任杰

摘要：文章針對(duì)黃河下游地區(qū)生物曝氣濾池工藝中生物濾料掛膜的生成情況進(jìn)行分析，篩選關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，如有機(jī)物（COD）、總氮（TN）、氨氮等，通過分析關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的變化規(guī)律判定生物濾池是否掛膜成功。

關(guān)鍵詞：曝氣生物濾池；生物濾料；掛膜；穩(wěn)定去除效果

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）05-0005-04

生物濾池處理污水的機(jī)理是利用濾料上各種微生物的代謝活動(dòng)來分解水中的污染物質(zhì)，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。濾料表面由各種微生物組成的生物膜是整個(gè)處理過程的核心，生物膜的數(shù)量和活性的高低對(duì)生物處理效果起著決定性的作用，而生物濾料的掛膜過程是在生物濾池中形成良好生物膜的前提，也是生物濾池穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。

掛膜即需要在濾床表面和濾料間隙馴化培養(yǎng)特定微生物，微生物經(jīng)過新陳代謝，自身生長(zhǎng)、增殖、更新?lián)Q代，進(jìn)而形成穩(wěn)定的微生物膜。掛膜周期的長(zhǎng)短及掛膜效果的好壞直接影響著生物濾池工藝運(yùn)行特征和污水處理效能，因此，采用周期短、掛膜快的啟動(dòng)方式，合理控制接種的微生物種群和其生長(zhǎng)所需的條件等，對(duì)于快速形成穩(wěn)定的微生物膜至關(guān)重要，并對(duì)生物濾池運(yùn)行的穩(wěn)定性和良好的處理效能有著重大意義。

生物膜的形成主要經(jīng)歷以下幾個(gè)過程：

（1）濾料的吸附截留過程：投加的活性污泥中含有大量的微生物，微生物借助曝氣生物濾池進(jìn)水的水力條件和微生物自身的運(yùn)動(dòng)由濾池中的水相主體不斷遷移至濾料表面。

（2）微生物在濾料表面的附著過程：當(dāng)微生物由濾池中的水相主體遷移至濾料表面后，通過各種物理作用、化學(xué)作用可逆性地固定于濾料表面，微生物以處理污水中的有機(jī)物質(zhì)為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在溶解氧充足的條件下，不斷生長(zhǎng)、增殖，在其新陳代謝過程中分泌粘性代謝物質(zhì)，如多聚糖、胞外聚合物等，通過粘性代謝物質(zhì)的粘性作用不可逆地附著于濾料表面及濾料間隙中。

（3）生物膜的形成過程：當(dāng)微生物不可逆地附著在濾料表面及濾料間隙中后，微生物以水體中的有機(jī)物質(zhì)為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在溶解氧充足的條件下，生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而形成成熟的微生物膜。

判斷生物濾池是否掛膜成功的主要依據(jù)就是檢測(cè)出水有機(jī)物（COD）、總氮（TN）、氨氮等指標(biāo)是否具有穩(wěn)定去除效果。

1 掛膜方案的選擇

本中試采用自然掛膜法，利用小流量連續(xù)進(jìn)水，使進(jìn)水中的微生物自然接種于生物濾料表面，待反硝化細(xì)菌逐步增長(zhǎng)繁殖后，緩步提高進(jìn)水負(fù)荷，并同時(shí)開始投加外部碳源以補(bǔ)充反硝化所需有機(jī)物，以此方式來啟動(dòng)反硝化生物濾池。

2 掛膜結(jié)果及影響因素分析

2.1 掛膜結(jié)果

本次掛膜持續(xù)時(shí)間為29天。濾池啟動(dòng)后分為兩個(gè)階段：第一階段主要是以培養(yǎng)細(xì)菌菌落，形成生物膜為主；第二階段則主要是以促進(jìn)反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖為目的。掛膜成功的主要標(biāo)志是在未改變水力負(fù)荷的前提下，對(duì)比進(jìn)出水的COD與TN可以穩(wěn)定地保持一定的去除率之后，即認(rèn)為掛膜成功。掛膜期間COD與TN的去除效果詳見圖1和圖2。

圖1 掛膜期間COD去除情況

分析圖1可知：

（1）在開始的7天時(shí)間里，濾池對(duì)COD的平均去除率達(dá)到22%。造成這個(gè)情況的主要原因是：剛開始進(jìn)水時(shí)，濾池中生物濾料上尚未生長(zhǎng)微生物膜，由于其表面粗糙多孔，故具有很強(qiáng)的吸附能力，對(duì)于來水中的溶解性有機(jī)物具有較大的吸附作用，同時(shí)由于生物濾料粒徑小，使濾床表現(xiàn)出對(duì)固態(tài)COD具有一定的截留作用，對(duì)污水中的懸浮性有機(jī)物也有較好的截留作用，截留作用在流速較低時(shí)表現(xiàn)得尤其明顯。上述作用使得生物濾池在進(jìn)水的最初幾天就表現(xiàn)出了一定的COD去除能力。

（2）在進(jìn)水7天之后，COD去除率迅速降低，表明濾池中濾料的物理截留能力到達(dá)極限，需要對(duì)濾池進(jìn)行反沖洗后才能繼續(xù)截留，故對(duì)濾池進(jìn)行首次反洗。反洗之后從數(shù)值上我們可以看到COD的去除率有了一個(gè)很明顯的攀升。

（3）在小流量連續(xù)進(jìn)水13天之后開始投加有機(jī)碳源，碳源投加量按COD：TN=5：1投加，此時(shí)投加的碳源超過了反硝化所需的理論碳源投加量（略為過量）。從圖中可看出：在剛開始投加碳源的幾天內(nèi)，COD的去除率有一定的下降，主要是突然增加碳源后反硝化細(xì)菌還未適應(yīng)，從而不能快速利用這些碳源并在反硝化過程中降解，表現(xiàn)為出水COD值的增加；在運(yùn)行到16天以后，可看出出水COD值不斷降低，表明反硝化菌已經(jīng)在利用水中的有機(jī)碳源并在反硝化中被消耗，但到運(yùn)行19～23天，出水COD濃度又有波動(dòng)并呈上升趨勢(shì)，該現(xiàn)象主要是掛膜期間碳源的投加為過量且恒定，而進(jìn)水的TN濃度偏低，所以有大量有機(jī)物沒有被完全利用導(dǎo)致COD值上升；23天之后隨著進(jìn)水TN濃度的增加，反硝化所需的有機(jī)物也增加，所以使出水COD不斷下降，使COD的去除率保持在50%左右，同時(shí)TN的去除率也從不足10%迅速上升到30%以上，表明反硝化濾池已具有一定的脫氮能力，反硝化菌已逐漸生長(zhǎng)并開始起作用，可以認(rèn)為濾池的生物脫氮功能已經(jīng)啟動(dòng)。

圖2 掛膜期間TN去除情況

分析圖2可知：

（1）初期TN的去除率極低，原因是濾池中生物濾料上尚未生長(zhǎng)反硝化微生物膜，有少量TN的去除主要是由于吸附和截留引起的。

（2）從第6天開始至第10天，TN的去除率略為上升并維持在10%左右，這一方面表明有部分反硝化菌開始在濾料表面或?yàn)V料空隙中存在，并開始起到一定的反硝化作用，但由于來水中可被反硝化菌利用的有機(jī)物量較少，TN的去除率很難得到有效提高。為此在第13天開始投加外部碳源來補(bǔ)充反硝化所需的有機(jī)物量，以促進(jìn)反硝化細(xì)菌對(duì)TN的去除。

（3）在投加外部碳源之后，TN的去除率迅速提高，一方面表明反硝化所需的外部條件滿足要求，另一方面表明反硝化菌的數(shù)量較多且不斷增長(zhǎng)。隨著碳源投加天數(shù)的增加，TN的去除率也不斷提高，在掛膜期的最后一周，TN的去除率已達(dá)到了50%以上，表明微生物培養(yǎng)基本成功，掛膜啟動(dòng)階段可以結(jié)束并可進(jìn)入下階段試驗(yàn)。

2.2 掛膜影響因素分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及相關(guān)的文獻(xiàn)研究，主要有以下幾個(gè)因素影響掛膜所用的時(shí)間與掛膜的成功：

2.2.1 溫度。溫度是微生物生長(zhǎng)和生物代謝活動(dòng)的重要影響因素之一。理論上，溫度對(duì)生物脫氮能力的影響是通過影響有機(jī)物的水解即影響揮發(fā)性脂肪酸（VFA）的含量而間接產(chǎn)生作用的，在反應(yīng)允許的范圍內(nèi)，溫度越高，生化反應(yīng)速度越快，有機(jī)物水解速度越快，且反硝化細(xì)菌活性高，有利于反硝化細(xì)菌的自身繁殖生長(zhǎng)，也有利于反硝化作用的進(jìn)行。本次中試試驗(yàn)項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)水溫在8℃～10℃之間，屬于低水溫啟動(dòng)，該條件下微生物的活性較差，所以導(dǎo)致掛膜啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

2.2.2 濾料載體表面結(jié)構(gòu)與性質(zhì)。濾料載體表面的電荷性及表面粗糙度將直接影響微生物附著的動(dòng)力學(xué)過程。在正常生長(zhǎng)環(huán)境下，微生物表面帶有負(fù)電荷，如果設(shè)法使載體表面帶有正電荷，這將使微生物在載體表面附著、固定過程更易進(jìn)行。另外，載體表面的粗糙度有利于微生物在其表面附著、固定。一方面由于粗糙的載體表面增加了微生物與載體表面的有效接觸面積；另一方面由于載體表面的孔洞、裂縫等粗糙部分對(duì)已附著的微生物起到屏蔽保護(hù)作用，使它們免受水力剪切沖刷作用而脫落。

2.2.3 有機(jī)負(fù)荷。掛膜期間反硝化濾池的進(jìn)水水質(zhì)為二級(jí)污水處理廠的尾水，其可生化性差，B/C比值低于0.2，不能為微生物生長(zhǎng)提供充足的營(yíng)養(yǎng)成分；同時(shí)由于現(xiàn)場(chǎng)條件有限，氣溫和水溫較低，活性污泥接種困難，所以采用連續(xù)進(jìn)水并配合投加外部碳源的方法，促進(jìn)微生物繁殖并為反硝化作用提供足夠的能量與電子載體。

2.2.4 水力停留時(shí)間。在掛膜初期生物膜的形成是污水中的浮游微生物在濾料表面的自然富集，如果水力停留時(shí)間過短，微生物與濾料之間的接觸時(shí)間小于兩者之間發(fā)生吸附作用所需要的時(shí)間，則微生物還沒來得及與濾料進(jìn)行充分接觸就隨水流攜帶出反應(yīng)器，而且濾料表面的生物膜只有在水力停留時(shí)間大于微生物最大比生長(zhǎng)速率（即附著微生物大量繁殖）時(shí)才能形成；但在掛膜中期如果水力停留時(shí)間過長(zhǎng)，由于反應(yīng)器內(nèi)的懸浮微生物和附著濾料上的微生物互相競(jìng)爭(zhēng)污水中的營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，懸浮微生物在反應(yīng)器內(nèi)停留的時(shí)間越短，附著載體上的微生物就越容易獲得營(yíng)養(yǎng)，生長(zhǎng)、繁殖更快。本試驗(yàn)中濾池的掛膜水力停留時(shí)間控制在約1.8h。

2.2.5 懸浮物。一般文獻(xiàn)都報(bào)道生物濾池的進(jìn)水SS不能過高，且根據(jù)國(guó)外的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)水SS一般不超過100mg/L，最好控制在60mg/L以下，但是實(shí)際上在掛膜初期階段進(jìn)水中較高的SS對(duì)自然掛膜是有利的。在二級(jí)污水廠尾水中的SS大部分為各種微生物體，其值越高表明進(jìn)水中的微生物量也越大，即為生物膜的形成提供原始的“母體”越多，所以對(duì)掛膜是有利的。

3 生物馴化期

在穩(wěn)定掛膜成功后，進(jìn)入生物馴化期。

掛膜階段后期，濾池的反硝化負(fù)荷穩(wěn)定，出水水質(zhì)較好，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的異常情況。在碳源的使用上，反硝化細(xì)菌已經(jīng)適應(yīng)葡糖糖的使用，且C/N的消耗比也趨向于穩(wěn)定，具備了提升反硝化負(fù)荷、提高進(jìn)水量的條件。

在低水力負(fù)荷運(yùn)行階段，由于碳源過量的投加，同時(shí)進(jìn)水中含有高濃度的硝酸鹽以及濾池保持著較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間，這些工況對(duì)濾池的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成了一定的不利影響。具體表現(xiàn)在濾池內(nèi)的厭氧反應(yīng)加劇，濾池出水端所取的水樣有明顯的臭味與色度，出水水質(zhì)開始惡化。

針對(duì)這些情況我們通過分析與查閱資料，基本認(rèn)定是由于反硝化細(xì)菌的增殖過快，導(dǎo)致微生物膜脫落嚴(yán)重，水力沖刷作用已不足以沖刷走老化的生物膜，導(dǎo)致生物膜中的有機(jī)成分產(chǎn)生水解或厭氧反應(yīng)。脫落的生物膜在濾池內(nèi)部截留堆積，在微生物的作用下開始了厭氧反應(yīng)。從水質(zhì)指標(biāo)來看，TN的降解并未因此受到明顯的影響，但出水的表觀較難看，肉眼可見出水呈乳白色且具有明顯異味，可能是厭氧產(chǎn)生部分氨氣和硫化氫所致。同時(shí)，我們檢測(cè)出的出水COD數(shù)據(jù)也有明顯的提升。最嚴(yán)重的時(shí)候，出水COD基本與進(jìn)水COD相持平。

在觀察3天并分析研究后認(rèn)為，濾池內(nèi)部的微生物已充分成熟，具備了提升反硝化負(fù)荷的條件，決定開始加大進(jìn)水水量，提高濾池水力負(fù)荷和反硝化負(fù)荷，縮短停留時(shí)間，同時(shí)提高反沖洗頻率以改善濾池內(nèi)部的微生物生長(zhǎng)環(huán)境。

濾池的進(jìn)水量從剛開始的0.5m3/h逐步提升至2.5m3/h，每提升0.5m3的流量后，在碳源滿足的條件下，穩(wěn)定一周后，再提高0.5m3的流量，直至穩(wěn)定到最大設(shè)計(jì)流量2.5m3/h。同時(shí)濾池的反沖洗開始有規(guī)律地進(jìn)行，穩(wěn)定濾池的內(nèi)部環(huán)境。

在每次提升水力負(fù)荷時(shí)，反硝化細(xì)菌都會(huì)有一個(gè)適應(yīng)期。我們觀測(cè)到隨著提升水量占原進(jìn)水水量比例的增加，適應(yīng)期漸漸縮短。且達(dá)到設(shè)計(jì)流量后，就沒有出現(xiàn)過水質(zhì)惡化的狀況了。

4 結(jié)語(yǔ)

為了更好地發(fā)揮反硝化生物濾池的生物脫氮功能，必須在濾料表面培養(yǎng)形成穩(wěn)定的反硝化微生物膜。掛膜時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響著系統(tǒng)投入運(yùn)行的進(jìn)度與實(shí)際工程的調(diào)試方法，生物膜的生長(zhǎng)狀況直接影響生物濾池的處理性能。采用合適的掛膜方法對(duì)曝氣生物濾池的啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。

此次中試啟動(dòng)時(shí)間為12月初，氣溫和水溫均不是理想的啟動(dòng)條件。這些客觀情況對(duì)濾池啟動(dòng)造成了很大的困難。同時(shí)由于來水的可生化性較差、TN數(shù)值較高，單純利用自身進(jìn)水培養(yǎng)細(xì)菌菌落及促進(jìn)反硝化細(xì)菌成為優(yōu)勢(shì)菌時(shí)間較長(zhǎng)，所以通過改善運(yùn)行條件，投加外部碳源輔助掛膜。

采用二階段掛膜法：小流量連續(xù)進(jìn)水階段和外部碳源投加增殖反硝化細(xì)菌階段。在第一個(gè)階段主要是培養(yǎng)生物菌落，利用進(jìn)水中已有的微生物、TN、COD等促使微生物不可逆附著生長(zhǎng)，該階段對(duì)TN的去除率極低，主要是培菌；第二階段是增殖反硝化細(xì)菌，通過改善運(yùn)行條件使微生物大量繁殖并穩(wěn)定生長(zhǎng)，最終使TN去除率平均值在50%左右。

微生物培養(yǎng)的掛膜總完成時(shí)間為30天，對(duì)比氣溫較高時(shí)所需時(shí)間較長(zhǎng)，但掛膜效果較好、處理效果穩(wěn)定。同時(shí)也證明了在低水溫和水質(zhì)復(fù)雜的水體條件下，是可以啟動(dòng)反硝化生物濾池的。該經(jīng)驗(yàn)可以推廣到北方低水溫條件的生物濾池處理工

藝中去。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）