基于填料技术的村镇生活污水脱氮处理研究进展
张杨明稼 谯华 方振东
摘 ?????要： 村镇生活污水，因其水质水量波动大、C/N比偏低、缺乏专业管理等难点，如何高效脱氮是其治理的关键环节。从稳定生态环境、截留大颗粒污染物、强化菌种优势、强化传质作用、形成脱氮微系统等角度，解释了填料强化生活污水脱氮的原理;从实践角度探讨了填料对村镇生活污水脱氮的改善效果。提出在今后村镇生活污水治理中，应充分利用填料自身技术的优势，开发因地制宜并能高效脱氮的生活污水处理设备。
关 ?键 ?词：生活污水;脱氮;生物填料;村镇污水
中图分类号：X505 ??????文献标识码： A ??????文章编号： 1671-0460（2019）01-0107-04
Abstract： Due to the large fluctuation in water quality and water quality， low C/N ratio， lack of professional management， etc.， the problem of rural domestic sewage treatment has become increasingly serious. Removing nitrogen effectively is the key to its governance. In this paper， the principle of nitrogen removal from domestic sewage by bio-carriers was discussed in terms of stabilizing the ecological environment， retaining large particle pollutants， strengthening the advantages of bacteria， enhancing the mass transfer， and forming denitrification micro-systems. From the perspective of practice， the effect of bio-carriers on the denitrification of rural domestic sewage was explored. It's proposed that in the future treatment of rural domestic sewage， the advantages of various bio-carriers should be fully utilized to develop domestic sewage treatment equipment that can be adapted to local conditions and can efficiently remove nitrogen.
Key words： Domestic sewage; Denitrification; Bio-carriers; Rural sewage
隨着我国城镇化的快速发展，水资源污染问题日益突出，如何实现村镇生活污水高效脱氮，是其治理的关键环节。生物填料法因具有占地小、能耗低、稳定性强、处理效果好等优势，近年来被广泛应用于村镇生活污水处理中，并取得了丰硕的实验成果。
1 ?村镇生活污水脱氮主要问题
1.1 ?水质水量波动大
由于村镇居民外出务工现象普遍，村镇居住人口常发生较大变化，污水流量的季节性变化特别显著，且我国村镇污水地域性差异较大，许多村镇污水处理装置无法做到因地制宜，致使村镇污水处理设备往往超低负荷甚至间歇性运行，难以达到设计的脱氮效能[1-3]。
1.2 ?碳氮比（C/N）低
现阶段村镇生活污水厂多接管于居民的化粪池排水，长期的生物消解使其C/N普遍偏低。以三峡库区村镇生活污水水质为例，其C/N比往往小于5，远低于大部分工艺设计规范的C/N大于7以上。导致脱氮关键环节——反硝化所需的碳源不足，这也降低了村镇生活污水脱氮效能[4-6]。
1.3 ?缺乏专业管理
目前村镇污水厂建设运营多参考城镇市政水厂设计管理经验，因此在实际运行中，由于缺乏专业技术人员管理，村镇污水厂很难稳定运行。大多数村镇污水处理设施只是在竣工验收时进行工程调试和水质监测，而对后期的运行维护监管不到位，使得一些设施建成后基本无法正常运行，产生了大量“晒太阳”工程，致使村镇水污染问题日益恶化[7-9]。
2 ?填料工艺分类及特点
填料法最早起源于生物膜法，19世纪二、三十年代，当时生物膜法和活性污泥法并列。由于当时这两种方法相比，生物膜法去除效果不太理想，环境卫生条件也较差，处理构筑物又有可能堵塞等缺点，于是在40至60年代污水处理普遍采用活性污泥法。但自60年代以来，新型材料技术的迅速发展和环境保护对水质要求的进一步提高，生物膜法又获得了新的关注[10]。近年来，由填料生物膜法衍生的生物接触氧化法、生物流化床、人工湿地和生物滤池得到比较多的研究和应用。表1[11]列举了这几种代表工艺的特点，并参考近年来相关研究和实践经验对其优势和限制进行总结，便于针对不同处理要求和实际情况进行合理选择。
工艺类型 填料类型 工艺特征 应用优势 应用限制
生物接触氧化法 弹性填料、软性填料、半软性填料、组合填料 在池内设置填料，池底曝气，将污染物质吸附在填料表面，并利用填料表面生物膜进行生化降解 挂膜简单，价格低廉，污泥产量少，节能效果好 易堵塞，使用寿面短，填料改性能力一般，废气易产生二次污染
移动床生物膜法 球型填料、鲍尔环、活性炭、蜂窝填料 依靠曝气和水流使悬浮载体处于流化状态，利用填料表面附着的生物膜和游离的活性污泥互补处理水中污染物 抗冲击性能强，使用寿命长，容积负荷高，生物膜自新快 填料易流失，能耗较高，废气易产生二次污染
人工湿地 蛭石、沸石、粉煤灰、钢渣 利用推流方式将污水与填料层及植物根系接触而获得净化 运维费用低，污水处理深度高，抗负荷能力强，可产生间接经济效益 系统可控程度不高，易受虫害影响，占地面积大
生物滤池 陶粒、蒙脱石、火山岩、石英砂、活性炭 污染物被填料间隙的生物膜截留吸收，使污水得到净化，可根据不同目的选择是否曝气和推流方式 占地小，工艺灵活，填料改性效果好，自动化程度高 易产生死区，水头损失大，抗冲击负荷能力较差
3 ?填料强化污水脱氮原理
3.1 ?提供稳定生态环境
填料为微生物，尤其是硝化、反硝化菌提供栖息和繁殖的稳定的生态环境。填丰富的内表面能为微生物提供附着的场所和内部空间，使反应器尽可能保持较多的微生物量，填料表面有效孔容和比表面积越大，附着的微生物量越多，也意味着污水的脱氮效果越强。龚钰涵[12]等通过投加MFD（Multiple Fluidized Dynamic）型填料利用FBBR（流化床生物膜反应器）工艺处理生活污水，结果表示在填充率为40%、溶解氧（DO）3.0～4.0 mg以及快速排泥法的启动条件下，填料能够达到最适的挂膜效果，挂膜时间小于7 d，附着生物量≥70 mg VSS·g/Carrier，该填料具有生物量高和挂膜时间短的特点，该工艺最终出水COD的去除率为92.61%，NH4+-N去除率为84.63%，总氮去除率为67.93%，符合一级A标。孙鹏[13]等利用纤维填料和菖蒲构建的菌—藻—浮床复合系统处理低浓度污水，结果显示，该复合系统对于不同浓度污水具有相应的种群结构，原因是其填料-植物-浮床系统具有丰富的群落结构，在高浓度水体环境中，浮游植物的群落结构的调整，生物多样性的更加丰富，而在低浓度水体环境中，浮游植物的生长则受到抑制。
3.2 ?截留大颗粒污染物
填料对悬浮物的截留作用是通过对污水中悬浮物的扩散拦截、表面沉淀、水动力、表面电性作用和吸附等诸多物理化学作用以及生物膜的生物絮凝作用实现的。对于水中的一些大颗粒有机氮而言，其处理不再全部需要复杂的消解、硝化反、硝化过程，而是可以直接通过填料的截留、吸附作用进行去除。且填料对磷的高效吸附作用，大大减少了除磷所需碳源，缓解了低C/N的脱氮碳源不足问题，一定程度上强化了氮的去除效果。吴鹏[14]等，发现沸石经NaOH和AlCl3改性后具有更大的有效孔容以及更强的吸附作用，脱氮性能较未改性前提高1.8%，除磷效果提高1倍以上，SS去除效果也更好，原因可能是改性沸石表面的Al3+对氮素有更强的吸附效果，因此脱氮效果也得到了增强。罗义涌[15]等研究生物滤池处理低浓度废水时发现，较未种植植物的生物滤池相比，种植植物的生物滤池具有更好的处理效果，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除效率分別提升了13.03%、25.30%、14.80%和2.32%，出水满足地表IV类水的标准，植物的存在强化了填料的截留效果，氮素去除效率的强化是根系截留、微生物同化、硝化和反硝化作用去除与基质所吸附积累的有机氮分解释放作用叠加的表现。
3.3 ?截留大颗粒污染物
投加了填料的反应器微生物总量一般较未投加的反应器多，同时随着生物膜不断更新，也能让微生物保持较高的活性。而在污水处理中，硝化反硝化菌与其他微生物往往存在竞争关系，填料则可以利用其表面特性对硝化、反硝化菌进行一定程度上的选育，强化其竞争能力，进一步优化脱氮效果。李川川[16]等考察了褐铁矿填料反硝化生物滤池的运行及其微生物群落结构分析，结果显示相较于普通的石英砂填料，褐铁矿表面具有反硝化能力的变形菌门丰度更高，种群结构也更为稳定，出水硝氮去除率高15%以上，亚硝氮累积也大大降低。杨乐[17]等研究通过填料法降低污水厂占地研究时发现，投加填料有利于提高硝化细菌的比例，厌氧氨氧化菌比例投加填料组也高于空白组，推测填料内部形成了厌氧空间，该系统有利于厌氧氨氧化菌的生长，实现填料强化脱氮性能的目的。
3.4 ?利于形成脱氮微系统
对于好氧段填料而言，当填料表面的生物膜生长到一定厚度时，可分缺氧层和好氧膜层。工艺运行中，好氧区增殖，缺氧区脱落，在一定程度上维持了生物的活性。外层好氧膜区进行硝化反应，而内层缺氧则进行反硝化，在微观层面上形成了硝化-反硝化系统，强化了同步硝化反硝化（SND），进而提高氮的去除效果。张建华[18]等利用聚氨酯海绵填料为生物载体（填料填充率25%），采用逐步提高氮负荷的方式，在较短的时间内（98 d）成功启动了同步硝化反硝化，平均SND率为70.57%，TN去除率高达82.95%，有效节省了动力消耗，强化装置脱氮效果。詹博[19]等在研究珊瑚砂填料流离生化工艺的启动与SND性能研究，通过珊瑚砂作为生物填料处理园区生活污水时发现，反应器在运行60 d后完成同步硝化反硝化启动，珊瑚砂表面产生大量生物膜，反应器的SND率为（80.50±9.38）%，表现出良好的同步硝化反硝化性能。
4 ?填料在村镇生活污水脱氮中的研究与运用
4.1 ?改善装置抗冲击负荷能力
填料可以通过生物量的丰富，达到改善微生物种群结构的目的，众多研究结果表明反应器在投加填料后，会出现生物相改善，生物多样性丰富的现象，抗冲击负荷能力增强的效果。刘涛[20]等考察基于火山岩填料的亚硝化的全程自养脱氮工艺（CANON）处理生活污水时发现，在常温低基质条件下，CANON滤层不同高度处微生物分布差异显著，在滤层下方微生物数量较多，且成簇生长，氨氧化细菌（AOB）的群落多样性很高，具有更高的脱氮能力以及抗冲击负荷性能，出水满足一级A标，同时还可以通过投加软性或半软性填料、增设反冲洗、降低溶解氧等途径进一步提高系统的脱氮性能。于函平[21]等利用悬浮-缺氧/好氧复合式平板膜生物反应器处理园区生活污水时发现，投加悬浮填料提升了反应器中的生物量及微生物种类，使得装置抗冲击负荷能力明显增强，在进水COD 200～450 mg/L波动较大的情况下，出水保持较强的稳定性，最终确定最佳工况回流比为200%、HRT为8 h、DO浓度为2.5 ～3.5 mg/L下，除总磷外其余指标均能达到一级A标。印度的Jariwala[22]等在研究连续批量生物膜反应器（SBBR）处理生活污水时发现，与SBR相比，投加填料的SBBR具有更多的生物质和更高的去除效率，更少的污泥和污泥聚集，更大的体积负荷和抗冲击负荷的工艺稳定性，其COD、BOD、TN的去除率分别为89%、92%、65%。
4.2 ?改善系统碳源利用率
投加填料可以通过控制工况等技术手段，实现同步硝化反硝化、厌氧氨氧化等高效脱氮途径，提高碳源利用率，同时部分填料还具有缓释碳源的作用，一定程度上改善了系统的碳源利用效果。曹贵华[23]等在研究改良A2/O工艺处理低C/N生活污水时发现，投加填料可有效提高系统碳源利用率，分析有两点原因：一是好氧段投加填料后，参与SND作用的菌种或微生物絮体实现了填料中生物膜量的增加;二是生物膜内部易形成的缺氧微环境，为反硝化细菌利用内碳源进行反硝化脱氮创造条件，而且生物膜具有的吸附和储碳能力，能在反应初期将部分有机物吸附输送到生物膜内部作为反硝化的碳源。明驹[24]等研究MBBR—多级A/O耦合工艺处理处理低碳源生活污水时发现，填料表面生物膜的形成可以促进同步硝化反硝化作用的发生，提高碳源利用率，改善脱氮效果，NH4+-N和COD去除率分别为96.84%和84.31%，出水水质满足一级A标。Young[25]等研究不用填料类型下MBBR对氮的去除效果时提出运行工况对填料表面生物结构至关重要，微生物群落分析表明，所有载体的主要氨氧化细菌（AOB）是亚硝化单胞菌，而主要亚硝酸盐氧化细菌（NOB）是亚硝螺菌，可以通过提高AOB/NOB的比例改善碳源利用效果，达到提升MBBR装置的脱氮效果的目的。
4.3 ?改善工艺的运维成本
投加填料可以有效降低装置体积、减少剩余污泥产量、提高装置耐久性能，进而达到减少基建和运维费用，实现良好的环境与经济双赢的效益。林好斌[26]等，在开展污水处理厂提标改造时也提出，填料法改造具有不新征地、不新建反应池、不改变主体工艺的优点，能实现有效的節能节地，对于村镇污水治理具有很大的借鉴价值。刘丽[27]等研究了复合平板膜生物反应器处理园区污水，结果显示A/O-MBR系统的运行管理费用在扣除人工费用的条件下，投加填料后运行管理费用由2.27元/m3降为2.13元/m3，添加填料前后的膜的更换费分别占运行管理费用的15%和9.4%，表明添加填料后膜寿命增长，更换次数减少，费用降低。韩诚[28]等利用交替曝气生物滤池工艺处理低C/N比生活污水时发现，通过采用投加填料和交替曝气的方式，在进水流量为65 L/d（水力负荷为0.81 m3/（m2·d）），回流比为200%的工况下，污泥表观产率系数为0.06 kg MLSS/kg COD，远低于A2/O工艺，仅为后者的1/5到1/10，进一步降低了运维成本。
5 ?结 语
随着国家“厕所计划”提出，标志着我国村镇的可持续发展进入新的阶段。据报道，我国未来村镇污水治理投资规模将超过3万亿元，而如何针对村镇生活污水特点实现高效脱氮是其中的关键环节。生物填料法能提高反应器生物含量，丰富生物相的组成，有效强化反应器脱氮性能，同时还可降低胶体物质含量进而延长装置使用寿命，利于设备可持续、稳定、高效运行，是理想的村镇生活污水处理技术手段。但目前，在投加填料同时仍存在技术、应用瓶颈，今后有待在以下几方面开展深入研究：（1）目前填料技术的工况优化多基于单因素分析，忽视了各影响因子之间的相互影响，应对多种影响因子作系统性的研究，确实找到不同装置系统的最优工况;（2）目前相关研究多基于单一种类填料或工艺而展开，缺乏对不同填料工艺的比选，应对比不同工艺的进行实验对比，发掘各自优势和不足，为今后的工程实践提供参考;（3）目前相关研究多基于宏观效能的比较，缺少微观层面上的机理分析，今后有望从脱氮菌群调控与填料反应器脱氮模型的构建等微观角度形成更加系统稳定的村镇生活污水高效脱氮技术体系。
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