关键词: 反硝化滤池;污水处理厂尾水;深度处理;丝竹滤料;脱氮

                       城镇污水处理厂主要是依靠微生物的新陈代谢过程来去除污水中的污染物，如：A/O 工艺、A2/O 工艺和氧化沟工艺等，通常这些工艺尾水能达到较低浓度水平。随着地方标准日趋提高，很多地区要求尾水中污染物排放标准将《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002）一级 A 标准提高到《地表水环境质量标准》（GB 3838－2002）Ⅴ类或准Ⅳ水体标准［2］。《城镇污水处理厂污染物排放标准》 （GB 18918－2002）一级 A 标准中总氮质量浓度限值为15 mg/L，COD限值为50 mg/L；而《地表水环境质量标准》（GB 3838－2002）Ⅴ类或准Ⅳ水体标准总氮质量浓度≤2.0 mg/L，COD≤40 mg/L，COD 必须≥20%，TN 必须≥86.7%，足见 TN 降低的难度和要求。提高尾水中氨氮、TN、COD 等污染指标的排放浓度是污水处理厂提质增效的重点任务和难点任务，是保证受纳水环境生态安全的重要前提。污水处理厂的提标改造迫在眉睫。污水处理厂提标改造常用工艺方法有物理方法、化学方法和生物方法。基于建设成本、管理成本和处理效果以及环境友好性要求，生物滤池、人工湿地、生物膜法等生物方法应用最为广泛。生物滤池利用各类生物载体为滤料，利用滤料物理截留作用、表面生物膜的吸附和氧化作用等使污水中的污染物得到去除。因为滤料表面的生物膜会增殖和变厚以及截留污染物空间不断变少而出现污染物穿透，使出水水质显著变差，因此生物滤池需要定期进行反冲洗，需要消耗大量的电力、人力和洁净水。

生物滤池净化效果和运行管理难度均与滤料特性有较大的关系，滤料的特性决定着生物滤池的性能，选择合适的滤料尤为重要。文献表明：丝竹是一种较好的生物膜载体，特别适用于低污染水体生物净化过程。另外，丝竹作为生物滤池的填料，具有制作简单、孔隙大、生物量相对丰富，且不需要反冲洗和造价低等诸多优点。本实验以丝竹为滤料，构建了丝竹滤料反硝化脱氮滤池，研究了丝竹滤料反硝化滤池对尾水的脱氮效果和特性。预期达到两个目的：1）对比研究 3 个工况下 COD、NH4+-N、TN 的去除效果，尤其是 TN去除效果，探究最佳的深度脱氮工艺；2）通过对丝竹填料微观结构变化及微生物丰度研究，探究导致脱氮效果有限的因素。

                      1 材料与方法

                      1.1 材 料

                      丝竹滤料如图 1（a）所示，扁平长条状，尺寸 19～39 mm×3 mm×2 mm（L×B×H），空隙率 80.4%～90.4%，比表面积 118.1～345 m2/m3，堆积密度 0.43 g ～1.1 kg/L，堆积数量1 620个/ m3。

反应器如图 1（b）所示，反应器外筒是一个直径60 cm、高 86 cm 的圆柱形桶，有效容积为 400 L；内筒是直径为 50 cm、高 74 cm 的圆柱形导流桶，其中填装丝竹填料，有效容积为200 L。该反应器呈内环流流态，尾水能在内环流流态下在反应器的内外筒间循环流动，强化污染物与生物膜的接触，改善生物净化能力。

                     工艺流程：潜水泵将尾水（位于江苏省徐州市某城市污水处理厂）泵入反应器底部，穿过滤料层与丝竹滤料充分接触反应后到达滤料层顶部，一部分水流出，一部分水沿反应器筒内壁向下流，流至桶底与进水混合再次穿过滤料层进行反应。

                       1.2 实验方法

                       培养驯化阶段：实验于 2019 年 9 月 28 日启动，将预处理后的丝竹滤料放入导流筒，导流筒垫高8.5 cm放入反应器中，打开潜水泵实行小水量进水、风机连续流自然条件下培养驯化至 10 月 11 日（共43 d），溶解氧质量浓度为4.5～5.7mg/L，水力停留时间为 10 h。培养驯化阶段结束时，丝竹滤料表面能见到较为明显的生物膜，对丝竹表面生物膜进行剥离后镜检发现了大量的原生动物和微型后生动物。

实验阶段：2019 年 11 月 11 日到 2020 年 4 月 20日，为期160 d的正式实验阶段。曝气充氧工况为期60 d 共 30 组，缺氧工况 40 d 共 20 组，补充碳源工况60 d共30组。水力停留时间约为6～9 h。

                       1.3 尾水水质

                         尾水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》 （GB 18918-2002）一级A标准。如表1所示。

                        从尾水水质来看，BOD5/COD平均为0.1，BOD5/TN平均为0.26，根据微生物增殖环境和生物反硝化C/N 限值来说，该尾水不合适采用生物净化方法进行处理。但是基于生物法深度净化的优点和特性，寻找适当的强化方法和工艺进行尾水深度处理具有较好的现实价值。 1.4 分析测试方法COD、BOD5、TN、NH4+-N和TP等指标按国标方法 进 行［8］；丝 竹 表 面 微 观 结 构 采 用 体 式 显 微 镜（MOTIC K SERIES-moticam 2306+3.0M Pixel USB2.0）进行表征，生物多样性表征委托上海生工进行分析，指示性微生物采用常见的光学显微镜进行表征。 

                       2 结果与讨论

                      2.1 COD去除效果

                      不同工况条件下COD去除效果如图2所示。

                        如图 2所示，曝气充氧工况下进出水 COD 分别为 1.2～48.4 mg/L（平 均 值 17.9 mg/L）、8.4～58.0mg/L（平均值 18.4 mg/L）；缺氧工况下进出水 COD分别为 4.8～20.2 mg/L（平均值 15.56 mg/L）、7.3～26.6 mg/L（平均值 14.86 mg/L），平均去除率 4.50%；补充碳源工况下 COD 实测进出水分别为 16.70～27.93 mg/L（平均值 21.52 mg/L）、1.8～13.05 mg/L（平均值 5.94 mg/L），COD 去除率 53.29%～88.96% （平均去除率 73.54%）。尾水 BOD5/COD 约为 0.1，可生化性极低，在曝气充氧工况与缺氧工况微生物缺少生长所需的碳源，生长受限进出水差别不大。补充碳源后，装置出水低于曝气充氧工况与缺氧工况，出现了较为明显的“葡萄糖”效应，即共基质降解效应［9］。投加醋酸钠后，系统内微生物生长基质增多了，从而提高了难降解有机物代谢酶活性使代谢速率加快。醋酸钠属于小分子有机物，容易被微生物利用，大量微生物得以生存繁衍，利用微生物间的协作作用而提高COD的去除效果［10］。

                        2.2 氮素化合物的去除

                       不同工况条件下氮素化合物去除效果如图 3所示。

                        如图3（a）所示，曝气充氧工况下进出水NH4+-N质量浓度分别为0.11～4.53 mg/L（平均值1.18 mg/L）、0.06～3.77 mg/L（平均值 0.68 mg/L），平均去除率35.02%；非曝气工况下NH4+-N进出水质量浓度分别为 0～4.09 mg/L（平均值 1.26 mg/L）、0～3.88 mg/L（平均值 1.18 mg/ L），平均去除率 6.35%；补充碳源工况下 NH4+-N 进出水质量浓度分别为 0.03～2.57mg/L（平均值 0.49 mg/L）、0.05～1.97 mg/L（平均值0.39 mg/L），平均去除率 20.41%。曝气充氧工况下氨氮发生硝化反应得以去除；非曝气工况下，氨氧化菌生长缓慢去除能力有限；补充碳源工况下，雨水增多氨氮含量较低，去除效果不明显。 如图3（b）所示，曝气充氧工况下TN进出水质量浓度分别为 2.00～12.45 mg/L（平均值 7.65 mg/L）、1.23～13.48 mg/L（平均值 7.70 mg/L）；非曝气工况下 TN 进出水质量浓度分别为 3.58～9.75 mg/L（平 均值6.56 mg/L）、2.90～9.63 mg/L（平均值5.44 mg/L），平均去除率 17.46%；补充碳源工况下 TN 进出水质量浓度分别为2.30～13.53 mg/L（平均值7.12 mg/L）、1.85～13.05 mg/L（平均值 5.94 mg/L），去除率 0～29.22%（平均去除率 13.97%）。微生物不能正常生长是曝气充氧工况不能实现脱氮的主要原因；非曝气工况下，TN 的去除是通过硝化反硝化过程实现的。硝化作用使氨氮氧化或成NO3--N和NO2--N，然 后 NO3--N 和 NO2--N 在缺氧条件下转成 N2。补充碳源工况下，第51～61批次，异养菌大量繁殖，消耗有机物合成自身生命物质、生物进行生命活动，反硝化能力弱；第 62 个批次以后，自养反硝化菌稳定生长起来，开始消耗氮素污染物。

                        2.3 丝竹滤料微观结构变化

                         丝竹滤料微观结构变化情况如图4所示。

                        从图 4（a）、图 4（b）对比可见，使用前的丝竹滤料表面平滑致密，光亮；使用3个月后其表面会形成大量表面微孔洞，有明显的黑褐色腐蚀区，微生物附着面积增大。丝竹滤料表面增殖的复杂种群微生物能将半纤维素、纤维素、木质素等大分子有机物经过复杂的代谢途径，转化为种类多样的低分子有机物， 如：丁酸、丙酸、乙酸等，供微生物增殖和生物反硝化利用，并形成大量的腐蚀性的孔洞结构［11］。实验结束时（为期 160 d）滤池内的丝竹滤料层高度比实验初期减少了 15 cm。丝竹滤料是一种天然材料的滤料，亲水性好，微生物容易附着生长并形成稳定的生物膜，丝竹滤料容易被吸附其表面的微生物分解和腐蚀。因此，丝竹滤料不仅有大量的微孔洞，而且还可以为反硝化脱氮提供相对优质的碳源。 

                      2.4 微生物种群特性分析

                      补充碳源工况条件下，丝竹滤料表面微生物种群特性如图5所示。

                         如图 5 所示，丝竹滤料表面生物膜中的变形菌门（相对丰度55.04%）、酸杆菌门（相对丰度6.20%）、放线菌门（相对丰度 4.13%）和拟杆菌门（相对丰度3.28%）等构成优势菌群，与其他城市污水处理厂活性污泥中微生物种群大致相同，但是相对丰度占比有差异［12］，可能与微生物增殖环境有关。变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门和厚壁菌门以及浮霉菌门（相对丰度 2.86%）相对丰度总占比超过 61%，都是污水处理系统中常见的反硝化脱氮菌群［13-14］。变形菌门相对丰度为 55.04%，是城市污水处理厂污水生化处理的主要门类，代谢类型多样，固氮的同时还能脱除部分磷［15］。酸杆菌门、放线菌门、子囊菌门中具有降解纤维素、半纤维素和木质素的门类。其中具有固氮、转化氮、脱氮作用的假单胞菌、慢生根瘤菌、硝化螺菌属等相对丰度仅为11.54%。 

                       3 结 论 

                       1）缺氧工况下，COD、氨氮、TN 平均去除率分别为4.50%、6.35%、17.46%，补充碳源工况下，COD、氨氮、TN 平均去除率分别达到 73.54%、20.41%、23.97%（最高达66.04%），补充碳源工况处理效果更优，曝气充氧工况下脱氮效果最差；

                       2）相对于未使用的丝竹而言，使用后的丝竹表面因为生物侵蚀作用形成大量沟渠和微孔结构，有利于大量生物膜附着，并有利于提高生物脱氮效果；

                       3）补充碳源工况下，微生物菌群以变形菌门（相对丰度 55.04%）、酸杆菌门（相对丰度 6.20%）、放线菌 门（相 对 丰 度 4.13%）和 拟 杆 菌 门（相 对 丰 度3.28%）等为主，其相对丰度总占比61%；其中有大量的能降解丝竹纤维素、含氮污染物转化分解的微生物。

                     原标题：丝竹滤料滤池去除尾水中的氮素污染物效果及特性研究

                     原作者：彭惠靖，曹文平