我国大多数城市污水处理厂以二级处理工艺为主，二级处理常采用活性污泥法工艺或生物膜法工艺，如：A²/O工艺、A²/O²工艺、氧化沟和SBR等^〔1〕。二级处理工艺对易降解有机物和NH₄⁺-N等具有较好的去除效果，但是NH₄⁺-N转化为NO₃^--N后，由于缺氧环境难以控制和碳源供给不足等问题，导致污水处理厂二级出水（简称尾水）中的NO₃^--N和TN浓度较高，成为各个污水处理厂较为棘手的难题。尾水中的COD较低且难以降解，给尾水深度脱氮和污水处理厂提标改造带来了较大的难度^〔2〕。尾水深度脱氮方法通常包括高级氧化技术、混凝技术、吸附技术、过滤技术、生态工程技术等，但基于成本、环境友好程度和去除效果等角度考虑^〔3〕，目前主要采用的方法存在一定的问题，急需升级改造。由于尾水中各类组分共存，采用单一技术很难获得较好的效果，采用复合技术将成为以后发展的趋势。

功能性微生物（硝化菌和反硝化菌）通过硝化和反硝化过程去除含氮化合物是最有效、最经济的生物处理工艺。城市生活污水厂进水普遍存在COD浓度偏低和TN浓度偏高的现象，属于典型的低碳氮比污水，反硝化过程需要易降解的碳源作为电子供体，而尾水中的内源碳（残余有机物）难以生物降解且数量非常有限，导致反硝化可用碳源数量严重缺乏^〔4〕。补充液体碳源增加尾水生物脱氮所需要的碳源，取得了良好的效果，被广泛采用，但是易出现过量问题，且费用较高。

近些年，固相反硝化技术被广泛应用于低碳氮比水体脱氮过程中，固体碳源既能作为碳源，也能作为微生物载体，克服了传统脱氮工艺过程中投加液体碳源容易出现过量问题和微生物量不足的诸多缺点^〔5〕。利用多羟基烷酸酯（PHA、PLA、PBS等）和天然纤维素物质（麦秸、树枝、稻草）等可生物降解物质作为生物膜载体和碳源，从尾水中去除含氮化合物，取得了较多的研究成果^〔6-8〕。但由于多羟基烷酸酯费用较高，不利于推广应用，天然纤维素物质取材广泛、造价低廉有利于推广，值得研究。天然纤维素物质作为生物膜载体和碳源去除城市污水中的TN，研究结果发现TN去除率能有一定程度的提高，但试验初期出水浊度和色度均较高，水解产物中高分子有机物较多，进一步降低其分子质量有望实现污水净化处理成本降低或天然纤维素物质的资源化^〔8〕，利于提高出水水质。此外，尾水中残留的COD属于难生物降解有机物，提高其可生化性，有望实现高效去除或被作为反硝化碳源。因此，提高固相反硝化脱氮技术在尾水深度处理中的脱氮效果，必须要从提高尾水中残留的COD和天然纤维素物质水解产物这2种碳源的可生化性入手。

紫外辐照（UV）普遍应用于污水高级氧化技术中，紫外辐照能将大分子有机物转化为相对简单的中间产物和更简单的最终产物，提高了有机物的可生化性，有利于降低色度和提高污水的可生化性。紫外辐照和生物反应器（UV/B）组合工艺常常被应用去除一种或多种复杂有机物质（如吡啶、苯酚和2，4，6-三氯苯酚）^〔9-10〕，取得了较好的效果。而本研究开发了一种在紫外辐照情况下，以丝竹为生物载体和主要碳源的复合生物脱氮反应器，用于深度去除尾水中的总氮和COD。以无紫外辐照的丝竹填料生物反应器（B）为对照组，研究UV/B去除尾水中总氮和COD的效果和特性。此外，还研究了NO₃^--N的去除效果随水温、pH、溶解氧（DO）和进水浓度变化的特征，以期为尾水的深度处理和水质提标提供一定的参考和借鉴。

将多年生毛竹制作成20 mm×5 mm× 1 mm规格的丝竹，丝竹做成后用自来水连续浸泡7~10 d，每天换水1次，使丝竹组织内的水溶性物质自然释放出来，浸泡后的丝竹在强烈的阳光下暴晒1~2 d，备用。丝竹的特性参数如下：孔隙率为80.4%；比表面积为118.1 m²/m³；容重为1.1 kg/L。

生物膜反应器是一种内循环流态的反应器，以丝竹作为生物膜载体和碳源，反应器顶端安装了1个紫外辐照灯（UV灯），反应器流程见图1。

当开启反应器顶部UV灯时，即视为UV/B反应器；当关闭反应器顶部UV灯时，即视为B反应器。反应器有效容积为40 L，其中顶部泥水分离区（7 L）、底部泥水混合区（3 L）、中部生化反应区（30 L），生化反应区通过导流作用分隔成升流区和降流区（各15 L），底部由气泵供气。取自某污水处理厂的尾水倒入水箱中进行初步沉淀后由蠕动泵泵入反应器底部，培养驯化期间先进行闷曝7 d，每天换水1次；接种污泥取自某污水处理厂外回流污泥，接种后反应器内MLSS为2 552~3 621 mg/L，连续培养驯化后，丝竹表面形成了稳定的生物膜结构，大量的污泥吸附到丝竹载体表面，没有附着到丝竹表面的活性污泥则被外排去除。空气被泵入反应器底部，反应器顶部水中DO为3.5~4.5 mg/L；试验过程中水温为13~28 ℃。

UV灯安装在水面上方10 cm处，基本参数：波长为253.7 nm，功率为50 W，光强为1.2 mW/cm²。

尾水水质见表1。

另外，悬浮固体（SS）为72.5~144.5 mg/L，pH为6.8~8.3，DO为2.5~3.4 mg/L。本实验分为2个对比阶段：（1）生物降解阶段（B阶段）。考察丝竹填料生物膜反应器去除尾水中含氮化合物和有机物的去除效果。实验条件：pH为6.8~8.3，HRT为5 h，水温为20~28 ℃；（2）紫外/生物降解阶段（UV/B阶段）。研究该阶段含氮化合物和有机物去除效果。实验条件：pH为7.0~8.2，HRT为5 h，水温为13~22 ℃。

含氮化合物浓度分析前通过0.45 mm孔径的膜过滤器过滤，COD、BOD浓度取上清液分析（30 min），水样采集后2 h内进行检测，所有数据均取3次平均值。含氮化合物（包括NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N）采用PIC-10A型离子色谱仪（青岛普仁）测定；TN和COD、BOD参照国家环保总局的标准方法测定；水温、pH、DO等采用Oxi300i型便携式多水质参数仪测定（德国WTW）测定。

丝竹表面微观结构采用6380LV型电子显微镜分析（日本电子株式会社），在K700型体视显微镜下（德国麦克奥迪）观察丝竹宏观表面结构变化。

2个阶段含氮化合物的去除效果见图2。

由图2可知，进水TN为22.4~26.8 mg/L。在UV/B阶段，出水TN为4.20~6.51 mg/L，TN去除率为73.3%~83.2%，TN平均去除率为77.9%；在B阶段，出水TN为5.87~7.95 mg/L，TN去除率为66.6%~ 75.2%，TN平均去除率为68.8%。

进水NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N分别为11.4~14.9、7.1~10.7、0.67~1.09 mg/L。在UV/B阶段，出水NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N分别为3.04~5.26、0.76~1.78、0~0.20 mg/L，NH₄⁺-N、NO₃^--N去除率分别为60.5%~78.1%、81.1%~92.2%，平均值分别为68.0%、86.5%；在B阶段，NH₄⁺-N、NO₃^--N、NO₂^--N最终质量浓度分别为4.23~5.91、1.14~1.69、0.09~0.139 mg/L，NH₄⁺-N和NO₃^--N去除率分别为51.0%~63.6%和78.3%~85.6%，NH₄⁺-N和NO₃^--N平均去除率分别为53.8%和80.6%。与UV/B阶段相比，B阶段NO₂^--N平均积累量高一些。UV/B阶段与B阶段TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N去除率差异显著（P < 0.05）。

UV/B阶段与B阶段进水TN、NH₄⁺-N浓度均未达到《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，但最终出水TN、NH₄⁺-N远低于排放限值（≤15 mg/L和≤8 mg/L）。

COD和BOD的去除效果见图3。

由图3可知，进水COD和BOD分别为85~145 mg/L和17~42 mg/L。B阶段COD去除率为78.9%~88.9%（COD平均去除率为84.2%），BOD去除率为29.7%~55.0%（BOD平均去除率为43.7%）；UV/B阶段COD去除率为80.0%~91.3%（COD平均去除率为87.2%），BOD去除率为40.9%~81.0%（BOD平均去除率为61.6%）。B阶段和UV/B阶段出水COD和BOD均满足《城市污水处理厂污染物排放标准》（GB 18919—2002）一级A标准。UV/B阶段与B阶段BOD去除率差异显著（P < 0.05），COD去除率差异不显著（P > 0.05）。

与B阶段相比，UV/B阶段COD去除率提高了3.0%以上，BOD去除率提高了17.9%以上，说明紫外辐照可以强化COD和BOD的去除效果。丝竹表面的生物膜对有机物进行降解，丝竹水解产物和尾水中残留的有机物在内循环作用下被反复紫外辐照催化，并与生物膜反复接触氧化，最终达到去除的目的。根据相关理论，每去除1 g NO₃^--N需要消耗3.26 g SCOD（溶解态的COD），丝竹表面生物膜厚度一般较厚，存在生物反硝化缺氧环境，生物反硝化可以消耗一定量的碳源。

实验过程中竹丝填料表面的结构变化见图4。

由图4可知，原始丝竹表面结构光滑而致密；丝竹在使用6个月后，其表面被生物分解形成许多不规则孔洞（孔洞大小不一、形态不规则），大部分孔洞洞口大小介于50~550 μm之间。

原竹与实验所用竹的SEM见图5。

由图5可知，使用后丝竹表面纤维结构与原竹相比发现，竹纤维可以被微生物分解，丝竹分解产物是一系列结构复杂的化合物（中间产物或最终产物），该复杂结构的化合物可以被紫外辐照后降低其结构复杂程度，被微生物分解和利用。

UV阶段，将固定在丝竹表面的微生物膜和反应器顶部的紫外辐照分开，在保证微生物膜不受侵害的基础上，利用内循环结构使尾水中残留的有机物和丝竹分解产物反复矿化和分解，改善有机物的可生化性，从而改善生物膜增殖和反硝化所需底物的可生化性。

丝竹作为固相反硝化过程中的载体和碳源，具有生物膜质量大、生物载体成本低廉、曝气量小、剩余活性污泥少等特点，同时还能节省脱氮过程中所需要的碳源投加费用。而且丝竹为载体和碳源的紫外辐照和生物膜氧化协同的反应器深度处理尾水是可行的，耗电量也较低。

（1）相比于B阶段，UV/B阶段对TN、NO₃^--N、NH₄⁺-N、COD、BOD等污染物去除率更高，并获得较低的NO₂^--N积累量。紫外辐照可以提高碳源的可生化性，改善反应器对TN、NO₃^--N、COD、BOD的去除/转化效果。

（2）丝竹表面整齐的纤维结构会在反应过程被生物降解和破坏，其分解产物可以作为尾水深度脱氮所需碳源的有益补充。

（3）反应器采用内循环流态，耦合了紫外辐照与固相反硝化过程，实现了固相反硝化过程的优化，也提高了尾水深度处理的效果，为污水处理厂的升级改造提供参考。