近年来水质性缺水现象非常严重.许多城市虽然水资源丰富，但是水源水受到了严重的污染，主要表现为氨氮浓度上升，溶解氧下降，有机污染加重，源水水质呈下降趋势^{[1, 2]}.然而，以混凝-沉淀-过滤-消毒为代表的传统净水工艺对有机物和氮磷等溶解性污染物的去除效果十分有限，易引起微生物在管网中的二次繁殖，存在生物安全风险.因此，通过新工艺开发或现有工艺优化，控制有机物和氮磷在处理出水中的含量，是当前水质净化面临的主要问题之一.许多学者根据水质特点及供水水质的要求提出了各种微污染水源水的给水处理工艺，主要包括强化常规处理^{[1, 3, 4]}、预处理技术^[5~7]和深度处理技术^[8~11].生物转盘技术因具有生物量大、生物相分级、耐冲击负荷能力强、污泥量少、动力消耗低、维护管理方便等优点^[12~14]，目前已被广泛研究和应用.与生物转盘工艺相比，平流式沉淀池具有相近的水力停留时间，但污染物去除功能相对单一.笔者结合两工艺自身特点，提出一体式生物净化沉淀技术，并通过实验室小试研究，探讨了该技术在不同水力负荷下对微污染源水中浊度和有机物、氨氮、总磷的去除规律，以期为微污染源水的处理和现有饮用水净化工艺技术改造提供理论和技术支撑.

试验用水取自西安市主要供水水源黑河水库以及校园污水排污口，其中，校园污水用量约占试验总用水量的7%.试验期间水温为27~35℃，水质指标见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 原水水质 Table 1 Raw water quality 项目 范围 均值 pH 6.6~7.2 6.9 浊度/NTU 6.70~8.20 7.50 TOC/mg·L-1 4.76~5.72 5.24 氨氮/mg·L-1 1.94~2.50 2.22 TP/mg·L-1 0.11~0.24 0.18

表 1 原水水质 Table 1 Raw water quality

实验室所用一体式生物净化-沉淀装置，如图 1所示.其主体材质为有机玻璃，尺寸400 mm×110 mm×100 mm，总容积4.4 L，分上下两个功能区，上部分为转盘区，下部为沉淀区.转盘区采用单轴单级的连接方式，盘片直径在100 mm左右，浸没面积占盘片总面积的40%.转轴贯穿盘片形心，并固定在两端支架上，转速控制在3.0 r ·min^-1.试验用水经混凝处理后进入一体式生物净化-沉淀装置.混凝条件如下:原水投加5.0 mg ·L^-1的聚合氯化铝(PACl)后，在200 r ·min^-1的搅拌强度下反应1.0 min；而后，在50.0 r ·min^-1的搅拌强度下反应15 min.混凝出水在装置上部与转盘表面的生物膜接触、吸附并最终净化去除，转盘区老化脱落的生物膜连同混凝絮体进入下部沉淀区，定期排放.

图 1

Fig. 1

图 1 试验装置流程示意 Fig. 1 Flow chart of the experimental system

装置挂膜成功后，在连续稳定运行的条件下逐次改变系统的水力负荷，每次改变后均留有1~2周的观察期.待系统再次稳定后，连续监测进、出水浊度，以及TOC、NH₄⁺-N、TP含量，后续特定水力负荷条件下所得浊度和有机组分(以TOC计，下同)、NH₄⁺-N、TP的残留量和去除率数据，均为连续监测数据的平均值.此外，分别对进、出水端的盘片表面上生物膜进行镜检，以评价一体式生物净化-沉淀池在不同水力负荷条件下对污染物的去除性能.

装置出水的温度、pH和浊度分别采用水银温度计、玻璃电极法和浊度计(HI93703-11，HANNA，意大利)测定；总有机碳(TOC)采用总有机碳分析仪(TOC-5000A，岛津，日本)测定；氨氮采用纳氏试剂分光光度法(普析TU-1901紫外可见分光光度计)测定；总磷采用钼酸铵分光光度法(普析TU-1901紫外可见分光光度计)测定^[15]；微生物镜检采用荧光显微镜(Nikon90i)分析.

本试验采用直接挂膜的方式，利用河水作为挂膜用水.挂膜期间，维持进水水温27~35℃，pH在7.0左右，生物转盘转速3.0 r ·min^-1，在水力负荷为0.064 m³ ·(m² ·d)^-1的条件下连续运行40 d后，盘片表面形成一层构造均匀、薄且致密的生物膜，系统运行稳定，可认为挂膜成功.在特定的进水水质条件和系统运行工况条件下，出水中残留的污染物浓度相对稳定，后续特定有机负荷条件下所得浊度、有机组分、NH₄⁺-N、TP的残留量和去除率数据，均为连续监测数据的平均值.

控制进水水温、pH和转盘转速分别在27~35℃、7.0和3.0 r ·min^-1，待系统运行稳定后，改变系统水力负荷考察处理出水中污染物含量的变化情况.由图 2可知，系统水力负荷最低[0.036 m³ ·(m² ·d)^-1]时，一体式生物净化-沉淀池对水中致浊物质的去除效果最好，平均去除率约为78.0%(图 2).随着系统水力负荷增加，浊度的平均去除率呈逐渐下降的趋势.但在水力负荷≤0.064 m³ ·(m² ·d)^-1时，上述变化趋势并不显著.这可能是因为较低的水力负荷对沉淀过程的干扰相对较小，系统易形成沉淀性较强的絮体，从而处理出水中浊度物质的残留量相应较小.但水力负荷>0.064 m³ ·(m² ·d)^-1时，混凝后形成的絮体在一体式生物净化-沉淀池中还未完全沉淀，此时浊度的去除主要依靠生物转盘上微生物对难沉淀的微小悬浮颗粒及污染物质的吸附、降解作用^[6]，出水浊度偏大，浊度的平均去除率下降.

图 2

Fig. 2

图 2 水力负荷对浊度去除效果的影响 Fig. 2 Turbidity removal performance at different Hydraulic loading rates

图 3为不同水力负荷下有机组分(以TOC计，下同)的去除情况.从中可知，水力负荷在0.036 m³ ·(m² ·d)^-1时，TOC的去除效果最佳，此时系统TOC平均去除率为58.07%，处理出水中有机组分的残留量约为2.09 mg ·L^-1.随着水力负荷的增大，TOC的平均去除率呈逐渐下降的趋势.在水力负荷增大至0.13 m³ ·(m² ·d)^-1时，TOC的平均去除率最低，仅为52.30%.分析认为:系统在较低水力负荷条件下，生物膜与污染物的平均接触时间较长，有利于有机组分被充分降解.但当水力负荷过大时，微生物与污染物的平均接触时间缩短，导致有机组分作为碳源的利用效率不高^[11].同时水力负荷过大，对微生物的生长和繁殖造成较大冲击，易使盘片表面部分生物膜脱落，系统生物量降低，进而影响生物转盘的污染物降解功能^[16~18].

图 3

Fig. 3

图 3 水力负荷对TOC去除效果的影响 Fig. 3 Organic pollutant removal performance at different Hydraulic loading rates

在水力负荷从0.036 m³ ·(m² ·d)^-1增大至0.13 m³ ·(m² ·d)^-1时，装置处理出水中的TOC残留量呈现一定程度的上升趋势，但绝对增加量并不显著，这一性能从有机组分的去除率上观察则更为明显.这可能是由于河水在迁移过程中本身具有自净作用^[4].刘辉^[10]研究表明，在水质较好的水库中低分子有机物占总有机物40.00%~50.00%左右.根据动力学原理^[3~5]，在反应时间一定时底物浓度越低，其反应速度越慢，对底物的降解程度越小.生物转盘对有机组分良好稳定的去除性能可能与盘片为微生物生长提供了稳定接触面和较长的生长时间有关.同时也说明水力负荷对生物膜内异养菌群总量的影响不大，只是对菌群起到了重新分布的作用，使其更适应相应水力负荷环境.表明一体式生物净化沉淀装置对系统进水中的水力负荷波动具有一定的抗冲击能力.

不同水力负荷下处理出水中NH₄⁺-N的残留量和去除率如图 4所示.从中可知，在较低水力负荷条件下，随水力负荷的增大，NH₄⁺-N的平均去除率变化并不显著.在水力负荷≤0.064 m³ ·(m² ·d)^-1时，NH₄⁺-N的平均去除率为82.60%~83.33%，出水NH₄⁺-N质量浓度在0.325~0.425 mg ·L^-1之间波动(图 4).这可能是因为水力负荷较低时，系统中可供微生物利用的碳源相对不足，反硝化菌与其他异养菌竞争有限碳源时更具优势^{[19, 29]}.同时由于硝化菌与反硝化菌的生长也需要碳源，结合图 3，水力负荷在0.064 m³ ·(m² ·d)^-1以下时，处理出水中平均TOC残余量 < 2.50 mg ·L^-1，硝化菌、反硝化菌因可利用碳源减少，亦不能最大限度地发挥脱氮作用^[20].但当水力负荷 > 0.064 m³ ·(m² ·d)^-1时，NH₄⁺-N的平均去除率随水力负荷的增大呈快速下降趋势.这可能是由于硝化菌属自养型细菌，生长速率低于降解有机物的异养型微生物，且异养型微生物成为优势菌种后，会包裹和覆盖硝化菌，导致溶解氧、氨氮的传质效果减弱^[9].同时，硝化细菌对环境极为敏感，水力负荷过大，还会影响硝化细菌的生存环境，导致系统处理效率下降^{[21, 22]}.

图 4

Fig. 4

图 4 水力负荷对氨氮去除效果的影响 Fig. 4 NH4+-N removal performance at different hydraulic loading rates

图 5为不同水力负荷下总磷的去除情况.从中可知，在水力负荷为0.064 m³ ·(m² ·d)^-1时，一体式生物净化-沉淀池对TP的平均去除效果最差，平均去除率仅为60.96%，处理出水中TP的残留量约为0.073 mg ·L^-1.适当减小或增大水力负荷均有利于提高系统对TP的去除效果.当水力负荷 < 0.064 m³ ·(m² ·d)^-1时，随着水力负荷的增大，TP平均去除率呈先缓慢上升后快速下降的趋势.这可能与水力负荷较小时，污水在一体式生物净化-沉淀池中停留时间较长, 微生物与污染物接触充分，有利于系统中污染物更有效地降解^[23~26].在低营养状态下，提高系统水力负荷，硝化菌与聚磷菌竞争有限碳源和溶解氧，系统中易形成厌氧区域，致使聚磷菌在好氧环境下过量吸收的磷又重新释放有关.但当水力负荷 > 0.064 m³ ·(m² ·d)^-1时，随着水力负荷的增加，总磷的平均去除率再次上升，这可能是因为适当提高水力负荷，进水中有机组分含量相对增加，提高了系统的有机负荷，缓解了体系中碳源不足的问题.但继续增大水力负荷，污水的流速过大，微生物与污染物接触不能充分，同时，水力负荷过大，对生物膜的冲击使原先被吸附在盘片表面的磷冲出系统，反而造成总磷去除率下降^[27].

图 5

Fig. 5

图 5 水力负荷对总磷去除效果的影响 Fig. 5 TP removal performance at different Hydraulic loading rates

总的来说，水力负荷越小，微生物与污染物接触越充分，污染物去除效果越好.但水力负荷过小，低浓度的有机组分、氮磷会抑制微生物的生物活性.在达到要求的出水效果的前提下，适当增大系统水力负荷，可以减小占地面积和基建投资，提高经济效益.建议将一体式生物净化-沉淀池的水力负荷控制在0.064 m³ ·(m² ·d)^-1.此时，系统对浊度、TOC、NH₄⁺-N和总磷的平均去除率分别为73.70%、54.98%、83.24%和60.96%，具有良好的悬浮物、有机物以及氮磷同步去除功能.

微生物在污水的生化处理中起决定性作用，其种群的组成与数量很大程度上影响着出水质量，同时也揭示了微生物对外界环境变化的反应机制.为此本试验在水力负荷为0.064 m³ ·(m² ·d)^-1的运行条件下，对一体式生物净化-沉淀池进水端和出水端盘片表面生物膜的生长状态进行长期观察，以了解特定水力负荷对微生物的影响机制.

观察发现，进水端生物膜生长速度较快，生物膜内部呈灰褐色，如图 6(a)，膜易脱落；出水端生物膜呈淡黄褐色，如图 6(b)，生物膜质密、较薄.分析认为当生物膜厚度增加到一定程度时，生物膜内部微生物活性降低，新陈代谢下降，附着力减弱，在冲击负荷的影响下生物膜易脱落；出水端有机底物特别是易降解有机物的浓度大幅降低，生物膜生长缓慢^[30].从进水端盘片表面生物膜的镜检结果[图 6(b)、图 6(c)]和出水端盘片表面生物膜的镜检结果[图 6(e)、图 6(f)]可看出，进水端生物相非常丰富，有相当数量的丝状菌存在.出水端原生动物、后生动物都非常活跃，数量和种类也很多.对试验中后期进水端、中间段、出水端生物转盘表面的生物膜进行高通量测序，结果发现盘片表面生物相基本类似，生物膜中异养菌群数量在细菌总数中占绝对优势，优势菌种为变形菌门、拟杆菌门、放线菌门等.沿水流方向，异养菌群总量变化不大[图 7(a)]，沿程污染物的减少只是对菌群起到了重新分布的作用，使与环境条件相适应的微生物种群优势生长.同时还发现盘片表面上固着或附着生长的原生动物、后生动物占绝大多数^[31]，其中钟虫、纤毛虫、鞘居虫等是原生动物的优势种群；线虫、轮虫(多种)、环节动物等是后生动物的优势种群.从空间分布看，如图 7(b)，沿生物处理池进水端到出水端，微型动物的相对丰度呈逐渐增加趋势.

图 6

Fig. 6

图 6 转盘区生物膜 Fig. 6 Biofilm on turntable area

图 7

Fig. 7

(a)细菌相对丰度；(b)真核生物相对丰度 图 7 一体式生物净化-沉淀池沿程微生物的群落结构 Fig. 7 Community structure of the along integrated biological settling tank

微生物种群的沿程变化和良好生长，使得污水中的污染物沿程得到逐步转化，并稳定降解.有研究结果也表明^{[11, 20, 28]}，沿着流程的分布，各级生物膜的颜色、厚度、生物膜的微生物组成，种类与数量有着明显的不同，这样避免了不同种群间生态幅的过多重复，从而保证相应的微生物相拥有最佳的工作活性.生物膜中生态体系发展完善，种群丰富，这也是生物膜在不同水力负荷条件下仍具有较高除污效率的主要原因，同时也体现了一体式生物净化-沉淀池具有很强的自我调节能力与环境适应能力.

(1)本研究将生物转盘与平流沉淀池设计理念相结合，开发出一种一体式生物净化-沉淀工艺，实验室研究结果表明，在进水水力负荷较小时，转盘系统的设置对颗粒物的沉淀过程并无明显影响，出水浊度可控制在1.8 NTU左右.同时，工艺对原水中的有机组分、NH₄⁺-N和TP还有一定的同步去除功能.当进水水力负荷在0.064 m³ ·(m² ·d)^-1，上述各项指标的平均去除率分别为54.98%、83.24%和60.96%.在进水水力负荷 < 0.064 m³ ·(m² ·d)^-1时，随着水力负荷的上升，工艺对颗粒物、有机组分和氨氮的去除相对稳定，但总磷的去除性能将受到一定的影响；而在进水水力负荷 > 0.064 m³ ·(m² ·d)^-1时，随着水力负荷的上升，工艺对总磷的去除性能略有增强，表明工艺具有一定抗冲击负荷能力.

(2)对生物转盘盘片表面生物膜进行分析，盘片表面呈现出与环境条件相适应的微生物种群，形成了良好的种群配合和沿程分布，体现了一体式生物净化-沉淀池具有很强的自我调节能力与环境适应能力.

(3)一体式生物净化-沉淀工艺在不同水力负荷条件下仍可实现有机物、氮磷以及致浊物质的同步去除.考虑到组合工艺具有结构紧凑、占地面积省，处理效果稳定等优点，在微污染水体的强化净化处理中具有一定的应用前景.