摘要：采用自培養(yǎng)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(zhèn)污水的性能。結(jié)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(nèi)已表現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)生，細砂的N2產(chǎn)率略高于粗砂；2種石英砂的NH₃-N產(chǎn)量均低于N₂產(chǎn)量。N₂產(chǎn)率隨HRT的增加而增加。

中國中部水網(wǎng)區(qū)村鎮(zhèn)污水主要來源于降雨產(chǎn)生的地表徑流和居民生活排水，具有污染負荷低、水量時空變化大、分散的特點。降雨產(chǎn)生的地表徑流中污染物因受雨水的稀釋含量較低，而居民生活排水雖然量少，但污染物含量相對較高，是中部水網(wǎng)區(qū)村鎮(zhèn)污水處理的重點。由于這部分水量小、分散性大，因此適宜選擇工程投資小、運行費用低的生物處理方法。自然復氧的生物濾池不僅具有這些特點，而且低負荷運行時即具有較好的去除率，又能防止填料內(nèi)生物膜增長過快，導致濾層堵塞。因此，適用于中部水網(wǎng)區(qū)村鎮(zhèn)污水的處理。

自然復氧生物濾池復氧速度慢，因此濾料層中即有好氧微生物也有兼氧和厭氧微生物的存在。根據(jù)這種情況，本研究分別探討了自然通風好氧微生物和厭氧條件兼氧、厭氧微生物的凈水作用。

濾料作為生物濾池的載體種類較多，有自研發(fā)的、天然的和廢物利用的。其中，經(jīng)簡易加工的天然石英砂濾料價格低廉，適用于農(nóng)村生物濾池。目前關(guān)于生物濾池濾料的研究，主要集中于好氧曝氣生物濾池濾料方面。關(guān)于自然通風或厭氧條件下的生物濾料的凈水性能方面的研究報道很少，其中有關(guān)石英砂生物濾料脫氮除磷除COD的性能尚未見報道。

本研究將分別探討在自然通風和厭氧條件下石英砂對生物膜的影響和表面微生物對氮磷、COD和濁度等去除性能的差異，以期為中部水網(wǎng)區(qū)污水處理工程生物濾池濾料的選擇提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 水質(zhì)特點

實驗用水取自武漢市黃陂區(qū)某村鎮(zhèn)，其TP、溶解態(tài)磷（DP,即PO₄^3--P）的質(zhì)量濃度分別為0.060~0.11、0.011~0.025mg/L，TN、溶解態(tài)氮（DN）、NH₃-N、NO₃^--N的質(zhì)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(zhì)標準，P含量較低，因此根據(jù)這種水質(zhì)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(diào)節(jié)N含量、酒石酸鉀鈉調(diào)節(jié)COD，好氧條件不調(diào)節(jié)N含量因為經(jīng)厭氧分解的生活污水中NH₃-N含量很高。

1.2 濾柱特征

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%。

實驗用濾柱規(guī)格為長9.0cm、寬8.5cm、高30.0cm，有效容積1.84L，見圖1。濾料清洗干凈后的填裝體積為1.6L。

1.3 接種與掛膜

主要接種硝化亞硝化細菌、反硝化細菌，其它微生物使用稀釋的生活污水接種培養(yǎng)掛膜。首先離心分離培養(yǎng)的亞硝化細菌、硝化細菌，得到約為0.1g的濕菌種，加入100mL黃陂村鎮(zhèn)生活污水中，稀釋10倍后配制成1L實驗用接種水。向濾柱中注入接種水。接種后，為減少水分蒸發(fā)損失，采用保鮮膜封口，靜置5d。

5d后，每天將4個柱子中的水進行低速的循環(huán)，連續(xù)循環(huán)5d，以保證濾料表面形成好氧微生物膜。反硝化細菌的接種方法與亞硝化細菌、硝化細菌的接種方法相同。接種水是用生活污水稀釋10倍后加入一定量的硝酸鉀和酒石酸鉀鈉配制而成。

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(jīng)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(tài)N（P）含量等于TN（TP）與DN（DP）含量之差；NH₃-N含量采用納氏試劑分光光度法測定；濁度采用濁度儀直接測定；CODMn采用高錳酸鉀容量法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 自然通風濾柱性能

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(jīng)10d靜置處理（HRT=10d），取濾柱出水分析NH₃-N含量、COD_Mn濁度和PO₄^3--P含量，同時分析進水水質(zhì)，并依據(jù)分析結(jié)果計算各污染物去除率，結(jié)果見表1。

表1 自然通風濾柱進出水水質(zhì)及污染物去除率(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的去除效果都很好，去除率高達92%以上，表明接種的硝化細菌活性大、具有良好的脫氮能力；除COD的效果差些，僅55%左右，表明生物膜中其它好氧細菌的作用差些。比較而言，細砂對濁度具有很好的去除效果，而粗砂除濁能力較差；細砂除磷效果較好，約55%左右，粗砂除磷效果較差。

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�？刂瞥鏊�體積流量為17mL/min，HRT=0.98h。取濾柱出水分析其NH₃-N含量、COD_Mn濁度和PO₄^3--P含量，同時分析進水水質(zhì)，并依據(jù)分析結(jié)果計算各污染物去除率，結(jié)果見表2。

表2 自然通風濾柱進出水水質(zhì)及污染物去除率（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(nèi)，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。生物膜的硝化能力較差。與HRT=10d時的結(jié)果相比可以看出，微生物硝化能力隨時間的延長而增強，表明微生物降解污染物的速度較慢。此外，HRT=0.98h時2種石英砂表面的生物膜對COD去除率已達20%左右，而HRT=10d時增至55%左右，表明除COD性能在較短的時間內(nèi)已表現(xiàn)出來，但除磷性能要經(jīng)歷較長的時間才能反映出來。

2.2 厭氧濾柱性能

2.2.1 HRT=6d時

將生活污水稀釋10倍后加入酒石酸鉀鈉調(diào)節(jié)COD并作為厭氧微生物的營養(yǎng)物，再加入硝酸鉀調(diào)節(jié)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(jīng)6d靜置處理（HRT=6d），取濾柱出水分析NO₃^3--N含量、NH₃-N、COD_Mn、和PO₄^3--P的含量，同時分析進水水質(zhì)，并根據(jù)分析結(jié)果計算各污染物去除率，結(jié)果見表3。

表3 厭氧濾柱進出水水質(zhì)及污染物去除率（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(yǎng)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的去除率沒有對COD的去除率高，這與進水中的碳氮比較低有關(guān)，此外，厭氧過程沒有除磷能力。磷去除率為負值是由于接種掛膜后的厭氧生物膜吸附磷以及柱子清洗不徹底引起的。

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(jù)氮平衡計算由NO₃^--N轉(zhuǎn)化而來的NH₃-N和N₂含量及產(chǎn)率見表4。

表4 HRT=6d時的厭氧濾柱NH₃-N和N₂含量及產(chǎn)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(chǎn)率略高于粗砂；2種石英砂的NH₃-N產(chǎn)量均遠低于N₂產(chǎn)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來自于反硝化細菌的異化作用。

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(diào)節(jié)NO₃^--N含量和COD后作為實驗用水。分析進出水水質(zhì)，并根據(jù)分析結(jié)果計算各污染物去除率，結(jié)果見表5。

表5 厭氧濾柱進出水水質(zhì)及污染物去除率（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(nèi)，2種石英砂表面的厭氧生物膜均已表現(xiàn)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(jù)氮平衡計算由NO₃^--N轉(zhuǎn)化而來的NH₃-N和N₂含量及產(chǎn)率見表6。

表6 HRT=1.33h時的厭氧濾柱NH₃-N和N₂含量及產(chǎn)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(jié)果相比，它們具有相似的規(guī)律，即細砂的N₂產(chǎn)率略高于粗砂；2種石英砂的NH₃-N產(chǎn)量均低于N₂產(chǎn)量。此外，短HRT的N2產(chǎn)率小于長HRT的，表明反硝化細菌脫氮的異化速率隨HRT的增加而增加。

3 結(jié)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(nèi)已表現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)生，細砂的N₂產(chǎn)率略高于粗砂；2種石英砂的NH₃-N產(chǎn)量均低于N₂產(chǎn)量。N₂產(chǎn)率隨HRT的增加而增加。