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近年来,随着国家对污水排放要求的日益严格,许多早期投资建设的污水处理厂则必须进行升级改造。而我国大多数污水处理厂在升级改造过程中多是面临着无地扩建的难题,因此采用投加悬浮填料的方法便成为了首要之选。该方法主要通过向生物池中投加悬浮填料,为微生物(如硝化菌)提供附着生长的基体,形成生物膜和活性污泥共存的复合系统,在不增大池容的前提下,达到增加生物量及缩短污泥龄的目的。但以往国内外对该类复合系统的研究多集中在中、小试规模,且将复合系统中的活性污泥和填料生物膜两相微生物作为一个整体进行研究,这种局限性使得填料生物膜在实际工程中对硝化作用的贡献难以衡量。针对这一情况,本研究以西安市第五污水处理厂A系生物反应池为研究对象,着重探讨生物膜在复合系统中对硝化的贡献,以期为悬浮填料的工程应用提供理论依据。本研究首先对西安市第五污水处理厂A系生物反应池进行调研分析,对该系统进出水水质、活性污泥和填料区生物膜的生物量、硝化速率进行监测,然后,根据填料区占氧化区容积的比例来计算投加悬浮填料对系统生物量、硝化作用贡献,最后,在实验室利用序批式生物膜反应器(Sequencing Batch Biofilm Reactor,简称SBBR)模拟城市污水,探讨C/N比分别为2和5两种条件下生物膜的硝化特性。通过对西安市第五污水处理厂A系生物反应池的水质、污泥及生物膜测定,得出如下结果:(1)反应池中活性污泥的MLSS平均为4780mg/L,MLVSS平均为3207mg/L,VSS/SS=0.67,填料生物膜的MLSS平均为4520mg/L(填料),MLVSS平均为2359mg/L(填料),VSS/SS=0.52。生物膜厚度范围120~200um,平均厚度为140um。反应池中填料占整个好氧区总容积的3.8%,将其生物量折算至整个好氧区,即投加填料后系统增加的生物量仅为89.6mg/L。因此,投加悬浮填料对系统生物量的贡献较小。(2)活性污泥的AUR和NUR分别为4.22mgNH4+-N/gVSS·h和3.92mgNO2--N/gVSS·h。生物膜的AUR和NUR分别为1.98mgNH4+-N/gVSS·h和5.14mgNH4+-N/gVSS·h。采用硝化速率类比法可得,生物膜对系统硝化作用的贡献仅为1.3%,即填料区几乎不发挥硝化作用。(3)活性污泥中AOB的含量为(2.53+0.34)%,优势菌属为Nitrosomonas,同时检测出有Nitrosospira;NOB的含量为(2.87+0.41)%,优势菌属为Ntspa662标记的Nitrospira,同时含有少量Nitrobacter。生物膜上AOB的含量(0.68+0.2)%,优势菌属为Nitrosomonas,NOB的含量为(7.8+0.2)%,优势菌属为Nitrospria。(4)由填料区进水处96%的氨氮浓度已小于5mg/L的频率统计结果可知,生物膜活性偏低的原因之一是填料区氨氮浓度过低,膜上硝化菌数量少,生长状况差,活性降低。与此同时,也说明该厂好氧池所占容积偏大,其作用并不能完全发挥,因此应当适当缩小好氧池,增大缺氧池和厌氧池的容积,使填料能起到富集硝化菌的作用,在减少用地的同时,使系统更加高效。通过对不同C/N比下序批式生物膜反应器(SBBR)的运行,得出如下结果:(1)随着进水的C/N比由2增加到5,悬浮污泥和生物膜的硝化速率均降低。其中,活性污泥的最大氨氧化速率由17.634 mgNH4+-N/gVSS·h下降至12.78mgNH4+-N/gVSS·h,下降了约27%。生物膜的最大氨氧化速率由4.57mgNH4+-N/gVSS·h下降至2.88mgNH4+-N/gVSS·h,下降了约36.9%。对应的生物膜中氨氧化菌所占比例由1.9%下降到1.3%,亚硝酸盐氧化菌所占比例则从18.9%下降到14.7%。活性污泥和生物膜中AOB和NOB优势菌群相同,分别为Nitrosomonas和Nitrospira。(2)复合系统的硝化作用由活性污泥和生物膜两者共同承担,在C/N比分别为2和5条件下,生物膜对整体硝化作用的贡献分别为18.7%和21.6%。(3)生物膜上硝化菌的空间分布与进水C/N比有密切关系。随着进水C/N比的升高,异养菌不断向外层迁移,而硝化菌则逐渐向生物膜内层迁移,进水C/N比值决定着微生物种群在生物膜上的空间分布。