近年來水質性缺水現象非常嚴重.許多城市雖然水資源豐富，但是水源水受到了嚴重的污染，主要表現為氨氮濃度上升，溶解氧下降，有機污染加重，源水水質呈下降趨勢.然而，以混凝-沉淀-過濾-消毒為代表的傳統凈水工藝對有機物和氮磷等溶解性污染物的去除效果十分有限，易引起微生物在管網中的二次繁殖，存在生物安全風險.因此，通過新工藝開發或現有工藝優化，控制有機物和氮磷在處理出水中的含量，是當前水質凈化面臨的主要問題之一.許多學者根據水質特點及供水水質的要求提出了各種微污染水源水的給水處理工藝，主要包括強化常規處理、預處理技術和深度處理技術.生物轉盤技術因具有生物量大、生物相分級、耐沖擊負荷能力強、污泥量少、動力消耗低、維護管理方便等優點，目前已被廣泛研究和應用.與生物轉盤工藝相比，平流式沉淀池具有相近的水力停留時間，但污染物去除功能相對單一.筆者結合兩工藝自身特點，提出一體式生物凈化沉淀技術，并通過實驗室小試研究，探討了該技術在不同水力負荷下對微污染源水中濁度和有機物、氨氮、總磷的去除規律，以期為微污染源水的處理和現有飲用水凈化工藝技術改造提供理論和技術支撐.

　　1 材料與方法

       1.1 試驗用水

　　試驗用水取自西安市主要供水水源黑河水庫以及校園污水排污口，其中，校園污水用量約占試驗總用水量的7%.試驗期間水溫為27~35℃，水質指標見表 1.

　　　　表 1 原水水質

　　1.2 試驗裝置

　　實驗室所用一體式生物凈化-沉淀裝置，如圖 1所示.其主體材質為有機玻璃，尺寸400 mm×110 mm×100 mm，總容積4.4 L，分上下兩個功能區，上部分為轉盤區，下部為沉淀區.轉盤區采用單軸單級的連接方式，盤片直徑在100 mm左右，浸沒面積占盤片總面積的40%.轉軸貫穿盤片形心，并固定在兩端支架上，轉速控制在3.0 r ·min-1.試驗用水經混凝處理后進入一體式生物凈化-沉淀裝置.混凝條件如下:原水投加5.0 mg ·L-1的聚合氯化鋁(PACl)后，在200 r ·min-1的攪拌強度下反應1.0 min;而后，在50.0 r ·min-1的攪拌強度下反應15 min.混凝出水在裝置上部與轉盤表面的生物膜接觸、吸附并最終凈化去除，轉盤區老化脫落的生物膜連同混凝絮體進入下部沉淀區，定期排放.

圖 1 試驗裝置流程示意

　　1.3 試驗方法

　　裝置掛膜成功后，在連續穩定運行的條件下逐次改變系統的水力負荷，每次改變后均留有1~2周的觀察期.待系統再次穩定后，連續監測進、出水濁度，以及TOC、NH4+-N、TP含量，后續特定水力負荷條件下所得濁度和有機組分(以TOC計，下同)、NH4+-N、TP的殘留量和去除率數據，均為連續監測數據的平均值.此外，分別對進、出水端的盤片表面上生物膜進行鏡檢，以評價一體式生物凈化-沉淀池在不同水力負荷條件下對污染物的去除性能.

　　1.4 分析方法

　　裝置出水的溫度、pH和濁度分別采用水銀溫度計、玻璃電極法和濁度計(HI93703-11，HANNA，意大利)測定;總有機碳(TOC)采用總有機碳分析儀(TOC-5000A，島津，日本)測定;氨氮采用納氏試劑分光光度法(普析TU-1901紫外可見分光光度計)測定;總磷采用鉬酸銨分光光度法(普析TU-1901紫外可見分光光度計)測定;微生物鏡檢采用熒光顯微鏡(Nikon90i)分析.

　　2 結果與討論

       2.1 盤片的掛膜

　　本試驗采用直接掛膜的方式，利用河水作為掛膜用水.掛膜期間，維持進水水溫27~35℃，pH在7.0左右，生物轉盤轉速3.0 r ·min-1，在水力負荷為0.064 m3 ·(m2 ·d)-1的條件下連續運行40 d后，盤片表面形成一層構造均勻、薄且致密的生物膜，系統運行穩定，可認為掛膜成功.在特定的進水水質條件和系統運行工況條件下，出水中殘留的污染物濃度相對穩定，后續特定有機負荷條件下所得濁度、有機組分、NH4+-N、TP的殘留量和去除率數據，均為連續監測數據 的平均值.

　　2.2 水力負荷對濁度去除效果的影響

　　控制進水水溫、pH和轉盤轉速分別在27~35℃、7.0和3.0 r ·min-1，待系統運行穩定后，改變系統水力負荷考察處理出水中污染物含量的變化情況.由圖 2可知，系統水力負荷最低[0.036 m3 ·(m2 ·d)-1]時，一體式生物凈化-沉淀池對水中致濁物質的去除效果最好，平均去除率約為78.0%(圖 2).隨著系統水力負荷增加，濁度的平均去除率呈逐漸下降的趨勢.但在水力負荷≤0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時，上述變化趨勢并不顯著.這可能是因為較低的水力負荷對沉淀過程的干擾相對較小，系統易形成沉淀性較強的絮體，從而處理出水中濁度物質的殘留量相應較小.但水力負荷>0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時，混凝后形成的絮體在一體式生物凈化-沉淀池中還未完全沉淀，此時濁度的去除主要依靠生物轉盤上微生物對難沉淀的微小懸浮顆粒及污染物質的吸附、降解作用，出水濁度偏大，濁度的平均去除率下降.

圖 2 水力負荷對濁度去除效果的影響

　　2.3 水力負荷對營養物質去除效果的影響

       2.3.1 有機組分

　　圖 3為不同水力負荷下有機組分(以TOC計，下同)的去除情況.從中可知，水力負荷在0.036 m3 ·(m2 ·d)-1時，TOC的去除效果最佳，此時系統TOC平均去除率為58.07%，處理出水中有機組分的殘留量約為2.09 mg ·L-1.隨著水力負荷的增大，TOC的平均去除率呈逐漸下降的趨勢.在水力負荷增大至0.13 m3 ·(m2 ·d)-1時，TOC的平均去除率最低，僅為52.30%.分析認為:系統在較低水力負荷條件下，生物膜與污染物的平均接觸時間較長，有利于有機組分被充分降解.但當水力負荷過大時，微生物與污染物的平均接觸時間縮短，導致有機組分作為碳源的利用效率不高.同時水力負荷過大，對微生物的生長和繁殖造成較大沖擊，易使盤片表面部分生物膜脫落，系統生物量降低，進而影響生物轉盤的污染物降解功能.

圖 3 水力負荷對TOC去除效果的影響

　　在水力負荷從0.036 m3 ·(m2 ·d)-1增大至0.13 m3 ·(m2 ·d)-1時，裝置處理出水中的TOC殘留量呈現一定程度的上升趨勢，但絕對增加量并不顯著，這一性能從有機組分的去除率上觀察則更為明顯.這可能是由于河水在遷移過程中本身具有自凈作用.劉輝研究表明，在水質較好的水庫中低分子有機物占總有機物40.00%~50.00%左右.根據動力學原理，在反應時間一定時底物濃度越低，其反應速度越慢，對底物的降解程度越小.生物轉盤對有機組分良好穩定的去除性能可能與盤片為微生物生長提供了穩定接觸面和較長的生長時間有關.同時也說明水力負荷對生物膜內異養菌群總量的影響不大，只是對菌群起到了重新分布的作用，使其更適應相應水力負荷環境.表明一體式生物凈化沉淀裝置對系統進水中的水力負荷波動具有一定的抗沖擊能力.

　　2.3.2 NH4+-N

　　不同水力負荷下處理出水中NH4+-N的殘留量和去除率如圖 4所示.從中可知，在較低水力負荷條件下，隨水力負荷的增大，NH4+-N的平均去除率變化并不顯著.在水力負荷≤0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時，NH4+-N的平均去除率為82.60%~83.33%，出水NH4+-N質量濃度在0.325~0.425 mg ·L-1之間波動(圖 4).這可能是因為水力負荷較低時，系統中可供微生物利用的碳源相對不足，反硝化菌與其他異養菌競爭有限碳源時更具優勢.同時由于硝化菌與反硝化菌的生長也需要碳源，結合圖 3，水力負荷在0.064 m3 ·(m2 ·d)-1以下時，處理出水中平均TOC殘余量 < 2.50 mg ·L-1，硝化菌、反硝化菌因可利用碳源減少，亦不能最大限度地發揮脫氮作用.但當水力負荷 > 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時，NH4+-N的平均去除率隨水力負荷的增大呈快速下降趨勢.這可能是由于硝化菌屬自養型細菌，生長速率低于降解有機物的異養型微生物，且異養型微生物成為優勢菌種后，會包裹和覆蓋硝化菌，導致溶解氧、氨氮的傳質效果減弱.同時，硝化細菌對環境極為敏感，水力負荷過大，還會影響硝化細菌的生存環境，導致系統處理效率下降.

圖 4 水力負荷對氨氮去除效果的影響

　　2.3.3 總磷

　　圖 5為不同水力負荷下總磷的去除情況.從中可知，在水力負荷為0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時，一體式生物凈化-沉淀池對TP的平均去除效果最差，平均去除率僅為60.96%，處理出水中TP的殘留量約為0.073 mg ·L-1.適當減小或增大水力負荷均有利于提高系統對TP的去除效果.當水力負荷 < 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時，隨著水力負荷的增大，TP平均去除率呈先緩慢上升后快速下降的趨勢.這可能與水力負荷較小時，污水在一體式生物凈化-沉淀池中停留時間較長, 微生物與污染物接觸充分，有利于系統中污染物更有效地降解.在低營養狀態下，提高系統水力負荷，硝化菌與聚磷菌競爭有限碳源和溶解氧，系統中易形成厭氧區域，致使聚磷菌在好氧環境下過量吸收的磷又重新釋放有關.但當水力負荷 > 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時，隨著水力負荷的增加，總磷的平均去除率再次上升，這可能是因為適當提高水力負荷，進水中有機組分含量相對增加，提高了系統的有機負荷，緩解了體系中碳源不足的問題.但繼續增大水力負荷，污水的流速過大，微生物與污染物接觸不能充分，同時，水力負荷過大，對生物膜的沖擊使原先被吸附在盤片表面的磷沖出系統，反而造成總磷去除率下降.

圖 5 水力負荷對總磷去除效果的影響

　　總的來說，水力負荷越小，微生物與污染物接觸越充分，污染物去除效果越好.但水力負荷過小，低濃度的有機組分、氮磷會抑制微生物的生物活性.在達到要求的出水效果的前提下，適當增大系統水力負荷，可以減小占地面積和基建投資，提高經濟效益.建議將一體式生物凈化-沉淀池的水力負荷控制在0.064 m3 ·(m2 ·d)-1.此時，系統對濁度、TOC、NH4+-N和總磷的平均去除率分別為73.70%、54.98%、83.24%和60.96%，具有良好的懸浮物、有機物以及氮磷同步去除功能.

　　2.4 生物相分析

　　微生物在污水的生化處理中起決定性作用，其種群的組成與數量很大程度上影響著出水質量，同時也揭示了微生物對外界環境變化的反應機制.為此本試驗在水力負荷為0.064 m3 ·(m2 ·d)-1的運行條件下，對一體式生物凈化-沉淀池進水端和出水端盤片表面生物膜的生長狀態進行長期觀察，以了解特定水力負荷對微生物的影響機制.

　　觀察發現，進水端生物膜生長速度較快，生物膜內部呈灰褐色，如圖 6(a)，膜易脫落;出水端生物膜呈淡黃褐色，如圖 6(b)，生物膜質密、較薄.分析認為當生物膜厚度增加到一定程度時，生物膜內部微生物活性降低，新陳代謝下降，附著力減弱，在沖擊負荷的影響下生物膜易脫落;出水端有機底物特別是易降解有機物的濃度大幅降低，生物膜生長緩慢.從進水端盤片表面生物膜的鏡檢結果[圖 6(b)、圖 6(c)]和出水端盤片表面生物膜的鏡檢結果[圖 6(e)、圖 6(f)]可看出，進水端生物相非常豐富，有相當數量的絲狀菌存在.出水端原生動物、后生動物都非常活躍，數量和種類也很多.對試驗中后期進水端、中間段、出水端生物轉盤表面的生物膜進行高通量測序，結果發現盤片表面生物相基本類似，生物膜中異養菌群數量在細菌總數中占絕對優勢，優勢菌種為變形菌門、擬桿菌門、放線菌門等.沿水流方向，異養菌群總量變化不大[圖 7(a)]，沿程污染物的減少只是對菌群起到了重新分布的作用，使與環境條件相適應的微生物種群優勢生長.同時還發現盤片表面上固著或附著生長的原生動物、后生動物占絕大多數，其中鐘蟲、纖毛蟲、鞘居蟲等是原生動物的優勢種群;線蟲、輪蟲(多種)、環節動物等是后生動物的優勢種群.從空間分布看，如圖 7(b)，沿生物處理池進水端到出水端，微型動物的相對豐度呈逐漸增加趨勢.

圖 6 轉盤區生物膜 Fig. 6 Biofilm on turntable area

　　微生物種群的沿程變化和良好生長，使得污水中的污染物沿程得到逐步轉化，并穩定降解.有研究結果也表明，沿著流程的分布，各級生物膜的顏色、厚度、生物膜的微生物組成，種類與數量有著明顯的不同，這樣避免了不同種群間生態幅的過多重復，從而保證相應的微生物相擁有最佳的工作活性.生物膜中生態體系發展完善，種群豐富，這也是生物膜在不同水力負荷條件下仍具有較高除污效率的主要原因，同時也體現了一體式生物凈化-沉淀池具有很強的自我調節能力與環境適應能力.具體參見污水寶商城資料或http://www.jianfeilema.cn更多相關技術文檔。

　　3 結論

　　(1)本研究將生物轉盤與平流沉淀池設計理念相結合，開發出一種一體式生物凈化-沉淀工藝，實驗室研究結果表明，在進水水力負荷較小時，轉盤系統的設置對顆粒物的沉淀過程并無明顯影響，出水濁度可控制在1.8 NTU左右.同時，工藝對原水中的有機組分、NH4+-N和TP還有一定的同步去除功能.當進水水力負荷在0.064 m3 ·(m2 ·d)-1，上述各項指標的平均去除率分別為54.98%、83.24%和60.96%.在進水水力負荷 < 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時，隨著水力負荷的上升，工藝對顆粒物、有機組分和氨氮的去除相對穩定，但總磷的去除性能將受到一定的影響;而在進水水力負荷 > 0.064 m3 ·(m2 ·d)-1時，隨著水力負荷的上升，工藝對總磷的去除性能略有增強，表明工藝具有一定抗沖擊負荷能力.

　　(2)對生物轉盤盤片表面生物膜進行分析，盤片表面呈現出與環境條件相適應的微生物種群，形成了良好的種群配合和沿程分布，體現了一體式生物凈化-沉淀池具有很強的自我調節能力與環境適應能力.

　　(3)一體式生物凈化-沉淀工藝在不同水力負荷條件下仍可實現有機物、氮磷以及致濁物質的同步去除.考慮到組合工藝具有結構緊湊、占地面積省，處理效果穩定等優點，在微污染水體的強化凈化處理中具有一定的應用前景.