近年来，我国污水处理工程项目发展迅速，对防治水环境质量恶化起到了很重要的作用。但是，新建的污水处理厂大多集中在大中城市，称之为集中式污水处理系统，而一些乡镇或工业园区的污水处理设施建设严重滞后，这对水污染防治工作提出了严峻的挑战，特别是面源污染治理。集中式污水处理系统投资大、运行管理费用高，并不适合乡镇或工业园区等级别的分散式污水处理系统(也称之为小型生活污水处理系统)建设〔1, 2〕。为此，为全面防控水环境质量进一步恶化，研发适合于小型生活污水处理系统的设施或设备(主要用于有机污染物和氨氮的去除)已非常紧迫。
自19世纪末期生物滤池在英国问世以来，生物膜法在污水处理方面的应用受到广泛关注，特别是在小型生活污水处理领域〔3, 4〕。与传统的活性污泥法相比，生物膜法具有明显的优点〔5, 6, 7〕：(1)微生物呈多样性，生物量丰富，处理能力强;(2)污泥沉降性能好，剩余污泥量少;(3)受水质、水量变化影响小，耐冲击;(4)具有较强的吸附过滤性能;(5)易于管理，运行成本低。基于上述优点，近年来国内外诸多学者对生物膜法进行了深入研究〔8, 9, 10, 11〕，主要包括新型生物膜填料的研发、微生物的生长规律、污染物质和溶解氧在生物膜内的传质过程以及生物膜反应器研发与设计等，而针对生物膜挂膜方法和工程参数的研究较少。本课题组在前期采用生物膜法处理玉米青贮液〔12〕和染料废水〔13〕时发现：生物膜挂膜过程和生物膜反应器工程运行参数对处理效果有着显著影响。
为此，本研究对比分析了2种挂膜方法(自然挂膜法和接种挂膜法)，以探究最佳的挂膜手段;同时对影响生物膜反应器运行的2个主要工况参数HRT和DO进行了考察，探究最佳的运行工况，以期为小型生活污水处理和生物膜反应器的推广应用提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 生物膜反应器
本研究采用2套完全相同的生物膜反应器(见图 1)开展对比试验。生物膜反应器由PVC材质加工制作，总高度140cm，填料层高度100cm，填料层下部8cm处设置支撑层，填料层上部15cm处安装液位计。填料层填料为沸石(粒径约4mm)，支撑层填料为卵石(粒径约15mm);填料层每隔20cm处设置一个采样口。生物膜反应器出水进入澄清池，经澄清后部分用于填料层反冲洗;反冲洗程序为曝气冲(3min)、曝气和水冲(5min)、水冲(8min)，反冲洗周期为96h。
图 1 生物膜反应器
1.2 试验废水
试验废水采用模拟生活废水，试验废水组成：CH3COONa 0.320g/L，FeCl3·6H2O 1.50g/L，KH2PO40.013g/L，H3BO3 0.15g/L，(NH4)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，营养液0.30mL/L。营养液组成：Na2MoO4·2H2O 0.06g/L，ZnSO4·7H2O 0.12g/L，CoCl2·6H2O 0.15g/L，EDTA 10.00g/L。进水中COD为282～299mg/L，NH4+-N为43.2～49.6mg/L。
1.3 试验设计
1.3.1 生物膜反应器2种挂膜方法比较
接种挂膜法：采用某污水处理厂曝气池活性污泥作为接种污泥，先闷曝24h(曝气流量4L/min)，然后将生物膜反应器内活性污泥和废水的混合物排空，通入试验废水。
自然挂膜法：与接种挂膜法同时通入试验废水即可。
2种挂膜方法的工况参数：DO控制在3mg/L以上，HRT控制为5h，定期采集2个生物膜反应器出水水样，测定其COD和NH4+-N浓度。
1.3.2 生物膜反应器主要影响因素研究
在生物膜反应器挂膜成熟后，开展HRT和DO 2个主要影响因素研究。HRT的设计水平为1、2、3、4、5、6、7、8h;DO的设计水平为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的测定采用纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009);COD的测定采用密闭回流滴定法(APHA 2005);pH的测定采用玻璃电极法(GB/T 6920—1986)。
图形绘制采用Microsoft Office Visio 2003软件;数据统计分析采用Origin 8.5软件。
2 结果与讨论
2.1 自然挂膜法与接种挂膜法的比较
在整个30 d的挂膜试验期间，进行了接种挂膜法和自然挂膜法的比较，结果分别见图 2和图 3。
图 2 接种挂膜法和自然挂膜法进出水COD的变化
由图 2和图 3可知，对于接种挂膜法，经过30 d的挂膜，出水COD和NH4+-N分别降至43.9、15.3mg/L，COD和NH4+-N去除率分别达到85.3%和67.8%。采用接种挂膜法，在前6 d，COD的去除效果较差，COD去除率为49.5%，但明显高于自然挂膜法COD的去除率(15.6%)，这主要由于2个方面原因：(1)接种挂膜开始阶段，微生物量少且没有完全适应试验水质;(2)接种挂膜法开始阶段的闷曝过程使填料表面附着有一定的微生物，这些微生物的生长繁殖消耗掉部分有机污染物，致使其COD去除效果要好于自然挂膜法。随着挂膜时间的增加，沸石表面微生物量逐渐增多，COD去除率逐步上升。在第17天，COD去除率超过了80%;在第18～30天，COD去除率稳定在85%左右，最高为86.9%，出水水质稳定。
图 3 接种挂膜法和自然挂膜法进出水NH4+-N的变化
在生物膜反应器接种挂膜阶段，NH4+-N的去除要比COD的去除慢。第7天，COD去除率超过50%，而NH4+-N去除率仅有26.6%;NH4+-N去除率在第22～30天稳定在65%左右，出水NH4+-N为13.7～15.8mg/L。这主要由于硝化细菌相对于好氧异养菌对氧的竞争处于劣势地位，其增长速度也较慢，只有当易降解的有机污染物被去除后，硝化细菌才能成为优势菌群。
与接种挂膜法相比，自然挂膜法在开始阶段COD和NH4+-N去除率明显较低。自然挂膜第6天，COD和NH4+-N去除率分别为15.6%和9.8%，明显低于此时的接种挂膜法COD和NH4+-N去除率(分别为49.5%和23.4%)，这主要由于2个方面原因：(1)自然挂膜初期，沸石填料附着的生物量较少，COD和NH4+-N的去除主要由沸石吸附完成;(2)由于本试验采用的是人工模拟生活废水，其悬浮物含量少，增加了生物膜挂膜的难度，要达到接种挂膜法中COD和NH4+-N的去除效果，则需要更长的时间(但在生物膜反应器实际应用中，实际生活污水中悬浮物浓度较高，会加快自然挂膜过程)。随着自然挂膜生物膜的增长，COD和NH4+-N去除率也逐渐增加，在第26～30天，COD和NH4+-N去除率分别稳定在84%和60%以上，最高分别达85.7%和66.2%，出水COD和NH4+-N最低分别降至40.6、16.1mg/L。
由图 2和图 3可以看出，当挂膜成熟时，采用接种挂膜法的COD和NH4+-N去除率分别为85.3%和67.8%，采用自然挂膜法的COD和NH4+-N去除率分别为84.6%和66.2%，这表明生物膜反应器挂膜启动时，可不需要添加接种污泥，直接采用自然挂膜法即可。
2.2 生物膜反应器主要影响因素研究
2.2.1 HRT对生物膜反应器去除COD和NH4+-N效果的影响
在DO为3.0mg/L的条件下，考察了HRT对生物膜反应器去除COD和NH4+-N效果的影响，结果如图 4所示。
图 4 HRT对生物膜反应器去除COD和NH4+-N效果的影响
由图 4可知，在DO控制在3.0mg/L时，随着HRT的增加，COD和NH4+-N去除率逐渐上升。当HRT为1h时，COD和NH4+-N去除率分别仅为55.6%和28.5%，这主要由于以下3个方面原因：(1)HRT过短，导致微生物不能完全分解代谢易降解的有机污染物质;(2)HRT过短，微生物没有足够的分解代谢时间，且硝化细菌相对于好氧异养菌对氧的竞争处于劣势地位，导致NH4+-N去除率更低;(3)HRT过短，导致进水量增加，造成对生物膜冲刷力增强，使一部分微生物随水流失，试验中发现此时的出水浊度明显增加。当HRT增加至6～8h时，COD去除率稳定在90%以上，NH4+-N去除率稳定在80%以上，可以保证出水的达标排放。
2.2.2 DO对生物膜反应器去除COD和NH4+-N效果的影响
在HRT为6h的条件下，考察了DO对生物膜反应器去除COD和NH4+-N效果的影响，结果如图 5所示。
图 5 DO对生物膜反应器去除COD和NH4+-N效果的影响
由图 5可以看出，随着DO的增加，COD和NH4+-N去除率均先上升然后趋于一致。当DO为1.0mg/L时，COD和NH4+-N去除率较低，这是因为生物膜反应器内DO不足，致使好氧异养菌和硝化细菌在分解代谢过程中缺乏电子受体，不能持续地降解有机污染物质和氨氮。随着DO的增加，生物膜反应器对COD和NH4+-N的去除效果明显增强，当DO为4.0mg/L时，COD和NH4+-N去除率分别为90.2%和85.5%，这表明溶液中充足的DO可明显促进有机污染物的降解和氨氮的硝化。但是，过高的DO并不能显著提高COD和NH4+-N去除效果，甚至会有所降低，这主要是由于当进水水质稳定时，在一定的HRT条件下，生物膜反应器内的COD和NH4+-N负荷是一定的，而当底物浓度不变时，提高DO不能显著提高底物的去除效果;此外，过高的曝气量对生物膜有较强的冲刷作用，会使有活性的生物膜随出水流失。因此，在实际应用中，必须根据待处理废水的水质特点来探究最佳的HRT和DO浓度。。
3 结论
(1)生物膜反应器接种挂膜法和自然挂膜法的比较结果表明，采用自然挂膜法完全可以取得接种挂膜法的效果。在整个30 d的挂膜过程中，接种挂膜法在初期阶段去除COD和NH4+-N的能力要强于自然挂膜法，但挂膜成熟后，2种挂膜方法的COD和NH4+-N去除率没有明显差异，表明生物膜反应器挂膜启动时，可不需要添加接种污泥，直接采用自然挂膜法即可。
(2)HRT对生物膜反应器去除有机污染物和氨氮有着重要影响。增加HRT，可显著提高生物膜反应器对COD和NH4+-N的去除效果。
(3)DO是影响生物膜反应器去除有机污染物和氨氮的另一个重要因素。DO过低，会使微生物因缺乏电子受体而分解代谢缓慢，导致COD和NH4+-N去除率较低;溶液中充足的DO可明显促进有机污染物的降解和氨氮的硝化。但是，过高的DO并不能显著提高COD和NH4+-N去除效果，甚至会有所降低。
