摘要：采用自培养和生活污水中的细菌，对石英砂滤柱进行接种挂膜，研究了2种石英砂生物滤料分别在自然通风和厌氧条件下净化村镇污水的性能。结果表明，自然通风条件下细砂对浊度具有很好的去除效果，而粗砂除浊能力较差。接种的硝化细菌活性大、具有良好的脱氮能力，脱氮能力随HRT的延长而增强；HRT=10d时2种石英砂对NH3-N的去除率都高达92%以上。生物膜具有一定的除COD的能力，HRT=10d时2种砂的COD去除率为55%左右，除COD性能在较短的时间内已表现出来。细砂除磷效果较好，HRT=10d的去除率约55%左右，粗砂除磷效果较差，除磷性能要经历较长的时间才能反映出来。厌氧条件下2种石英砂生物滤料都没有除磷能力；但是都具有良好的除COD和脱氮性能，除COD和脱氮能力随HRT的延长而增强，HRT=6d的COD去除率都高达93%以上，NO3-N去除率为50%左右。脱氮过程有NH3-N和N2产生，细砂的N2产率略高于粗砂；2种石英砂的NH3-N产量均低于N2产量。N2产率随HRT的增加而增加。
中国中部水网区村镇污水主要来源于降雨产生的地表径流和居民生活排水，具有污染负荷低、水量时空变化大、分散的特点。降雨产生的地表径流中污染物因受雨水的稀释含量较低，而居民生活排水虽然量少，但污染物含量相对较高，是中部水网区村镇污水处理的重点。由于这部分水量小、分散性大，因此适宜选择工程投资小、运行费用低的生物处理方法。自然复氧的生物滤池不仅具有这些特点，而且低负荷运行时即具有较好的去除率，又能防止填料内生物膜增长过快，导致滤层堵塞。因此，适用于中部水网区村镇污水的处理。
自然复氧生物滤池复氧速度慢，因此滤料层中即有好氧微生物也有兼氧和厌氧微生物的存在。根据这种情况，本研究分别探讨了自然通风好氧微生物和厌氧条件兼氧、厌氧微生物的净水作用。
滤料作为生物滤池的载体种类较多，有自研发的、天然的和废物利用的。其中，经简易加工的天然石英砂滤料价格低廉，适用于农村生物滤池。目前关于生物滤池滤料的研究，主要集中于好氧曝气生物滤池滤料方面。关于自然通风或厌氧条件下的生物滤料的净水性能方面的研究报道很少，其中有关石英砂生物滤料脱氮除磷除COD的性能尚未见报道。
本研究将分别探讨在自然通风和厌氧条件下石英砂对生物膜的影响和表面微生物对氮磷、COD和浊度等去除性能的差异，以期为中部水网区污水处理工程生物滤池滤料的选择提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 水质特点
实验用水取自武汉市黄陂区某村镇，其TP、溶解态磷（DP,即PO43--P）的质量浓度分别为0.060~0.11、0.011~0.025mg/L，TN、溶解态氮（DN）、NH3-N、NO3--N的质量浓度分别为30~52、12~25、0.85~1.1、0.32~1.2mg/L，可以看出，污水塘中的N含量较高，超出了地表V类水质标准，P含量较低，因此根据这种水质特点采用生活污水配制模拟塘水水样时厌氧条件采用硝酸钾调节N含量、酒石酸钾钠调节COD，好氧条件不调节N含量因为经厌氧分解的生活污水中NH3-N含量很高。
1.2 滤柱特征
实验用滤料细石英砂（细砂），粒径4~8mm，密度2.84kg/m3，堆积密度1.46kg/m3，孔隙率48.6%，比表面积0.103m2/g；粗石英砂（粗砂），粒径8~16mm，密度3.07 kg/m3，堆积密度1.37kg/m3，比表面积0.0621m2/g，孔隙率55.4%。
实验用滤柱规格为长9.0cm、宽8.5cm、高30.0cm，有效容积1.84L，见图1。滤料清洗干净后的填装体积为1.6L。
1.3 接种与挂膜
主要接种硝化亚硝化细菌、反硝化细菌，其它微生物使用稀释的生活污水接种培养挂膜。首先离心分离培养的亚硝化细菌、硝化细菌，得到约为0.1g的湿菌种，加入100mL黄陂村镇生活污水中，稀释10倍后配制成1L实验用接种水。向滤柱中注入接种水。接种后，为减少水分蒸发损失，采用保鲜膜封口，静置5d。
5d后，每天将4个柱子中的水进行低速的循环，连续循环5d，以保证滤料表面形成好氧微生物膜。反硝化细菌的接种方法与亚硝化细菌、硝化细菌的接种方法相同。接种水是用生活污水稀释10倍后加入一定量的硝酸钾和酒石酸钾钠配制而成。
1.4 样品分析
收集到的水样一部分直接用于测定，另一部分经0.45μm滤膜过滤后测定。水样中的TP含量采用过硫酸钾高压氧化，钼锑抗比色法测定，PO43-P含量则直接用钼锑抗比色法测定；TN含量采用碱性过硫酸钾高压氧化紫外分光光度法测定，DN含量直接用紫外分光光度计测定。颗粒态N（P）含量等于TN（TP）与DN（DP）含量之差；NH3-N含量采用纳氏试剂分光光度法测定；浊度采用浊度仪直接测定；CODMn采用高锰酸钾容量法测定。
2 结果与讨论
2.1 自然通风滤柱性能
2.1.1 HRT=10d时
挂膜后的滤柱用除盐水清洗后进水样，水样由生活污水稀释10倍后配制而成，在自然通风条件下经10d静置处理（HRT=10d），取滤柱出水分析NH3-N含量、CODMn浊度和PO43--P含量，同时分析进水水质，并依据分析结果计算各污染物去除率，结果见表1。
表1 自然通风滤柱进出水水质及污染物去除率(HRT=10d)
| 水样 | CODMn/(mg·L-1) | 浊度/NTU | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| NH3-N | PO43--P | 浊度 | CODMn | NH3-N | PO43--P | |||
| 进水 | 40.4 | 28 | 22 | 0.802 | ||||
| 细出 | 16.6 | 1.2 | 1.6 | 0.363 | 95.7 | 58.9 | 92.7 | 54.7 |
| 粗出 | 18.6 | 18.4 | 1.58 | 0.733 | 34.3 | 54.0 | 92.8 | 8.6 |
从表1可以看出，自然通风条件下，2种石英砂表面的生物膜对NH3-N的去除效果都很好，去除率高达92%以上，表明接种的硝化细菌活性大、具有良好的脱氮能力；除COD的效果差些，仅55%左右，表明生物膜中其它好氧细菌的作用差些。比较而言，细砂对浊度具有很好的去除效果，而粗砂除浊能力较差；细砂除磷效果较好，约55%左右，粗砂除磷效果较差。
2.1.2 HRT-0.98h时
滤柱用除盐水清洗后进水样，水样由生活污水稀释10倍后配制而成。控制出水体积流量为17mL/min，HRT=0.98h。取滤柱出水分析其NH3-N含量、CODMn浊度和PO43--P含量，同时分析进水水质，并依据分析结果计算各污染物去除率，结果见表2。
表2 自然通风滤柱进出水水质及污染物去除率（HRT=1.98d）
| 水样 | CODMn/(mg·L-1) | 浊度/NTU | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| NH3-N | PO43--P | 浊度 | CODMn | NH3-N | PO43--P | |||
| 进水 | 17.8 | 8.0 | 19.8 | 0.541 | ||||
| 细出 | 15.1 | 3.8 | 17.7 | 0.538 | 52.5 | 15.0 | 10.6 | 0.55 |
| 粗出 | 13.3 | 4.5 | 19.3 | 0.538 | 43.8 | 25.3 | 2.53 | 0.55 |
表2可看出，在很短的停留时间内，细砂对NH3-N、和浊度的去除效果好于粗砂，除COD的性能比粗砂差。2种石英砂都没有除磷能力，对NH3-N、COD和浊度的去除能力的高低顺序依次为浊度、COD和NH3-N。生物膜的硝化能力较差。与HRT=10d时的结果相比可以看出，微生物硝化能力随时间的延长而增强，表明微生物降解污染物的速度较慢。此外，HRT=0.98h时2种石英砂表面的生物膜对COD去除率已达20%左右，而HRT=10d时增至55%左右，表明除COD性能在较短的时间内已表现出来，但除磷性能要经历较长的时间才能反映出来。
2.2 厌氧滤柱性能
2.2.1 HRT=6d时
将生活污水稀释10倍后加入酒石酸钾钠调节COD并作为厌氧微生物的营养物，再加入硝酸钾调节NO3--N后配制成实验用水，该水样m(C)：m(N)=1.53。挂膜后的滤柱用除盐水清洗后注入水样。滤料经6d静置处理（HRT=6d），取滤柱出水分析NO33--N含量、NH3-N、CODMn、和PO43--P的含量，同时分析进水水质，并根据分析结果计算各污染物去除率，结果见表3。
表3 厌氧滤柱进出水水质及污染物去除率（HRT=6d）
| 水样 | CODMn/(mg·L-1) | 浊度/NTU | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| NH3-N | PO43--P | 浊度 | CODMn | NH3-N | PO43--P | |||
| 进水 | 49.8 | 19.0 | 0.150 | 0.431 | ||||
| 细出 | 3.14 | 9.31 | 0.234 | 0.568 | 93.7 | 50.9 | -56.5 | -31.8 |
| 粗出 | 1.88 | 10.6 | 0.273 | 0.468 | 96.2 | 44.2 | -82.3 | -8.58 |
从表3可以看出，2种石英砂表面的厌氧生物膜对氮磷和COD的去除效果差别不大。它们均具有很好的除COD性能，原因是反硝化菌是异养微生物，在脱氮的过程中需要利用有机物作为碳源和电子供体；对NO3--N的去除率没有对COD的去除率高，这与进水中的碳氮比较低有关，此外，厌氧过程没有除磷能力。磷去除率为负值是由于接种挂膜后的厌氧生物膜吸附磷以及柱子清洗不彻底引起的。
该过程的NH3-N去除率为负，表明厌氧反硝化过程有NH3-N生成，据氮平衡计算由NO3--N转化而来的NH3-N和N2含量及产率见表4。
表4 HRT=6d时的厌氧滤柱NH3-N和N2含量及产率
| 水样 | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| N2 | NH3-N | N2 | NH3-N | |||
| 细砂出水 | 9.76 | 0.084 | 51.39 | 0.44 | ||
| 粗砂出水 | 8.52 | 0.123 | 44.86 | 0.65 | ||
从表4可以看出，细砂的N2产率略高于粗砂；2种石英砂的NH3-N产量均远低于N2产量，表明厌氧反硝化过程中异化作用大于同化作用，因为这部分NH3-N来自于反硝化细菌的同化作用，N2来自于反硝化细菌的异化作用。
2.2.2 HRT=1.33h时
将生活污水稀释10倍，用硝酸钾和酒石酸钾钠调节NO3--N含量和COD后作为实验用水。分析进出水水质，并根据分析结果计算各污染物去除率，结果见表5。
表5 厌氧滤柱进出水水质及污染物去除率（HRT=1.33h）
| 水样 | CODMn/(mg·L-1) | 浊度/NTU | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| NH3-N | PO43--P | 浊度 | CODMn | NH3-N | PO43--P | |||
| 进水 | 6.67 | 10.3 | 0.270 | 0.144 | ||||
| 细出 | 4.71 | 8.90 | 0.540 | 0.160 | 29.4 | 13.7 | -99.9 | -11.1 |
| 粗出 | 3.14 | 9.12 | 0.407 | 0.157 | 52.9 | 11.6 | -50.8 | -9.02 |
从表5可以看出，粗砂的COD去除能力好于细砂，NH3-N去除率较低，净水效果更好些。在较短的时间内，2种石英砂表面的厌氧生物膜均已表现出了一定的脱NO3--N除COD的性能。因水样中碳氮比较低，所以除COD的能力高于除NO3--N的能力。厌氧过程没有除磷能力。据氮平衡计算由NO3--N转化而来的NH3-N和N2含量及产率见表6。
表6 HRT=1.33h时的厌氧滤柱NH3-N和N2含量及产率
| 水样 | ρ/(mg·L-1) | 去除率/% | ||||
| N2 | NH3-N | N2 | NH3-N | |||
| 细砂出水 | 1.66 | 0.270 | 16.12 | 2.62 | ||
| 粗砂出水 | 1.30 | 0.137 | 12.59 | 1.33 | ||
从表6可以看出，与HRT=6d的结果相比，它们具有相似的规律，即细砂的N2产率略高于粗砂；2种石英砂的NH3-N产量均低于N2产量。此外，短HRT的N2产率小于长HRT的，表明反硝化细菌脱氮的异化速率随HRT的增加而增加。
3 结论
自然通风条件下细砂的净水效果更好些。细砂对浊度具有很好的去除效果，而粗砂除浊能力较差。接种的硝化细菌活性大、具有良好的脱氮能力，脱氮能力随HRT的延长而增强；HRT=10d时2种石英砂对NH3-N的去除率都高达92%以上。生物膜具有一定的除COD的能力，HRT=10d时2种砂的COD去除率为55%左右，除COD性能在较短的时间内已表现出来。细砂除磷效果较好，HRT=10d的去除率约55%左右，粗砂除磷效果较差，除磷性能要经历较长的时间才能反映出来。
厌氧条件下2种石英砂生物滤料都没有除磷能力；但是都具有良好的除COD和脱氮性能，除COD和脱氮能力随HRT的延长而增强，HRT=6d的COD去除率都高达93%以上，NO3--N去除率为50%左右。脱氮过程有NH3-N和N2产生，细砂的N2产率略高于粗砂；2种石英砂的NH3-N产量均低于N2产量。N2产率随HRT的增加而增加。
