我國水環境問題突出，近年來經過積極治理，水體質量得到了很大改善。然而，我國主要流域水體中的氮、磷等超標情況仍然時有發生。為改善流域水環境質量，國家環境保護總局早在2006 年就發布《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)修改單，將其中的4.1.2.2 節修改為：城鎮污水處理廠出水排入國家和省確定的重點流域及湖泊、水庫等封閉、半封閉水域時，執行一級標準的A 標準。這意味著重點流域執行一級B 標的城鎮污水處理廠需要進行提標改造。然而，城鎮污水處理廠尾水具有低C/N 比和磷濃度低等特點，如何進一步有效降低尾水中的氮磷已成為污水提標的核心問題。
目前，污水提標改造應用較多的技術主要包括高效纖維濾池、連續流砂濾池、纖維轉盤濾池和生物活性炭技術。由于生物炭具有較大的比表面積和較強的離子交換能力，可以將水中污染物吸附到表面，再通過微生物的作用實現去除。將生物炭和濾池技術進行組合，形成生物炭濾池技術，也可有效去除水中的常規污染物。因此，本研究利用生物炭作為微生物載體，搭建生物炭濾池反應器，研究反應器對一級B標水質的提標效果，以期為城鎮污水處理廠水質提標提供新的方法和途徑。
1 材料與方法
1.1 實驗裝置和材料
實驗裝置如圖1 所示，該裝置由2 組同尺寸的模型生物濾池組成。反應器采用有機玻璃制作而成，柱高 1 200 mm，內徑100 mm。1 號柱作為對照組，底部裝填高度為100 mm 的鵝卵石作為承托層，中間裝填高度為900 mm 的河砂，上部裝填高度為100 mm 粒徑大小不同的混合河砂作為保護層。2 號柱作為實驗組，濾池中間裝填高度比為1∶1 的青岡木生物炭和河砂。2 座生物濾池出水口采用橡膠軟管用來控制出水口高度。
實驗用水模擬城鎮污水處理廠一級B標出水，其主要水質指標如表1 所示。此外向水中添加適量微量元素，以保證微生物生長所需，具體成分含量如表2 所示。每次配制污水時，利用稀硫酸溶液調節污水進水pH 值，使其保持在中性范圍。
1.2 實驗方法及分析方法
2 組生物濾池同時通過自然掛膜啟動，整個系統采取下向流連續過濾方式，2 組反應器厭氧與好氧高度比為 5∶5。系統掛膜期間，進水流量均保持在 10mL/min，即表面水力負荷為0.13 cm3/(cm2·min)，水溫為14~20 ℃。當各項污染物的去除率趨于穩定狀態，表明反應器內濾料表面已形成了比較穩定的生物膜。自然掛膜成功后調節C/N 比、厭氧/好氧高度比和表面水力負荷，采用控制變量法進行單因素影響實驗。其中，出水口連接橡膠軟管，通過改變橡膠軟管掛靠在反應器上的支點高度，從而改變出水口的高度，使得在反應器內形成不同的厭氧/好氧區高度。最后選取每個因素的最佳水平，組成較優的工藝參數，研究2 組反應器對污染物的去除效果。定時取樣測量反應器進、出水的 COD、TP、NH4+- N、TN 和 NO2--N 濃度，以上水質指標的測定均按照國標所述方法進行，NO3--N 的測定采用麝香草酚分光光度法。 此外，實驗數據采用Origin 8.5 軟件進行繪圖，采用SPSS 21.0 軟件進行數理統計分析。
2 結果與討論
2.1 C/N 比對污染物去除影響
C/N 比是反硝化過程中一個很重要的參數，它決定著微生物脫氮效果的好壞。碳源不足將導致反硝化菌因缺少能量和電子供體造成脫氮效果變差，若碳源過量可能導致出水COD 濃度偏大，從而影響出水水質,因此需尋找一個較為合適的C/N。本實驗過程中控制水力表面負荷為0.13 cm3/(cm2·min)，厭氧/好氧高度比為5∶5，保持TN 濃度不變，通過改變甲醇的投加量改變進水的C/N 比。在不同C/N 比下，2 組反應器對污染物去除效果如圖2 所示。
由圖2(a)可知，在不同C/N 比條件下，2 組反應器對COD 的平均去除率約為80%，出水濃度為40 mg/L左右，表明 2 組反應器均對COD 有著良好的去除能力。COD 進入反應器后通過濾料的初期吸附作用和后期的微生物代謝作用得以降解。由圖2(b)可知，對TP 而言，在C/N 比分別為4.34∶1、6.30∶1 和7.61∶1條件下，1# 反應器對TP 平均去除率分別為 74.18%、58.60% 和57.46%，2#反應器對TP 平均去除率分別為75.05%、61.69% 和58.24%，即在不同C/N 比下，2 組反應器對TP 的去除能力大致相當。對于氮素而言，提高C/N 比可增加污水中碳源的濃度，保證反硝化的順利進行，提高脫氮性能。反應器對NH4 -N 的去除，主要通過前期的濾料吸附和后期的微生物轉化作用。由圖2(c)可知，隨著C/N 的增加， 1#反應器和2#反應器對NH4+-N 的去除率呈現先上升后下降的趨勢。當C/N 比從 4.34∶1 提高至 6.30∶1，因硝化菌生長較慢，硝化菌仍處于持續增長階段， NH4+-N 的去除率逐漸提高。進一步提高C/N 比，由于碳源的增加使得異養菌迅速繁殖，抑制硝化菌的生長，使得NH4+-N 去除率有所下降。由圖 2(d)可知，在 C/N 比分別為 4.34∶1、6.30∶1和7.61∶1 條件下，1#反應器對NO3--N 平均去除率分別為53.19%、84.63% 和85.45%，而2#反應器對NO3 -N 平均去除率分別為53.54%、85.40% 和93.72%，即隨著C/N 比的不斷提高，對NO3 -N 的去除率也隨之增加。再結合圖2(e)可知，在C/N 比分別為4.34∶1、6.30∶1 和 7.61∶1 條件下，1#反應器對TN 的平均去除率分別為46.83%、67.87% 和 68.14%，而 2# 反應器對TN 的平均去除率分別為47.73%、70.04% 和72.65%，即隨著C/N比不斷提高，TN 平均去除率總體上也隨之上升。與掛膜穩定階段相比，2 組反應器對TN 的去除率均提高約30% 以上，可見投加有機碳源可顯著提高反應器的脫氮效果。
綜上所述，鑒于對各項污染物的有效去除以及外加碳源的經濟成本，2 組反應器控制C/N 比為6.30∶1較為合理。在此條件下，2#反應器對各項污染物去除率均高于1#反應器，可見添加生物炭的反應器對污染物去除效果要優于普通的河砂反應器。此外，由圖2(f)可知，在不同 C/ N 比條件下，2 組反應器出水的
NO2--N 濃度均在0.16 mg/L 以下，表明2 組反應器在脫氮過程中無明顯的NO2 -N 積累。
2.2 厭氧/好氧高度比對污染物去除影響
由于反應器內液相和氣相高度比(即厭氧/好氧高度比)決定反應器垂向溶解氧的含量，從而影響硝化和反硝化過程。實驗控制表面水力負荷為 0.13cm3/(cm2·min)，C/N 比為6.30∶1，得到不同厭氧/好氧高度比下對各污染物的去除影響，結果如圖4 所示。由圖3(a)和圖3(b)可知，厭氧/好氧高度比對COD 和TP 的去除效果影響較小，1#和2#反應器出水中COD和TP 濃度保持在40 mg/L和0.4 mg/L左右。然而，不同的厭氧/好氧高度比明顯影響NH4 -N 的轉化。由圖3(c)可知，隨著厭氧/好氧高度比的增加，NH4+-N 的去除率呈下降趨勢。這是因為隨著反應器厭氧高度區的增加，液相區不斷增加，致使好氧區溶解氧減少，不利于硝化反應的進行。
此外，由圖3(d)可以看出，在厭氧/好氧高度比為3∶7 的條件下，1#和2#反應器出水中NO3--N 濃度偏高，在此條件下有利于NH4 -N 向NO3 -N 轉化。當厭氧/好氧高度比為5∶5 和7∶3 時，1#反應器對NO3 -N平均去除率分別為 84.63% 和 87.48%，2# 反應器對NO3--N 平均去除率分別為85.40% 和88.69%，表明隨著厭氧/好氧高度比增加，有利于反硝化反應的進行，從而提高了2 組反應器對NO3--N 的去除率。由圖3(e)可知，當厭氧/好氧高度比為3∶7、5∶5 和7∶3，1#反應器對TN 平均去除率分別為 37.79%、67.87% 和68.08%，2# 反應器對TN 平均去除率分別為 65.63%、70.04% 和71.78%，可見提高厭氧/好氧高度比也有利
于2 組反應器對TN 的去除。同時在不同厭氧/好氧高度比的條件下，2#反應器對TN 的去除率均高于1#反應器，即表明添加生物炭有助于提高反應器的脫氮效果。為保證對各項污染物均有較好的去除效果，故選擇厭氧/好氧高度比為5∶5 作為2 組反應器較優的實驗參數。具體聯系污水寶或參見http://www.bnynw.com更多相關技術文檔。
2.3 表面水力負荷對污染物去除影響
為考察在不同表面水力負荷下，反應器對污染物抗沖擊能力，控制C/N 為6.30∶1、厭氧/好氧高度比為5∶5，通過改變表面水力負荷大小，考察其對污染物去除情況的影響，所得實驗結果如圖4 所示。由圖 4(a)和(b)可知，當表面水力負荷從0.13 cm3/(cm2·min)增加到 0.26 cm3/(cm2·min)時，2 組反應器對COD 和TP 均能保持良好的去除能力，去除率隨表面水力負荷的增加變化較小，表明 2 組反應器對進水COD 和TP 變化具有良好的抗沖擊能力。
從圖4(c)、(d)和(e)中可知，2 組反應器對NH4+-N、 NO3--N 和TN 的去除率均隨著表面水力負荷的增加呈現下降趨勢，這是由于增大表面負荷，在單位時間內將增加與反應器內濾料接觸污染物的質量，同時水力停留時間變小，導致污染物未能完全被微生物轉化，從而導致出水中污染物濃度上升。為保證反應器對各項污染物均能有效去除，選擇較小表面水力負荷0.13 cm3/(cm2·min)作為2 組反應器適宜的實驗參數。
2.4 較優工藝參數下污染物去除效果
選取上文已探討出的較優工藝參數，即 C/N 為6.30∶1，厭氧/好氧高度比為5∶5，表面水力負荷為0.13cm3/(cm2·min)，組合作為反應器運行的較優工藝參數，定時監測反應器對污染物的去除情況，所得結果如圖5 所示。由圖5(a)和(b)可知，1#反應器對COD和TP的平均去除率分別為85.86% 和75.73%，出水平均濃度分別為(20.28±4.78)mg/L 和(0.24±0.07)mg/L;2#反應器對COD 和TP 的平均去除率分別為86.16%和77.60%，出水平均濃度依次為(19.90±5.81)mg/L 和(0.22±0.06)mg/L。即2#反應器對COD 和TP 的平均去除率稍高于1#反應器。此外，2 組反應器出水COD和TP 濃度均能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級A 標準。
其次，2 組反應器對NH4 -N、NO3 -N 和TN 的去除見圖 5(c)、(d)及(e)可知，1# 反應器對NH4+- N、 NO3--N 和TN 的平均去除率分別為84.21%、19.75% 和42.09%，出水平均濃度依次為(1.38 ± 0.46)、(11.86 ±1.32)和(14.05± 1.53)mg/L;而 2#反應器對NH4 -N、 NO3--N 和TN 的平均去除率分別為84.25%、43.99% 和56.71%，出水平均濃度依次為(1.30 ± 0.42)、(8.28 ±0.96)和(10.51±1.25)mg/L。雖然2 組反應器出水的NH4+-N 和TN 平均濃度達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級 A 標準，但是 1#反應器TN 出水濃度偏高，難以實現出水 TN 的穩定達標;2#反應器出水TN 濃度穩定，能很好地滿足一級A標準。此外，由圖5(f)可知，1#反應器和2#反應器出水中NO2--N 平均濃度分別為0.11 mg/L和0.14 mg/L，表明2 組反應器出水NO2 -N 濃度較小，反應器底部無明顯的NO2--N 積累。最后，2 組反應器對COD、TP、NH4 -N、NO3 -N 及TN 去除率數值通過數理統計分析軟件進行獨立樣本 t 檢驗，結果顯示 COD、TP、 NH4+-N、NO3 -N 及TN 的P 值分別為0.76、0.33、0.54、0.00 和0.00，說明2 組反應器對COD、TP 和NH4+-N 的去除率不存在顯著性差異(P>0.05)，然而對NO3 -N 和TN 的去除率卻存在顯著性差異(P<0.05)。進一步表明在2#反應器中添加生物炭有利于反硝化過程，使得2#反應器出水TN 濃度達到污水提標的要求。
綜上所述，雖然在較優參數條件下，1#反應器和2#反應器均可實現對水中污染物的有效去除，將污水水質從一級B標準提升到一級A標準。但對污染物的去除率而言，2#反應器對污染物的去除率均高于1#反應器，含有生物炭反應器對NO3--N 和TN 的去除率可分別增加約24% 和14%，因而更有可能將一級A 標水質提升至更高的出水排放標準，如地表水Ⅳ類標準，以滿足新形勢下的環境排放要求。因此，生物炭作為生物濾池的填料比普通河砂作為填料有著更多的優勢。一方面，由于生物炭具有多孔結構可附著更多的微生物，且含有大量羧基酸性基團，可中和反硝化過程中產生的過多堿度，因而有助于提高反應器對NO3 -N和TN 去除率。另一方面，后期更換的生物炭填料含有豐富的碳元素和大量的氮磷等營養物質，可將其作為土壤改良劑，以改善土壤通氣狀況和提高土壤持水量，有利于農作物增產，實現廢棄物的再利用。
2.5 微生物鏡檢分析
為觀察和鑒定反應器好氧區內填料上負載微生物種類情況，分別取2 組反應器中上部的填料置于燒杯中，加入適量去離子水，用玻璃棒攪拌，取1~2 滴懸濁液制成制片，在顯微鏡下觀察微生物的形貌所得結果如圖6 所示。根據其他學者對活性污泥中微生物種類鑒定結果比對可知，圖6(a)、(b)和(c)中對應微生物的名稱為肉足蟲、輪蟲及線蟲，表明2 組反應器內出現了種類豐富的后生動物，它們與細菌及真菌構成了良好的微生態系統，從而共同實現對水中污染物的去除。
3 結論
本文通過搭建河砂濾池及生物炭濾池反應器，研究其對污水處理廠一級B標出水的提標效果。
(1)在不同C/N 比、厭氧/好氧高度比及表面水力負荷條件下，適當提高進水C/N 比、厭氧/好氧高度比以及降低表面水力負荷，均有利于提高2 組反應器對污染物的去除率。
(2)在較優工藝參數條件下，即C/N 為6.30∶1，厭氧/好氧高度比為5∶5，表面水力負荷為0.13 cm3/(cm2·min)，2 組反應器均能較好地將污水水質從一級B標提升至一級A 標。2#反應器對污染物的去除率均高于1#反應器，表明在河砂濾池內添加生物炭有助于提高對污染物的去除效果。
(3)對2 組反應器內的填料進行微生物鏡檢分析可知，反應器內形成了良好的微生態系統，后生動物主要以肉足蟲、輪蟲和線蟲為主。(來源：成都理工大學環境學院)
