1 绪论
1.1 研究背景及意义
人口、资源与环境是当今世界面临主要的三大问题，各种资源中不可替代的重要资源是水资源，如今水资源问题已经成为全世界关注的重要问题之一。虽然有 70%的地球表面积是水所覆盖，30%的陆地中也有部分水存在，但供人类利用的淡水量极少，只有 2.53%，而深层地下水、冰雪固态淡水等地下淡水资源由于技术经济的限制，难以为人类所利用，有数据显示真正能够为人类所使用的淡水资源仅仅占全球水资源总量的 0.007%且分布极不均匀[1]，因而地球上的淡水资源总量并不多。随着全球科学技术的发展，人口水量在不断的增加，世界用水量也随之增加。由于全球的人口数量又增加了 18 亿，所以目前全球人均用水量比 1970 年少了 1/3，来自于世界银行的调查报告显示：80 个国家（约占世界人口的 40%）正面临着用水危机，10 亿的发展中国家没有清洁的水源，每年约有 2500 万人死于饮用不清洁的水，联合国报告预计显示，到 2025 年生活在缺水地区的世界人口数量将达到 50%，水资源危机已经成为制约人类可持续发展最为严重的因素。不同于石油、木材、煤等资源，水资源是一种可再生资源，能使水资源再生的重要方法是水处理技术，无论现在和将来，采用物理或者化学手段使受污染水体再生，都是水资源可持续利用的重要方法之一[2]。在我国，水资源短缺的状况更为突出和明显。水资源总量为 2.81×104亿吨，占世界第 6 位，而人均占有量却居世界第 108 位，是世界上 21 个最为贫水和缺水的国度之一，对于人均淡水占有量来说只有 2300 立方米，仅仅为世界人均的1/4[3]。我国的基本状况是人口多可利用水资源少、并且受季风气候的影响，水资源时间空间分布非常不均匀，沿海地带水量多内地较少，南方多北方少，夏季多冬季少。长江为我国水资源南北分界线，长江以北地区人口接近总人口的一半，水量却占全国水资源总量的 1/5，经济发达且人口数量多的省份及城市，例如北京、天津、宁夏、河北、山东等地，在最近几年干旱问题比较严重，现在处于极其严重的缺水状态。即使现在我国兴建了较多的水库和“南水北调工程”，但建设投资比较大，回报率低，工程滞后原因造成中部地区缺水现象比较严重。随着我国经济全球化与工业化的飞速发展，人们生活水平不断提高，城市用水需求也在不断增长，所以我国水资源的矛盾会更加尖锐，日益紧张水资源问题必定成为我国经济发展的阻碍[4]。
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1.2 污水深度处理意义与方法
从城市化的角度来看，我国城市化的发展程度已经到了国际公认的加速发展时期，预计到 2020 年，城市化发展水平将达到 58%左右，通过对城市用水的变化情况和机理研究发现，在过去的 30 年中，城市化水平每提高 1%，新增城市居民用水量为 17 亿立方米，其中生活用水量为 9.4 亿立方米，其余则为工业用水量[10]，因此，随着城市化进程的加快，用水量增加同时排水量也在增加，污水处理需要也随之增加，需要进行深度处理，使之成为再生水，所以再生水的利用成为了缓解水资源压力的有效途径。污水回用在成本上更加经济，与远距离调水作比较，同样规模下，污水回用可节省投资 50%左右。与利用海水资源相比可节省更多费用，城市污水所含杂质一般小于 0.1%，可以用污水深度处理工艺去除[11]，而海水中的溶解盐和有机物杂质，则需要复杂的预处理、反渗透等花费较高的技术，所以现阶段污水回用无论是在经济上还是技术上都更加可行。
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2 试验装置、材料及分析方法
2.1 试验进水水质
本试验在荥阳市某污水处理厂进行，该厂收水为电厂冷却水，利用水厂二沉池出水作为试验原水，该厂采用氧化沟工艺，二沉池出水水质在小范围内波动，波动范围见表 2.1。注：本水厂现收集电厂废水，水质特点为总氮、总磷含量较高，分析水中氮元素的存在形式，氨氮检测基本都是超下限，百分之九十以上为硝态氮，因此，在试验的过程中主要研究对 TN 的去除效果，不考虑氨氮的去除效果。但是试验在冬季进行，温度较低，试验装置系统总体来说去除效率降低，要求装置出水标准为 TN≤20mg/L。
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2.2 自清洗式活性生物滤池试验装置
自清洗式活性生物滤池是一种上流式的生物流化床反应器。该反应器总高2.1m，上部结构为圆柱体，直径为 400mm，下部是圆锥体，高度为 0.35m，滤层总高度为 1200mm。
2.2.1 试验装置主要构成
（1）配水系统：其位置在底部锥形斗的上方，进水进入中心筒内，形成向上的均匀水流，圆环形柱柱体上分出 6 根支管，支管与锥形斗呈 90°夹角，形成小阻力配水系统。（2）滤料：①采用粒径为 0.7~2mm 的陶粒滤料，它具有球状的外形，表面光滑而坚硬，内部呈蜂窝状，有密度小、热导率低、孔隙率高，软化系数高的特点，一般为灰黑色。②1~2mm 的石英砂滤料，有效滤层高度 1000mm。石英砂无杂质，无棱角，密度大，机械强度高，载污能力线使用周期长，主要成分是 SiO2，主要颜色为乳白色或无色半透明状。（3）中心气提管：中心气提管直径 20mm，与无油空气压缩机提供气体，气体流量为 1~10m3/h，可使载有微生物的滤料在气提管上部泥砂分离。（4）砂水分离器：砂水分离器在气提管的顶部，直径 200mm，外筒内壁设有挡板，在分离器内微生物与滤料载体分离，分离后的滤料依靠自重作用通过外筒落到滤层表面，脱落的微生物通过排泥管排出。（5）水位高度调节器：螺旋结构，通过外螺旋调节出水口高度，可调节范围为 150mm。
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3 自清洗式活性生物滤池启动运行特性研究........16
3.1 自然挂膜条件下运行试验研究......... 16
3.1.1 不同滤料对 COD 的去除效果研究.... 17
3.1.2 不同滤料对 TN 的去除效果研究........18
3.1.3 不同滤料对 TP 的去除效果研究........20
3.2 人工接种污泥条件下运行试验研究........ 21
3.3 本章小结.......... 30
4 自清洗式活性生物滤池生物特性研究......... 32
4.1 样品的采集...... 32
4.2 生物种群多样性分析.... 32
4.3 本章小结.......... 44
5 结论与建议.....46
5.1 主要结论.......... 46
5.2 建议.... 47
4 自清洗式活性生物滤池生物特性研究
随着科学技术的发展，对比物理、化学等处理方法，微生物消化污染物质（即生物处理）的技术越来越受到重视，并在污水处理等领域内广泛应用，但是人们对微生物种类的认识比较少。微生物具有表面积大、体积小、繁殖力旺盛等特点，能不断与周围环境进行物质交换处理，现阶段用微生物来处理污水技术已经比较成熟。污水中有机物含量比较高,，能够为微生物生长繁殖提供所需要的营养物质。以前对微生物的研究只停留在显微镜阶段，而现代生物学已经发展到分子生态学的阶段，研究微生物的基因序列，分析其生物特性及处理机理，对污水处理发展有较深远的意义。本试验主要研究滤池滤料表面生物的微生物特性，对样品的基因序列进行分析，使得对反硝化机理有更深一步的认识和了解。
4.1 样品的采集
本试验微生物研究是将污水处理厂生化池与滤池内生物结构做对比，说明生物砂滤高效率脱氮性能的优势，采集样品分别为污水处理厂氧化沟厌氧段、自清洗式活性生物滤池滤层 100mm 深度部分、500mm 深度部分（左侧和右侧两个取样点）和 900mm 深度部分，上述样品均在试验装置最佳运行状态下获取的。微生物多样性常用的研究方法主要有两种，第一种为传统的纯分离方法，但是只针对样品中可培养与计数的细菌或者微生物；第二种为不需要分离培养的方法，即针对不可分离与计数的细菌[46]，现阶段已经由传统的培养方法逐步转向为分子生物学阶段，通过采用 16SrRNA 高通量测序技术，鉴别生化池和自清洗式活性生物滤池内部微生物的种群结构和优势菌种，更深入的了解污染物的去除机理，该种方法优势在于并不需要测定 16SrRNA 的全部序列，只需要测定包含一个以上保守区和高变区的 500bp 序列片段，就可以判断此序列所属的种群结构和类型。
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结论
（1）自然挂膜启动阶段周期运行 20 天，陶粒和石英砂对 COD 的最高去除率分别为 19%，20.7%，最低去除率分别为 1.8%，4.8%，陶粒 TN 去除率最高为10.8%，最低为 1.1%，石英砂滤料 TN 最高最低去除率分别为 12.5%和 3.07%，陶粒对 TP 的最高和最低去除率分别为 32%和 4.8%，石英砂的最高和最低去除率则为 35.6%和 6.8%，在自然挂膜条件下，不同滤料对于污染物的去除率都不高，无外加碳源，挂膜难以成功，但相对来说石英砂对污染物的去除效果高于陶粒。
（2）通过对比分析乙酸钠、乙醇和葡萄糖作为外加碳源对各个污染物的去除效果，确定投加最佳碳源种类；乙酸钠对 COD 的去除率范围是 33%~39%，乙醇的去除率范围为 39.2%~46.1%，葡萄糖的则为 27.3%~41.2%，由此得出结论乙醇为最佳投加碳源种类。
（3）研究乙醇的最佳投药量和最适 C/N，向试验进水中投加不同量的乙醇，分析各个污染物的处理效果，得出乙醇最佳投药量为 50ml/m3，最适宜本次试验的 C/N 是 3，该试验装置最佳 HRT 为 60min。
（4）对样品中微生物进行丰度分析，在门分类水平上分析，变形菌门（Pr-oteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）在各样品中均占有绝对优势，为主要微生物种群，它们中许多种类都具有反硝化能力，而在生化池中疣微菌门（Ver-rucomicrobia）、酸杆菌门（Acidobacteria）含量相对较多，为好氧型细菌；从纲分类水平上分析，滤池中变形菌门的β-变形菌纲（Betaproteobacteria）占有主要优势，表现为最主要的微生物群落；从目分类水平上来看，丰度较高的为红环菌目（R-hodocyclales）、伯克氏菌目（Burkholderiales）、Chitinophagales、黄色单胞菌目（Xanthomonadales）、硝化螺旋菌目（Nitrospirales）为样品的优势微生物，生化池中硝化螺旋菌目（Nitrospirales）相对丰度仅为 4.65%；在科分类水平上分析，含量较高的微生物菌科为红环菌科（Rhodo-cyclaceae），生化池红环菌科（Rhodo-cyclaceae）含量低于滤池，在属分类水平上分析可得，样品中的优势菌种为 Thauera 菌属，它们均是反硝化反应的主要参与者。
（5）对自清洗式活性生物滤池和水厂生化池五个样品做 OTU 韦恩图分析，五个样品的 OTU 数分别为 1384、1106、1323、1327、1311，可以看出微生物物种均比较丰富，具有多样性，但滤池微生物数量明显高于生化池。对样品的检测出的 OTU 数做 OTU Rank 曲线，五个样品按 A、D、C、E、B 的顺序物种丰富程度越来越低，均匀度也越来越低，整体说明滤池生物量高于生化池，物种均匀度也较高。
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参考文献（略）