A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)：構(gòu)建、運(yùn)行與效能優(yōu)化探究一、引言1.1研究背景與意義水是生命之源，對(duì)于人類社會(huì)的生存和發(fā)展至關(guān)重要。然而，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增長(zhǎng)，水資源短缺和水污染問題日益嚴(yán)重，成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。我國(guó)作為一個(gè)人口眾多的國(guó)家，水資源分布不均，人均水資源量遠(yuǎn)低于世界平均水平，水資源短缺和水污染問題尤為突出。在水處理領(lǐng)域，生物膜法作為一種高效、節(jié)能、環(huán)保的污水處理技術(shù)，受到了廣泛的關(guān)注和研究。生物膜法是利用微生物在固體表面附著生長(zhǎng)形成生物膜，通過生物膜的代謝作用將污水中的有機(jī)物、氮、磷等污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)污水處理的目的。與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，生物膜法具有污泥產(chǎn)量低、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理中具有廣闊的應(yīng)用前景。A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)是一種新型的生物膜處理工藝，它結(jié)合了A/O工藝和生物膜法的優(yōu)點(diǎn)，通過兩個(gè)池子的交替曝氣和非曝氣，實(shí)現(xiàn)了污水的脫氮除磷和有機(jī)物的降解。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行靈活、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理中具有很大的潛力。然而，目前對(duì)于A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的研究還相對(duì)較少，對(duì)其構(gòu)建方法、運(yùn)行特征和影響因素等方面的認(rèn)識(shí)還不夠深入。因此，開展A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的構(gòu)建及運(yùn)行特征研究，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本研究旨在構(gòu)建A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)，并對(duì)其運(yùn)行特征進(jìn)行深入研究，為該系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。通過本研究，可以進(jìn)一步完善生物膜法污水處理技術(shù)，提高污水處理效率和質(zhì)量，減少水資源污染，為實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用做出貢獻(xiàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，生物膜法污水處理技術(shù)的研究起步較早，發(fā)展較為成熟。許多研究聚焦于生物膜反應(yīng)器的性能優(yōu)化與新型生物膜工藝的開發(fā)。例如，移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）、生物接觸氧化法等工藝在國(guó)外得到了廣泛的研究與應(yīng)用。對(duì)于A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)，國(guó)外也有一定的研究成果，主要圍繞系統(tǒng)的脫氮除磷效率提升、運(yùn)行穩(wěn)定性以及微生物群落結(jié)構(gòu)分析等方面。一些研究通過優(yōu)化曝氣策略，有效提高了系統(tǒng)對(duì)氮、磷污染物的去除能力；還有研究利用分子生物學(xué)技術(shù)，深入分析了系統(tǒng)內(nèi)微生物的種類和功能，為系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控提供了理論依據(jù)。國(guó)內(nèi)在生物膜法污水處理技術(shù)方面的研究近年來發(fā)展迅速。針對(duì)A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了大量的研究工作，涵蓋了系統(tǒng)的構(gòu)建方法、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、影響因素分析等多個(gè)方面。研究發(fā)現(xiàn)，不同的生物填料對(duì)系統(tǒng)的掛膜效果和污染物去除性能有顯著影響，新型生物填料的研發(fā)成為熱點(diǎn)之一。此外，通過調(diào)整交替曝氣時(shí)長(zhǎng)、改變進(jìn)水水質(zhì)等方式，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的處理效率和抗沖擊負(fù)荷能力。然而，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的研究仍存在一些不足之處。一方面，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)微生物的代謝機(jī)制和生態(tài)關(guān)系的研究還不夠深入，尚未完全揭示微生物在系統(tǒng)中的作用規(guī)律，這限制了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能的進(jìn)一步優(yōu)化。另一方面，現(xiàn)有的研究多集中在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模，在實(shí)際工程應(yīng)用中的案例相對(duì)較少，系統(tǒng)的放大效應(yīng)和工程化應(yīng)用技術(shù)還需要進(jìn)一步探索和完善。同時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)在不同水質(zhì)、水量條件下的適應(yīng)性研究還不夠全面，缺乏針對(duì)復(fù)雜污水水質(zhì)的系統(tǒng)性研究，難以滿足實(shí)際污水處理的多樣化需求。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在構(gòu)建A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)，深入分析其運(yùn)行特征，并通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，提高系統(tǒng)的污水處理效果，為該系統(tǒng)的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。具體研究?jī)?nèi)容包括：第一，構(gòu)建A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)。篩選適合的生物填料，搭建雙池切換型生物膜反應(yīng)裝置，研究接種污泥的培養(yǎng)方法和系統(tǒng)的掛膜啟動(dòng)過程，確定最佳的構(gòu)建條件，使系統(tǒng)能夠快速、穩(wěn)定地啟動(dòng)。第二，分析系統(tǒng)的運(yùn)行特征。研究不同曝氣模式下系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總氮和正磷等污染物的去除效果，探究不同交替曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)污染物去除效果的影響，明確系統(tǒng)在不同運(yùn)行條件下的污染物去除規(guī)律，為系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)控提供依據(jù)。第三，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行效果。考察系統(tǒng)對(duì)不利環(huán)境的耐受性能，如對(duì)水質(zhì)、水量沖擊負(fù)荷的適應(yīng)能力，以及對(duì)溫度、pH值等環(huán)境因素變化的響應(yīng)；研究系統(tǒng)脫氮效果的優(yōu)化方法，通過調(diào)整運(yùn)行參數(shù)或添加輔助藥劑等方式，提高系統(tǒng)對(duì)氮污染物的去除效率；對(duì)比A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)與單池切換型反應(yīng)器的運(yùn)行效果，分析雙池切換型系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和不足，進(jìn)一步完善系統(tǒng)的運(yùn)行策略。二、A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)原理剖析2.1生物膜法基本原理生物膜法作為污水處理領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其基本原理基于微生物在固體載體表面的附著生長(zhǎng)，形成具有特殊結(jié)構(gòu)和功能的生物膜。當(dāng)污水與生物膜接觸時(shí)，污水中的有機(jī)污染物、氮、磷等物質(zhì)被生物膜中的微生物攝取、代謝，從而實(shí)現(xiàn)污水的凈化。微生物在載體表面的生長(zhǎng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)且復(fù)雜的過程。在掛膜初期，污水中的微生物會(huì)逐漸附著到載體表面，這些微生物包括細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物和后生動(dòng)物等，它們共同構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)。微生物通過分泌胞外聚合物（EPS），將自身固定在載體表面，EPS不僅有助于微生物的附著，還能為微生物提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的微環(huán)境，保護(hù)微生物免受外界不利因素的影響。隨著時(shí)間的推移，微生物在載體表面不斷繁殖，生物膜逐漸增厚。生物膜從載體表面向外一般可分為厭氧層、好氧層、附著水層和運(yùn)動(dòng)水層。其中，好氧層是微生物進(jìn)行好氧呼吸的主要場(chǎng)所，溶解氧通過運(yùn)動(dòng)水層和附著水層擴(kuò)散到好氧層，為微生物的代謝活動(dòng)提供必要條件；而在厭氧層，由于氧氣難以到達(dá)，微生物進(jìn)行厭氧呼吸，對(duì)一些難以被好氧微生物降解的有機(jī)物進(jìn)行分解。在污染物降解過程中，好氧層的好氧菌首先吸附附著水層中的有機(jī)物，并將其分解為二氧化碳、水和無機(jī)鹽等小分子物質(zhì)。例如，對(duì)于污水中的碳水化合物，好氧菌通過一系列酶的作用，將其逐步分解為葡萄糖等簡(jiǎn)單糖類，最終氧化為二氧化碳和水，釋放出能量供自身生長(zhǎng)和繁殖。部分分解產(chǎn)物會(huì)進(jìn)入?yún)捬鯇?，被厭氧菌進(jìn)一步分解，產(chǎn)生甲烷、硫化氫等物質(zhì)。同時(shí)，污水中的氨氮在硝化細(xì)菌的作用下，經(jīng)歷亞硝化和硝化過程，被轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。而在缺氧條件下，反硝化細(xì)菌利用污水中的有機(jī)物作為碳源，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮?dú)?，?shí)現(xiàn)脫氮過程。對(duì)于磷的去除，聚磷菌在好氧條件下過量攝取磷，以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，當(dāng)生物膜老化脫落時(shí)，這些聚磷菌隨剩余污泥排出系統(tǒng)，從而達(dá)到除磷的目的。2.2A/O工藝脫氮除碳原理A/O工藝，即厭氧/好氧工藝，是一種廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域的生物處理工藝，其核心在于通過厭氧段和好氧段的交替運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中氮和碳污染物的有效去除。在厭氧段，污水與回流污泥首先進(jìn)入該區(qū)域，此環(huán)境中缺乏溶解氧，微生物處于厭氧代謝狀態(tài)。污水中的可生物降解有機(jī)物在厭氧發(fā)酵細(xì)菌的作用下，被轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸（VFA）等低分子發(fā)酵中間產(chǎn)物。聚磷菌在這一過程中，將其細(xì)胞內(nèi)存儲(chǔ)的聚磷酸鹽分解，釋放出正磷酸鹽，同時(shí)獲取能量，用于攝取污水中的VFA并將其轉(zhuǎn)化為聚β-羥基丁酸（PHB）等儲(chǔ)能物質(zhì)儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)。這使得污水中的磷含量升高，而有機(jī)物含量因被微生物利用而有所下降。此外，部分含氮有機(jī)物在厭氧微生物的作用下發(fā)生氨化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氨氮釋放到污水中。隨后，污水流入好氧段。在充足的溶解氧條件下，好氧微生物的代謝活動(dòng)十分活躍。首先是有機(jī)物的降解過程，好氧異養(yǎng)菌大量攝取污水中的剩余有機(jī)物，通過有氧呼吸將其徹底氧化分解為二氧化碳和水，同時(shí)獲得能量用于自身的生長(zhǎng)和繁殖。在這一過程中，污水中的化學(xué)需氧量（COD）和生化需氧量（BOD）大幅降低。對(duì)于氮的去除，硝化作用是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。硝化細(xì)菌包括亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌，它們利用污水中的氨氮作為能源，在有氧條件下將氨氮逐步氧化。亞硝化細(xì)菌首先將氨氮氧化為亞硝酸鹽，反應(yīng)式為：NH_4^++1.5O_2\toNO_2^-+H_2O+2H^+；接著，硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽，反應(yīng)式為：NO_2^-+0.5O_2\toNO_3^-。總的硝化反應(yīng)可表示為：NH_4^++2O_2\toNO_3^-+H_2O+2H^+。通過這一過程，污水中的氨氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮。為了實(shí)現(xiàn)總氮的去除，需要進(jìn)行反硝化過程。在A/O工藝中，好氧段的混合液回流至厭氧段或缺氧段（在雙池切換系統(tǒng)中，通過交替曝氣實(shí)現(xiàn)不同的缺氧和好氧環(huán)境），反硝化細(xì)菌利用污水中殘留的有機(jī)物作為碳源，在缺氧條件下將回流混合液中的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮?dú)?，釋放到大氣中。以甲醇作為碳源為例，反硝化反?yīng)分三步進(jìn)行：第一步，3NO_3^-+CH_3OH\to3NO_2^-+2H_2O+CO_2；第二步，2H^++2NO_2^-+CH_3OH\toN_2+3H_2O+CO_2；第三步，6H^++6NO_3^-+5CH_3OH\to3N_2+13H_2O+5CO_2。這一系列反應(yīng)使得污水中的總氮含量顯著降低，從而達(dá)到脫氮的目的。綜上所述，A/O工藝通過厭氧段和好氧段的協(xié)同作用，巧妙地利用微生物的代謝特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水中碳、氮污染物的高效去除。在實(shí)際應(yīng)用中，通過合理控制工藝參數(shù)，如水力停留時(shí)間、污泥回流比、溶解氧濃度等，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的脫氮除碳效果。2.3A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)獨(dú)特原理A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)在融合生物膜法與A/O工藝基本原理的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新的雙池切換運(yùn)行模式，展現(xiàn)出獨(dú)特的污水處理效能，尤其是在強(qiáng)化脫氮除磷和提升抗沖擊能力方面表現(xiàn)突出。從脫氮除磷原理來看，系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，通過雙池的交替曝氣和非曝氣，巧妙地營(yíng)造出厭氧、缺氧和好氧環(huán)境的周期性變化。在厭氧階段，聚磷菌在無氧條件下，將細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的聚磷酸鹽分解，釋放出正磷酸鹽，并攝取污水中的揮發(fā)性脂肪酸等易降解有機(jī)物，轉(zhuǎn)化為聚β-羥基丁酸（PHB）儲(chǔ)存起來。這一過程不僅使得污水中的磷含量升高，同時(shí)也為后續(xù)的好氧吸磷儲(chǔ)備了能量。例如，當(dāng)污水進(jìn)入?yún)捬醭貢r(shí)，聚磷菌迅速響應(yīng)，在缺乏溶解氧的環(huán)境下，高效地進(jìn)行磷的釋放和有機(jī)物的攝取，為整個(gè)系統(tǒng)的除磷過程奠定基礎(chǔ)。隨著雙池切換，污水進(jìn)入好氧階段。此時(shí)，聚磷菌利用儲(chǔ)存的PHB進(jìn)行好氧呼吸，產(chǎn)生能量用于大量攝取污水中的磷，以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，從而使污水中的磷含量大幅降低。同時(shí)，好氧環(huán)境為硝化細(xì)菌提供了適宜的生存條件，硝化細(xì)菌將污水中的氨氮逐步氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。以亞硝化細(xì)菌為例，它將氨氮氧化為亞硝酸鹽的反應(yīng)式為NH_4^++1.5O_2\toNO_2^-+H_2O+2H^+，隨后硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽，反應(yīng)式為NO_2^-+0.5O_2\toNO_3^-，通過這一系列反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了污水中氨氮的有效去除。為了實(shí)現(xiàn)總氮的去除，系統(tǒng)利用雙池切換產(chǎn)生的缺氧環(huán)境進(jìn)行反硝化過程。在缺氧階段，反硝化細(xì)菌利用污水中殘留的有機(jī)物作為碳源，將回流混合液中的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮?dú)?，釋放到大氣中。例如，以甲醇作為碳源時(shí)，反硝化反應(yīng)分三步進(jìn)行：第一步，3NO_3^-+CH_3OH\to3NO_2^-+2H_2O+CO_2；第二步，2H^++2NO_2^-+CH_3OH\toN_2+3H_2O+CO_2；第三步，6H^++6NO_3^-+5CH_3OH\to3N_2+13H_2O+5CO_2。通過這種巧妙的雙池切換運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)污水中氮、磷污染物的高效去除。在抗沖擊能力方面，A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于生物膜附著在載體表面生長(zhǎng)，微生物濃度高且種類豐富，形成了穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)面臨水質(zhì)沖擊時(shí)，如污水中有機(jī)物濃度突然升高，生物膜中的微生物可以迅速利用自身豐富的酶系統(tǒng)和代謝途徑，對(duì)高濃度有機(jī)物進(jìn)行分解代謝。同時(shí)，生物膜的結(jié)構(gòu)具有一定的緩沖作用，能夠減緩水質(zhì)變化對(duì)微生物的直接影響。例如，當(dāng)進(jìn)水有機(jī)物濃度翻倍時(shí)，生物膜中的好氧菌和厭氧菌協(xié)同作用，好氧菌優(yōu)先利用溶解氧快速分解易降解有機(jī)物，而厭氧菌則在生物膜內(nèi)部的厭氧區(qū)域?qū)﹄y降解有機(jī)物進(jìn)行逐步分解，通過這種協(xié)同機(jī)制，系統(tǒng)能夠在一定程度上維持穩(wěn)定的處理效果。對(duì)于水量沖擊，雙池切換的運(yùn)行模式提供了靈活的調(diào)節(jié)空間。當(dāng)進(jìn)水水量突然增加時(shí)，可以通過調(diào)整雙池的切換周期和曝氣時(shí)間，使系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)水量變化。例如，縮短曝氣時(shí)間，增加污水在厭氧和缺氧池的停留時(shí)間，保證微生物有足夠的時(shí)間與污水中的污染物接觸反應(yīng)。此外，生物膜法本身的耐水力沖擊特性也使得系統(tǒng)在水量波動(dòng)時(shí)，生物膜不易脫落，能夠保持良好的處理性能。三、A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)構(gòu)建實(shí)踐3.1實(shí)驗(yàn)材料與準(zhǔn)備3.1.1實(shí)驗(yàn)試劑與儀器本實(shí)驗(yàn)所需的化學(xué)試劑眾多，且對(duì)純度和質(zhì)量要求嚴(yán)格。其中，無水乙醇作為常用的有機(jī)溶劑，用于清洗和消毒實(shí)驗(yàn)器具，以確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境的無菌性，其純度需達(dá)到分析純級(jí)別，以避免雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾。重鉻酸鉀在化學(xué)需氧量（COD）的檢測(cè)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它是一種強(qiáng)氧化劑，能夠氧化污水中的有機(jī)物。在實(shí)驗(yàn)中，選用優(yōu)級(jí)純的重鉻酸鉀，精確稱取一定量，按照標(biāo)準(zhǔn)方法配制出特定濃度的重鉻酸鉀溶液，用于COD的測(cè)定。硫酸亞鐵銨則用于標(biāo)定重鉻酸鉀溶液的濃度，確保COD檢測(cè)的準(zhǔn)確性，其純度同樣需滿足實(shí)驗(yàn)要求。對(duì)于氮、磷相關(guān)的檢測(cè)，試劑的選擇和使用也至關(guān)重要。納氏試劑用于氨氮的檢測(cè)，它能夠與氨氮發(fā)生特異性反應(yīng)，生成穩(wěn)定的絡(luò)合物，通過比色法可準(zhǔn)確測(cè)定氨氮的含量。在配制納氏試劑時(shí)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)配方，使用碘化鉀、碘化汞和氫氧化鉀等試劑，確保試劑的質(zhì)量和性能。過硫酸鉀在總氮檢測(cè)中用于消解水樣，將水樣中的各種形態(tài)的氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，進(jìn)而通過后續(xù)的檢測(cè)步驟測(cè)定總氮含量，實(shí)驗(yàn)中選用高純度的過硫酸鉀，以保證消解效果。鉬酸銨在正磷檢測(cè)中與正磷酸鹽反應(yīng)，生成磷鉬雜多酸，再通過抗壞血酸還原為藍(lán)色絡(luò)合物，通過比色定量，選用分析純的鉬酸銨，確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性。實(shí)驗(yàn)儀器是保證實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵設(shè)備。pH計(jì)用于測(cè)量水樣的酸堿度，它采用玻璃電極作為傳感元件，能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)定溶液的pH值。在使用前，需用標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液對(duì)pH計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。例如，常用的標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液有pH4.00、pH6.86和pH9.18等，根據(jù)實(shí)際測(cè)量范圍選擇合適的緩沖溶液進(jìn)行校準(zhǔn)。溶解氧儀用于檢測(cè)水中的溶解氧含量，它通過膜電極法或熒光法等原理，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水樣中的溶解氧濃度。在污水處理過程中，溶解氧是影響微生物代謝和污染物降解的重要因素，因此準(zhǔn)確測(cè)量溶解氧含量對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究和工藝控制具有重要意義。分光光度計(jì)在本實(shí)驗(yàn)中主要用于比色分析，通過測(cè)量特定波長(zhǎng)下溶液的吸光度，來確定物質(zhì)的濃度。在COD、氨氮、總氮和正磷等污染物的檢測(cè)中，分光光度計(jì)發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如，在COD檢測(cè)中，利用重鉻酸鉀氧化有機(jī)物后，剩余的重鉻酸鉀在特定波長(zhǎng)下有特征吸收峰，通過測(cè)量吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出COD含量。在氨氮檢測(cè)中，納氏試劑與氨氮反應(yīng)生成的絡(luò)合物在特定波長(zhǎng)下有最大吸收，通過分光光度計(jì)測(cè)量吸光度，即可計(jì)算出氨氮濃度。電子天平用于精確稱量試劑和樣品，其精度通常達(dá)到0.0001g，能夠滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)試劑配制和樣品分析的高精度要求。在稱量過程中，需遵循正確的操作規(guī)程，避免誤差的產(chǎn)生。3.1.2接種污泥獲取與處理接種污泥的來源直接影響生物膜系統(tǒng)的啟動(dòng)速度和處理效果。本實(shí)驗(yàn)選取了某城市污水處理廠二沉池的回流污泥作為接種污泥，該污泥具有豐富的微生物群落，包含了多種能夠降解有機(jī)物、進(jìn)行脫氮除磷的微生物。城市污水處理廠處理的污水涵蓋了生活污水和部分工業(yè)廢水，其中的微生物經(jīng)過長(zhǎng)期馴化，適應(yīng)了復(fù)雜的水質(zhì)環(huán)境，對(duì)各類污染物具有較強(qiáng)的分解能力。在獲取接種污泥后，需對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以去除其中的雜質(zhì)和有害物質(zhì)。首先，采用濾網(wǎng)對(duì)污泥進(jìn)行過濾，去除較大顆粒的雜質(zhì)，如砂石、纖維等，避免這些雜質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置造成堵塞或損壞。然后，將過濾后的污泥置于沉淀池中進(jìn)行沉淀，使污泥與上清液分離。在沉淀過程中，污泥中的微生物會(huì)逐漸沉降到池底，而上清液中則含有一些溶解性的有機(jī)物和無機(jī)物。通過虹吸法小心地去除上清液，保留底部的污泥。這一步驟不僅可以去除污泥中的部分水分，還能去除一些對(duì)微生物生長(zhǎng)不利的物質(zhì)。為了進(jìn)一步提高接種污泥的活性，對(duì)沉淀后的污泥進(jìn)行了活化處理。將污泥轉(zhuǎn)移至曝氣池中，加入適量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如葡萄糖、蛋白胨、磷酸二氫鉀等，為微生物提供生長(zhǎng)所需的碳源、氮源和磷源。同時(shí)，通過曝氣裝置向池中通入空氣，維持水中的溶解氧含量在一定水平，一般控制在2-4mg/L，以滿足微生物的好氧呼吸需求。在活化過程中，定期監(jiān)測(cè)污泥的性質(zhì)，如污泥濃度、污泥沉降比（SV30）等。污泥濃度反映了單位體積污泥中所含微生物的量，通過重量法進(jìn)行測(cè)定；SV30則是衡量污泥沉降性能的重要指標(biāo)，通過將污泥樣品靜置30分鐘后，觀察沉淀污泥的體積占總體積的比例來確定。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的添加量和曝氣時(shí)間，確保污泥的活性不斷提高。經(jīng)過一段時(shí)間的活化處理，污泥的活性得到顯著提升，為后續(xù)的生物膜系統(tǒng)接種奠定了良好的基礎(chǔ)。3.1.3生物填料制備生物填料作為微生物附著生長(zhǎng)的載體，其性能對(duì)生物膜系統(tǒng)的處理效果具有重要影響。本實(shí)驗(yàn)選用了新型的復(fù)合纖維材料作為生物填料，該材料結(jié)合了多種纖維的優(yōu)點(diǎn)，具有較大的比表面積和良好的生物親和性。復(fù)合纖維材料由聚酯纖維和聚丙烯纖維通過特殊的工藝復(fù)合而成，聚酯纖維具有高強(qiáng)度和耐化學(xué)腐蝕的特性，能夠保證填料在復(fù)雜的污水處理環(huán)境中穩(wěn)定存在；聚丙烯纖維則具有良好的柔韌性和吸附性能，有利于微生物的附著和生長(zhǎng)。通過這種復(fù)合方式，使得生物填料兼具了高強(qiáng)度和良好的生物附著性能。生物填料的制作流程較為復(fù)雜，需要經(jīng)過多個(gè)步驟。首先，將聚酯纖維和聚丙烯纖維按照一定的比例進(jìn)行混合，確保兩種纖維均勻分布。然后，利用紡織機(jī)械將混合纖維編織成特定的形狀，如網(wǎng)狀或絲狀。編織過程中，控制好纖維的間距和密度，以保證填料具有合適的孔隙率和比表面積?？紫堵适侵柑盍蟽?nèi)部孔隙體積與總體積的比值，合適的孔隙率能夠提供充足的空間供微生物生長(zhǎng)和代謝，同時(shí)有利于污水在填料內(nèi)部的流通；比表面積則反映了填料表面可供微生物附著的面積大小，較大的比表面積能夠增加微生物的附著量，提高生物膜系統(tǒng)的處理效率。在本實(shí)驗(yàn)中，通過優(yōu)化編織工藝，使生物填料的孔隙率達(dá)到70%-80%，比表面積達(dá)到1000-1500m2/m3。為了進(jìn)一步提高生物填料的性能，對(duì)編織好的填料進(jìn)行了表面改性處理。采用等離子體處理技術(shù)，在填料表面引入一些活性基團(tuán)，如羥基、羧基等。這些活性基團(tuán)能夠增加填料表面的親水性，提高微生物的附著能力。同時(shí)，活性基團(tuán)還能夠與微生物分泌的胞外聚合物（EPS）發(fā)生相互作用，增強(qiáng)微生物與填料之間的結(jié)合力。在等離子體處理過程中，精確控制處理時(shí)間和功率，以確保表面改性的效果。一般來說，處理時(shí)間控制在5-10分鐘，功率控制在100-200W。處理后的填料在使用前，需進(jìn)行清洗和消毒，去除表面的雜質(zhì)和微生物，避免對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。通過以上制備工藝，得到的生物填料具有良好的性能，能夠?yàn)槲⑸锾峁├硐氲纳L(zhǎng)環(huán)境，有助于提高A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的處理效果。3.2實(shí)驗(yàn)裝置搭建與流程設(shè)計(jì)3.2.1裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)搭建的A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置，主體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相同的反應(yīng)池組成，分別命名為A池和O池，每個(gè)反應(yīng)池的有效容積均為50L，尺寸為長(zhǎng)50cm、寬40cm、高25cm，采用有機(jī)玻璃材質(zhì)制作，具有良好的透明度，便于觀察內(nèi)部反應(yīng)情況。反應(yīng)池內(nèi)部設(shè)置了多層生物填料支架，用于固定和支撐生物填料。生物填料采用前文制備的新型復(fù)合纖維材料，以立體網(wǎng)狀的形式均勻分布在支架上，確保生物膜有充足的生長(zhǎng)空間。支架采用耐腐蝕的塑料材質(zhì)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠有效防止生物填料的堆積和堵塞，保證污水在填料間的均勻流通。在反應(yīng)池底部，安裝了曝氣裝置，采用微孔曝氣頭，通過曝氣管與外部的曝氣泵相連。曝氣頭均勻分布在池底，能夠產(chǎn)生微小而均勻的氣泡，使氧氣充分溶解于水中，為微生物的好氧代謝提供充足的溶解氧。同時(shí)，曝氣產(chǎn)生的水流擾動(dòng)有助于污水與生物膜的充分接觸，促進(jìn)污染物的傳質(zhì)和降解。反應(yīng)池的進(jìn)水口位于池體一側(cè)的底部，通過進(jìn)水管與外部的水箱相連，進(jìn)水管上安裝有流量調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求精確控制進(jìn)水流量。出水口設(shè)置在池體另一側(cè)的中上部，通過出水管連接到后續(xù)的檢測(cè)裝置或其他處理單元。在A池和O池之間，設(shè)有回流管道，回流管道上安裝有回流泵和流量調(diào)節(jié)閥，可實(shí)現(xiàn)兩池之間混合液的回流，以滿足不同的運(yùn)行模式和脫氮除磷需求。此外，反應(yīng)池還配備了pH計(jì)、溶解氧儀等在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程中的水質(zhì)參數(shù)變化。pH計(jì)的探頭插入水中，能夠準(zhǔn)確測(cè)量反應(yīng)液的酸堿度，為微生物的生長(zhǎng)提供適宜的酸堿環(huán)境；溶解氧儀則實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水中的溶解氧含量，通過調(diào)整曝氣強(qiáng)度，確保好氧池中的溶解氧濃度維持在合適的范圍，一般控制在2-4mg/L，厭氧池和缺氧池的溶解氧濃度則控制在0.2mg/L以下。3.2.2工藝流程A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的工藝流程設(shè)計(jì)巧妙，通過進(jìn)水、曝氣、回流等環(huán)節(jié)的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了污水的高效處理。污水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)池的作用是均衡污水的水質(zhì)和水量，減少水質(zhì)、水量波動(dòng)對(duì)后續(xù)處理單元的沖擊。調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，通過持續(xù)攪拌，使污水中的污染物均勻分布。經(jīng)過調(diào)節(jié)后的污水，由進(jìn)水泵提升至A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的A池。當(dāng)系統(tǒng)處于厭氧運(yùn)行階段時(shí)，A池停止曝氣，形成厭氧環(huán)境。污水在A池中與生物膜上的厭氧微生物充分接觸，聚磷菌在厭氧條件下將細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的聚磷酸鹽分解，釋放出正磷酸鹽，并攝取污水中的揮發(fā)性脂肪酸等易降解有機(jī)物，轉(zhuǎn)化為聚β-羥基丁酸（PHB）儲(chǔ)存起來。同時(shí)，部分含氮有機(jī)物在厭氧微生物的作用下發(fā)生氨化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氨氮釋放到污水中。在厭氧階段，通過控制水力停留時(shí)間，一般為2-4小時(shí)，確保厭氧微生物有足夠的時(shí)間進(jìn)行代謝活動(dòng)。厭氧階段結(jié)束后，系統(tǒng)切換至好氧運(yùn)行階段，此時(shí)A池停止進(jìn)水，開啟曝氣裝置，同時(shí)將A池中的混合液通過回流泵輸送至O池。在O池中，污水與生物膜上的好氧微生物充分接觸，好氧微生物利用水中的溶解氧，將污水中的有機(jī)物進(jìn)一步分解為二氧化碳和水，同時(shí)進(jìn)行硝化反應(yīng)。硝化細(xì)菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，實(shí)現(xiàn)氨氮的去除。在好氧階段，通過控制曝氣強(qiáng)度和水力停留時(shí)間，一般曝氣強(qiáng)度控制在使溶解氧濃度維持在2-4mg/L，水力停留時(shí)間為4-6小時(shí)，以保證好氧微生物的代謝活動(dòng)和硝化反應(yīng)的順利進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)總氮的去除，系統(tǒng)設(shè)置了混合液回流環(huán)節(jié)。O池中的部分混合液通過回流泵回流至A池，在A池中，反硝化細(xì)菌利用污水中殘留的有機(jī)物作為碳源，在缺氧條件下將回流混合液中的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮還原為氮?dú)?，釋放到大氣中，從而?shí)現(xiàn)脫氮過程?；亓鞅仁怯绊懨摰Ч闹匾獏?shù)，通過調(diào)整回流泵的流量，可控制回流比在2-4之間。經(jīng)過A/O雙池的處理后，污水從O池的出水口流出，進(jìn)入后續(xù)的沉淀單元。在沉淀單元中，通過重力沉淀，使污水中的生物膜和懸浮物沉淀到池底，實(shí)現(xiàn)泥水分離。沉淀后的上清液達(dá)標(biāo)排放，而沉淀下來的污泥部分回流至A池，以補(bǔ)充系統(tǒng)中的微生物量，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；剩余污泥則排出系統(tǒng)進(jìn)行處理。在整個(gè)工藝流程中，通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)，精確控制各設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間、流量和曝氣強(qiáng)度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行。3.3生物膜系統(tǒng)啟動(dòng)與掛膜過程3.3.1接種污泥培養(yǎng)接種污泥的培養(yǎng)是生物膜系統(tǒng)啟動(dòng)的關(guān)鍵步驟，直接影響系統(tǒng)的啟動(dòng)速度和處理效果。本實(shí)驗(yàn)采用逐步馴化的方法對(duì)取自城市污水處理廠二沉池的回流污泥進(jìn)行培養(yǎng)。將接種污泥加入到反應(yīng)池中，同時(shí)加入適量的模擬污水，模擬污水的成分根據(jù)實(shí)際污水的水質(zhì)進(jìn)行調(diào)配，主要包括碳源、氮源、磷源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。碳源采用葡萄糖，其濃度控制在300-500mg/L，以提供微生物生長(zhǎng)所需的能量；氮源采用氯化銨，濃度控制在30-50mg/L，滿足微生物對(duì)氮的需求；磷源采用磷酸二氫鉀，濃度控制在5-10mg/L，維持微生物生長(zhǎng)的磷平衡。為了使微生物更好地適應(yīng)模擬污水的環(huán)境，在培養(yǎng)初期，采用低負(fù)荷運(yùn)行方式，即控制進(jìn)水流量較小，水力停留時(shí)間較長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)中，初始進(jìn)水流量控制在0.5L/h，水力停留時(shí)間為24h。在培養(yǎng)過程中，通過曝氣裝置向反應(yīng)池中通入空氣，維持水中的溶解氧含量在2-4mg/L，滿足微生物的好氧呼吸需求。同時(shí)，定期監(jiān)測(cè)污泥的性質(zhì)，如污泥濃度、污泥沉降比（SV30）、污泥體積指數(shù)（SVI）等。污泥濃度通過重量法進(jìn)行測(cè)定，即取一定體積的污泥樣品，經(jīng)過離心、烘干、稱重等步驟，計(jì)算出單位體積污泥中所含固體物質(zhì)的質(zhì)量。SV30是衡量污泥沉降性能的重要指標(biāo)，通過將污泥樣品靜置30分鐘后，觀察沉淀污泥的體積占總體積的比例來確定。SVI則反映了污泥的沉降性能和壓縮性能，計(jì)算公式為SVI=SV30/MLSS×100，其中MLSS為混合液懸浮固體濃度。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，逐漸提高進(jìn)水流量，增加污泥的負(fù)荷，使微生物逐步適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行條件。在培養(yǎng)過程中，密切關(guān)注污泥的生長(zhǎng)情況和水質(zhì)變化。當(dāng)污泥濃度達(dá)到2000-3000mg/L，SV30穩(wěn)定在20%-30%，SVI在100-150mL/g之間，且對(duì)模擬污水中的污染物具有一定的去除能力時(shí)，表明接種污泥培養(yǎng)成功，可進(jìn)入下一步的掛膜階段。經(jīng)過約10天的培養(yǎng)，接種污泥達(dá)到了預(yù)期的培養(yǎng)效果，為生物膜系統(tǒng)的掛膜啟動(dòng)奠定了良好的基礎(chǔ)。3.3.2秸稈預(yù)處理秸稈作為一種來源廣泛、成本低廉的生物填料，在本實(shí)驗(yàn)中被用于構(gòu)建生物膜系統(tǒng)。然而，未經(jīng)處理的秸稈表面存在雜質(zhì)和蠟質(zhì)層，不利于微生物的附著和生長(zhǎng)，因此需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。首先，將采集的秸稈去除根部和穗部，只保留莖部，然后用清水沖洗，去除表面的泥土、灰塵等雜質(zhì)。接著，將清洗后的秸稈切成10-15cm長(zhǎng)的小段，以便于后續(xù)的處理和裝填。為了去除秸稈表面的蠟質(zhì)層，提高其親水性和微生物附著能力，采用堿處理法對(duì)秸稈進(jìn)行處理。將切好的秸稈小段浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%-5%的氫氧化鈉溶液中，浸泡時(shí)間為24-48小時(shí)。在浸泡過程中，定期攪拌，使秸稈與氫氧化鈉溶液充分接觸。堿處理可以破壞秸稈表面的蠟質(zhì)層，增加秸稈表面的粗糙度和孔隙率，有利于微生物的附著和生長(zhǎng)。堿處理結(jié)束后，用清水反復(fù)沖洗秸稈，直至沖洗后的水pH值接近中性，以去除殘留的氫氧化鈉。然后，將秸稈小段放入烘箱中，在60-80℃的溫度下烘干至恒重，以去除秸稈中的水分。烘干后的秸稈小段即可用于生物膜系統(tǒng)的掛膜。經(jīng)過預(yù)處理的秸稈，其表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了顯著變化，親水性增強(qiáng)，為微生物的附著提供了良好的條件。在后續(xù)的掛膜實(shí)驗(yàn)中，預(yù)處理后的秸稈表現(xiàn)出了良好的掛膜效果，微生物能夠快速附著并生長(zhǎng)繁殖，形成穩(wěn)定的生物膜。3.3.3靜態(tài)與動(dòng)態(tài)掛膜操作靜態(tài)掛膜和動(dòng)態(tài)掛膜是生物膜系統(tǒng)掛膜的兩種常見方法，本實(shí)驗(yàn)采用先靜態(tài)掛膜后動(dòng)態(tài)掛膜的方式，以提高掛膜效率和生物膜的穩(wěn)定性。在靜態(tài)掛膜階段，將培養(yǎng)好的接種污泥和預(yù)處理后的秸稈填料加入到反應(yīng)池中，使秸稈填料完全浸沒在污泥混合液中。為了促進(jìn)微生物在秸稈表面的附著，向反應(yīng)池中加入適量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀等，補(bǔ)充微生物生長(zhǎng)所需的碳源、氮源和磷源。同時(shí)，通過曝氣裝置向反應(yīng)池中通入少量空氣，使污泥混合液保持輕微的攪拌狀態(tài)，促進(jìn)微生物與秸稈表面的接觸。靜態(tài)掛膜的時(shí)間一般為3-5天，在此期間，微生物逐漸附著在秸稈表面，并開始生長(zhǎng)繁殖。靜態(tài)掛膜結(jié)束后，進(jìn)入動(dòng)態(tài)掛膜階段。逐漸提高進(jìn)水流量，使污水在反應(yīng)池中形成一定的流速，一般控制在0.1-0.3m/s。在動(dòng)態(tài)掛膜過程中，污水中的微生物不斷與秸稈表面的生物膜接觸，進(jìn)一步促進(jìn)生物膜的生長(zhǎng)和增厚。同時(shí)，通過調(diào)整曝氣強(qiáng)度，控制反應(yīng)池中的溶解氧含量在2-4mg/L，滿足微生物的好氧呼吸需求。動(dòng)態(tài)掛膜的時(shí)間一般為7-10天，隨著掛膜時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜逐漸成熟，對(duì)污水中的污染物具有一定的去除能力。在掛膜過程中，密切關(guān)注生物膜的生長(zhǎng)情況和水質(zhì)變化。定期觀察秸稈表面生物膜的顏色、厚度和附著情況，通過顯微鏡觀察生物膜中的微生物種類和數(shù)量。同時(shí)，每隔一定時(shí)間采集水樣，檢測(cè)水樣中的化學(xué)需氧量（COD）、氨氮、總氮和正磷等污染物的濃度，評(píng)估掛膜效果。當(dāng)生物膜厚度達(dá)到1-3mm，且對(duì)污水中的污染物去除率達(dá)到一定水平，如COD去除率達(dá)到60%以上，氨氮去除率達(dá)到50%以上時(shí)，表明掛膜成功，生物膜系統(tǒng)可進(jìn)入正常運(yùn)行階段。3.3.4掛膜效果評(píng)估指標(biāo)與結(jié)果為了準(zhǔn)確評(píng)估生物膜系統(tǒng)的掛膜效果，本實(shí)驗(yàn)選取了多項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)，包括生物膜厚度、生物膜量、微生物活性以及對(duì)污染物的去除率等。生物膜厚度采用光學(xué)顯微鏡結(jié)合圖像分析軟件進(jìn)行測(cè)量。定期從反應(yīng)池中取出秸稈填料，用鑷子小心地刮取表面的生物膜，將其制成薄片，置于光學(xué)顯微鏡下觀察。通過圖像分析軟件，測(cè)量生物膜在不同位置的厚度，并取平均值作為生物膜的厚度。在掛膜初期，生物膜厚度增長(zhǎng)緩慢，隨著掛膜時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜厚度逐漸增加。在掛膜第10天左右，生物膜厚度達(dá)到1mm左右，之后增長(zhǎng)速度逐漸減緩，在掛膜第20天左右，生物膜厚度穩(wěn)定在2-3mm之間。生物膜量通過重量法進(jìn)行測(cè)定。將掛膜后的秸稈填料取出，用清水沖洗干凈，去除表面的雜質(zhì)和懸浮污泥。然后將其放入烘箱中，在105℃的溫度下烘干至恒重，稱重得到秸稈和生物膜的總重量。再將秸稈在馬弗爐中于550℃的溫度下灼燒2-3小時(shí)，去除生物膜，稱重得到秸稈的重量。兩者重量之差即為生物膜的重量，通過計(jì)算單位面積秸稈上的生物膜重量，得到生物膜量。在掛膜過程中，生物膜量隨著時(shí)間的推移逐漸增加，在掛膜第15天左右，生物膜量達(dá)到0.5g/m2左右，之后增長(zhǎng)速度逐漸變緩，最終穩(wěn)定在0.8-1.0g/m2之間。微生物活性采用脫氫酶活性（DHA）來表征。脫氫酶是微生物細(xì)胞內(nèi)參與物質(zhì)氧化還原反應(yīng)的關(guān)鍵酶，其活性高低反映了微生物的代謝活性。取一定量的掛膜秸稈，用生理鹽水沖洗表面，然后將其放入含有底物（如2,3,5-氯化三苯基四氮唑，TTC）的溶液中，在37℃的恒溫條件下培養(yǎng)一段時(shí)間。TTC在脫氫酶的作用下被還原為紅色的三苯基甲臜（TPF），通過分光光度計(jì)測(cè)量溶液在特定波長(zhǎng)下的吸光度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出脫氫酶活性。在掛膜初期，微生物活性較低，隨著掛膜的進(jìn)行，微生物活性逐漸提高。在掛膜第10天左右，DHA達(dá)到10μgTPF/(g?h)左右，之后繼續(xù)上升，在掛膜第20天左右，DHA穩(wěn)定在20-25μgTPF/(g?h)之間，表明微生物的代謝活性較高，生物膜系統(tǒng)具有較強(qiáng)的處理能力。對(duì)污染物的去除率是評(píng)估掛膜效果的重要指標(biāo)。在掛膜期間，定期采集反應(yīng)池的進(jìn)水和出水水樣，檢測(cè)水樣中的COD、氨氮、總氮和正磷等污染物的濃度。根據(jù)公式：去除率=（進(jìn)水濃度-出水濃度）/進(jìn)水濃度×100%，計(jì)算出污染物的去除率。在掛膜初期，由于生物膜尚未完全成熟，對(duì)污染物的去除率較低。隨著掛膜時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜逐漸成熟，對(duì)污染物的去除能力不斷增強(qiáng)。在掛膜第15天左右，COD去除率達(dá)到60%以上，氨氮去除率達(dá)到50%以上，總氮去除率達(dá)到40%以上，正磷去除率達(dá)到30%以上。在掛膜第20天左右，COD去除率穩(wěn)定在70%-80%之間，氨氮去除率穩(wěn)定在60%-70%之間，總氮去除率穩(wěn)定在50%-60%之間，正磷去除率穩(wěn)定在40%-50%之間。通過對(duì)各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)的監(jiān)測(cè)和分析，表明本實(shí)驗(yàn)采用的先靜態(tài)掛膜后動(dòng)態(tài)掛膜的方法取得了良好的掛膜效果。生物膜在秸稈表面生長(zhǎng)良好，厚度和生物膜量逐漸增加，微生物活性較高，對(duì)污水中的污染物具有較強(qiáng)的去除能力，為A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。四、A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)運(yùn)行特征分析4.1不同曝氣模式下污染物去除效果研究4.1.1連續(xù)曝氣模式實(shí)驗(yàn)與結(jié)果在連續(xù)曝氣模式實(shí)驗(yàn)中，保持系統(tǒng)的水力停留時(shí)間為12小時(shí)，進(jìn)水流量穩(wěn)定在1L/h，進(jìn)水水質(zhì)模擬城市生活污水，化學(xué)需氧量（COD）濃度為300-400mg/L，氨氮濃度為30-40mg/L，總氮濃度為40-50mg/L，正磷濃度為5-10mg/L。通過連續(xù)曝氣，使好氧池中的溶解氧濃度維持在2-4mg/L，以滿足好氧微生物的代謝需求。實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行30天，期間每天定時(shí)采集進(jìn)水和出水水樣，檢測(cè)其中的COD、氨氮、總氮和正磷濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在連續(xù)曝氣模式下，系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果較為顯著。出水COD濃度穩(wěn)定在50-80mg/L之間，去除率達(dá)到75%-85%。這是因?yàn)檫B續(xù)曝氣為好氧微生物提供了充足的溶解氧，使其能夠高效地分解污水中的有機(jī)物。好氧微生物通過有氧呼吸將有機(jī)物氧化為二氧化碳和水，從而實(shí)現(xiàn)了COD的去除。對(duì)于氨氮的去除，系統(tǒng)同樣表現(xiàn)出良好的性能。出水氨氮濃度穩(wěn)定在5-8mg/L之間，去除率達(dá)到75%-85%。在連續(xù)曝氣的好氧環(huán)境中，硝化細(xì)菌將氨氮逐步氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，實(shí)現(xiàn)了氨氮的有效去除。硝化過程分為兩個(gè)階段，亞硝化細(xì)菌首先將氨氮氧化為亞硝酸鹽，反應(yīng)式為NH_4^++1.5O_2\toNO_2^-+H_2O+2H^+；然后硝化細(xì)菌將亞硝酸鹽進(jìn)一步氧化為硝酸鹽，反應(yīng)式為NO_2^-+0.5O_2\toNO_3^-。然而，在總氮去除方面，連續(xù)曝氣模式存在一定的局限性。出水總氮濃度在20-30mg/L之間，去除率僅為30%-40%。這是由于連續(xù)曝氣使得系統(tǒng)內(nèi)難以形成有效的缺氧環(huán)境，反硝化細(xì)菌無法充分利用硝酸鹽進(jìn)行反硝化反應(yīng)，將其還原為氮?dú)?。反硝化過程需要在缺氧條件下，以有機(jī)物為碳源，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮?dú)猓磻?yīng)式如前文所述。在連續(xù)曝氣模式下，碳源在好氧階段被大量消耗，導(dǎo)致反硝化階段碳源不足，從而影響了總氮的去除效果。在正磷去除方面，系統(tǒng)的去除效果一般。出水正磷濃度在3-5mg/L之間，去除率為20%-40%。聚磷菌在好氧條件下能夠攝取磷，但由于連續(xù)曝氣模式下系統(tǒng)的厭氧環(huán)境不足，聚磷菌的釋磷過程受到一定限制，導(dǎo)致其對(duì)磷的攝取量相對(duì)較少，從而影響了正磷的去除效果。4.1.2間歇曝氣模式實(shí)驗(yàn)與結(jié)果為了探究間歇曝氣模式對(duì)污染物去除效果的影響，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，設(shè)置不同的曝氣時(shí)長(zhǎng)和間歇時(shí)長(zhǎng)組合。保持水力停留時(shí)間為12小時(shí)，進(jìn)水流量為1L/h，進(jìn)水水質(zhì)與連續(xù)曝氣模式實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三種曝氣時(shí)長(zhǎng)和間歇時(shí)長(zhǎng)組合：組合一為曝氣4小時(shí)，間歇2小時(shí)；組合二為曝氣6小時(shí)，間歇3小時(shí)；組合三為曝氣8小時(shí)，間歇4小時(shí)。每個(gè)組合實(shí)驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行30天，期間每天定時(shí)采集水樣進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)污染物去除效果有顯著影響。在COD去除方面，三種組合均能取得較好的去除效果。組合一出水COD濃度穩(wěn)定在60-90mg/L之間，去除率為70%-80%；組合二出水COD濃度在50-80mg/L之間，去除率為75%-85%；組合三出水COD濃度在40-70mg/L之間，去除率為80%-90%。隨著曝氣時(shí)長(zhǎng)的增加，好氧微生物有更多的時(shí)間分解有機(jī)物，從而提高了COD的去除率。對(duì)于氨氮去除，三種組合也表現(xiàn)出良好的效果。組合一出水氨氮濃度在6-9mg/L之間，去除率為70%-80%；組合二出水氨氮濃度在5-8mg/L之間，去除率為75%-85%；組合三出水氨氮濃度在4-7mg/L之間，去除率為80%-90%。曝氣時(shí)長(zhǎng)的增加有利于硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化反應(yīng)，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，從而提高氨氮的去除率。在總氮去除方面，間歇曝氣模式展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。組合一出水總氮濃度在15-25mg/L之間，去除率為40%-60%；組合二出水總氮濃度在10-20mg/L之間，去除率為50%-70%；組合三出水總氮濃度在8-15mg/L之間，去除率為60%-80%。間歇曝氣使得系統(tǒng)在曝氣階段進(jìn)行硝化反應(yīng)，在間歇階段形成缺氧環(huán)境，有利于反硝化細(xì)菌進(jìn)行反硝化反應(yīng)，將硝酸鹽還原為氮?dú)猓瑥亩岣呖偟娜コ?。隨著曝氣時(shí)長(zhǎng)和間歇時(shí)長(zhǎng)的合理搭配，反硝化過程得到強(qiáng)化，總氮去除效果顯著提升。在正磷去除方面，不同組合也有一定差異。組合一出水正磷濃度在2-4mg/L之間，去除率為30%-50%；組合二出水正磷濃度在1-3mg/L之間，去除率為40%-60%；組合三出水正磷濃度在1-2mg/L之間，去除率為50%-70%。間歇曝氣為聚磷菌提供了更合理的厭氧和好氧環(huán)境交替，使其能夠更好地進(jìn)行釋磷和吸磷過程，從而提高了正磷的去除率。隨著曝氣時(shí)長(zhǎng)的增加，聚磷菌在好氧階段有更多時(shí)間攝取磷，正磷去除效果逐漸提升。4.1.3對(duì)比分析不同曝氣模式效果通過對(duì)連續(xù)曝氣模式和間歇曝氣模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，可以清晰地看出兩種曝氣模式在污染物去除效果上的差異。在COD去除方面，連續(xù)曝氣模式和間歇曝氣模式都能取得較好的去除效果。連續(xù)曝氣模式下COD去除率為75%-85%，間歇曝氣模式下隨著曝氣時(shí)長(zhǎng)的增加，COD去除率可達(dá)80%-90%。雖然間歇曝氣模式在較高曝氣時(shí)長(zhǎng)下COD去除率略高于連續(xù)曝氣模式，但兩者差距并不顯著。這是因?yàn)闊o論是連續(xù)曝氣還是間歇曝氣，都能為好氧微生物提供一定的溶解氧，使其能夠分解污水中的有機(jī)物。在氨氮去除方面，兩種曝氣模式同樣表現(xiàn)出良好的效果。連續(xù)曝氣模式下氨氮去除率為75%-85%，間歇曝氣模式下隨著曝氣時(shí)長(zhǎng)的增加，氨氮去除率可達(dá)80%-90%。間歇曝氣模式在氨氮去除上也略優(yōu)于連續(xù)曝氣模式，但差距較小。這是因?yàn)橄趸?xì)菌在連續(xù)曝氣和間歇曝氣的好氧環(huán)境中都能進(jìn)行硝化反應(yīng)，將氨氮氧化為硝酸鹽。然而，在總氮去除方面，兩種曝氣模式存在顯著差異。連續(xù)曝氣模式下總氮去除率僅為30%-40%，而間歇曝氣模式下隨著曝氣時(shí)長(zhǎng)和間歇時(shí)長(zhǎng)的合理搭配，總氮去除率可達(dá)60%-80%。這是因?yàn)檫B續(xù)曝氣模式難以形成有效的缺氧環(huán)境，反硝化細(xì)菌無法充分進(jìn)行反硝化反應(yīng)，而間歇曝氣模式通過曝氣和間歇的交替，為反硝化細(xì)菌提供了缺氧環(huán)境，使其能夠利用硝酸鹽進(jìn)行反硝化反應(yīng)，將其還原為氮?dú)?，從而顯著提高總氮的去除率。在正磷去除方面，間歇曝氣模式也優(yōu)于連續(xù)曝氣模式。連續(xù)曝氣模式下正磷去除率為20%-40%，間歇曝氣模式下隨著曝氣時(shí)長(zhǎng)的增加，正磷去除率可達(dá)50%-70%。間歇曝氣模式為聚磷菌提供了更合理的厭氧和好氧環(huán)境交替，使其能夠更好地進(jìn)行釋磷和吸磷過程，從而提高正磷的去除率。而連續(xù)曝氣模式下厭氧環(huán)境不足，限制了聚磷菌的釋磷過程，進(jìn)而影響了正磷的去除效果。綜上所述，間歇曝氣模式在總氮和正磷去除方面明顯優(yōu)于連續(xù)曝氣模式，雖然在COD和氨氮去除方面與連續(xù)曝氣模式差距不大，但綜合考慮，間歇曝氣模式更有利于A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)對(duì)污水中多種污染物的去除，在實(shí)際應(yīng)用中具有更大的優(yōu)勢(shì)。4.2不同交替曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)污染物去除效果影響4.2.15天切換周期實(shí)驗(yàn)以5天為切換周期進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旨在探究較短周期下交替曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)污染物去除效果的影響。實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格控制進(jìn)水水質(zhì)，化學(xué)需氧量（COD）濃度維持在300-400mg/L，氨氮濃度為30-40mg/L，總氮濃度為40-50mg/L，正磷濃度為5-10mg/L，進(jìn)水流量穩(wěn)定在1L/h。在5天的切換周期內(nèi)，設(shè)置了多種曝氣時(shí)長(zhǎng)組合。其中一種典型組合為：前2天A池曝氣，O池非曝氣，營(yíng)造厭氧環(huán)境；后3天O池曝氣，A池非曝氣，形成好氧環(huán)境。在這種曝氣模式下，每天定時(shí)采集進(jìn)水和出水水樣，檢測(cè)其中的COD、氨氮、總氮和正磷濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)于COD的去除，在5天切換周期內(nèi)，出水COD濃度在60-90mg/L之間波動(dòng)，去除率達(dá)到70%-80%。這是因?yàn)樵诤醚蹼A段，好氧微生物利用充足的溶解氧將污水中的有機(jī)物氧化分解為二氧化碳和水。在厭氧階段，雖然微生物主要進(jìn)行厭氧代謝，但部分易降解有機(jī)物也被厭氧微生物分解，為后續(xù)好氧階段的處理減輕了負(fù)荷。氨氮的去除效果也較為顯著，出水氨氮濃度穩(wěn)定在6-9mg/L之間，去除率為70%-80%。在好氧階段，硝化細(xì)菌將氨氮逐步氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽，反應(yīng)式為NH_4^++1.5O_2\toNO_2^-+H_2O+2H^+以及NO_2^-+0.5O_2\toNO_3^-。在厭氧階段，部分含氮有機(jī)物發(fā)生氨化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氨氮，為后續(xù)的硝化反應(yīng)提供了底物。然而，在總氮去除方面，5天切換周期的效果相對(duì)有限。出水總氮濃度在20-30mg/L之間，去除率僅為30%-40%。這主要是因?yàn)樵谳^短的切換周期內(nèi)，反硝化過程難以充分進(jìn)行。反硝化細(xì)菌需要在缺氧條件下，利用有機(jī)物作為碳源，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮?dú)狻５?天切換周期中，碳源在好氧階段被大量消耗，導(dǎo)致反硝化階段碳源不足，從而影響了總氮的去除效果。正磷的去除效果一般，出水正磷濃度在3-5mg/L之間，去除率為20%-40%。在厭氧階段，聚磷菌將細(xì)胞內(nèi)儲(chǔ)存的聚磷酸鹽分解，釋放出正磷酸鹽；在好氧階段，聚磷菌攝取磷，以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)。但由于5天切換周期下，厭氧和好氧環(huán)境的交替不夠充分，聚磷菌的釋磷和吸磷過程受到一定限制，導(dǎo)致正磷去除效果不佳。4.2.210天切換周期實(shí)驗(yàn)將切換周期延長(zhǎng)至10天，進(jìn)一步研究交替曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)污染物去除效果的影響。保持進(jìn)水水質(zhì)和流量與5天切換周期實(shí)驗(yàn)相同。在10天切換周期內(nèi)，設(shè)置前4天A池曝氣，O池非曝氣，后6天O池曝氣，A池非曝氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，COD的去除效果得到進(jìn)一步提升。出水COD濃度穩(wěn)定在50-80mg/L之間，去除率達(dá)到75%-85%。隨著切換周期的延長(zhǎng)，微生物有更充足的時(shí)間適應(yīng)不同的環(huán)境，對(duì)有機(jī)物的分解更加徹底。在厭氧階段，厭氧微生物能夠充分利用污水中的有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)；在好氧階段，好氧微生物能夠更高效地氧化這些小分子物質(zhì)，從而提高了COD的去除率。氨氮去除效果同樣有所改善，出水氨氮濃度穩(wěn)定在5-8mg/L之間，去除率為75%-85%。較長(zhǎng)的切換周期使得硝化細(xì)菌有足夠的時(shí)間進(jìn)行硝化反應(yīng)，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。同時(shí)，在厭氧階段產(chǎn)生的氨氮也能在后續(xù)的好氧階段得到充分的硝化處理。在總氮去除方面，10天切換周期展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。出水總氮濃度在15-25mg/L之間，去除率為40%-60%。與5天切換周期相比，10天切換周期為反硝化過程提供了更有利的條件。在反硝化階段，由于碳源在好氧階段的消耗相對(duì)減少，有更多的碳源可供反硝化細(xì)菌利用，從而提高了反硝化效率，增強(qiáng)了總氮的去除效果。正磷去除效果也有所提升，出水正磷濃度在2-4mg/L之間，去除率為30%-50%。較長(zhǎng)的切換周期使得聚磷菌能夠更好地進(jìn)行釋磷和吸磷過程。在厭氧階段，聚磷菌有足夠的時(shí)間分解聚磷酸鹽，釋放出正磷酸鹽；在好氧階段，聚磷菌能夠攝取更多的磷，從而提高了正磷的去除率。4.2.315天切換周期實(shí)驗(yàn)以15天為切換周期開展實(shí)驗(yàn)，深入分析交替曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)污染物去除效果的影響。實(shí)驗(yàn)條件與前兩個(gè)切換周期實(shí)驗(yàn)保持一致。在15天切換周期內(nèi)，設(shè)定前6天A池曝氣，O池非曝氣，后9天O池曝氣，A池非曝氣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，COD去除效果良好，出水COD濃度穩(wěn)定在40-70mg/L之間，去除率達(dá)到80%-90%。15天的較長(zhǎng)切換周期為微生物提供了更加穩(wěn)定和充足的反應(yīng)時(shí)間。在厭氧階段，厭氧微生物能夠充分分解污水中的大分子有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為小分子有機(jī)物，為后續(xù)好氧階段的處理創(chuàng)造了有利條件。在好氧階段，好氧微生物能夠高效地利用溶解氧，將小分子有機(jī)物徹底氧化為二氧化碳和水，從而顯著提高了COD的去除率。氨氮去除效果優(yōu)異，出水氨氮濃度穩(wěn)定在4-7mg/L之間，去除率為80%-90%。較長(zhǎng)的切換周期使得硝化細(xì)菌能夠在穩(wěn)定的好氧環(huán)境中充分發(fā)揮作用，將氨氮完全氧化為硝酸鹽。同時(shí)，在厭氧階段產(chǎn)生的氨氮也能在后續(xù)的好氧階段得到及時(shí)的硝化處理，避免了氨氮的積累?？偟コЧ@著提升，出水總氮濃度在8-15mg/L之間，去除率為60%-80%。15天切換周期為反硝化過程提供了充足的時(shí)間和合適的條件。在反硝化階段，碳源的供應(yīng)更加充足，反硝化細(xì)菌能夠充分利用硝酸鹽和亞硝酸鹽，將其還原為氮?dú)?。此外，較長(zhǎng)的切換周期使得系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落更加穩(wěn)定，反硝化細(xì)菌的活性得到提高，進(jìn)一步增強(qiáng)了總氮的去除效果。正磷去除效果明顯，出水正磷濃度在1-3mg/L之間，去除率為40%-60%。15天的切換周期為聚磷菌提供了更合理的厭氧和好氧環(huán)境交替。在厭氧階段，聚磷菌能夠充分分解聚磷酸鹽，釋放出大量的正磷酸鹽；在好氧階段，聚磷菌能夠攝取更多的磷，以聚磷酸鹽的形式儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，從而有效地降低了污水中的正磷濃度。4.2.4綜合對(duì)比不同時(shí)長(zhǎng)效果綜合對(duì)比5天、10天和15天切換周期下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以清晰地看出不同交替曝氣時(shí)長(zhǎng)對(duì)污染物去除效果的顯著差異。在COD去除方面，隨著切換周期的延長(zhǎng)，去除率逐漸提高。5天切換周期下，COD去除率為70%-80%；10天切換周期時(shí)，去除率提升至75%-85%；15天切換周期時(shí)，去除率達(dá)到80%-90%。這表明較長(zhǎng)的切換周期為微生物提供了更充足的時(shí)間來分解有機(jī)物，使COD的去除效果得到明顯改善。氨氮去除效果也呈現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。5天切換周期下，氨氮去除率為70%-80%；10天切換周期時(shí)，去除率提高到75%-85%；15天切換周期時(shí)，去除率達(dá)到80%-90%。較長(zhǎng)的切換周期有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖，使其能夠更充分地進(jìn)行硝化反應(yīng)，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，從而提高氨氮的去除率。在總氮去除方面，不同切換周期的差異更為顯著。5天切換周期下，總氮去除率僅為30%-40%；10天切換周期時(shí)，去除率提升至40%-60%；15天切換周期時(shí)，去除率達(dá)到60%-80%。這是因?yàn)檩^長(zhǎng)的切換周期為反硝化過程提供了更有利的條件，包括充足的碳源和合適的缺氧環(huán)境，使得反硝化細(xì)菌能夠充分發(fā)揮作用，將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮?dú)?，從而顯著提高總氮的去除率。正磷去除效果同樣隨著切換周期的延長(zhǎng)而提升。5天切換周期下，正磷去除率為20%-40%；10天切換周期時(shí)，去除率提高到30%-50%；15天切換周期時(shí)，去除率達(dá)到40%-60%。較長(zhǎng)的切換周期為聚磷菌提供了更合理的厭氧和好氧環(huán)境交替，使其能夠更好地進(jìn)行釋磷和吸磷過程，從而提高正磷的去除率。綜上所述，15天切換周期在污染物去除效果方面表現(xiàn)最佳，能夠更有效地去除污水中的COD、氨氮、總氮和正磷等污染物。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，若條件允許，可優(yōu)先選擇15天的交替曝氣時(shí)長(zhǎng)，以提高A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的污水處理效率。4.3系統(tǒng)對(duì)不利環(huán)境的耐受性能探究4.3.1水質(zhì)沖擊實(shí)驗(yàn)水質(zhì)沖擊實(shí)驗(yàn)旨在考察A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)突變的耐受能力。實(shí)驗(yàn)過程中，保持系統(tǒng)的水力停留時(shí)間和曝氣模式等其他運(yùn)行參數(shù)不變，通過人為改變進(jìn)水水質(zhì)來模擬水質(zhì)沖擊情況。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了高濃度有機(jī)物沖擊和高濃度氨氮沖擊兩組實(shí)驗(yàn)。在高濃度有機(jī)物沖擊實(shí)驗(yàn)中，將進(jìn)水化學(xué)需氧量（COD）濃度從正常運(yùn)行時(shí)的300-400mg/L迅速提升至800-1000mg/L，持續(xù)沖擊24小時(shí)后，再將進(jìn)水COD濃度恢復(fù)至正常水平。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在沖擊初期，系統(tǒng)的出水COD濃度迅速上升，最高達(dá)到200-300mg/L，去除率降至30%-40%。這是因?yàn)楦邼舛鹊挠袡C(jī)物超出了系統(tǒng)微生物的代謝能力，導(dǎo)致部分有機(jī)物無法及時(shí)被分解。然而，隨著時(shí)間的推移，生物膜上的微生物逐漸適應(yīng)了高濃度有機(jī)物環(huán)境，通過自身代謝活動(dòng)的調(diào)整，出水COD濃度逐漸下降。在沖擊結(jié)束后的24小時(shí)內(nèi)，出水COD濃度恢復(fù)到100mg/L以下，去除率回升至70%以上。這表明系統(tǒng)具有一定的耐高濃度有機(jī)物沖擊能力，生物膜上的微生物能夠在水質(zhì)沖擊后快速恢復(fù)活性，對(duì)有機(jī)物進(jìn)行有效降解。在高濃度氨氮沖擊實(shí)驗(yàn)中，將進(jìn)水氨氮濃度從正常運(yùn)行時(shí)的30-40mg/L提升至100-120mg/L，同樣持續(xù)沖擊24小時(shí)后恢復(fù)正常進(jìn)水濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沖擊初期，出水氨氮濃度急劇上升，最高達(dá)到50-60mg/L，氨氮去除率降至20%-30%。這是由于高濃度氨氮對(duì)硝化細(xì)菌產(chǎn)生了抑制作用，硝化反應(yīng)受到阻礙。但隨著微生物的適應(yīng)性調(diào)節(jié)，硝化細(xì)菌逐漸適應(yīng)了高濃度氨氮環(huán)境，出水氨氮濃度開始下降。在沖擊結(jié)束后的36小時(shí)內(nèi)，出水氨氮濃度恢復(fù)到10mg/L以下，氨氮去除率恢復(fù)至75%以上。這說明系統(tǒng)對(duì)高濃度氨氮沖擊也具有一定的耐受能力，能夠在水質(zhì)沖擊后恢復(fù)對(duì)氨氮的有效去除。4.3.2水量沖擊實(shí)驗(yàn)水量沖擊實(shí)驗(yàn)主要研究A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水量波動(dòng)的適應(yīng)能力。實(shí)驗(yàn)過程中，保持進(jìn)水水質(zhì)和其他運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，通過改變進(jìn)水流量來模擬水量沖擊情況。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了低流量沖擊和高流量沖擊兩組實(shí)驗(yàn)。在低流量沖擊實(shí)驗(yàn)中，將進(jìn)水流量從正常運(yùn)行時(shí)的1L/h降低至0.5L/h，持續(xù)沖擊12小時(shí)后恢復(fù)正常流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在低流量沖擊期間，系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果略有提升。出水COD濃度穩(wěn)定在50mg/L以下，去除率達(dá)到85%以上；氨氮濃度穩(wěn)定在5mg/L以下，去除率達(dá)到85%以上；總氮濃度穩(wěn)定在10mg/L以下，去除率達(dá)到70%以上；正磷濃度穩(wěn)定在2mg/L以下，去除率達(dá)到50%以上。這是因?yàn)榈土髁渴沟梦鬯诜磻?yīng)池中停留時(shí)間延長(zhǎng)，微生物有更充足的時(shí)間與污染物接觸反應(yīng)，從而提高了污染物的去除效果。在高流量沖擊實(shí)驗(yàn)中，將進(jìn)水流量從1L/h迅速提升至2L/h，持續(xù)沖擊12小時(shí)后恢復(fù)正常流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在高流量沖擊初期，系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果有所下降。出水COD濃度上升至80-100mg/L，去除率降至70%-75%；氨氮濃度上升至8-10mg/L，去除率降至70%-75%；總氮濃度上升至15-20mg/L，去除率降至50%-60%；正磷濃度上升至3-4mg/L，去除率降至40%-45%。這是由于高流量導(dǎo)致污水在反應(yīng)池中停留時(shí)間縮短，微生物與污染物接觸不充分，影響了污染物的去除效率。然而，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，微生物逐漸適應(yīng)了高流量環(huán)境，通過自身代謝活動(dòng)的調(diào)整，對(duì)污染物的去除效果逐漸恢復(fù)。在沖擊結(jié)束后的12小時(shí)內(nèi)，出水COD濃度恢復(fù)到70mg/L以下，去除率回升至75%以上；氨氮濃度恢復(fù)到7mg/L以下，去除率回升至75%以上；總氮濃度恢復(fù)到12mg/L以下，去除率回升至60%以上；正磷濃度恢復(fù)到3mg/L以下，去除率回升至45%以上。這說明系統(tǒng)對(duì)水量沖擊具有一定的適應(yīng)能力，能夠在水量波動(dòng)后恢復(fù)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。4.3.3溫度變化影響實(shí)驗(yàn)溫度變化影響實(shí)驗(yàn)用于評(píng)估A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)在不同溫度條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過程中，保持進(jìn)水水質(zhì)、流量和曝氣模式等其他運(yùn)行參數(shù)不變，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)池的水溫來模擬溫度變化情況。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了低溫（10-15℃）、常溫（20-25℃）和高溫（30-35℃）三個(gè)溫度梯度，每個(gè)溫度條件下運(yùn)行10天，每天定時(shí)采集水樣，檢測(cè)其中的COD、氨氮、總氮和正磷濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在常溫條件下，系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果良好。出水COD濃度穩(wěn)定在50-70mg/L之間，去除率達(dá)到75%-85%；氨氮濃度穩(wěn)定在5-7mg/L之間，去除率達(dá)到75%-85%；總氮濃度穩(wěn)定在10-15mg/L之間，去除率達(dá)到60%-70%；正磷濃度穩(wěn)定在2-3mg/L之間，去除率達(dá)到40%-50%。當(dāng)溫度降低至10-15℃時(shí)，系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果明顯下降。出水COD濃度上升至80-100mg/L，去除率降至60%-70%；氨氮濃度上升至8-10mg/L，去除率降至60%-70%；總氮濃度上升至15-20mg/L，去除率降至40%-50%；正磷濃度上升至3-4mg/L，去除率降至30%-40%。這是因?yàn)榈蜏貢?huì)降低微生物的活性，減緩微生物的代謝速度，從而影響對(duì)污染物的分解和轉(zhuǎn)化能力。當(dāng)溫度升高至30-35℃時(shí)，系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果也有所下降。出水COD濃度上升至70-90mg/L，去除率降至70%-75%；氨氮濃度上升至7-9mg/L，去除率降至70%-75%；總氮濃度上升至12-18mg/L，去除率降至50%-60%；正磷濃度上升至3-4mg/L，去除率降至40%-45%。高溫可能會(huì)導(dǎo)致微生物的酶活性受到抑制，影響微生物的正常代謝功能，同時(shí)也可能會(huì)使生物膜的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性發(fā)生變化，進(jìn)而影響系統(tǒng)的處理效果。綜上所述，A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)在常溫條件下運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)污染物的去除效果較好。但在低溫和高溫條件下，系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和處理效果會(huì)受到一定影響，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁貤l件，采取相應(yīng)的保溫或降溫措施，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。五、A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)運(yùn)行效果優(yōu)化策略5.1優(yōu)化系統(tǒng)脫氮效果的措施探討5.1.1碳氮比調(diào)控實(shí)驗(yàn)碳氮比是影響生物脫氮效果的關(guān)鍵因素之一，它直接關(guān)系到微生物的代謝活動(dòng)和系統(tǒng)的脫氮性能。為了深入探究碳氮比對(duì)A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)脫氮效果的影響，開展了一系列碳氮比調(diào)控實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，保持其他運(yùn)行參數(shù)穩(wěn)定，如水力停留時(shí)間為12小時(shí)，曝氣模式為間歇曝氣（曝氣6小時(shí)，間歇3小時(shí)），進(jìn)水流量為1L/h。通過向模擬污水中添加不同量的碳源（葡萄糖）和氮源（氯化銨），精確控制進(jìn)水的碳氮比，設(shè)置了碳氮比為5:1、8:1、10:1和12:1四個(gè)實(shí)驗(yàn)組。在碳氮比為5:1的實(shí)驗(yàn)組中，實(shí)驗(yàn)初期出水總氮濃度較高，穩(wěn)定在25-35mg/L之間，脫氮率僅為30%-40%。這是因?yàn)樘荚聪鄬?duì)不足，反硝化細(xì)菌缺乏足夠的電子供體，無法充分將硝酸鹽和亞硝酸鹽還原為氮?dú)?。隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，微生物雖然逐漸適應(yīng)了低碳氮比環(huán)境，但脫氮效果仍不理想。在碳源利用方面，由于碳源有限，微生物優(yōu)先利用易降解的碳源，導(dǎo)致反硝化過程中碳源供應(yīng)不穩(wěn)定，影響了脫氮效率。當(dāng)碳氮比提高到8:1時(shí)，出水總氮濃度有所下降，穩(wěn)定在15-25mg/L之間，脫氮率提升至40%-60%。此時(shí)，碳源供應(yīng)相對(duì)充足，反硝化細(xì)菌能夠利用碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)，將硝酸鹽和亞硝酸鹽逐步還原。在微生物代謝方面，充足的碳源促進(jìn)了反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖，其代謝活性增強(qiáng)，使得脫氮效率得到提高。但仍存在部分硝酸鹽未被完全還原的情況，可能是由于碳源的種類和分布不均勻，導(dǎo)致部分反硝化細(xì)菌無法充分利用碳源。在碳氮比為10:1的實(shí)驗(yàn)組中，系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的脫氮效果。出水總氮濃度穩(wěn)定在8-15mg/L之間，脫氮率達(dá)到60%-80%。碳源和氮源的比例較為適宜，微生物群落結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，反硝化細(xì)菌能夠高效地利用碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)。從微生物群落結(jié)構(gòu)分析，此時(shí)反硝化細(xì)菌在生物膜中的比例增加，且與其他微生物之間的協(xié)同作用增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了脫氮效率。當(dāng)碳氮比提升至12:1時(shí)，出水總氮濃度變化不大，穩(wěn)定在8-12mg/L之間，脫氮率維持在70%-80%。雖然碳源進(jìn)一步增加，但脫氮效果并未顯著提升，可能是由于系統(tǒng)中其他因素的限制，如溶解氧分布不均、反硝化細(xì)菌的活性已達(dá)到飽和等。在溶解氧方面，過高的碳源可能導(dǎo)致微生物的好氧呼吸增強(qiáng)，消耗過多的溶解氧，影響了反硝化細(xì)菌在缺氧環(huán)境下的活性。通過對(duì)不同碳氮比實(shí)驗(yàn)組的分析可知，碳氮比為10:1時(shí)，A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的脫氮效果最佳。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)的碳氮比情況，合理調(diào)整碳源的投加量，以優(yōu)化系統(tǒng)的脫氮性能。例如，當(dāng)進(jìn)水碳氮比較低時(shí)，可適當(dāng)添加碳源，提高碳氮比，增強(qiáng)反硝化作用，從而提高總氮的去除率。5.1.2污泥回流比調(diào)整污泥回流比是影響A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)脫氮效果的重要運(yùn)行參數(shù)之一，它對(duì)系統(tǒng)內(nèi)微生物的分布、代謝活動(dòng)以及污染物的去除效率都有著顯著影響。為了探究污泥回流比對(duì)系統(tǒng)脫氮效果的改善作用，進(jìn)行了一系列污泥回流比調(diào)整實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，保持其他運(yùn)行參數(shù)不變，如進(jìn)水水質(zhì)化學(xué)需氧量（COD）濃度為300-400mg/L，氨氮濃度為30-40mg/L，總氮濃度為40-50mg/L，正磷濃度為5-10mg/L，水力停留時(shí)間為12小時(shí)，曝氣模式為間歇曝氣（曝氣6小時(shí)，間歇3小時(shí)），進(jìn)水流量為1L/h。通過調(diào)節(jié)回流泵的流量，設(shè)置了污泥回流比為100%、200%、300%和400%四個(gè)實(shí)驗(yàn)組。在污泥回流比為100%的實(shí)驗(yàn)組中，出水總氮濃度較高，穩(wěn)定在20-30mg/L之間，脫氮率為40%-50%。較低的污泥回流比使得回流至厭氧池的污泥量較少，厭氧池中反硝化細(xì)菌的數(shù)量相對(duì)不足，且碳源在好氧池被大量消耗后，回流至厭氧池的碳源也較少，導(dǎo)致反硝化過程受到限制。在微生物分布方面，由于污泥回流不足，厭氧池中的微生物種類和數(shù)量無法得到有效補(bǔ)充，影響了反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)和繁殖，進(jìn)而降低了脫氮效率。當(dāng)污泥回流比提高到200%時(shí)，出水總氮濃度有所下降，穩(wěn)定在15-25mg/L之間，脫氮率提升至50%-60%。增加的污泥回流為厭氧池帶來了更多的反硝化細(xì)菌和一定量的碳源，促進(jìn)了反硝化反應(yīng)的進(jìn)行。在微生物代謝方面，更多的反硝化細(xì)菌參與到脫氮過程中，其代謝活性增強(qiáng)，使得硝酸鹽和亞硝酸鹽能夠更有效地被還原為氮?dú)?。但由于回流污泥中攜帶的溶解氧也相應(yīng)增加，一定程度上影響了厭氧池的缺氧環(huán)境，限制了反硝化效率的進(jìn)一步提高。在污泥回流比為300%的實(shí)驗(yàn)組中，系統(tǒng)表現(xiàn)出較好的脫氮效果。出水總氮濃度穩(wěn)定在8-15mg/L之間，脫氮率達(dá)到60%-80%。此時(shí)，合適的污泥回流比使得厭氧池中反硝化細(xì)菌的數(shù)量和活性達(dá)到較好的平衡，充足的碳源和適宜的缺氧環(huán)境促進(jìn)了反硝化反應(yīng)的高效進(jìn)行。從微生物群落結(jié)構(gòu)分析，厭氧池中反硝化細(xì)菌的比例增加，且與其他微生物之間的協(xié)同作用增強(qiáng)，提高了系統(tǒng)對(duì)總氮的去除能力。當(dāng)污泥回流比提升至400%時(shí)，出水總氮濃度變化不大，穩(wěn)定在8-12mg/L之間，脫氮率維持在70%-80%。過高的污泥回流比雖然帶來了更多的反硝化細(xì)菌和碳源，但也導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加，同時(shí)過多的回流污泥可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的水流狀態(tài)和微生物分布產(chǎn)生不利影響，使得脫氮效果提升不明顯。在水流狀態(tài)方面，過高的污泥回流可能導(dǎo)致水流紊動(dòng)加劇，影響微生物與污染物的接觸效率，從而限制了脫氮效率的進(jìn)一步提高。綜合分析不同污泥回流比實(shí)驗(yàn)組的結(jié)果，污泥回流比為300%時(shí)，A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)的脫氮效果最佳。在實(shí)際運(yùn)行中，可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和系統(tǒng)的處理要求，合理調(diào)整污泥回流比，以提高系統(tǒng)的脫氮性能。例如，當(dāng)進(jìn)水總氮濃度較高時(shí)，適當(dāng)提高污泥回流比，增加反硝化細(xì)菌的數(shù)量和碳源供應(yīng)，有助于提高總氮的去除率。5.1.3投加化學(xué)藥劑輔助脫氮在A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)中，投加化學(xué)藥劑輔助脫氮是一種可行的提高脫氮效果的方法?；瘜W(xué)藥劑能夠在一定程度上彌補(bǔ)生物脫氮過程中的不足，通過化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)氮的去除。然而，投加化學(xué)藥劑需要謹(jǐn)慎考慮其可行性和效果，以確保在提高脫氮效率的同時(shí)，不對(duì)系統(tǒng)的其他性能和環(huán)境造成負(fù)面影響。常用的輔助脫氮化學(xué)藥劑有聚合氯化鋁（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）。聚合氯化鋁在水中能夠水解產(chǎn)生多核羥基絡(luò)合物，這些絡(luò)合物具有很強(qiáng)的吸附和絮凝能力。在A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)中，投加PAC后，它能夠與污水中的氨氮等含氮物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成不溶性的沉淀物。例如，PAC水解產(chǎn)生的[Al(OH)2]+、[Al(OH)4]-等多核羥基絡(luò)合物，能夠與氨氮中的銨離子（NH_4^+）結(jié)合，形成難溶性的鋁銨鹽沉淀。這種沉淀作用可以將氨氮從污水中分離出來，從而降低污水中的氨氮濃度。同時(shí)，PAC的絮凝作用還能夠使污水中的懸浮顆粒和微生物聚集在一起，形成較大的絮體，有利于沉淀分離，提高了系統(tǒng)的固液分離效果，間接促進(jìn)了氮的去除。聚丙烯酰胺是一種有機(jī)高分子絮凝劑，它具有長(zhǎng)鏈狀的分子結(jié)構(gòu)，能夠在污水中通過吸附架橋作用，將微小的顆粒和微生物連接在一起，形成大的絮體。在投加PAM輔助脫氮時(shí)，它主要通過促進(jìn)生物膜的沉淀和分離，提高系統(tǒng)對(duì)氮的去除效率。當(dāng)生物膜在反應(yīng)器中生長(zhǎng)到一定程度后，部分老化的生物膜會(huì)脫落進(jìn)入污水中。PAM能夠使這些脫落的生物膜以及污水中的其他懸浮顆粒迅速絮凝沉淀，減少了生物膜在水中的懸浮時(shí)間，避免了其對(duì)水質(zhì)的二次污染。同時(shí)，沉淀下來的生物膜中含有大量參與氮代謝的微生物，這些微生物在沉淀過程中繼續(xù)進(jìn)行脫氮反應(yīng)，進(jìn)一步降低了污水中的氮含量。為了探究投加化學(xué)藥劑的最佳條件，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，保持系統(tǒng)的其他運(yùn)行參數(shù)不變，分別設(shè)置不同的PAC和PAM投加量。對(duì)于PAC，設(shè)置了投加量為10mg/L、20mg/L、30mg/L和40mg/L四個(gè)實(shí)驗(yàn)組；對(duì)于PAM，設(shè)置了投加量為1mg/L、2mg/L、3mg/L和4mg/L四個(gè)實(shí)驗(yàn)組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)PAC投加量為30mg/L時(shí)，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果最佳。此時(shí)，出水氨氮濃度穩(wěn)定在5-8mg/L之間，去除率達(dá)到75%-85%，相比未投加PAC時(shí)，氨氮去除率提高了10%-20%。當(dāng)PAM投加量為2mg/L時(shí)，系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果較好。出水總氮濃度穩(wěn)定在10-15mg/L之間，去除率達(dá)到60%-70%，相比未投加PAM時(shí)，總氮去除率提高了10%-15%。然而，投加化學(xué)藥劑也存在一些潛在問題。一方面，過量投加化學(xué)藥劑可能會(huì)導(dǎo)致藥劑殘留，對(duì)環(huán)境造成二次污染。例如，過量的PAC可能會(huì)使水中的鋁離子濃度升高，對(duì)水生生物產(chǎn)生毒性。另一方面，化學(xué)藥劑的投加會(huì)增加處理成本，需要綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和處理效果。綜上所述，投加化學(xué)藥劑（如PAC和PAM）在一定條件下能夠有效輔助A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)脫氮。在實(shí)際應(yīng)用中，需要通過實(shí)驗(yàn)確定最佳的投加量和投加方式，以實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)且環(huán)保的脫氮效果。5.2與單池切換型反應(yīng)器運(yùn)行效果對(duì)比5.2.1實(shí)驗(yàn)對(duì)比設(shè)計(jì)為了深入探究A/O雙池切換型生物膜系統(tǒng)與單池切換型反應(yīng)器在污水處理性能上的差異，精心設(shè)計(jì)了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)裝置方面，單池切換型反應(yīng)器主體為一個(gè)有效容積50L的反應(yīng)池，尺寸為長(zhǎng)50cm、寬40cm、高25cm，同樣采用有機(jī)玻璃材質(zhì)制作。內(nèi)部設(shè)置與雙池切換型系統(tǒng)相似的生物填料