技术参数的优化方案，为该技术的进一步推广应用提供科学依据和支撑。

1 装置、材料与方法

1.1 试验装置

组合式生物膜装置由生物处理单元、回流单元、出水单元以及水泵等附属设备组成，通过时间控制器控制调节水泵的启动与关停，实现装置间歇运行。装置的工艺流程如图1所示。

图1 试验装置工艺流程图Fig.1 Process Flow Diagram of Experimental Equipment

受污染河水经入水口输入，然后顺序流经厌氧池、缺氧池、蓄水回流池，之后由蓄水回流池内的水泵打入好氧池顶端。好氧池建于二沉池之上，其出水呈S型逐级虹吸跌落至底端二沉池。二沉池的一部分出水流入蓄水回流池，随蓄水回流池内水位的升高，回流至缺氧池，完成一个循环；另一部分出水经斜管沉淀后排入清水池，最后由出水口排出，完成受污染河水的治理过程。

试验装置为处理能力60m3/d的组合式生物膜装置，如图2所示(箭头代表水流方向)。装置总高为2.5 m，其中厌氧池、缺氧池、蓄水回流池、二沉池、清水池均采用钢板焊接而成，各池的体积分别为3.2、1.1、2.6、3.0、2.6m3，另外体积为4.3m3的多级好氧池采用硬质塑料板粘接而成。组合式生物膜装置中厌氧池和缺氧池内设置束状弹性填料，填充率为35% ～45%；多级好氧池采用势能增氧原理［19］，该池分4层设置，层与层之间用不透水硬质塑料板隔开，每层高度为50 cm，内填加直径为25mm的球形填料，填充率为90%。

图2 试验装置照片Fig.2 Photo of Experimental Equipment

1.2 试验材料

表1 组合式生物膜装置进水水质Tab.1 Water Quality of Influence

1.3 试验过程

试验分装置启动和稳定运行2个阶段。从1 d到第16 d为启动期，采用自然挂膜启动，启动期多级好氧池水力停留时间(M－HRT)控制在35min。随着装置的运行，系统对污染物去除效果逐渐提高，至第16 d装置对COD、－N去除率已分别达到80%、70%以上，可认为启动成功。第16 d到第106 d为稳定运行期，主要通过改变进水泵的启闭时间间隔，调整M－HRT，考察组合式生物膜装置净化污染河水的效果，比较多级好氧池不同的HRT对处理效果的影响，在此基础上对系统净化污染河水的可行性和效果进行分析，对主要运行参数进行优化。7月16日～8月16日，M－HRT仍维持在35min；8月16日～9月21日，M－HRT调整为17.5min；9月21日 ～10月 25日，M－HRT进一步调整为26.25min。

在运行过程中定期监测装置的进、出水水质，分析装置DO差异，考察多级好氧池填料上生物膜量。

1.4 分析方法

2 装置对污染物的降解效果

图3为M－HRT在17.5～35min时，组合式生物膜对COD、－N和TN的去除效果。

图3 不同的M－HRT对污染物去除效果Fig.3 Effect of Pollutants Removal by Combined Biofilm Device at Different M－HRT

由图3可知试验进水条件下，M－HRT在17.5～35min时，该装置对COD、－N和TN去除率分别可达80%、62%和22%以上；出水中 COD、－N和TN浓度分别在30、8和15mg/L以下，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准要求。在8月16日和9月21日出水水质出现恶化，去除率也出现降低，主要原因在于运行参数的调整对装置的运行造成了一定的冲击，导致出水水质恶化。4～6 d之后，随着装置逐步适应该工况，去除率基本恢复到稳定，装置表现出较强的适应性。此外，8月4日COD与－N的出水浓度出现了较大的升高，这主要是由于7月31日装置出现故障，蓄水回流池内水位升高，使得蓄水回流池内部分水体进入二沉池，导致出水浓度上升。

3 不同M-HRT对装置运行效果的影响

M－HRT是系统设计和运行中的重要参数，对系统的运行效果和能耗均有较大影响。为此，笔者进一步分析了不同M－HRT对污染物去除效果、复氧效果和微生物附着状况的影响。

3.1 不同的M-HRT对污染物去除效果的影响

图3(d)表明了组合式生物膜装置在不同MHRT下对污染物的去除效果。由图可知在M－HRT为17.5min时，该装置对COD、－N和 TN的平均去除率分别达到80.1%、63.6%和22.0%；HRT增加到26.25min时，COD、－N和TN平均去除率分别升高到85.4%、73.3%和25.0%；进一步增大HRT到35min时，COD、－N和TN平均去除率进一步增加到86.8%、77.9%和23.7%。由此可知随着M－HRT的增大，系统对COD、－N的平均去除率逐渐升高，TN的平均去除率则表现为先升高后降低的规律。出现这一现象的原因可能是由于对COD、－N的去除主要在多级好氧池内实现，随着M－HRT的增加，水中污染物质与生物膜接触时间增加，从而使去除率上升；对TN的去除主要是在缺氧池中进行，随着HRT的增加，多级好氧池出水中DO增加(如图4所示)，DO增大到一定程度，导致回流液中DO过高，使缺氧池中反硝化反应受到抑制造成的［18］。此外，由于试验选取的受污染河水碳氮比较低［22］，影响反硝化过程，导致总氮去除率不高。

图4 不同M－HRT下出水中DO的变化Fig.4 Concentration of DO at Different M－HRT

3.2 不同的M-HRT对复氧效果的影响

为了从DO利用和微生物增殖角度进一步解读系统运行参数对装置运行效果的影响，笔者监测了多级好氧池内不同HRT下出水中DO和填料上的微生物量。

由图4可知各工况下多级好氧池出水中DO的平均浓度均在4mg/L以上，且出水中DO随着MHRT的增大而增加。出现这一现象的原因在于多级好氧池内水流自多级好氧池顶部沿S形线路交替通过多级好氧池两端的虹吸管逐层流下，在水流跌落的过程中进行虹吸跌水复氧，虹吸作用吸净床内水后，使该层的填料暴露在空气中，填料表面的生物膜通过表面的水膜与空气接触，进行大气复氧。M－HRT代表着水流在多级好氧池内的循环次数，停留时间越长，循环次数越多，水中 DO越高［23］。

3.3 不同的 M-HRT对填料挂膜效果的影响

表2表明不同M－HRT对填料表面生物膜特征的影响。

表2 不同M－HRT下生物膜特征Tab.2 Biofilm Characteristics at Different M－HRT

由表2可知生物量随着M－HRT的增大而增大。在组合式生物膜装置的一个运行周期内，水流从多级好氧池的顶部间歇循环的跌流至底部的二沉池中，调整M－HRT是通过控制水流在多级好氧池内的循环次数来实现的，循环次数越多，停留时间越长，由于在循环的过程中水流均是从同一高度跌落，所以每次循环对生物膜的水流剪切作用基本是相同的。M－HRT增加表现在一个运行周期里多级好氧池内的水流循环次数增多，循环周期内微生物与底物的反应时间增加，从水中获得的营养物质和DO增多，同时水流剪切作用的刺激，均有利于生物膜增长；随着时间的推移，生物膜逐渐趋于老化脱落，循环周期内水流剪切能量的增加促进生物膜的脱落更新。以上各因素共同促进生物膜的生长、脱落与更新。此外随着M－HRT的增加，生物膜厚度、生物膜空隙率均在增大。对于生物膜来说，生物量的增加体现于生物膜的增厚［24］，水流剪切作用的刺激以及向膜内侧传质的需要，促进生物膜空穴的形成以及膜孔隙率的增加。图5是不同M－HRT下生物膜表面SEM观察图，依次是好氧池HRT为17.5、26.25和35min时多级好氧池内填料上生长的生物膜，由图可知多级好氧池当HRT为26.25和35min时，生物膜质地较均匀，孔隙大而明显。较大的空隙有利于向生物膜内部传递营养物质和氧气，促进生物膜内部进行好氧呼吸作用。当HRT为17.5min时，生物膜表面致密，在放大1000倍的情况下基本看不到明显的大孔隙，影响了营养物质和DO向生物膜内部扩散。

图5 不同M－HRT下生物膜表面SEM观察图Fig.5 SEM Analysis of Biofilm at Different M－HRT

4 不同M-HRT对运行成本的影响

图6展示了不同M－HRT下组合式生物膜装置对污染物去除效果与能耗的相关性。其中以MHRT为17.5min时组合生物膜装置对污染物的去除效果和能耗情况作为增幅计算基期量(其中电价以0.6元/度计)。

图6 不同M－HRT下污染物去除效果与能耗相关性Fig.6 Correlation between Pollutants Removal Performance and Energy Consumption at Different M－HRT

5 结论

(1)在M－HRT为35min下运行时，该装置对COD、－N和 TN的平均去除率达到86.8%、77.9%和23.7%；在M－HRT为17.5min下运行时，该装置对COD、－N和 TN的平均去除率达到80.1%、63.6%和22.0%；在M－HRT为26.25min下运行，该装置对COD、－N和TN的平均去除率达到85.4%、73.3%和25.0%。

(2)组合式生物膜装置在M－HRT为26.25min时，处理效果较好，运行成本较低。

(3)本组合式生物膜装置，不仅利用了虹吸现象与大气复氧现象进行曝气，而且利用二沉池、蓄水回流池、缺氧池之间的高位差实现自动的蓄水回流；还利用了不同填料的特性，解决了填料堵塞的问题；结合厌氧、缺氧、好氧，由进水过滤单元、生物处理单元、回流单元和出水单元四部分组成，结构简单紧凑，占地面积小，易于实施和维护，前期投资小，无放大问题，运行费用低，经对中试现场的总用电量进行核算，运行成本低至0.05元/t左右(若电费按每kW·h为0.6元计)；构建在地表水体旁边，不破坏原有的河道景观，可将受污染缺氧地表水中的DO提高到3mg/L以上，水质得到极大提升。

［1］Dong H Y，Qiang Zh M，Li T G，et al.Effect of artificial aeration on the performance of vertical－flow constructed wetland treating heavily polluted river water［J］. Journal of Environmental Sciences，2012，24(4):596－601.

［2］Bu H M，Tan X，Li S Y，et al.Temporal and spatial variations of water quality in the Jinshui River of the South Qinling Mts.China［J］.Ecotoxicology and Environmental Safety，2010，73(5):907－913.

［3］Wang W L，Gao J Q，Guo X，et al.Long－term effects and performance of two－stage baffled surface flow constructed wetland treating polluted river ［J］.Ecological Engineering，2012，49:93－103.

［4］高天霞，李毅，郭婷，等.人工湿地系统改善滇池入湖水质［J］.净水技术，2011，30(2):28－32.

［5］Wu H M，Zhang J，Li P Z，et al.Nutrient removal in constructed microcosm wetlands for treating polluted river water in Northern China［J］.Ecological Engineering，2011，37(4):560－568.

［6］Hu M，Yuan J，Yang X，He Z.Effects of temperature on purification of eutrophic water by floating eco－island system ［J］.Acta Ecol.Sin.，2010，30:310－318.

［7］聂智凌，安达，黄民生，等.人工浮床池净化富营养河水试验研究［J］.净水技术，2006，25(5):1－3.

［8］焦燕，金文标，赵庆良，等.异位/原位联合生物修复技术处理受污染河水［J］.中国给水排水，2011，27(11):59－62.

［9］张腾飞，李冬，晁雷，等.人工强化河道治理技术中滤料种类对污染物去除效果的研究［J］.给水排水，2010，36(增刊):86－92.

［10］Zhua L D，Li Zh H，Tarja Ketola.Biomass accumulations and nutrient uptake of plants cultivated on artificial floating beds in China's rural area ［J］.Ecological Engineering，2011，37:1460－1466.

［11］Saeed T，Sun G.A review on nitrogen and organics removal mechanisms in subsurface flow constructed wetlands:dependency on environmental parameters，operating conditions and supporting media［J］.J.Environ.Manage，2012，112:429－448.

［12］李睿华，管运涛，何苗，等.河岸芦苇、茭白和香蒲植物带处理受污染河水中试研究［J］.环境科学，2006，27(3):493－497.

［13］张建，何苗，邵文生，等.人工湿地处理污染河水的持续性运行研究［J］.环境科学，2006，27(9):1760－1764.

［14］李睿华，管运涛，何苗，等.河岸混合植物带处理受污染河水中试研究［J］.环境科学，2006，27(4):651－654.

［15］P M Nacheva，G M Chavez，C Bustos，et al.Comparison of bioreactors with different kinds of submerged packed beds for domestic wastewater treatment［J］.Water Sci.Technol.，2008，58(1):29－36.

［16］姚磊，叶正芳，倪晋仁，等.固定化曝气生物滤池处理污染河水的中试研究［J］.中国给水排水，2007，23(13):20－23.

［17］龚灵潇，朱如龙，李军，等.序批式生物膜法处理微污染河水的效果［J］.中国给水排水，2011，27(11):30－33.

［18］战楠，廖日红，申颖洁，等.BAF－BAC组合工艺对受污染河水水质净化研究［J］.环境科学与技术，2012，35(7):77－81.

［19］邓风，陈鸣钊.势能增氧生物处理工艺的应用研究［J］.环境工程，2009，27(1):23－25.

［20］国家环境保护总局.水和废水监测分析方法(第4版)［M］.北京:中国环境科学出版社，2002.

［21］Lazarova V，Pierzo V，Fontville D，et al.Integrated approach for biofilm characterization and biomass control［J］.Wat.Sci.Technol.，1994，(7):345－354.

［22］赵建，朱伟，赵联芳.人工湿地对城市污染河水的净化效果及机理［J］.湖泊科学，2007，19(1):32－38.

［23］陈鸣钊，丁训静.水体势能的大气复氧法－势能增氧生态床法［J］.水科学进展，2008，19(5):732－735.

［24］刘炎炎，杨平，方治华.生物流化床中生物膜特性与反应器效率的关系［J］.环境科学进展，1998，7(5):114－119.