随着水质标准的提高和污水排放量的增加，大部分污水处理厂面临升级改造的紧迫需求。然而传统升级改造模式往往存在投资、运行费用大，改造过程冗长，处理效果不理想的问题。如何在不对现有工艺做较大改动的情况下对其进行技术改造，提高其处理能力和效果引起了人们极大的关注。目前，对传统活性污泥曝气池进行生物膜法改造是污水处理厂升级改造的重要手段之一(张辰等，2008)。生物膜载体是生物膜法处理工艺的核心，其性能直接影响污水处理效果及运行费用(刘红涛等，2006)。

以聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、腈纶纤维等高分子材料制成的生物膜载体由于加工工艺简单、成本较低，在废水处理中得到了广泛应用; 但这些载体原料均来源于不可再生的石油资源，且废弃之后产生二次污染，对环境造成不利影响(范福洲等，2006)。因此，开发在使用期内可自行降解，用后处理成本低、对环境污染小、价格低廉的水处理用生物膜载体逐渐成为国内外的研究热点(王远红等，2008)。竹纤维是从竹子中提取的一种纤维材料，亲水性好、孔隙发达、比表面积大，且其内部有许多网状的相互连通的小孔通向载体表面，使微生物易于进入孔中生长、分裂，纵向表面粗糙且有多条较浅的沟槽、具有良好的吸湿和渗透性能(何建新等，2008)。本项目组以竹纤维为主要原料制备出一种新型的生物膜载体(肖继波等，2009)。

浙江临安横畈镇污水处理厂废水处理工艺为A²/O(兼氧/厌氧/好氧)，处理对象为竹制品加工废水、食品加工废水等工业废水和生活污水的混合废水，由于水质波动较大，废水可生化性差，处理效果极不稳定。本文研究了竹纤维生物膜载体接触氧化处理该污水处理厂厌氧池出水的效果，探讨了水力停留时间(HRT)和气水比对COD_Cr，NH₄⁺-N，TN及TP的去除效果，并与该厂现有活性污泥曝气池对COD_Cr的去除效果进行对比，以期为竹纤维生物膜载体改造该厂污水处理系统及其在传统污水处理系统升级改造中的推广应用提供技术支撑。

1 材料与方法 1.1 试验材料

试验废水:临安市横畈镇污水处理厂厌氧池出水，其水质为: COD_Cr 34.98~183.47 mg·L^-1，NH₄⁺-N 0.81~6.29 mg·L ^-1，TN 2.40~13.33 mg· L ^-1，TP 0.48~1.90 mg·L ^-1，pH 6~8;接种污泥:取自该污水处理厂污泥浓缩池。填料:竹纤维生物膜载体(成分:竹纤维70%，涤纶纤维30%)，自制(褚淑祎等，2012)。

1.2 试验装置

污水处理试验在浙江临安横贩镇污水处理厂进行。厌氧池出水经流量计进入一级生物接触氧化池底部，出水经由一级出水槽进入二级生物接触氧化池底部，最终从二级生物接触氧化池出水槽排出。试验主体装置为竹纤维生物接触氧化反应器(2 m × 0.5 m × 1.1 m)，有效容积为0.9 m³，内分2格，体积比为3 : 2，池底曝气。将载体裁剪成条状(65 cm × 2 cm)，以3 cm的平均间隔将载体两端镶嵌在塑料绳中，塑料绳两端固定在反应器支架上，每10 cm平行悬挂一组载体(图 1)。载体填充量为210条，填充面积为2.73 m²。试验时间为2009年9月10日—12月16日。

1.3 分析方法和数据处理

COD_Cr:重铬酸钾法; NH₄⁺-N:纳氏试剂比色法; TN:碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法; TP:钼酸铵分光光度法(国家环境保护总局，2002)。采用Origin8.5对所得数据进行处理和作图。

2 结果与分析 2.1 反应器的启动与挂膜

试验采用投加接种污泥-闷曝-连续流培养的方法进行挂膜，污泥按5% (V/V)的投加量接种至反应器，闷曝24 h后连续进水，控制进水流量为40 L·h ^-1，气量2.0 m³·h ^-1，监测进出水COD_Cr和NH₄⁺ -N，以COD_Cr和NH₄⁺-N去除率作为判断生物膜是否成熟即反应器挂膜启动完成的指标。进水1天后，载体上出现黄色斑点，至第7天，载体表面出现大量黏性黄褐色生物膜，第8~12天，生物膜逐渐增加，并趋于稳定，膜厚3~5 mm，同时COD_Cr和NH₄⁺-N去除率稳定达到60%和90%以上，认为反应器启动与挂膜过程基本完成。

2.2 HRT对处理效果的影响

控制气水比为18: 1，调节进水流量，使HRT分别为15，13，10，8 h，各HRT下连续运行10天，考察HRT对COD_Cr，NH₄⁺-N，TN和TP等去除效果的影响。

HRT为15 h时，进水COD_Cr为34.98~146.68 mg·L ^-1，反应器出水COD_Cr为13.90~40.84 mg· L ^-1，平均去除率达65.42%;随HRT缩短，COD_Cr去除率相应降低，HRT分别为13，10和8 h时，COD_Cr平均去除率分别为63.18%，61.15%和54.56% (图 2)。

HRT为15，13，10 h时，反应器出水NH₄⁺-N均维持在1.0 mg·L ^-1以下，平均去除率分别为74.84%，79.91%和80.72% (图 3); 3个HRT下，NH₄⁺ -N去除率无明显变化。HRT为8 h时，由于期间进水NH₄⁺-N浓度波动较大，对系统产生一定的冲击，出水NH₄⁺-N有小幅波动，平均去除率比HRT为15 h时下降了5.32%，但仍可达69.52%，说明反应器具有较强的抗氨氮负荷冲击能力。

HRT为15，13，10和8 h时，TN平均去除率分别为34.67%，32.83%，40.24%和36.70% (图 4)。HRT为10 h时，TN去除率最高，主要是由于此HRT下进水TN浓度较低且较稳定，进水平均浓度仅为5.94 mg·L ^-1。各HRT下TN去除率差异较小，表明HRT对TN去除效果无显著影响。

HRT为13，10和8 h时，TP平均去除率分别为31.69%，23.82%和27.14% (图 5); HRT为15 h时，TP去除率最低，为16.03%，原因可能为反应器启动初期，聚磷菌数量相对较少，而随着反应器的运行，生物膜上聚磷菌不断增多，故后期TP的去除效率逐步增加，并趋于稳定。各HRT下，出水TP浓度基本可达到1.0 mg·L ^-1以下，表明HRT在8~15 h范围内对TP的去除无显著影响。

综上所述，HRT在8~15 h范围内，其对COD_Cr处理效果有显著影响，随HRT增加，COD_Cr去除率增大; 但对NH₄⁺-N，TN和TP的去除效果影响不大。试验所在地临安横畈镇污水处理厂活性污泥曝气池HRT为8.2 h，为了将竹纤维生物膜载体更好地应用于该污水处理厂的提标改造，后续试验在HRT为8 h下进行。

2.3 气水比对处理效果的影响

污水处理厂现有活性污泥曝气池气水比为18: 1，故试验考察了气水比分别为9: 1，14: 1和18: 1时，生物接触氧化反应器对COD_Cr，NH₄⁺-N，TN和TP的去除效果。从表 1可见，COD_Cr去除率随气水比增加略有增大，说明试验范围内，气水比对COD_Cr的去除效果影响较小; NH₄⁺-N和TN的去除率随气水比的增加显著降低，分别从91.46%和46.12%降低至69.21%和36.43%;而TP去除率则随气水比增加从29.18%升高至36.40%。

2.4 竹纤维生物膜载体接触氧化与污水厂活性污泥曝气池对COD_Cr去除效果的对比

控制竹纤维生物膜载体接触氧化反应器HRT和气水比与污水处理厂活性污泥曝气池一致，即分别为8 h和18: 1，考察竹纤维生物膜载体接触氧化反应器与污水处理厂曝气池对COD_Cr的去除效果，试验时间为2009年12月1日—12月16日。

进水COD_Cr为54.04~183.47 mg·L ^-1时，污水处理厂曝气池和竹纤维生物膜载体接触氧化反应器出水分别为35.48~175.60 mg·L ^-1和16.00~108.80 mg·L ^-1，平均去除率分别为28.90%和61.33%，反应器出水COD_Cr平均去除率比曝气池高32.43%。至第12天时，进水COD_Cr升高至183.47 mg·L ^-1，曝气池和竹纤维生物膜载体接触氧化反应器的COD_Cr平均去除率分别降至4.29%和40.70% (图 6)，说明竹纤维生物膜载体接触氧化反应器较污水处理厂曝气池处理效果更好、耐冲击负荷能力更强，处理效果更稳定。

3 结果与讨论

载体的挂膜性能与其表面粗糙度、比表面积和亲水性密切相关。竹纤维的主要化学成分为高聚糖类物质，含有大量的亲水基团羟基(赵钊辉等，2005); 以其为主要原料制得的竹纤维生物膜载体比表面积高达5 393 m²·m^-3，为JDRZ型软性组合填料的4倍、YDT型弹性立体填料的18~100倍、BS型半软性填料的63倍(褚淑祎，2012)，且该载体表面摩擦系数大，内部有许多网状的相互连通的孔隙通向表面，使微生物易于进入孔中生长和分裂。采用投加接种污泥-闷曝-连续流培养的方法进行挂膜，第8~12天，生物膜即趋于稳定，膜厚3~5 mm，同时COD_Cr和NH₄⁺-N去除率趋于稳定。与常规的立体弹性填料(陈志莉等，2009)和组合填料(严荣等，2011) (挂膜启动周期一般为20天)相比，竹纤维生物膜载体接触氧化启动周期大大缩短。

竹纤维生物膜载体接触氧化反应器对混合废水中COD_Cr和NH₄⁺-N有较强的去除能力。当HRT为15 h、气水比18: 1时，COD_Cr和NH₄⁺-N平均去除率达65.42%和74.84%。HRT在8~15 h范围内，COD_Cr去除率随HRT增加而增大，而当HRT大于10 h时，COD_Cr去除率上升幅度较小; NH₄⁺-N，TN和TP去除率随HRT增加无显著变化。污水生物脱氮包括硝化与反硝化2个过程，氨氮首先被生物膜中的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌在好氧条件下依次转化为亚硝态氮和硝态氮，然后由反硝化细菌在兼氧或厌氧条件下将硝态氮进一步还原为氮气或氮氧化物。试验气水比18: 1下，竹纤维生物膜载体接触氧化反应器内处于好氧状态，反硝化脱氮条件缺失(Jakubowicz et al., 2006)，故TN去除效果较差，TN去除率为32.83%~40.24%。而由于进水氨氮负荷波动及硝态氮的底物抑制作用，随着HRT增加，氨氮去除率未有明显增加。污水中P的去除主要通过聚磷菌在好氧条件下过量吸收磷，并通过定期排泥来去除。反应初期，聚磷菌的数量较少，TP去除率相对较低，仅为16.03%，随着反应的进行，TP去除率相应增加，并趋于稳定。由于生物膜反应器污泥产率低，排泥量少，故TP去除效率相对较差(Li et al., 2003)。

一定的气水比是污水生物处理正常运行的必要条件，曝气量过大时，气流的剪切、摩擦作用容易对生物膜造成过度冲刷导致生物膜脱落(王树涛等，2009)，且能耗较高，因此在实际工程中应选择合适的气水比。由表 1可见，气水比从9: 1增加至18: 1，COD_Cr去除率仅从57.16%增至59.03%，去除效果略有提高，说明试验气水比范围内，气水比增大对COD_Cr去除率无显著影响。分析其原因，可能是气水比为9: 1时，水中溶解氧浓度已基本满足微生物降解有机物所需，气水比增大对其去除率影响较小(于德淼等，2009)。硝化细菌为好氧自养型细菌，主要附着于生物膜的外层(Mendez，2000)，气水比增大所带来的气流和水流的强烈冲击导致部分外侧生物膜脱落，从而影响污水中NH₄⁺-N的去除。受传质阻力的影响，载体生物膜由外向内溶解氧浓度呈梯度下降，分别形成好氧、兼氧和厌氧区(肖继波等，2009)。随着气水比增大，水中溶解氧浓度增加，生物膜内层兼氧和厌氧区减小。因此，气水比增大不利于兼性厌氧的反硝化细菌生长，与NH₄⁺-N去除率变化趋势一致，TN去除率也随之降低。TP则主要依靠聚磷菌的过量吸收作用去除(Feng et al., 2008)，气水比增加，溶解氧相应提高，微生物繁殖速度快，故气水比增加，TP增加幅度明显。由于试验条件所限，低气水比条件下，COD_Cr，NH₄⁺-N，TN和TP的去除有待进一步研究。

生物膜法利用附着生长于载体表面的微生物去除污水中的污染物质，相比于悬浮生长的活性污泥法，单位体积生物膜中所含的微生物数量更高，比表面积更大，故而生物膜法对有机物的去除效果更好，耐冲击负荷的能力更强(吴春笃等，2008)。临安横畈镇污水处理厂处理对象为竹制品加工废水、食品加工废水等工业废水和生活污水的混合废水，可生化性差，处理难度较大，污水处理系统采用传统的A2 / O工艺，处理效果较差。为了将制得的竹纤维生物膜载体更好地应用于该污水处理系统的升级改造，在与该污水处理厂相同的气水比和HRT条件下，对比了竹纤维生物膜载体接触氧化和实际曝气池的处理效果，当进水COD_Cr为54.04~183.47 mg· L ^-1时，竹纤维生物膜载体接触氧化反应器对COD_Cr的去除率较实际曝气池高出32.43%;当进水COD_Cr突然升高至183.47 mg·L ^-1，曝气池和反应器对COD_Cr去除率分别为4.29%和40.70%，表明竹纤维生物膜载体接触氧化耐冲击负荷能力更强，出水更加稳定。因此，采用竹纤维生物膜载体对临安横畈污水处理厂的活性污泥系统进行升级改造是完全可行的。

4 结论

1) 竹纤维生物膜载体接触氧化反应器12天内即完成挂膜，膜厚3~5 mm。当HRT为15 h、气水比18: 1时，COD_Cr和NH₄⁺-N平均去除率达65.42%和74.84%。

2) HRT为8~15 h范围内，随着HRT增加，COD_Cr处理效果增强，但NH₄⁺-N、TN和TP的去除效果受HRT影响较小; 气水比对COD_Cr的去除效果无明显影响，NH₄⁺-N和TN的去除率随气水比的增加显著降低，分别从91.46%和46.12%降低至69.21%和36.43%，TP去除率则随气水比增加从29.18%升高至36.40%。

3) 竹纤维生物膜载体生物接触氧化反应器对COD_Cr处理效果优于该污水处理厂活性污泥曝气池，进水COD_Cr为54.04~183.47 mg·L ^-1时，竹纤维生物膜载体接触氧化反应器对COD_Cr的去除率较实际曝气池高出32.43%;且耐冲击负荷能力更强。