生物接触氧化法（Bio-contact oxidation）通过在系统中加入载体（即填料）使微生物附着于载体表面生长，形成质密的生物膜，在污水流经膜面时污染物得以被微生物吸收而达到净化污水的目的。该技术的专利权，在国外已有百余年的发展历史，技术已趋于成熟。作为一种高效的水处理工艺，它兼具生物膜法和传统活性污泥的工艺特点， 具有耐冲击能力强、污泥含量高、剩余污泥少、占地小、运行管理方便等工艺优点，被广泛应用于各类工业厂区及医疗机构的污水处理。
目前，采用接触氧化法的多数为一段或二段式工艺，三段及以上的虽也有一些应用但未成规模。关于多段式接触氧化法污染物去除规律及各段微生物群落结构的分布研究甚少[4-5]。相比于一、二段工艺，多段式接触氧化工艺针对原水水质突变有更好的适应性，耐冲击能力更为突出，随着污染物逐段去除，不同负荷条件下各段能聚集与之相适应的微生物种群，生物多样性增加，处理效率更高。此外，多段式接触氧化法将等量填料均匀分布于各段， 显著降低单段填料载体支架负重，避免氧化池排空检修时因负重过高导致支架垮塌，同时也增加了填料利用效率。本研究采用改性尼龙 6 材质的软性纤维填料作为生物载体，将氧化单元分为 12 段推流式连续进水，单独曝气，构建了多段式生物接触氧化系统。将重点考察不同水力停留时间（HRT）下污染物在各段单元格的去除情况，并通过对填料表面附着污泥的镜检，考察微生物在各段的种群分布规律，以期为后来多段式接触氧化法的研究与应用提供数据支持和技术参考。
1 实验部分
1.1 实验装置及流程
实验装置主要有 3 部分组成，即进水罐、主反应池和曝气设备，见图1。
原水首先由潜水泵打入进水罐，后经计量泵提升至主反应器，流入主反应器的原水经初沉池沉淀后溢流至接触氧化区，在 12 段接触氧化池之间，水流以底部联通和顶部溢流 2 种方式交替递水，可避免短流并在很大程度上增加了水流和填料接触的时间。在每格氧化池底部均设有曝气盘，曝气强度可单独调节，同时每格设排泥口，防止污泥沉积。氧化池处理后的水最终流入二沉池经沉淀后出水。
1.2、进水水质
进水取自北方某开发区污水厂细格栅后的旋流沉砂池，其中生活污水与工业废水的体积比为 6:4。COD 为155～200mg/L，BOD5为65～100mg/L，pH为 7.0～8.0，NH4+-N 质量浓度为 20.0～35.0 mg/L，COD/ρ(TN)在 4～5，与一般生活污水水质较为接近。
1.3、实验步骤
1）挂膜。装置调试正常后，从污水厂污泥储池抽取活性污泥约 2 m3（未经加药）至装置接触氧化区前 6格，启动计量泵以大流量对反应器进水，并启动曝气，使已适应无需驯化的活性污泥均匀的附着接种于填料细丝的表层。当水流顺流充满后 6 格氧化区，随即调低进水体积流量至 0.101 m3/h 并连续进水。经 10 d 培养后，COD 去除效果趋于稳定，即挂膜成功。
2）运行。设置第 1 阶段的 HRT 为 12 h 连续进水，进水体积流量为 0.335 m3/h，监测进、出水 COD、NH4+-N 含量及微生物相。第 2 阶段设置 HRT 为 24 h连续进水，进水体积流量为 0.166 m3/h，监测指标同
第 1 阶段。
1.4 分析方法
NH4+-N 含量按 HJ 535－2009（TU-1810 型紫外分光光度计）进行测定[6]。DO 含量采用多水质参数测定仪（HACH-HQ40 型），COD 采用便携式 COD 测定仪进行测定，微生物相的镜检采用高倍生物显微镜（Olympus BX53 型）进行观察。
2、结果与讨论
2.1 挂膜阶段
采用直接挂膜法进行实验，接种的污泥量占接触氧化区有效容积的 50%。实验过程中连续进水并不断曝气，在剪切力的作用下接种污泥与填料细丝充分接触并附着其上。以 COD 去除率作为判断挂膜状态的指示参数，挂膜期间反应器进、出水 COD及去除率变化情况如图 2 所示。由图 2 可知，在生物膜培养期间，进水 COD 在160～185 mg/L 小幅波动，为生物膜生长提供了比较稳定的碳源补给。连续进水培养前 3 d，COD 去除率在 64%～69%，无明显提升，系统处于附着接种状态。第 4 天去除率有较大提升，第 6 天去除率就已首
次达到 80%，10 d 后去除率稳定在 80%以上，即挂膜成功。此时观察填料外观可发现其表面已附着了较厚一层生物膜，随水流方向各段反应器生物膜厚度逐渐递减。
与传统工艺相比，该工艺得益于更大的填料比表面积挂膜速度更快，多段连续的氧化单元构造也使得挂膜过程更稳定，在碳源保证的前提下，随挂膜时间增加，COD 去除率具有稳定的提升趋势。
2.2 HRT 对去除污染物的影响
有研究表明，HRT 是影响活性污泥系统稳定运行的重要参数，将直接影响系统对污染物的去除效果。为了考察反应器在不同 HRT 下的污染物去除规律，实验先后进行了相对较短（12 h）与较长（24 h）2 种 HRT 下进出水 COD、NH4+-N 含量的监测，如图3 和图 4 所示。
由图 3 可知，系统运行期间，2 种 HRT 下进水COD 相差不大，均维持在 150～180 mg/L，经系统处理后，HRT 分别为 12、24 h 时出水 COD 平均分别在 27.0、17.1 mg/L，均已达到 GB 18918－2002 一级A 标准（以下简称“一级 A”） COD 小于 50 mg/L要求[7]。相对于 HRT 为 12 h，HRT 为 24 h 时能多去除平均 5.5%的 COD 量。在 COD 去除率随时间变化的规律上，2 种 HRT 下规律大体一致，均呈现先低后高的变化趋势，主要原因是设置或改变 HRT 后氧
化池内的细菌及原后生动物对于营养物含量的有适应过程，与新适应的微生物的世代周期也有较大关系。调整初期去除率波动相对明显，运行 10～13 d 后，系统 COD 去除率开始稳定，25 d 后，HRT 为 24 h下 COD 去除率甚至可达 93.5%。此时改变进水负荷，仍可以得到稳定而良好的出水效果。
由图 4 可知，因原水掺混较大比例的生活污水，系统运行期间，2 种 HRT 下进水 NH4+-N 质量浓度均波动明显，在 20～40mg/L，HTR 为 24h 时进水 NH4+-N含量略低于 HTR 为 12 h 时。从监测结果来看，初期2 种 HRT 下 NH4+-N 去除效果均不理想，具有较大波动，在运行 3～7 d 后，NH4+-N 去除效果开始趋于稳定，HRT 为 24 h 时 NH4+-N 的去除效果明显较好，此时2种HTR下出水均能达到一级 A 对 NH4+-N的质量浓度小于 8 mg/L 的要求。
在HRT为12h运行18d后，改连续进水为长周期（HRT为12h）间歇进水进行实验，发现NH4+-N去除率急剧下降，出水 NH4+-N 的质量浓度上升至13.13 mg/L。在第 1～4 段接触氧化单元淹没液面观察到有部分黑色悬浮状污泥并伴有絮状泡沫，可知在进水长间歇期，由于营养物缺乏，部分原本适应营养物含量的微生物死亡，并从填料表面脱落形成悬浮状污泥，随后经过各段曝气剪切力的作用下，以碎屑的形式排出反应器，造成污泥流失，从而影响了系统 NH4+-N 去除效果。
2.3 各接触氧化段污染物去除规律
在2种 HRT 运行达到各自工况下稳定期时，对反应器进水（0）、12 个接触氧化段及出水进行 COD 和 NH4+-N 含量的监测，结果如图 5 和图 6所示。
这一规律同样反映在 NH4+-N 含量上。由图 6 可知，2 种 HRT 下，在第 5～10 接触氧化段 NH4+-N 含量均呈线性下降的趋势，但 HRT 为 24 h 时 NH4+-N去除率更高；而在第 11～12 段 NH4+-N 去除率低于12 h，NH4+-N 含量下降逐渐放缓，其原因也与上述COD 在后段回升类似。此外，由于进水端 DO 含量控制较低，硝化作用被抑制，2 种 HRT 下在第 1～5段 NH4+-N 基本无去除效果，对 NH4+-N 的去除规律沿各段去除规律基本一致，均在第 12 段后达到一级A 的 NH4+-N 质量浓度小于 8 mg/L 的要求。
2.4 微生物相镜检
在系统稳定后，对第 1～12 接触氧化段进行多次连续生物相镜检，研究各段填料表面剥落的生物
膜和水中主要的微生物种群，结果如表 1 所示。
由表 1 可知，共发现 13 种主要微生物。HRT 为12 h 时，1～4 段主要以丝状菌、草履虫和累枝虫等好氧性细菌及小型原生生物为主，填料上附着的污泥外观呈黑色并有粘稠感，厚度可达 0.8～1.0 cm。实验中发现，若第 1～4 段 DO 含量降低将导致前段丝状菌数量显著增加。第 4～8 段后轮虫、桡足虫、线虫等后生生物开始出现并逐渐成为主要微生物种群，与原生生物一起构成系统微生物最丰富段，此阶段物污染物去除效果最稳定。第 9～12 段后水丝蚓、水蚤和摇蚊幼虫等体型稍大的后生生物开始出现，而原生生物逐渐消失。这些后生生物体长在 5～8mm，可通过肉眼进行观察。张建男的研究表明，水蚤具有一定的捕食细菌和减量污泥的能力[8]；祁伟的研究表明水丝蚓的活动具有较强的污泥减量和改善污泥沉降性效果。
改变 HRT 为 24 h 后，初期 2 周内填料上微生物相分布无明显变化，2 周后接触氧化单元后段后生生物开始逐渐前移。整个接触氧化段仍然呈由细菌到后生生物的递变规律。显著变化的特征有：1）单位体积内水丝蚓数量增多；2）单位体积水蚤数量减少；3）单位体积内摇蚊幼虫数量增多；4）第 7 段之后开始出现腹足类动物（附着在填料、箱体表面）；5）种群最丰富段由第 7～8 段前移至第 4～5 段；7）部分后生动物如轮虫、线虫，个体尺寸增大。
生态学研究表明，食物链中能量在相邻营养级之间传递效率仅为 10%～20%[10-11]。利用能量在高低营养级之间的传递损失，延长食物链来获得最大的污泥削减效果近年来已成为污泥减量研究领域的热点。本工艺系统从进到出沿水流方向均构成了由细菌到原生生物再到后生生物的食物链捕食关系，在HRT 为 12 h 运行期间，处理污水体积为 352 m3，产生剩余污泥干 8.67 kg，折算产泥量为 24.6 g/m3。HRT 为 24 h 运行期间处理污水体积 228 m3，产生污泥干 1.84 kg，折算产泥量仅为 8.07 g/m3，具有良好的污泥减量效果。
3、结 论
多段式接触氧化法对生活与工业混合污水的处理效果良好，在 HRT 为 12 h 或 24 h 处理后，COD、NH4+-N 含量均能达到 GB18918－2002 的一级 A 要求，出水效果稳定。与传统工艺相比，多段式接触氧化工艺挂膜速度更快，挂膜期间 COD 去除率稳步提升，波动较小。温度合适时，经 6 d 培养，污水 COD 去除效果可达80%，10 d 后即可稳定运行。HRT 是影响多段式接触氧化法处理效果的重要因素，HRT=24 h 时 COD、NH4+-N 处理率明显高于 HRT=12 h。但是过长的停留将导致后段氧化单元后生生物如摇蚊幼虫、腹足类动物增殖，虽然在一定程度上可优化污泥沉降性能、降低污泥产率，但也会影响污染物去除效果，需适当缩短 HRT。
多段式的构造可增加系统耐负荷能力，但工况改变后，也需更长时间适应变化达到稳定，经监测该工艺一般需要 10～13 d。
长周期间歇进水方式不适用于多段式接触氧化法，当系统内营养物缺乏时将导致系统内微生物死亡、污泥流失，破坏微生物平衡影响处理效果。多段式接触氧化法处理污水时，自进水到出水逐段将构成由细菌到原生生物再到后生生物的食物链式种群结构，具有良好的污泥减量效果，增加 HRT有利于增加各段微生物种群丰富度并能显著提升系统污泥减量能力。
作者：刘昌强，吴俊奇，崔勇，孙震，赵清波，徐捷
