復合濾料生態(tài)濾池凈化生活污水的特性研究

曹文平

復合濾料生態(tài)濾池凈化生活污水的特性研究

曹文平

（徐州工程學院環(huán)境工程學院，江蘇徐州221111）

組建了兩個平行的生態(tài)濾池用于凈化校園生活污水，對比研究了濾料差異而產(chǎn)生的不同凈化特性和機理。實驗結果表明：竹絲/陶粒復合濾料生態(tài)濾池對氨氮、總氮、總磷的平均去除率分別達到了89.5%、90.5%、93.7%。相比于單一濾料生態(tài)濾池而言，復合濾料生態(tài)濾池內(nèi)具有更復雜的生態(tài)系統(tǒng)、更豐富的根系和更多的生物種群量以及良好的耦合效應，導致復合濾料生態(tài)濾池具有比單一濾料濾池更好的除磷脫氮效果。

生態(tài)濾池；除磷脫氮；復合濾料；生活污水

目前低碳氮比污水較為常見，嚴重影響了水體的脫氮除磷效果、生態(tài)環(huán)境安全和水質安全〔1〕。如何提高低碳氮比污水的脫氮除磷效果是值得研究的領域。生態(tài)濾池是在傳統(tǒng)生物濾池的基礎上引入大型水生植物，耦合大型水生植物和傳統(tǒng)生物濾池的雙重效果達到良好的水質凈化效果。生態(tài)濾池水處理工藝逐漸發(fā)展成熟，其利用濾料過濾作用、濾料表面生物膜新陳代謝作用以及大型水生植物的同化、泌氧等作用實現(xiàn)污染物的高效去除〔2〕。

生態(tài)濾池中的濾料不僅決定了生物膜量的多少，而且還影響著濾池內(nèi)過濾效果、新陳代謝效果〔3〕。傳統(tǒng)生物濾池通常以單一惰性濾料作為過濾介質和生物膜附著界面，雖然取得了較好的效果，但是單一惰性濾料表面結構、特性較為單一，不利于更多微生物的附著和增殖，更因缺乏碳源導致TN的去除效果比較差〔4〕。補充固體碳源以提高水體的脫氮除磷效果是近些年來研究的熱點，固體碳源通常包括高分子聚合物、植物纖維素物質等，利用其表面的微生物將其分解形成可利用的碳源供除磷脫氮過程使用，但是這些固體碳源通常會隨著反應的進行逐漸減少，無法得到持續(xù)恒量的碳源〔5-6〕?；诠腆w碳源和單一惰性濾料各自的優(yōu)缺點，利用陶粒和竹絲制作成混合濾料，并耦合美人蕉根系的導流作用、泌氧作用、新陳代謝作用等形成生態(tài)濾池，優(yōu)勢互補，有望達到良好的、相對恒定的效果〔7〕。

筆者實驗的目的是對比單一竹絲濾料與陶粒/竹絲復合濾料等濾料差異，對生活污水中的氨氮、總氮和總磷等污染物去除率效果和差異以及內(nèi)在原因進行分析，為新型生態(tài)濾池的構建提供參考。

1　材料和方法

1.1實驗水質

實驗用水取自徐州工程學院中心校區(qū)生活污水。實驗水質：COD為135～172 mg/L；NH4+-N為11.6～39.6mg/L；TN為18.2～49.5mg/L，TP為0.71～3.48mg/L；pH為7.56～8.9，水溫維持在23.4～25.7℃。

1.2反應器和基質

竹絲：由毛竹自行加工裁剪而成，為20mm× 4mm×1mm的長方體，孔隙率約為70.6%。

陶粒：由凹土、面粉和鐵屑混合焙燒而成，粒徑4～6mm，表觀密度900 kg/m3，比表面積14.8m2/g，鹽酸可溶率為0.67%，竹絲與陶粒混合孔隙率為60%。

生態(tài)濾池：由1個50 cm×50 cm×50 cm的正方體水箱和2個濾池通過水管連接而成，濾池高度25 cm，內(nèi)徑20 cm，有效容積6.4 L。每個濾池中放置2株幼年美人蕉作為載體植物，株高約為15.2 cm，分別填充竹絲、竹絲和陶粒的混合基質，底部進水，頂部出水，并以出水口作為取樣口，不間斷地利用風機（型號ACO-003）充氧曝氣，整套設備連續(xù)運行，水力停留時間（HRT）為2.5 h。

1.3實驗過程及分析方法

實驗共分為兩個階段：第一階段是新型陶粒的制作。采用凹土、面粉和鐵屑，質量分數(shù)分別為70.0%、15.0%、15.0%，之后加入總混合物質量70.0%的蒸餾水。具體實施方式如下：取定量凹土過0.147mm（100目）樣篩，加一定量的面粉和鐵屑［過1mm（18目）篩］與水混合，晾干后在105℃的鼓風箱中干燥1 h，取出后放入馬弗爐里焙燒。其中預熱溫度設定為600℃，預熱時間為20min，焙燒溫度為1 000℃，焙燒時間為2 h，經(jīng)多次實驗，效果良好。

其次，將高度相差不大的美人蕉分別種植于竹絲和陶粒/竹絲復合濾料的無差別濾池中。觀察植物的生長情況以及不同基質對污水的凈化效果。美人蕉高度約為15.0 cm，種植的間距約為20.0 cm。

最后，2個平行的生態(tài)濾池啟動時間為2015年3月18日，至2015年4月12日完成生態(tài)濾池的調(diào)試，美人蕉生長良好、濾料上生長了一定量穩(wěn)定的生物膜。實驗時間是2015年4月13日至2015年5月25日。

水質監(jiān)測方法：水質測定方法均采用國家標準方法《水和廢水監(jiān)測分析方法》〔8〕進行，其中COD利用便攜水質快速監(jiān)測儀（型號T3WS-P，北京普析）測定，NH4+-N、TN和TP均采用紫外可見分光光度計測定（754N，南京森貝伽生物科技有限公司）。

2　結果與討論

2.1NH4+-N的去除效果和比較

進水NH4+-N為11.6～39.6mg/L，經(jīng)過竹絲濾料生態(tài)濾池凈化后，出水NH4+-N為1.09～7.29mg/L，經(jīng)過陶粒/竹絲復合基質作用后，出水NH4+-N為0.25～4.83mg/L，凈化效果平均高出1.72倍。竹絲濾料生態(tài)濾池和陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池凈化水體中NH4+-N的效果對比如圖1所示。

圖1　NH4+-N去除效果對比

相比于竹絲濾料生態(tài)濾池而言，陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池具有兩種特性完全不一樣的濾料，容易滋生生理生化特性微生物，可以形成良好的生物鏈和群落〔9〕。另外氨氮氧化菌是一類比生長速率慢的自養(yǎng)菌，吸附生長有利于提高其生物濃度。陶粒、竹絲、植物根系等多樣化的附著界面有利于氨氮氧化菌的增殖和附著。而且實驗過程中發(fā)現(xiàn)陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池中植物生長速度和根系發(fā)達程度明顯優(yōu)于竹絲濾料生態(tài)濾池，在一定程度上強化了復合濾料生態(tài)濾池對氨氮的凈化和轉化效果。

2.2TN的去除效果和比較

進水TN為18.2～49.5mg/L，經(jīng)過竹絲濾料生態(tài)濾池凈化后，出水TN為2.25～28.4mg/L，經(jīng)過陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池凈化后，出水TN為1.02～12.6mg/L，其凈化效果比竹絲濾料生態(tài)濾池平均高出2.38倍。竹絲濾料生態(tài)濾池和陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池凈化水體中TN的效果對比如圖2所示。

TN的去除主要依靠生物反硝化過程，而生物反硝化過程效果取決于優(yōu)良碳源補充和足夠的生物濃度以及良好的反硝化環(huán)境〔10〕。竹絲濾料生態(tài)濾池能夠補充碳源和足夠的生物濃度以及良好的缺氧反硝化環(huán)境支持生物反硝化過程，故而竹絲濾料生態(tài)濾池脫氮效果也較高；相比于竹絲濾料生態(tài)濾池，陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池具有更復雜的濾料孔隙結構，可以形成更復雜的生態(tài)系統(tǒng)和更穩(wěn)定的生態(tài)鏈；而且復合濾料生態(tài)濾池中的美人蕉生長更旺盛，不僅同化吸收強，而且更旺盛的植物根系產(chǎn)生更顯著的“根圈效應”〔11〕，強化了復合濾料生態(tài)濾池內(nèi)的脫氮過程。

圖2　TN去除效果對比

2.3TP的去除效果和比較

進水TP為0.71～3.48mg/L，經(jīng)過竹絲濾料生態(tài)濾池凈化后，出水TP為0.05～1.99mg/L，經(jīng)過陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池凈化后，出水TP為0.01～0.84mg/L，凈化效果平均高出2.42倍。竹絲濾料生態(tài)濾池和陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池凈化水體中TP的效果對比如圖3所示。

圖3　TP去除效果對比

植物根系的截留與濾池濾料的過濾沉淀作用以及植物同化作用是磷素污染物的主要去除途徑〔12〕，復合濾料生態(tài)濾池中由于美人蕉生長速率更加旺盛，所以其同化生長效果比單一濾料生態(tài)濾池系統(tǒng)強〔13〕。竹絲和陶粒表面吸附了大量聚磷菌，竹絲在自然條件下形成除磷所需要的碳源而促進除磷。復合濾料生態(tài)濾池系統(tǒng)中更豐富的根系導致更復雜的根圈效應和更復雜的生態(tài)微環(huán)境，為聚磷菌的增殖提供場所和環(huán)境，可能是復合濾料生態(tài)濾池具有更高除磷效果的主要原因。

2.4生物相分析

對兩種基質和生物載體（竹絲和陶粒）表面的微生物進行分析發(fā)現(xiàn)，在竹絲和陶粒表面均含有大量的微生物，包括鐘蟲、漫游蟲、盾纖蟲等固著性和游泳性纖毛蟲類（纖毛綱），但是只在陶粒表面生物膜中發(fā)現(xiàn)有少量的輪蟲，竹絲填料表面卻沒有發(fā)現(xiàn)。通過微生物相分析和原生動物生理生化特性分析，可以形成以下結論：（1）由于陶粒表面粗糙的微觀結構導致陶粒表面生物膜內(nèi)微生物種群數(shù)量要豐富于竹絲填料表面；（2）而在竹絲填料中心區(qū)因為機械充氧擴散限制，而形成厭氧區(qū)和缺氧區(qū)發(fā)生碳源釋放和生物反硝化脫氮過程。所以將竹絲和陶粒耦合脫氮具有良好的基礎條件。

3　結論

（1）陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池對污水水質的凈化效果優(yōu)于竹絲濾料生態(tài)濾池。當進水NH4+-N、TN、TP分別為1.57～39.6、18.2～49.5、0.71～3.48mg/L時，陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池出水NH4+-N、TN、TP分別為0.25～4.83、1.02～12.6、0.01～0.84mg/L，竹絲濾料生態(tài)濾池出水NH4+-N、TN、TP分別為1.09～7.29、2.25～28.4、0.05～1.99mg/L。

（2）陶粒/竹絲復合濾料生態(tài)濾池對污水水質的凈化效果優(yōu)于竹絲濾料生態(tài)濾池，主要原因是復合濾料系統(tǒng)具有更復雜的生態(tài)系統(tǒng)、更多的生物量和更豐富的根圈效應以及良好的陶粒/竹絲耦合脫氮。

［1］WangCY，SampleDJ.Assessing floating treatmentwetlandsnutrient removalperformance through a firstorder kineticsmodeland statistical inference［J］.Ecol.Eng.，2013，61（19）：292-302.

［2］王建華，陳永志，彭永臻.低碳氮比實際生活污水A2O-BAF工藝低溫脫氮除磷［J］.中國環(huán)境科學，2010，30（9）：1195-1200.

［3］李海寧.新型活性炭陶粒濾料的制備及其應用于曝氣生物濾池處理生活污水的研究［D］.青島：青島理工大學，2011.

［4］孫燦燦.瓷粒和陶?；|生態(tài)濾池運行特性的研究［D］.蘇州：蘇州科技學院，2008.

［5］Zhang Meng，Zheng Ping，Abbas G.Partitionable-space enhanced coagulation（PEC）reactorand itsworkingmechanism：Anew prospective chemical technology for phosphorus pollution control［J］.Water Res.，2014，49（2）：426-433.

［6］Shao Liu，Xu Zuxin，Wang Sheng，etal.Performance ofnew solid carbon sourcematerials for denitrification［J］.Chinese Journalof Environmental Science，2010，32（8）：2323-2327.

［7］卜發(fā)平，羅固源，許曉毅，等.美人蕉和菖蒲生態(tài)浮床凈化微污染源水的比較［J］.中國給水排水，2010，26（3）：14-17.

［8］國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2002：352-479.

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

［10］張雁秋，曹文平，劉莉，等.基質對生態(tài)浮床凈化效果和大型水生植物生長的影響［J］.徐州工程學院學報：自然科學版，2013，28（4）：18-23.

［11］WangChao，Sun Qiyuan，Wang Peifang，etal.An optimization approach to runoff regulation for potential estuarine eutrophication control：Model developmentand a case study of Yangtze Estuary，China［J］.Ecol.Model.，2013，251：199-210.

［12］韓曉麗.BAF強化人工濕地工藝處理生活污水試驗研究［D］.北京：北京化工大學，2010.

［13］袁煦，沈耀良，陳堅.瓷粒和陶粒填料曝氣生物濾池處理低濃度生活污水的試驗研究［J］.給水排水，2007，5（33）：142-144.

Research on the characteristics ofeco-filter consisting of hybrid filters for the purification ofdomestic sewage

CaoWenping
（Schoolof Environmental Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221111，China）

Two paralleleco-filters have been setup for the purification of domestic sewage in the campus.Different purification characteristics andmechanisms resulted from filter difference are contrasted and studied.The experimental resultsshow that theaverage removing ratesofNH4+-N，TN and TPby the eco-filter consisting ofbamboo filament/porcelain granule composite filter can reach 89.5%，90.5%and 93.7%，respectively.Compared with the ecofilter consisting of single filter，the eco-filter consisting of hybrid filters hasmore complex ecological system，richer roots，more biologicalpopulation quantity，and good coupling effect.It leads to the result that the eco-filter consisting ofhydrid filtershasbetter dephosphorization and denitrification effects，than theeco-filter consistingofsingle filter.

eco-filter；dephosphorization&denitrification；hybrid filters；domestic sewage

X703.1

A

1005-829X（2016）09-0073-04

曹文平（1979—），博士，副教授。E-mail：wenpingcao 2013@163.com。

2016-06-20（修改稿）

住房與城鄉(xiāng)建設部科技計劃項目（2012-K2-14）；江蘇省“青藍工程”優(yōu)秀青年骨干教師項目（蘇教師2012［39號］）