分格復合填料曝氣生物濾池處理污水

　　1 引言

　　2010年，深圳經(jīng)濟特區市場(chǎng)監督管理局發(fā)布的《再生水、雨水利用水質(zhì)規范》，把工業(yè)用水標準、城市雜用水標準、景觀(guān)環(huán)境用水標準整合到一起，提高了再生水水質(zhì)標準，這對污水深度處理回用的工藝也提出了更高的要求.曝氣生物濾池(Biological Aerated Filter，BAF)是20世紀80年代末在歐美發(fā)展起來(lái)的新型膜法廢水處理工藝，具有處理效率高、占地面積小、基建費用低、流程簡(jiǎn)單、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，在中水回用中展示了廣闊的應用前景.然而，在生物濾池應用過(guò)程中，單級生物濾池脫氮效果不佳，無(wú)法達到提標后的要求，因此，BAF進(jìn)一步改造及工藝優(yōu)化研究提到日程上來(lái).

　　為進(jìn)一步提高曝氣生物濾池脫氮除磷性能，有學(xué)者對傳統的濾池進(jìn)行了改進(jìn)，提出了許多新型工藝形式，如折流式、側向流、復合式等曝氣生物濾池.其中，折流式BAF對水質(zhì)提高明顯，但濾池單池數較多，反沖洗控制繁瑣，運行管理具有較大挑戰性(張涵，2005).側向流BAF可以延長(cháng)運行周期，減少反沖洗次數.復合式曝氣生物濾池結合了兩種不同性質(zhì)的濾料，實(shí)現了硝化和反硝化功能分區，提高了工藝的去除能力.另外，在BAF設計過(guò)程中，濾料反沖洗效果、反沖洗后系統恢復時(shí)間以及操控性等也是需要充分考慮的內容.

　　基于此，本研究設計了一種新型分格復合填料曝氣生物濾池(專(zhuān)利號：ZL201320648450.2)，通過(guò)分格，創(chuàng )造了缺氧和好氧環(huán)境，進(jìn)而提高了脫氮效率.隔板夾角保持在72°～89°，提高了好氧段曝氣效率.同時(shí)采用3種不同粒徑的填料(復合填料)，提高過(guò)濾性能，強化了懸浮物的去除.為進(jìn)一步優(yōu)化工藝運行參數，提高BAF水處理效能，本研究將工藝調控手段與生物學(xué)研究相結合，優(yōu)化調控了BAF的曝氣量、水力負荷、回流比等工藝參數，并應用微生物分子生態(tài)學(xué)技術(shù)探討了BAF好氧區和缺氧區的微生物群落結構與組成的差異，在保證出水水質(zhì)達到深圳市再生水標準的同時(shí)，也為該工藝處理效能的進(jìn)一步提升奠定了微生物基礎.

　　2 材料與方法

　　 2.1 試驗裝置

　　本研究設計的試驗裝置如圖 1所示.BAF池身由有機玻璃組成，寬0.15 m，長(cháng)0.45 m，高1.50 m，上方開(kāi)口.池身被中間隔板分隔為左右兩區，右側部分為缺氧區(BAF-A)，截面積下小上大，填有粒徑5~8 mm的陶粒，濾料體積為0.018 m3.左側為好氧區(BAF-O)，截面積下大上小，側面不同高度設有取樣口，下面裝有粒徑2~4 mm的粗砂，填料體積為0.0076 m3，上面裝有粒徑3~5 mm的陶粒，濾料體積為0.023 m3.

　　圖 1 分格復合填料曝氣生物濾池試驗裝置及工藝流程圖

　　污水廠(chǎng)曝氣沉砂池的出水通過(guò)管道泵入進(jìn)水桶，進(jìn)水桶中裝有浮球閥用來(lái)控制進(jìn)水桶水位.進(jìn)水桶中的污水在蠕動(dòng)泵作用下與回流的硝化液一起，經(jīng)由BAF缺氧區底部，經(jīng)過(guò)濾板、濾頭進(jìn)入缺氧區，在缺氧區進(jìn)行反硝化脫氮和磷的厭氧釋放;然后通過(guò)頂部的聯(lián)通管流入好氧區，同時(shí)氣體經(jīng)由曝氣泵通過(guò)砂濾區底部的穿孔曝氣管進(jìn)入好氧區，在好氧區中由下而上，與水流保持逆向，提高曝氣效率.污水在好氧區中通過(guò)陶粒上的生物膜作用進(jìn)行有機物的降解、氨氮硝化和磷的吸收.從好氧池流出的水進(jìn)入底部砂濾區，進(jìn)一步去除濁度.排出池外的水一部分經(jīng)蠕動(dòng)泵回流到缺氧區底部，與進(jìn)水混合后再次進(jìn)入到系統，另一部分則匯入出水桶，經(jīng)出水桶排出系統.

　　系統設有兩套反沖洗裝置.反沖洗缺氧區時(shí)，水從裝置右下角反沖洗管進(jìn)入，從右上角反沖洗排水口排出;反沖洗好氧區時(shí)，先通過(guò)左下角反沖洗進(jìn)氣管壓縮空氣，進(jìn)行氣洗，然后通過(guò)左下角反沖洗進(jìn)水管排入反沖洗水，進(jìn)行水氣聯(lián)合反沖洗，反沖洗后的水從左上角反沖洗口排出，完成反沖洗過(guò)程.

　　2.2 反應器啟動(dòng)及調試

　　反應器接種的活性污泥取自 污水廠(chǎng)好氧池，污泥沉降比為23%，混合液揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)為2706 mg · L-1.取活性污泥15 L加入BAF反應器，同時(shí)加入15 L營(yíng)養液(成分為曝氣沉砂池出水 : 面粉 : 酸奶=150 : 1.15 : 1)浸沒(méi)陶粒載體，開(kāi)啟氣泵進(jìn)行悶曝.連續悶曝24 h后再將池體內的混合液排空，重復此操作3次.缺氧區停止曝氣，從缺氧區底部的進(jìn)水閥開(kāi)始小流量連續進(jìn)水.進(jìn)水直接采用市政污水二級處理廠(chǎng)曝氣沉砂池出水，水質(zhì)參數如表 1所示，由于進(jìn)水直接取自污水處理廠(chǎng)，水質(zhì)受夏季降水、居民生活習慣等影響波動(dòng)較大.進(jìn)水流量為10 L · h-1，水力停留時(shí)間(HRT)5 h.同時(shí)每天檢測進(jìn)出水COD和氨氮濃度，觀(guān)察COD、氨氮的去除狀況和填料表面膜生長(cháng)情況，并以此來(lái)判斷掛膜是否成功.

　　馴化掛膜成功后，依據《室外排水設計規范》(GB50014—2006)，結合現場(chǎng)反應器運行狀況設計了不同水力負荷、回流比、曝氣量，分別探討不同曝氣量、回流比、水力負荷等操作條件對工藝的影響，分析脫氮的區域規律及除磷效果.具體操作如下：①把進(jìn)水流量固定為20 L · h-1，回流流量20 L · h-1，通過(guò)氣量計控制曝氣量分別為4.5、3.5、3.0、2.0 L · min-1，考察系統脫氮除磷效果，獲得工藝最佳曝氣量;②把進(jìn)水流量定為20 L · h-1，曝氣量控制在最佳，調回流比為75%、100%、125%，考察系統脫氮除磷效果，獲得工藝最佳回流比;③將回流比、曝氣量控制在最佳，將水力負荷分別調整為40、30、20 m3 · m-3 · d-1，研究水力負荷與污染物去除規律及系統的脫氮除磷效果，獲得工藝最佳的水力負荷.將曝氣量、回流比、水力負荷均控制在最佳狀態(tài)運行反應器，采集反應器不同區域水樣，監測水質(zhì)指標，進(jìn)行區域脫氮規律及除磷研究.同時(shí)在反應器運行穩定時(shí)獲取缺氧區和好氧區填料表面生物膜，用于分析微生物群落特征.

　　表1 廣西某污水處理廠(chǎng)曝氣沉砂池出水水質(zhì)

　　2.3 水質(zhì)指標測試方法

　　化學(xué)需氧量(COD)、總氮(TN)、氨氮、總磷(TP)、硝酸鹽、亞硝酸鹽等水質(zhì)指標均用哈希公司的HACH試劑來(lái)測定，消解儀為DRB200(HACH)，光度計采用DR2800便攜式分光光度計(HACH)，pH、溶解氧(DO)的檢測采用便攜式多參數分析儀(HQ40D，HACH)，濁度采用便攜式濁度儀(2100Q，HACH)測量.

　　2.4 微生物群落分析

　　獲取反應器運行穩定時(shí)好氧區生物膜(BAF-O)和缺氧區生物膜(BAF-A)，梯度稀釋后，采用LB培養基，以平板傾倒法對稀釋菌液進(jìn)行好氧培養，28℃培養2 d后對異養菌進(jìn)行計數.

　　采用土壤DNA提取試劑盒(Mobio，美國)提取生物膜微生物總DNA.對于微生物群落的結構分析，以總DNA為模板，根據文獻，采用細菌16S rDNA通用引物BA101F/BA534R，進(jìn)行PCR擴增及PCR產(chǎn)物的DGGE分析.DGGE圖譜中條帶回收并測序后，應用RDP(http://rdp.cme.msu.edu/)中的Seq Match程序進(jìn)行分類(lèi)，測序獲得的條帶已經(jīng)遞交至GenBank，登錄號為JN977418~JN977430.對于微生物群落的組成分析，采用基于Illumina公司Miseq平臺的高通量測序技術(shù)進(jìn)行.PCR擴增應用16S rDNA V4區保守引物515f/806r，擴增程序及條件參考文獻進(jìn)行.測得的序列通過(guò)拼接及篩選后，以相似性97%為標準獲得操作分類(lèi)單元(OTU)，OTU通過(guò)RDP數據庫中的Classifer程序進(jìn)行檢索分類(lèi)，分析群落的微生物種類(lèi)組成及相對豐度.

　　3 結果

　　 3.1 反應器填料掛膜及啟動(dòng)

　　反應器在啟動(dòng)第8天，COD去除率達到60%，第9天達到86%，出水濃度在30.00 mg · L-1以下，之后COD去除率一直維持在85%以上.啟動(dòng)第6天時(shí)，氨氮去除率穩定在96%，出水濃度低于1.00 mg · L-1，去除率一直穩定在90%以上.填料表面可見(jiàn)附有淺黃色絮體，隨著(zhù)試驗進(jìn)行，填料表面附著(zhù)物逐漸增厚致密，至第13天完全覆蓋陶粒表面，綜合表明系統掛膜啟動(dòng)成功.

　　3.2 影響工藝效果的因素及調試

　　3.2.1 曝氣量對系統脫氮效果的影響

　　溶解氧含量被認為是影響系統脫氮的關(guān)鍵因素之一，它對工藝的硝化過(guò)程起著(zhù)決定作用.圖 2為系統在不同曝氣量條件下COD、氨氮、TN去除率變化情況，由于進(jìn)水直接取自污水處理廠(chǎng)，水質(zhì)水量受夏季降水、居民生活習慣等影響較大，導致TN去除率在不同曝氣量時(shí)有所波動(dòng).根據該圖可以看出，當曝氣量為3.0 L · min-1時(shí)，系統處理效果穩定，效率優(yōu)于其它曝氣量，在此條件下，COD平均去除率為72%，出水COD濃度為19.40 mg · L-1;氨氮去除率為90%，出水氨氮0.47 mg · L-1，TN去除率為54%，出水TN 11.00 mg · L-1.

　　圖 2 不同曝氣量條件下COD、氨氮、TN的去除特征(a)以及硝酸鹽、亞硝酸鹽的變化(b)

　　一般情況下，曝氣量越大，單位面積氣體供給量越大，池中溶解氧就越大，越有利于異養細菌和硝化細菌生長(cháng).如在4.5 L · min-1下，COD去除達到最大值.異養菌的大量繁殖不僅會(huì )抑制硝化細菌活性，使硝化過(guò)程受阻，而且還會(huì )與反硝化細菌爭奪碳源，使碳源快速分解，導致反硝化細菌無(wú)法獲得充足碳源和電子供體，進(jìn)而抑制反硝化進(jìn)程.另外，氧在環(huán)境中的穿透力隨著(zhù)DO的增加而增強，DO能進(jìn)入微生物絮體內部，破壞反硝化環(huán)境，導致硝酸鹽無(wú)法有效去除，進(jìn)而使出水硝酸鹽上升(圖 2b).

　　在曝氣量4.5 L · min-1時(shí)，出水硝酸鹽大于9.00 mg · L-1，高于其它曝氣條件.有研究認為，曝氣量過(guò)大，回流缺氧區溶解氧增大，反硝化過(guò)程將受到抑制(徐亞明和蔣彬，2002)，但本工藝沒(méi)有出現這樣的問(wèn)題，缺氧區的硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度均比較低，COD也得到很好的降解，整個(gè)過(guò)程COD去除率為76%.在曝氣量為2.0 L · min-1時(shí)，池中DO在2.5 mg · L-1以下，低DO不利于硝化細菌生長(cháng)，阻礙了硝化過(guò)程的進(jìn)行，氨氮去除效果下降，平均出水濃度為3.4 mg · L-1，高于其他曝氣情況.另外，曝氣量低，氣體傳質(zhì)速率降低，異養菌利用DO降解有機物過(guò)程受到限制，表現為COD去除率的下降(圖 2a).也有研究(Puznava et al., 2001)通過(guò)調整曝氣量將曝氣生物濾池反應器內的溶解氧濃度控制在0.50~3.00 mg · L-1，從而控制溶解氧不擴散到生物膜內部，實(shí)現同步硝化反硝化.但本研究降低曝氣量后，TN去除并沒(méi)有提高，同步硝化反硝化過(guò)程沒(méi)有得到強化.從圖 2b還可以看出，曝氣量為3.0 L · min-1時(shí)，缺氧區亞硝酸鹽出現積累，反硝化不徹底，但系統最終TN去除仍達54%，說(shuō)明好氧區仍然存在反硝化作用.

　　3.2.2 不同水力負荷條件下的脫氮效果

　　分別對水力負荷為40、30、20 m3 · m-3 · d-1條件下的工藝的運行效果進(jìn)行了監測分析(圖未給出).結果表明，水力負荷為20 m3 · m-3 · d-1時(shí)，系統有較好的脫氮效果，總氮去除率達到48%，氨氮88%.而在水力負荷為40 m3 · m-3 · d-1時(shí)，COD、氨氮、TN去除均不穩定，波動(dòng)范圍大，其中COD去除率為50%~85%，氨氮為43%~ 92%，TN為10%~64%.水力負荷降低到30 m3 · m-3 · d-1，COD，氨氮和TN的去除均有提高，其中COD去除率穩定的保持在83%，氨氮波動(dòng)大，但平均去除率也在83%上，TN去除極不穩定，在20%~56%間波動(dòng)，平均去除率為39%.這是因為降低水力負荷，水力停留時(shí)間延長(cháng)，濾速降低，使微生物與有機物接觸更加充分，有利于有機物的降解.特別是對一些世代周期長(cháng)，生長(cháng)速率慢的微生物，如硝化細菌，反硝化細菌，延長(cháng)水力停留時(shí)間，可增加生物膜生物量，提高氨氮和TN的去除率.為此，進(jìn)一步降低水力負荷，使水力負荷維持在20 m3 · m-3 · d-1下，無(wú)論是去除率還是去除率穩定性均得到進(jìn)一步提高，特別是TN的去除，由最低時(shí)10%升高到53%，并穩定在50%左右.水力負荷的進(jìn)一步降低，降低了濾速，減輕了污水對載體表面生物膜的沖刷，生物膜不斷增厚，阻擋了DO進(jìn)入膜內，于是在膜內部形成了缺氧環(huán)境，有利于同步硝化反硝化發(fā)生，提高了TN在好氧區的去除效果.從工程角度講，過(guò)低的水力負荷在經(jīng)濟上和時(shí)間方面缺乏合理性，在滿(mǎn)足水處理要求時(shí)，應盡量提高其水力負荷，以降低單位污水處理能耗.本研究中水力負荷維持在20 m3 · m-3 · d-1下時(shí)，出水即已經(jīng)達到出水水質(zhì)標準，故未進(jìn)一步降低水力負荷.

　　研究表明，水力負荷提高，易沖刷掉填料表面微生物，微生物與底物的接觸反應時(shí)間減少，不利于有機物的降解(蔣軼鋒等，2010; Liu et al., 2010).但在一定的容積負荷范圍內，濾速的提高不但不會(huì )降低BAF的去除能力，而且還可提高硝化效率(王舜和和郭淑琴，2008; Pujol，2010).主要原因是高濾速一方面可以提高內部的傳質(zhì)效率，另一方面還可以加快生物膜的更新，促進(jìn)生物活性.就本工藝而言，20 m3 · m-3 · d-1的水力負荷為較佳的負荷，過(guò)高的濾速將增加水流速度和水力剪切力，易洗脫生物膜及破壞膜內缺氧環(huán)境，縮短污水在系統中的停留時(shí)間，限制有機物的降解.

　　3.2.3 不同回流比對工藝運行效果的影響

　　探討了回流比為125%、100%、75%條件對COD、TN的去除效果(圖未給出)，結果表明各回流比條件下，TN的去除無(wú)顯著(zhù)差異，去除率分別為48%、49%、50%.氨氮在回流比125%下有高且穩定的去除率，平均去除率為91%，平均出水濃度為1.19 mg · L-1，而回流比100%、75%下氨氮去除不穩定，在60%~99%間波動(dòng)，平均去除率分別為75%、80%.COD在125%回流比下去除率為81%，高于其它回流比.

　　回流比75%下，大部分氨氮被去除并在好氧區經(jīng)硝化作用轉化為硝酸鹽，好氧區末端硝酸鹽平均濃度為7.70 mg · L-1.好氧區末端的硝酸鹽回流至缺氧區，在缺氧區利用進(jìn)水碳源，以硝酸根為電子受體發(fā)生反硝化作用，但反硝化不徹底，缺氧池仍剩余1.92 mg · L-1的硝酸鹽.回流比升高到100%，氨氮去除率為75%，好氧區末端硝酸鹽升高至9.40 mg · L-1，氨氮濃度僅為0.34 mg · L-1，氨氮基本上分部轉為硝酸鹽.然而，此時(shí)反硝化作用并沒(méi)有明顯提高，導致缺氧區硝酸鹽升高(2.13 mg · L-1).到回流比調整為125%時(shí)，氨氮平均去除率90%以上，出水濃度為1.19 mg · L-1，說(shuō)明該回流比下，硝化細菌活性好，但反硝化作用卻不理想，缺氧區剩余硝酸鹽濃度平均為3.30 mg · L-1.由此可知，硝酸鹽不是反硝化的限制因子，監測結果顯示，該時(shí)段進(jìn)水COD只有87.00 mg · L-1，碳源不足是反硝化進(jìn)行不徹底的主要原因.另外，回流越大，會(huì )把好氧末端DO帶到缺氧段，影響反硝化作用，使缺氧段不能把回流的硝酸鹽全部反硝化，最終導致TN平均去除率低于50%.一般而言，回流比越大，從好氧區回流至缺氧區的硝酸鹽就越多，回流液和進(jìn)水硝酸鹽就被缺氧區反硝化細菌反硝化而去除，從而去除總氮.就本工藝而言，回流比過(guò)高并不有利于脫氮，主要原因是會(huì )導致缺氧區反硝化作用不徹底，還有一部分硝酸鹽沒(méi)有去除，TN去除受到制約.但較大的回流比卻能提高COD的去除，回流比從75%升高到125%，COD去除率從74%升高到81%，這是由于回流比提高一方面可以更新生物膜，維持系統內微生物較高活性，另一方面，更多的硝酸鹽回流到缺氧區，反硝化菌就需要更多碳源來(lái)進(jìn)行反硝化作用，這就強化了有機物在缺氧段的降解.

　　3.3 有機物去除規律

　　設置反應器曝氣量為3.0 L · min-1，水力負荷為10 m3 · m-3 · d-1，回流比為125%，運行反應器至穩定.采集裝置中不同區段水樣，檢測水質(zhì)指標，結果如圖 3所示.根據該圖發(fā)現，COD、TN、硝酸鹽去除主要發(fā)生在缺氧區.進(jìn)水和回流液在池底混合后流入到缺氧區，其中COD由混合后的36.50 mg · L-1下降到18.00 mg · L-1，去除率達50%，TN由混合后的22.00 mg · L-1下降到13.00 mg · L-1，去除率為41%，硝酸鹽由混合液的4.30 mg · L-1下降到2.30 mg · L-1.這是因為缺氧區中的反硝化細菌利用進(jìn)水中的碳源來(lái)反硝化回流液和進(jìn)水中的硝酸鹽，生成N2或N2O，從而去除氮，降解有機物，同時(shí)生成了堿度，pH值升高.但反硝化過(guò)程不徹底，還有部分硝酸鹽未去除，剩余2.30 mg · L-1，亞硝酸鹽積累為1.25 mg · L-1.此外，聚磷菌利用進(jìn)水中的可揮發(fā)性脂肪酸來(lái)合成儲能物質(zhì)，同時(shí)水解胞內聚磷產(chǎn)生正磷酸鹽，表現為釋磷.試驗過(guò)程中檢測到TP在缺氧區升高0.75 mg · L-1，這也證實(shí)了在缺氧區伴隨磷的釋放.

　　氨氮在缺氧區也有去除，由混合后的7.50 mg · L-1 下降到4.50 mg · L-1，去除率為40%.分析認為，在缺氧區存在厭氧氨氧化細菌氧化氨氮，DGGE指紋圖譜分析證實(shí)了缺氧段存在氨氧化細菌.進(jìn)入好氧區后，氨氮進(jìn)一步去除，由4.50 mg · L-1降到0.50 mg · L-1，去除率達88.8%，且氨氮去除主要集中在4#至曝氣管這一區域，這是因為越接近曝氣管，溶解氧越充足，填料表面布滿(mǎn)了大量硝化螺菌(Nitrospira spp.)，豐度可達8%，它能氧化氨氮為亞硝酸鹽和硝酸鹽，從而去除氨氮.

　　試驗過(guò)程中，硝酸鹽濃度沿著(zhù)池體由上而下增大，3#是2.80 mg · L-1，4#升高到5.00 mg · L-1，至出水時(shí)達到7.20 mg · L-1，硝酸鹽的升高源于氨氮的硝化，這說(shuō)明硝化過(guò)程主要發(fā)生在靠近曝氣管區域.TN進(jìn)入好氧池，在池頂部至3#區域有下降，主要是因為離曝氣管越遠，氣泡在上升過(guò)程中越容易受到填料的阻擋，氣體傳質(zhì)受到影響，氣體很難穿過(guò)生物膜進(jìn)入膜內，容易在膜內形成缺氧環(huán)境，構成了同步硝化反硝化環(huán)境.此外，監測結果發(fā)現整個(gè)好氧段中氨氮轉化量要比硝酸鹽和亞硝酸鹽生成量大(圖 3)，Wang等認為這部分氮損失一方面可能微生物用于自身代謝，另一方面有可能是發(fā)生了同步硝化反硝化.pH監測結果發(fā)現，該區域并沒(méi)有因為發(fā)生硝化作用消耗堿度而使得pH值下降，pH值不但沒(méi)有降低反而有所升高，由7.32升高到7.45，產(chǎn)生了堿度，綜合證實(shí)好氧區域發(fā)生了同步硝化反硝化作用.但同步硝化反硝化效率比較低，這主要是受碳源限制，COD經(jīng)過(guò)缺氧區后下降到18.00 mg · L-1，碳源嚴重不足，微生物只能靠?jì)仍春粑�進(jìn)行反硝化作用，但內源呼吸率低，這就決定了同步硝化反硝化效率低.在4#至曝氣管區域還檢測到TN的升高，這可能是由于池底死亡的微生物不能及時(shí)排出系統，微生物發(fā)生解體而釋放出N，導致局部TN值高.COD沿著(zhù)池體由上而下得到降解，表現為缺氧區>3#>4#>出水，最后出水COD為10.00 mg · L-1，COD在好氧區去除率為44.4%，一方面同步硝化反硝化過(guò)程消耗了部分COD，另一方面是好氧區中的異養菌利用池中DO氧化有機物，降解了COD.此外，系統對濁度有很好的去除能力，平均去除率為91%，出水濁度在2.0 NTU以下，其中缺氧區去除大部分濁度，貢獻了84%.濁度去除主要是通過(guò)填料物理截留作用和生物膜的生物絮凝、吸附和降解作用，最后經(jīng)過(guò)反沖洗過(guò)程排出系統外.

　　圖 3 BAF不同區段污染物去除特征及pH變化

　　3.4 磷的去除

　　對反應器TP去除效果進(jìn)行檢測，發(fā)現裝置對磷的平均去除率只有14.3%，出水TP濃度均在0.50 mg · L-1以上，這與凌霄等(2006)研究結果相似.主要是因為系統不能及時(shí)將好氧吸收的磷排出，只能依靠反沖洗將磷排出系統.BAF工藝對磷的去除主要有兩個(gè)途徑，一是物理過(guò)濾，即填料對顆粒態(tài)磷酸鹽截留吸附，除磷效果最高可達35%(Clark et al., 1997)，二是微生物生長(cháng)代謝消耗磷酸鹽、生物絮凝吸附最后經(jīng)過(guò)反沖洗排出系統，研究表明反沖洗能去除50%以上的磷(Westermman et al., 2000).由于工藝限制，BAF除磷效果較差，完全用生物除磷很難達到排放標準，同時(shí)脫氮除磷會(huì )使系統變得更為復雜，需要結合化學(xué)藥劑來(lái)強化除磷(Clark et al., 1997; Rogalla et al., 1990).Clark等(1997)研究表明，曝氣生物濾池中采用化學(xué)除磷要比工藝本身生物除磷效率要高，而且要比其它污水處理工藝在化學(xué)強化與生物協(xié)同除磷方面更具優(yōu)勢.

　　為使出水達到水質(zhì)排放的要求，向反應器出水中投加一定量聚合氯化鋁(PAC)，其有效含量為30%(以氧化鋁表示)，用攪拌機快速混合1 min，慢慢攪拌15 min，沉淀30 min，取上清液測TP含量，結果如圖 4所示.　　

　　圖 4 PAC投加量與TP去除量的關(guān)系

　　未投加PAC上清液TP為1.75 mg · L-1，投加5.00 mg · L-1PAC后TP下降至1.25 mg · L-1，隨著(zhù)投加量的加大，TP去除量快速上升，當投加量加到16.60 mg · L-1時(shí)，總磷下降至0.45 mg · L-1，滿(mǎn)足排放標準要求，再提高投加量，TP去除緩慢.如圖 4所示，投加量從16.60 mg · L-1提高到23.30 mg · L-1TP下降了0.20 mg · L-1，而投加量從23.30 mg · L-1提高到30.00 mg · L-1時(shí)，TP只下降了0.05 mg · L-1.所以在用PAC進(jìn)行化學(xué)除磷時(shí)要確定最少投加量，就本試驗而言，投加16.60 mg · L-1的PAC就能去除1.30 mg · L-1 TP，使出水TP < 0.50 mg · L-1，達到城鎮污水一級A排放標準.

　　3.5 微生物學(xué)群落組成與結構分析

　　異養菌計數結果顯示，BAF好氧段(BAF-O)中異養菌總數為(1.39±0.04)×106 CFU · mL-1，BAF缺氧段(BAF-A)中異養菌總數為(8.30±1.39)×105 CFU · mL-1，二者在量級上無(wú)顯著(zhù)差異.異養菌利用區域中的溶解氧，能夠有效去除有機物，降解COD，從而保證COD在缺氧段和好氧段均被有效去除(圖 3)墊定了微生物基礎.BAF缺氧段存在大量異養菌，一方面說(shuō)明缺氧段仍有溶解氧存在，異養菌在降解COD時(shí)可降低溶解氧濃度，維持缺氧段中氧平衡;另一方面，異養菌降解COD，減少反硝化作用的碳源供應，使異養反硝化過(guò)程受影響，這也從微生物角度解釋了缺氧段反硝化過(guò)程進(jìn)行不徹底的原因.

　　比較兩段微生物群落結構(圖 5a，表 2)，發(fā)現二者微生物種類(lèi)無(wú)顯著(zhù)差異，但相對數量差異明顯，這主要是兩段間是連通的，但微生物生存環(huán)境持續改變所致.條帶X1、X5、X6、X7、X8、X12、X13所代表的微生物是好氧段中的優(yōu)勢種群，而條帶X2、X9、X10則是缺氧段的優(yōu)勢種群，主要為β變形菌綱(Betaproteobacteria)細菌.條帶X2為缺氧條件下的優(yōu)勢菌群，測序發(fā)現其與脫氯單胞菌(Dechloromonas sp. DQ413167)的相似性達99%.研究表明，脫氯單胞菌為兼性厭氧革蘭氏陰性細菌，ClO3-、NO3-均可作為電子受體，能夠高效還原氯酸鹽和硝酸鹽，是重要的反硝化聚磷菌.X9和X10均為β變形菌綱中細菌，這些微生物的大量富集，可能與反應器的反硝化過(guò)程具有重要因果關(guān)系.

　　圖 5 BAF不同區段中細菌群落結構(a)與組成(b)分析(BAF-O，BAF好氧段;BAF-A，BAF缺氧段; X1~X13，切取測序的條帶)　

　　表2 DGGE圖譜中優(yōu)勢條帶序列相似性檢索結果

　　對BAF好氧段、缺氧段生物膜微生物群落組成和豐度分析發(fā)現，兩者在群落豐度上存在顯著(zhù)差異(圖 5B).其中藍細菌門(mén)(Cyanobacteria，BAF-O中9.90%，BAF-A中0.90%)、硝化螺菌門(mén)(Nitrospirae，8.00%，1.70%)、浮霉菌門(mén)(Planctomycete，3.50%，0.90%)、α變形菌綱(Alphaproteobacteria，5.80%，1.80%)、γ變形菌綱(Gammaproteobacteria，14.30%，3.70%)在好氧段生物膜上占有明顯優(yōu)勢;而與之相比，擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes，15.10%，19.10%)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi，6.00%，13.10%)、β變形菌綱(Betaproteobacteria，14.80%，29.40%)、δ變形菌綱(Deltaproteobacteria，2.90%，6.40%)是缺氧段中的優(yōu)勢類(lèi)群.

　　微生物分布與生境是密切相關(guān)的，反應器兩段的功能效率是該段中重要功能微生物共同作用的結果.硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae)細菌序列在好氧段中的含量高達8.00%，而在缺氧段中僅為1.70%，好氧段中這些細菌序列均為硝化螺菌屬(Nitrospira).硝化螺菌屬是重要的硝化細菌類(lèi)群，在廢水處理過(guò)程中廣泛存在，它可在好氧狀態(tài)下以丙酮酸為碳源完成硝化過(guò)程，或通過(guò)固定CO2自養生長(cháng).硝化細菌的這種分布特征，決定了該反應器好氧段較好的硝化效率.β變形菌綱在缺氧段中含量豐富，占群落總量的29.40%，其中紅環(huán)菌科(Rhodocyclaceae)序列占群落的16.9%，而其下的脫氯單胞菌屬(Dechloromonas)序列即占到整個(gè)群落的1.5%，脫氯單胞菌屬中某些菌種能夠高效還原氯酸鹽和硝酸鹽，是重要的反硝化聚磷菌，這一結果與DGGE圖譜相一致.調查還發(fā)現，β變形菌綱中動(dòng)膠菌屬(Zoogloea)序列在好氧、缺氧段中所占比例均較高，分別占全部序列的0.5%、0.7%，它們是活性污泥形成的主要菌屬，同時(shí)在生物膜形成與維持中也具有重要作用.

　　通過(guò)對兩段中微生物群落的分析，發(fā)現好氧段中與硝化過(guò)程中密切相關(guān)的微生物類(lèi)群豐富，而在缺氧段，與反硝化相關(guān)的微生物較多，微生物種群的分布存在明顯的區域性特征.這種分布方式?jīng)Q定了該反應器較高的脫氮效率，是反應器高效運行的基礎.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　4 結論

　　1)通過(guò)對本研究設計的分格復合填料曝氣生物濾池的調試，確定最佳曝氣量為3.0 L · min-1，最佳水力負荷為20 m3 · m-3 · d-1，最佳回流比為125%，在此條件下，對COD、TN、氨氮、濁度的平均去除率分別為81%、48%、91%、91%.結合化學(xué)方式進(jìn)行除磷，可去除86%總磷，達到城鎮污水一級A排放標準.

　　2)好氧段中與硝化過(guò)程中密切相關(guān)的微生物類(lèi)群豐富，如硝化螺菌屬;而在缺氧段，與反硝化相關(guān)的微生物較多，如脫氯單胞菌屬.這種分布方式?jīng)Q定了該反應器較高的脫氮效率，是反應器高效運行的基礎.