復(fù)合介質(zhì)生物濾器處理農(nóng)家樂污水

聶新軍，孫燕萍，鐘　亮，宋　穎，羅安程

(浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院/ 污染環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點實驗室，浙江杭州　310058)

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復(fù)合介質(zhì)生物濾器處理農(nóng)家樂污水

聶新軍，孫燕萍，鐘亮，宋穎，羅安程①

(浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院/ 污染環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康教育部重點實驗室，浙江杭州310058)

摘要：近年來，農(nóng)家樂的迅速發(fā)展使區(qū)域污水排放量明顯增加，對周邊環(huán)境造成的污染也越來越大，已成為農(nóng)村環(huán)境保護中亟待解決的問題之一。由于農(nóng)家樂分布分散，污水量變化大，故難以用常規(guī)方法處理。構(gòu)建了復(fù)合介質(zhì)生物濾器，研究該反應(yīng)器在農(nóng)家樂污水處理中的效果。試驗結(jié)果表明，該裝置對COD平均去除率達90%以上， TN達80%以上，TP達70%以上；對氮、磷去除途徑分析表明，氨氮的去除主要依賴于硝化/反硝化作用，沸石填料對氨氮的吸附效應(yīng)強化了這一過程；磷的去除主要依賴于介質(zhì)的固定。在填料中添加竹顆粒除了可以降低投資成本外，還可起到穩(wěn)定COD并提高磷去除率的作用。復(fù)合介質(zhì)生物濾器在污水處理過程中不需要動力且管理方便，是一種具有良好實用性的農(nóng)家樂污水處理技術(shù)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合介質(zhì)生物濾器；農(nóng)家樂污水；去除率

農(nóng)家樂的快速發(fā)展在帶來良好經(jīng)濟收益的同時，也對周邊環(huán)境產(chǎn)生了嚴重污染，在某些地區(qū)已成為水體環(huán)境惡化的主要原因[1]。目前，對于這類污水的處理技術(shù)有一定的研究，并取得了較好的研究成果，一些技術(shù)也實現(xiàn)了工程化，如生物強化絮凝/人工濕地、生物接觸氧化及其他生態(tài)處理技術(shù)均有相關(guān)報道[2-6]。但是，傳統(tǒng)生化法在運維管理上技術(shù)依賴性強，實踐中難以大量推廣，而人工濕地占地面積大，系統(tǒng)抗沖擊性較差，運行中影響因素多，處理效果不穩(wěn)定。筆者在調(diào)研農(nóng)家樂污染及其特征的基礎(chǔ)上，綜合了土地處理、生物濾池等技術(shù)特點，創(chuàng)制了“復(fù)合介質(zhì)生物濾器”。該裝置在運行時頂部設(shè)有布水管，污水由布水管均勻布入填有多層專用填料的復(fù)合介質(zhì)生物濾器中。填料由鐵、微生物菌種、土壤、生物材質(zhì)碎屑等按一定比例混合，并與沸石、碎石等按特定方式排列，形成好氧與厭氧微區(qū)。處理過程無需動力與藥劑，管理方便。因此，這一方法可有效解決農(nóng)家樂分布面廣而分散、經(jīng)濟與技術(shù)條件相對落后、運維管理困難的問題。

1材料與方法

1.1試驗場所與進水水質(zhì)

試驗在杭州市余杭區(qū)徑山鎮(zhèn)浙江大學(xué)野外試驗站內(nèi)進行。供試污水取自試驗站附近一家農(nóng)家樂(野魚館)污水排放口，分別在早、中、晚各取1次。采集污水運回試驗站后立即用尼龍網(wǎng)布將粒徑較大的廚余雜物濾除。由于該農(nóng)家樂污水隔油裝置效果不好，含有大量油脂，COD最高可達數(shù)萬mg·L-1。因此，采集的污水在濾除雜質(zhì)后靜置2 h撇去浮油，模擬隔油池除油效果，然后經(jīng)充分混均后用于試驗。整個進水期間，進水溫度為4～23 ℃，pH值為4.28～6.31，COD為1 389.83～4 801.22 mg·L-1，ρ(TN)為15.68～58.91 mg·L-1，ρ(NH3-N)為6.76～12.58 mg·L-1，ρ(TP)為2.60～6.21 mg·L-1。

1.2試驗裝置

采用復(fù)合介質(zhì)生物濾器技術(shù)(專利號201210052361.1)，試驗裝置結(jié)構(gòu)與尺寸如圖1所示。裝置殼體材料為玻璃鋼，每個裝置的尺寸為50 cm×30 cm×92 cm。裝置底部設(shè)有厚10 cm、直徑為3～5 cm的鵝卵石集水室，用于收集、排出濾器出水。集水室上設(shè)有多介質(zhì)混合層和快速滲濾層。多介質(zhì)混合層由土壤、砂、粉煤灰、鐵粉、竹屑、竹炭和發(fā)酵有機物等組成，每層厚度為5 cm?？焖贊B濾層厚度為8 cm，由沸石和與沸石粒徑(2～3 mm)相當?shù)闹耦w?；旌隙伞Ｖ耦w粒采用竹拉絲廠2～3 mm直徑的廢絲為原料，切成相應(yīng)尺寸的小段待用。制成填料后成本約50～60元·m3。沸石成本約為350～400元·m-3。污水由蠕動泵連續(xù)泵入裝置頂部，并通過穿孔PVC管布入填料層。整個運行期間每天對穿孔PVC管進行檢查，必要時進行清理，保證其布水均勻。

1.3試驗設(shè)計

試驗設(shè)計4個處理，即快濾層沸石與竹顆粒分別按體積比為10∶0(CMB-1)、9∶1(CMB-2)、7∶3(CMB-3)和1∶1(CMB-4)組成。4個裝置的進水水力負荷均設(shè)定為400 L·m-2·d-1，每天24 h不間斷連續(xù)進水和出水。試驗始于2011年9月22日，裝置運行的第91—96天，由于無法取到足夠的污水來維持裝置運行，裝置運行停止，取水正常后裝置仍照常運行至第114天。

圖1　復(fù)合介質(zhì)生物濾器裝置

1.4分析方法

1.4.1水質(zhì)測定

裝置啟動運行穩(wěn)定后，每6天對4個處理分別采集進出水水樣，采樣量為500 mL。采樣后當天測定pH值、COD、TN、NH3-N、NO3--N和TP濃度。其中pH值采用玻璃電極法、COD采用重鉻酸鉀消解法、TN濃度采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、NH3-N濃度采用納氏試劑法、NO3--N濃度采用酚二磺酸光度法、TP濃度采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法[7]測定。全氮含量采用半微量開氏法消煮-靛酚藍比色法、全磷含量采用硫酸-高氯酸消解-鉬銻抗分光光度法[8]測定。

1.4.2基質(zhì)測定

運行結(jié)束后，將每個裝置填料進行分層取樣，分別采取各多介質(zhì)混合層及快速滲濾層填料。填料分層采集充分混合組成一個樣品。樣品在陰涼通風處晾干，并研磨過篩，用于全氮和全磷含量等測定分析。

2結(jié)果與討論

2.1COD的去除效果

復(fù)合介質(zhì)生物濾器(CMB)對農(nóng)家樂污水COD處理效果見圖2。從圖2可見，原水COD較高且波動幅度大，平均值為2 600 mg·L-1。4個處理出水COD平均值分別為200、205、196和185 mg·L-1，遠低于進水濃度，COD去除率基本上保持在90%左右?？梢?，該裝置對農(nóng)家樂污水COD具有良好的去除效果。

運行期內(nèi)CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4對COD的平均去除率分別為91.3%、91.4%、91.8%和92.3%，各處理間差異不大，說明竹顆粒替代部分沸石對污水COD去除效果整體來說沒有明顯影響。從整個運行時段變化來看，竹顆粒的添加能有效地穩(wěn)定COD去除效率，特別是后期氣溫降低以后，添加竹顆粒處理效率明顯穩(wěn)定。

總體來說，復(fù)合介質(zhì)生物濾器對COD的去除效果良好，在快速滲濾層中混摻一定比例的竹顆?？梢云鸬椒€(wěn)定去除COD的效果；其原因可能是竹顆粒的存在為微生物的附著生長提供了便利條件，在一定程度上促進了微生物的生長繁殖，加強了微生物的生物降解功能，從而提高了系統(tǒng)裝置的處理效果及其穩(wěn)定性。

圖2　不同復(fù)合介質(zhì)生物濾器系統(tǒng)對COD的去除效果

2.2N的去除效果

2.2.1NH3-N去除效果

圖3為復(fù)合介質(zhì)生物濾器系統(tǒng)對農(nóng)家樂污水NH3-N處理的效果。與COD不同，農(nóng)家樂污水中ρ(NH3-N)并不高，平均值為9.61 mg·L-1。在整個運行期間，CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4處理出水ρ(NH3-N)平均值分別為2.91、2.51、3.38和3.78 mg·L-1，平均去除率分別為64.0%、69.4%、60.2%和55.8%。裝置能一直保持良好的運行狀態(tài)，但第78天去除效率下降。第78天氣溫降到10 ℃以下，隨后數(shù)周氣溫基本上都在5 ℃以下，生化反應(yīng)已基本被抑制。由于反應(yīng)器體積小并設(shè)置在室外地面，受氣溫影響極大，導(dǎo)致NH3-N處理效率下降。因此，在工程實踐中，應(yīng)盡可能將反應(yīng)器設(shè)在地下以便起到恒定溫度的作用，減少低溫對NH3-N去除的影響。添加竹顆粒一定程度上降低了對NH3-N的去除效果，但當添加量不大時，去除效果沒有明顯影響。竹顆粒的添加對NH3-N去除的影響與沸石數(shù)量減少有關(guān)。沸石對NH3-N有較強的吸附作用，沸石所占比例越高，其對NH3-N的吸附量越大，去除效果越明顯。

圖3　不同復(fù)合介質(zhì)生物濾器系統(tǒng)對NH3-N的去除效果

2.2.2TN去除效果

復(fù)合介質(zhì)生物濾器對農(nóng)家樂污水TN的去除效果見圖4。當進水ρ(TN)平均值為30.7 mg·L-1時，CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4的出水ρ(TN)平均值分別為4.77、4.19、5.03和5.40 mg·L-1，平均去除率分別為84.0%、85.9%、83.5%和81.9%，表明復(fù)合介質(zhì)生物濾器對TN具有良好的處理效果。在整個運行過程中，4個處理出水TN濃度變化趨勢相似，且不同處理間差異不明顯。圖4還表明，TN的去除也會受到溫度的影響，低溫不利于TN去除。

2.3P的去除效果

圖5表明，在復(fù)合介質(zhì)生物濾器運行期間，進水ρ(TN)平均值為3.87 mg·L-1時，CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4的出水ρ(TP)平均值分別為0.94、0.77、0.62和0.53 mg·L-1，平均去除率分別為74%、79%、83%和86%。這說明復(fù)合介質(zhì)生物濾器對農(nóng)家樂污水中TP具有很好的處理效果。

圖4　不同復(fù)合介質(zhì)生物濾器系統(tǒng)對TN的去除效果

4個裝置出水TP濃度從大到小依次為CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4。在裝置經(jīng)過短暫停運在重新啟動后，出水TP濃度比停運前要低一些，但4個裝置之間出水TP濃度的大小變化趨勢保持不變。添加竹顆粒可有效地提高和穩(wěn)定磷的去除效果，平均去除率最大可提高12%。

2.4N、P平衡分析

2.4.1N的分配平衡

由表1可知，CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4之間N的凈去除量差異不大，在164～172 g之間。但不同去除途徑之間差異較大。通過基質(zhì)吸附去除的N分別占N輸入總量的70.7%、69.5%、66.4%和49.9%。通過吸附去除的N比例明顯與快速濾層中的沸石比例一致。然而，4個處理N的凈去除數(shù)量相差無幾，說明在N的凈去除中沸石的吸附作用并非是決定因素，而是吸附與硝化/反硝化共同作用的結(jié)果。摻混竹顆粒雖然在一定程度上降低了NH3-N的吸持能力，但是竹顆粒有利于微生物的附著生長，通過硝化/反硝化去除的N也越多，使得通過微生物作用去除的N反而增加。從長期運行的角度來看，添加一定數(shù)量的竹顆粒物料，可以增加TN的凈去除量。

根據(jù)以上結(jié)果可以推測N的去除途徑。在污水初始進入濾層時，有機N被礦化轉(zhuǎn)化成NH3-N并立即被沸石吸附且在好氧條件下發(fā)生硝化反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成NO3--N[9]。硝化產(chǎn)生的NO3--N帶負電荷，無法繼續(xù)被沸石所吸附，而隨水繼續(xù)向下進入多介質(zhì)混合層?；旌蠈涌紫抖纫蟠蟮陀诳焖贊B濾層，加上該層填料內(nèi)的有機物降解形成了一定程度的厭氧環(huán)境，隨水流進入的NO3--N可被微生物反硝化而去除。反應(yīng)器內(nèi)部填料的層狀排布使其形成多個好氧-厭氧微區(qū)，N在隨水流向下運動中，相當于經(jīng)歷了多個硝化-反硝化的反應(yīng)過程[10]。因此，復(fù)合介質(zhì)生物濾器本質(zhì)上仍是一個生物脫N的過程。

圖5　不同復(fù)合介質(zhì)生物濾器系統(tǒng)對TP的去除效果

2.4.2P的分配平衡

相對于N來說，P的去除途徑比較簡單，是通過基質(zhì)固定作用得到去除。從表2可知，快速滲濾層摻混有竹顆粒的裝置，基質(zhì)對P的固定作用也大。根據(jù)濾料的組分與排列方式，推測P的去除可能與化學(xué)固P與生物固P都有一定關(guān)系。隨水進入的P首先與快速滲濾層中的沸石相接觸，由于沸石含有Ca、Mg離子，部分P通過與這些離子的化學(xué)共沉淀作用固定于介質(zhì)中[11-13]?；旌蠈又械蔫F屑在相對厭氧的環(huán)境下，以Fe2+的形式流出，到達快速滲濾層，隨即在快速滲濾層相對好氧環(huán)境中轉(zhuǎn)化為Fe3+，形成氧化鐵膜，對P產(chǎn)生強烈的吸附作用，實現(xiàn)對P的去除。水流在穿過快濾層與混合層過程中，重復(fù)上述過程，使更多的P被去除[11-14]。除此以外，混合層中還含有粉煤灰、竹炭等物質(zhì)，也使部分P被固定于混合層之中。添加竹顆粒提高P固定的作用是否說明與生物活動有關(guān)則仍需要進一步研究?？焖贊B濾層中竹顆粒的添加在一定程度上有助于P的固定，可能是竹顆粒填料有利于增加微生物的數(shù)量，少部分P可能被固定在這些微生物體內(nèi)。

表1不同復(fù)合介質(zhì)生物濾器氮分配平衡

Table 1Analysis of pathways of N removal of the CMB systems relative to composition of the medium in the filter

去除途徑CMB-1CMB-2CMB-3CMB-4質(zhì)量/g比例1)/%質(zhì)量/g比例1)/%質(zhì)量/g比例1)/%質(zhì)量/g比例1)/%N輸入199100199100199100199100N輸出30.915.627.113.632.616.435.017.6N凈去除16884.417286.416683.616482.4基質(zhì)吸附14170.713869.513266.499.449.9硝化/反硝化27.313.733.616.934.2817.264.632.5

1)各途徑N質(zhì)量占N輸入總質(zhì)量的比例。

表2不同CMB系統(tǒng)去除磷途徑分析

Table 2Analysis of pathways of TP removal of the CMB systems relative to composition of the medium in the filter

去除途徑CMB-1CMB-2CMB-3CMB-4質(zhì)量/g比例1)/%質(zhì)量/g比例1)/%質(zhì)量/g比例1)/%質(zhì)量/g比例1)/%P輸入25.1100.025.1100.025.1100.025.1100.0P輸出6.0724.24.9919.94.0216.13.4113.6基質(zhì)固定19.075.820.180.121.184.021.786.4

1)各途徑P質(zhì)量占P輸入總質(zhì)量的比例。

3結(jié)論

復(fù)合介質(zhì)生物濾器對農(nóng)家樂污水具有較好的處理效果，對COD、TN和TP的平均去除率分別為92%、84%和81%。COD的去除主要是基質(zhì)的吸附與微生物生物降解協(xié)同作用的結(jié)果；對N的去除主要是依靠基質(zhì)的吸附與微生物的硝化/反硝化協(xié)同作用的結(jié)果；對P的去除則主要是靠裝置內(nèi)填充基質(zhì)的吸附作用。復(fù)合介質(zhì)生物濾器快速滲濾層中摻混竹顆?？梢栽谝欢ǔ潭壬咸岣呶鬯幚硇实姆€(wěn)定性，降低工程投資成本。

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(責任編輯： 陳昕)

Effect of Composite-Medium Bio-filter Treating Wastewater “Farm Household Tourism”.

NIE Xin-jun, SUN Yan-ping, ZHONG Liang, SONG Ying, LUO An-cheng

(College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University/ Key Laboratory of Environment Remediation and Ecological Health, Ministry of Education, Hangzhou 310058, China)

Abstract:In recent years, “farm household tourism” has become a business that has been developing rapidly and concomitantly causing significant increase in wastewater discharge, thus polluting the surrounding environment more and more in extent and posing an urgent problem that calls for solution in rural environment protection in some regions. As the farmer households sponsoring “farm household tourism” are scattered spatially, and vary sharply in wastewater production, it is hard to address this problem effectively with the conventional methods available. The authors have designed and tested a series of “composite-medium bio-filter(CMB)” systems, different in composition of medium, in laboratory for a continuous period of 114 days to investigate technical feasibility and effects of the CNB systems treating this kind of wastewater. Results show that when the wastewater was 2 000-4 500, 15-60 and 6-12 mg·L-1, in concentration of COD, TN and TP, respectively, on average the CMB systems could remove COD by over 90%, TN by over 80% and TP by over 70%. Mass balance analysis indicates that their NH4+ removal depended mainly on nitrification/denitrification, which was enhanced by the filling of zeolite adsorbing NH4+, while TP removal did on adsorption by the media. The addition of bamboo granules into the medium of the filter could not only stabilize the removal rate of COD and enhance that of TP, but also reduce cost. The test indicates that the CMB, easy to manage and free from any need of energy,is a promising technique for treating the wastewater from farm household tourism.

Key words:compound media bio-filter system；farm household tourism；removal efficiency

收稿日期：2015-07-08

基金項目：浙江省科技計劃(2012C23051);國家科技支撐計劃(2012BAC17B04);農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金(2013GB23600658)

中圖分類號：X52

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)03-0507-05

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.03.026

作者簡介：聶新軍(1987—)，男，山東泰安人，碩士，主要研究方向為廢水處理。E-mail: xinjun198854@163.com

① 通信作者E-mail： acluo@zju.edu.cn