復(fù)合填料曝氣生物濾池凈化校園化糞池出水中的營養(yǎng)鹽

張雁秋，曹文平，汪銀梅，孫　玲，蔣金龍，陳　靜

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州　221116；2.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州　221018；

3.淮陰工學(xué)院 江蘇省凹土資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安　223003)

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復(fù)合填料曝氣生物濾池凈化校園化糞池出水中的營養(yǎng)鹽

張雁秋1，曹文平2，汪銀梅2，孫玲2，蔣金龍3，陳靜3

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州221116；2.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州221018；

3.淮陰工學(xué)院 江蘇省凹土資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 淮安223003)

摘要：以校園化糞池出水為處理對(duì)象，對(duì)比研究了2組不同填料的平行曝氣生物濾池(BAF)的凈化效果和特性.試驗(yàn)結(jié)果表明：兩組平行的BAF均能有效去除水體中的營養(yǎng)鹽(N，P)；竹絲和凹土陶粒復(fù)合填料BAF氨氮、總氮、總磷平均去除率達(dá)到89.5%、90.5%、93.7%，而竹絲基質(zhì)填料BAF平均去除率為78.7%、81.8%、84.4%.可能存在的原因是：1)復(fù)合填料具有更加復(fù)雜的表面孔隙系統(tǒng)造就更為復(fù)雜的微生物體系；2)竹絲填料使用過程中降解減少，微生物量在一定程度上比復(fù)合填料減少.

關(guān)鍵詞：曝氣生物濾池(BAF)；凹土陶粒；竹絲填料；化糞池出水；營養(yǎng)鹽

曝氣生物濾池(biological aerated filter, BAF)是上個(gè)世紀(jì)90年代后開始在國內(nèi)被廣泛使用的水質(zhì)凈化技術(shù)，屬于生物膜范疇，被應(yīng)用于污水生物處理和微污染水源水預(yù)處理[1].其基本原理是水質(zhì)凈化過程中污染物與BAF中填料上的微生物膜發(fā)生吸附、過濾、礦化、轉(zhuǎn)化和氧化等復(fù)雜的生物化學(xué)過程，使污染物從水體中分離出來而達(dá)到水質(zhì)凈化的目的[2-3].

傳統(tǒng)的BAF系統(tǒng)通常填充單一的陶粒填料作為濾料，可能是因?yàn)樘樟１砻娼Y(jié)構(gòu)粗糙度不夠(反沖洗磨損)而導(dǎo)致水質(zhì)凈化效果不佳，也可能因?yàn)樘樟１砻娼Y(jié)構(gòu)較為單一，生物的附著量、豐富度等有限，特別是隨著除磷脫氮排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷嚴(yán)格化，BAF因?yàn)樗w中缺乏可用碳源使除磷脫氮效果欠佳.孫燦燦等[4]已經(jīng)證實(shí)采用單一填料BAF系統(tǒng)處理生活污水的效果較差，尤其總氮的去除效果較差.選擇一種既能克服單一濾料的缺點(diǎn)，又能改善水體脫氮碳源不足的方法是值得探討的問題.利用天然纖維素物質(zhì)(竹絲填料)作為固體碳源強(qiáng)化水體的生物脫氮已經(jīng)有了較多研究，而且固體碳源具有良好的“按需供給”的特點(diǎn)，可解決液體碳源二次污染、費(fèi)用較高、安全性不足等問題[5-6].徐州周邊具有大量的凹土資源可以資源化利用，用它做成填料(新型的凹土陶粒)，減小了以黏土、頁巖等做填料所造成的環(huán)境破壞.

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)水樣

1.2反應(yīng)器和填料

竹絲填料：由毛竹自行加工裁剪而成，為20 mm×4 mm×1 mm的長方體，表觀密度為1060 kg/m3，比表面積為3.9 m2/g，孔隙率為70%，其預(yù)處理方法參考文獻(xiàn)[6].

凹土陶粒：由凹土(購于南京森貝伽生物科技有限公司)、面粉和鐵屑混合焙燒而成，填料粒徑為4～6 mm，表觀密度為1900 kg/m3，比表面積為4.8 m2/g，孔隙率約為50%，竹絲填料與凹土陶粒體積比為1∶2，混合孔隙率為60%.

BAF：高度25 cm，內(nèi)徑20 cm，有效容積6 L，2個(gè)平行的BAF分別填充單一的竹絲填料、復(fù)合的竹絲填料和凹土陶粒.每個(gè)BAF中放置兩株等高、生長狀況大約相同的美人蕉，株高約為15 cm，葉子呈翠綠色.BAF由底部進(jìn)水，并由穿孔管布水器均勻布水，頂部出水，并以出水口作為取樣口，利用風(fēng)機(jī)(型號(hào)ACO-003，南京森貝伽生物科技有限公司)由底部充氧曝氣，同樣由穿孔管布?xì)馄骶鶆虿細(xì)?

試驗(yàn)的調(diào)試時(shí)間為2015年4月10日—5月7日，采用強(qiáng)化自然連續(xù)流掛膜法，在化糞池出水中加入100 mg/L工業(yè)葡萄糖，改善調(diào)試過程中的有機(jī)物供應(yīng)，試圖實(shí)現(xiàn)“葡萄糖”效應(yīng)，縮短調(diào)試時(shí)間，直到竹絲填料和凹土陶粒上出現(xiàn)大量的群居鐘蟲和少量的輪蟲，并穩(wěn)定7 d左右，調(diào)試階段結(jié)束.進(jìn)入試驗(yàn)過程，取消工業(yè)葡萄糖加入，采用化糞池出水作為進(jìn)水，整套設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，污水在池內(nèi)平均停留時(shí)間為3～4 h，溶解氧保持在3 mg/L左右.

1.3實(shí)驗(yàn)及分析方法

1)凹土陶粒、竹絲填料的制作.凹土陶粒的制作是采用凹土、面粉和鐵屑，質(zhì)量配比為70%、15%、15%，之后加入總混合物質(zhì)量70%的蒸餾水混合.具體實(shí)施方式如下：取定量凹土過100目的樣篩，加一定量的面粉和鐵屑(過18目)與水混合，晾干后在105 ℃的鼓風(fēng)箱中干燥1 h，取出后放入馬弗爐里焙燒.其中預(yù)熱溫度為600 ℃，預(yù)熱時(shí)間為20 min，焙燒溫度1000 ℃，焙燒時(shí)間2 h.經(jīng)多次試驗(yàn)，效果良好.竹絲填料的制作可參考文獻(xiàn)[6].

2)將美人蕉分別種植于兩種BAF中，觀察美人蕉的生長情況(用卷尺測量).

2結(jié)果與討論

圖1　兩種BAF的NH+4-N去除效果對(duì)比圖

2.2TN的去除效果和比較

圖2是竹絲填料和凹土陶粒與竹絲復(fù)合填料BAF凈化水體中TN的效果圖.

由圖2看出，TN進(jìn)水濃度為18.20～49.50 mg/L，竹絲填料BAF出水濃度降為2.25～28.40 mg/L，平均去除率為81.8%；凹土陶粒與竹絲復(fù)合填料BAF出水濃度降為1.02～12.60 mg/L，平均去除率為90.5%.復(fù)合填料BAF對(duì)TN平均去除率比竹絲填料BAF高出2.3倍.這可能是因?yàn)閮蓚€(gè)BAF均可以為生物脫氮提供碳源，保證生物反硝化和脫氮效果，然而，凹土陶粒孔隙結(jié)構(gòu)比竹絲填料表面孔隙結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，而且生物吸附界面也相對(duì)穩(wěn)定；竹絲填料是可生物降解的填料，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，它會(huì)因生物降解而減少，使生物的附著面減少，從而影響生物降解速率和效果[8-9].

2.3TP的去除效果和比較

圖3為竹絲填料和凹土陶粒與竹絲復(fù)合填料BAF凈化水體中TP的效果圖.

圖3　兩種BAF的TP去除效果對(duì)比圖

由圖3可知，凹土陶粒與竹絲復(fù)合填料BAF比竹絲填料BAF的處理效果更好.TP進(jìn)水濃度為0.71～3.48 mg/L，經(jīng)過竹絲填料BAF作用后，出水濃度降為0.05～1.99 mg/L，平均去除率為84.4%;而經(jīng)過凹土陶粒與竹絲復(fù)合填料BAF作用后，出水濃度降為0.01～0.84 mg/L，平均去除率為93.7%.復(fù)合填料BAF的凈化效果高出2.4倍.

植物根系的截留與BAF填料的過濾沉淀作用是磷素污染物的主要去除途徑，由于復(fù)合填料BAF中引進(jìn)了凹土陶粒與竹絲填料，一方面增加了濾池填料的吸附性能和微生物附著場所，使得聚磷菌的種群數(shù)量及活性進(jìn)一步提高，從而增加了生物作用對(duì)除磷的貢獻(xiàn)率;另一方面也在濾池內(nèi)部形成了多級(jí)厭氧-好氧交替區(qū)，這正是生物除磷必不可少的環(huán)境條件，再協(xié)同植物根系的吸收作用，復(fù)合填料的除磷效果因此更加明顯.

3結(jié)語

2)復(fù)合填料BAF去除營養(yǎng)鹽表現(xiàn)出良好的效果，明顯優(yōu)于單一填料.說明復(fù)合填料的試驗(yàn)研究可以為BAF工藝研究和開發(fā)新工藝提供有益參考.

3)在復(fù)合填料BAF系統(tǒng)中，植物、竹絲和凹土陶粒形成耦合作用，達(dá)到生物脫氮的強(qiáng)化過程.植物以竹絲和凹土陶粒為基質(zhì)強(qiáng)勁生長和為BAF造景，并在基質(zhì)中形成缺氧、厭氧和好氧微環(huán)境；竹絲為生物反硝化提供碳源及植物生長需要的微量元素，植物和碳源為竹絲上的微生物提供氧氣和同化作用的物質(zhì)來源；竹絲釋放的碳源和污水中的內(nèi)源碳為凹土陶粒表面的生物反硝化提供物質(zhì)供給.

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬軍,邱立平.曝氣生物濾池及其研究進(jìn)展[J].環(huán)境工程,2002,20(3):7-11.

[2] 馮亞兵,季葉飛.曝氣生物濾池在城鎮(zhèn)污水處理廠中的應(yīng)用[J].環(huán)境科技,2013,26(2):46-49.

[3] 曹文平,張永明,錢魯泓.兩段曝氣生物濾池廢水處理的研究[J].水處理技術(shù),2006,26(3):62-65.

[4] 孫燦燦.瓷粒和陶粒填料曝氣生物濾池運(yùn)行特性的研究[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院,2008.

[5] Yu H J,Cao W P.Comparative study on bio-remediation of eutrophic river water, using two biofilm processes[J].RSCAdvances,2014,48:1122-1128.

[6] Cao W P,Zhang Y Q.Removal of nitrogen (N) from hypereutrophic waters by ecological foating beds (EFBs) with various substrates[J].Ecological Engineering,2014,62:148-152.

[7] 國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

[8] Cao W P,Zhang H H,Wang Y M,et al.Bioremediation of polluted surface water by using biofilm on a filamentous bamboo[J].Ecological Engineering,2012,42:146-149.

[9] 付江盛,成岳,唐燕超,等.粉煤灰多孔陶粒在水處理中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2008,31(11):112-115.

(編輯武峰)

Removing Nutrients from Septic Tank Effluent by Using a

Biological Aerator Filter with Hybrid Carriers

ZHANG Yanqiu1, CAO Wenping2, WANG Yinmei2, SUN Ling2,JIANG Jinlong3, CHEN Jing3

(1.School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;

2.School of Environmental Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018,China; 3. Jiangsu Provincial Key

Laboratory of Palygorskite Science and Applied Technology, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an 223003, China)

Abstract:A comparative study has done on the purification efficacy and characteristics of two parallel biological aerator filters (BAFs) from campus septic tank effluent.The experimental results indicated that both of the two parallel biological aerated filter (BAF)N, TN and TP removal rate of one biological aerator filter (BAF) with two hybrid carriers reached 89.5%、90.5%、93.7%,while the corresponding removal rate was only 78.7%、81.8%、84.4% by using one biological aerator filter (BAF) with one carrier.The mechanisms involved that:1)the more complex biological system was created by a complex surface pore structure on hybrid carriers;2) filamentous bamboo could be decomposed during the experiment and some microorganisms were reduced to a certain degree.

Key words:biological aerated filter(BAF), palygorskite ceramistite, filamentous bamboo; septic tank effluent; nutriuents (N and P)

中圖分類號(hào)：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-358X(2015)04-0024-04

作者簡介：張雁秋(1956-)，男，江蘇泗陽人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事污水除磷脫氮研究.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50978146)；住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012-k7-14)；江蘇省青藍(lán)工程優(yōu)秀青年骨干教師項(xiàng)目；江蘇省凹土資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金項(xiàng)目(HPK201403)

收稿日期：2015-08-27