自19世紀(jì)末期生物濾池在英國(guó)問(wèn)世以來(lái)，生物膜法在污水處理(chǔ lǐ)方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注，特別是在小型生活污水處理領(lǐng)域〔3, 4〕。與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，生物膜法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)〔5, 6, 7〕：微生物呈多樣性，生物量豐富，處理能力強(qiáng);污泥沉降性能好，剩余污泥量少;受水質(zhì)、水量變化影響小，耐沖擊;具有較強(qiáng)的吸附過(guò)濾性能;易于管理，運(yùn)行成本低。基于上述優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)生物膜法進(jìn)行了深入研究〔8, 9, 10, 11〕，主要包括新型生物膜填料的研發(fā)、微生物的生長(zhǎng)規(guī)律、污染物質(zhì)和溶解氧(Oxygen)在生物膜內(nèi)的傳質(zhì)過(guò)程以及生物膜反應(yīng)器研發(fā)與設(shè)計(jì)等，而針對(duì)生物膜掛膜方法和工程參數(shù)的研究較少。本課題組在前期采用生物膜法處理玉米青貯液〔12〕和染料廢水〔13〕時(shí)發(fā)現(xiàn)：生物膜掛膜過(guò)程和生物膜反應(yīng)器工程運(yùn)行參數(shù)對(duì)處理效果有著顯著影響。
為此，本研究對(duì)比分析了2種掛膜方法，以探究最佳的掛膜手段;同時(shí)對(duì)影響生物膜反應(yīng)器運(yùn)行的2個(gè)主要工況參數(shù)HRT和DO進(jìn)行了考察，探究最佳的運(yùn)行工況，以期為小型生活污水處理和生物膜反應(yīng)器的推廣應(yīng)用提供借鑒。
1 材料與方法
1.1 生物膜反應(yīng)器
本研究采用2套完全相同的生物膜反應(yīng)器開展對(duì)比試驗(yàn)。生物膜反應(yīng)器由PVC材質(zhì)加工制作，總高度140cm，填料層高度100cm，填料層下部8cm處設(shè)置支撐層，填料層上部15cm處安裝液位計(jì)。填料層填料為沸石，支撐層填料為卵石;填料層每隔20cm處設(shè)置一個(gè)采樣口。生物膜反應(yīng)器出水進(jìn)入澄清池，經(jīng)澄清后部分用于填料層反沖洗;反沖洗程序?yàn)槠貧鉀_、曝氣和水沖、水沖，反沖洗周期為96h。
圖 1 生物膜反應(yīng)器
1.2 試驗(yàn)廢水
試驗(yàn)廢水采用模擬(定義:對(duì)真實(shí)事物或者過(guò)程的虛擬)生活廢水，試驗(yàn)廢水組成：CH3COONa 0.320g/L，F(xiàn)eCl3?6H2O 1.50g/L，KH2PO40.013g/L，H3BO3 0.15g/L，2SO4 0.198g/L，CuSO4?5H2O 0.03g/L，CaCl2 0.005g/L，KI 0.18g/L，MgSO4?7H2O 0.05g/L，MnCl2?4H2O 0.12g/L，營(yíng)養(yǎng)液0.30mL/L。中空纖維膜紡絲機(jī)外形像纖維狀，具有自支撐作用的膜。它是非對(duì)稱膜的一種，其致密層可位于纖維的外表面／如反滲透膜，也可位于纖維的內(nèi)表面(如微濾膜和超濾膜)。對(duì)氣體分離膜來(lái)說(shuō)，致密層位于內(nèi)表面或外表面均可。營(yíng)養(yǎng)液組成：Na2MoO4?2H2O 0.06g/L，ZnSO4?7H2O 0.12g/L，CoCl2?6H2O 0.15g/L，EDTA 10.00g/L。進(jìn)水中COD為282~299mg/L，NH4+-N為43.2~49.6mg/L。
1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.3.1 生物膜反應(yīng)器2種掛膜方法比較
接種掛膜法：采用某污水處理廠曝氣池活性污泥作為接種污泥，先悶曝24h，然后將生物膜反應(yīng)器內(nèi)活性污泥和廢水的混合物排空，通入試驗(yàn)廢水。
自然掛膜法：與接種掛膜法同時(shí)通入試驗(yàn)廢水即可。
2種掛膜方法的工況參數(shù)：DO控制在3mg/L以上，HRT控制為5h，定期采集2個(gè)生物膜反應(yīng)器出水水樣，測(cè)定其COD和NH4+-N濃度。
1.3.2 生物膜反應(yīng)器主要影響因素(factor)研究
在生物膜反應(yīng)器掛膜成熟后，開展HRT和DO 2個(gè)主要影響(influence)因素研究。HRT的設(shè)計(jì)水平為1、2、3、4、5、6、7、8h;DO的設(shè)計(jì)水平為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 、6.5mg/L。
1.4 分析方法
NH4+-N的測(cè)定采用納氏試劑分光光度法;COD的測(cè)定采用密閉回流滴定法;pH的測(cè)定采用玻璃材質(zhì)電極（electrode）法。
圖形繪制采用Microsoft Office Visio 2003軟件;數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Origin 8.5軟件。
2 結(jié)果與討論
2.1 自然掛膜法與接種掛膜法的比較
在整個(gè)30 d的掛膜試驗(yàn)期間，進(jìn)行了接種掛膜法和自然掛膜法的比較，結(jié)果分別見(jiàn)圖 2和圖 3。中空纖維膜紡絲機(jī)外形像纖維狀，具有自支撐作用的膜。它是非對(duì)稱膜的一種，其致密層可位于纖維的外表面／如反滲透膜，也可位于纖維的內(nèi)表面(如微濾膜和超濾膜)。對(duì)氣體分離膜來(lái)說(shuō)，致密層位于內(nèi)表面或外表面均可。
圖 2 接種掛膜法和自然掛膜法進(jìn)出水COD的變化
由圖 2和圖 3可知，對(duì)于接種掛膜法，經(jīng)過(guò)30 d的掛膜，出水COD和NH4+-N分別降至43.9、15.3mg/L，COD和NH4+-N去除率分別達(dá)到85.3%和67.8%。采用接種掛膜法，在前6 d，COD的去除效果較差，COD去除率為49.5%，但明顯高于自然掛膜法COD的去除率，這主要由于2個(gè)方面原因：接種掛膜開始階段，微生物量少且沒(méi)有完全適應(yīng)試驗(yàn)水質(zhì);接種掛膜法開始階段的悶曝過(guò)程使填料表面附著有一定的微生物，這些微生物的生長(zhǎng)繁殖消耗掉部分有機(jī)污染物，致使其COD去除效果要好于自然掛膜法。隨著掛膜時(shí)間的增加，沸石表面微生物量逐漸增多，COD去除率逐步上升。在第17天，COD去除率超過(guò)了80%;在第18~30天，COD去除率穩(wěn)定（解釋:穩(wěn)固安定；沒(méi)有變動(dòng))在85%左右，最高為86.9%，出水水質(zhì)穩(wěn)定。
圖 3 接種掛膜法和自然掛膜法進(jìn)出水NH4+-N的變化
在生物膜反應(yīng)器接種掛膜階段，NH4+-N的去除要比COD的去除慢。第7天，COD去除率超過(guò)50%，而NH4+-N去除率僅有26.6%;NH4+-N去除率在第22~30天穩(wěn)定在65%左右，出水NH4+-N為13.7~15.8mg/L。這主要由于硝化細(xì)菌相對(duì)于好氧異養(yǎng)菌對(duì)氧的競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)地位，其增長(zhǎng)速度也較慢，只有當(dāng)易降解的有機(jī)污染物被去除后，硝化細(xì)菌才能成為優(yōu)勢(shì)菌群。
與接種掛膜法相比，自然掛膜法在開始階段COD和NH4+-N去除率明顯較低。自然掛膜第6天，COD和NH4+-N去除率分別為15.6%和9.8%，明顯低于此時(shí)的接種掛膜法COD和NH4+-N去除率，這主要由于2個(gè)方面原因：自然掛膜初期，沸石填料附著的生物量較少，COD和NH4+-N的去除主要由沸石吸附完成;由于本試驗(yàn)采用的是人工模擬生活廢水，其懸浮物含量少，增加了生物膜掛膜的難度，要達(dá)到接種掛膜法中COD和NH4+-N的去除效果，則需要更長(zhǎng)的時(shí)間。隨著自然掛膜生物膜的增長(zhǎng)，COD和NH4+-N去除率也逐漸增加，在第26~30天，COD和NH4+-N去除率分別穩(wěn)定在84%和60%以上，最高分別達(dá)85.7%和66.2%，出水COD和NH4+-N最低分別降至40.6、16.1mg/L。
由圖 2和圖 3可以看出，當(dāng)掛膜成熟時(shí)，采用接種掛膜法的COD和NH4+-N去除率分別為85.3%和67.8%，采用自然掛膜法的COD和NH4+-N去除率分別為84.6%和66.2%，這表明生物膜反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)時(shí)，可不需要添加接種污泥，直接采用自然掛膜法即可。
2.2 生物膜反應(yīng)器主要影響(influence)因素研究
2.2.1 HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響
在DO為3.0mg/L的條件下，考察了HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響，結(jié)果如圖 4所示。
圖 4 HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響
由圖 4可知，在DO控制在3.0mg/L時(shí)，隨著HRT的增加，COD和NH4+-N篩除率逐漸上升。當(dāng)HRT為1h時(shí)，COD和NH4+-N去除率分別僅為55.6%和28.5%，這主要由于以下3個(gè)方面原因：HRT過(guò)短，導(dǎo)致(cause)微生物不能完全分解代謝易降解的有機(jī)感染物質(zhì);HRT過(guò)短，微生物沒(méi)有足夠的分解代謝時(shí)間，且硝化細(xì)菌相對(duì)于好氧異養(yǎng)菌對(duì)氧的競(jìng)爭(zhēng)處于劣勢(shì)地位，導(dǎo)致NH4+-N去除率更低;HRT過(guò)短，導(dǎo)致進(jìn)水量增加，造成對(duì)生物膜沖刷力增強(qiáng)，使一部分微生物隨水流失，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)此時(shí)的出水濁度明顯增加。當(dāng)HRT增加至6~8h時(shí)，COD去除率穩(wěn)定在90%以上，NH4+-N去除率穩(wěn)定在80%以上，可以保證出水的達(dá)標(biāo)排放。
2.2.2 DO對(duì)生物膜反應(yīng)器篩除COD和NH4+-N效果的影響(influence)
在HRT為6h的條件下，考察了DO對(duì)生物膜(英文：Biofilm)反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響，結(jié)果如圖 5所示。
圖 5 DO對(duì)生物膜反應(yīng)器去除COD和NH4+-N效果的影響
由圖 5可以看出，隨著DO的增加，COD和NH4+-N篩除率均先上升然后趨于一致。中空纖維膜紡絲機(jī)通過(guò)膜技術(shù)進(jìn)行水處理，應(yīng)用于制藥、釀造、餐飲、化工、市政污水回傭、醫(yī)院、小區(qū)污水會(huì)用、造紙等生產(chǎn)生活污水處理。膜分離技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用于溶液或氣體物質(zhì)分離、濃縮和提純的分離技術(shù)。膜壁微孔密布，原液在一定壓力下通過(guò)膜的一側(cè)，溶劑及小分子溶質(zhì)透過(guò)膜壁為濾出液，而大分子溶質(zhì)被膜截留，達(dá)到物質(zhì)分離及濃縮的目的。膜分離過(guò)程為動(dòng)態(tài)過(guò)濾過(guò)程，大分子溶質(zhì)被膜壁阻隔，隨濃縮液流出，膜不易被堵塞，可連續(xù)長(zhǎng)期使用。當(dāng)DO為1.0mg/L時(shí)，COD和NH4+-N去除率較低，這是因?yàn)樯锬し磻?yīng)器內(nèi)DO不足，致使好氧異養(yǎng)菌和硝化細(xì)菌在分解代謝過(guò)程中缺乏電子受體，不能持續(xù)地降解有機(jī)感染物質(zhì)和氨氮。隨著DO的增加，生物膜反應(yīng)器對(duì)COD和NH4+-N的去除效果明顯增強(qiáng)，當(dāng)DO為4.0mg/L時(shí)，COD和NH4+-N去除率分別為90.2%和85.5%，這表明溶液中充足的DO可明顯促進(jìn)有機(jī)污染物的降解和氨氮的硝化。但是，過(guò)高的DO并不能顯著（striking）提高COD和NH4+-N去除效果，甚至?xí)兴档停@主要是由于當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)穩(wěn)定時(shí)，在一定的HRT條件下，生物膜反應(yīng)器內(nèi)的COD和NH4+-N負(fù)荷是一定的，而當(dāng)?shù)孜餄舛炔蛔儠r(shí)，提高DO不能顯著提高底物的去除效果;此外，過(guò)高的曝氣量對(duì)生物膜有較強(qiáng)的沖刷作用，會(huì)使有活性的生物膜隨出水流失。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，必須根據(jù)待處理廢水的水質(zhì)特點(diǎn)來(lái)探究最佳的HRT和DO濃度。具體參見(jiàn)
3 結(jié)論
生物膜反應(yīng)器接種掛膜法和自然掛膜法的比較結(jié)果表明，采用自然掛膜法完全可以取得接種掛膜法的效果。在整個(gè)30 d的掛膜過(guò)程中，接種掛膜法在初期階段去除COD和NH4+-N的能力要強(qiáng)于自然掛膜法，但掛膜成熟后，2種掛膜方法的COD和NH4+-N去除率沒(méi)有明顯差異，表明生物膜反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)時(shí)，可不需要添加接種污泥，直接采用自然掛膜法即可。
HRT對(duì)生物膜反應(yīng)器去除有機(jī)感染物和氨氮有著重要影響。增加HRT，可顯著提高生物膜反應(yīng)器對(duì)COD和NH4+-N的去除效果。
DO是影響生物膜反應(yīng)器去除有機(jī)污染物和氨氮的另一個(gè)重要因素。DO過(guò)低，會(huì)使微生物因缺乏電子受體而分解代謝緩慢，導(dǎo)致COD和NH4+-N去除率較低;溶液中充足的DO可明顯促進(jìn)有機(jī)污染物的降解和氨氮的硝化。但是，過(guò)高的DO并不能顯著提高COD和NH4+-N去除效果，甚至?xí)兴档汀?br>
