生態(tài)滲濾池對微污染水中COD·氨氮和總磷去除效果研究

劉飛 左娜 羅耿彬 解少杰 高明杰

摘要?在人工濕地與人工快滲等傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)村地區(qū)排污現(xiàn)狀和黑臭水體治理要求，提出一種生態(tài)滲濾池工藝，研究連續(xù)運(yùn)行21 d對微污染水體中COD、氨氮、總磷的去除效果。結(jié)果表明，生態(tài)滲濾池可以有效去除微污染水體中的COD、氨氮、總磷，出水可以穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，COD、氨氮、總磷平均去除率分別達(dá)78.35%、87.72%和85.96%。生態(tài)滲濾池對有機(jī)微污染物質(zhì)的去除效果從大到小依次為氨氮、總磷、COD。

關(guān)鍵詞?微污染水;生態(tài)滲濾池;COD;氨氮;總磷;去除效果

中圖分類號?X505文獻(xiàn)標(biāo)識碼?A文章編號?0517-6611（2020）02-0075-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.021

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Study on Removal Effect of COD， NH4+-N and TP in Micro-polluted Water by Ecological Percolating Filter

LIU Fei1， ZUO Na2， LUO Geng-bin1 et al

（1.Shenzhen Oasis Ecological Technology Co. Ltd.， Shenzhen，Guangdong 518055; 2. China Coal Technology & Engineering Group Nanjing Design & Research Institute Co. Ltd.， Nanjing，Jiangsu 210031）

Abstract?Based on the traditional techniques such as constructed wetland and artificial rapid infiltration， combined with the current situation of sewage in rural areas and the requirements of black and odorous water treatment， an ecological percolating filter（EPF） process was proposed，COD，NH4+-N and TP removal from micro-polluted water by EPF were observed in a continuous running of 21 days. Results showed that EPF could wipe out contamination of COD，NH4+-N and TP effectively and met Grade III of the Environment Quality Standards for Surface（GB 3838-2002）. The removal rates of COD，NH4+-N and TP were 78.35%，87.72% and 85.96%，respectively. The removal efficiency of organic micro-pollutants from EPF was NH4+-N>TP>COD.

Key words?Micro-polluted water;Ecological percolating filter（EPF）; COD; NH4+-N;Total phosphorus;Removal effect

人類的不科學(xué)活動(dòng)造成水資源中有機(jī)微污染物質(zhì)（農(nóng)藥、醫(yī)藥等藥物和微塑料）含量不斷增加，對人類身體健康和水生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響[1-3]。飲用水中混入有機(jī)微污染物質(zhì)，可引起有害物質(zhì)富集，傳染病暴發(fā)[1]。微污染水體問題已經(jīng)引起了人們的關(guān)注[3]，有效的修復(fù)、處理方法主要有物理方法、化學(xué)方法和生物方法等。隨著微污染物質(zhì)的范圍不斷擴(kuò)大，濃度不斷增加，微污染物去除處理工藝也在不斷深化，由簡單的物理化學(xué)處理工藝增加了生物處理工藝、生態(tài)處理工藝和強(qiáng)化生物處理工藝[4]。生態(tài)修復(fù)作為一種具有很大潛力和經(jīng)濟(jì)有效的處理方法，越來越受到廣泛關(guān)注[4]。

人工濕地去除污染物主要通過植物吸收，需配合投加菌劑等，整個(gè)系統(tǒng)的微生物結(jié)構(gòu)脆弱;人工快滲以河沙為主要濾料，是一種滲濾系統(tǒng)。該研究在人工濕地與人工快滲等傳

統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)村地區(qū)排污現(xiàn)狀和黑臭水體治理要求，將生態(tài)修復(fù)與滲濾功能相結(jié)合，形成生態(tài)滲濾池（ecological percolating filter，EPF）。植物根系作為生物膜附著載體，與各種類型濾料協(xié)同作用，系統(tǒng)考察生態(tài)滲濾池對微污染水體中COD、氨氮和總磷的去除效果，為微污染水體治理工藝提供理論基礎(chǔ)和工程借鑒。

1?材料與方法

1.1?試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)裝置采用前端處理+生態(tài)滲濾池工

藝（圖1），主要包括Single池、反應(yīng)沉淀罐、污泥干化槽、生態(tài)滲濾池和出水槽等。微污染水經(jīng)過提籃格柵進(jìn)入Single池，停留一段時(shí)間，泵送至沉淀罐，添加PAC/PAM絮凝沉淀，水體進(jìn)入生態(tài)滲濾池，通過濾池中的植物根系和填料上生物膜作用，降解水體中有機(jī)微污染物質(zhì)，最終由出水槽達(dá)標(biāo)排放。

1.2?生態(tài)滲濾池

生態(tài)滲濾池反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，主要包括適水植物、布水管道和人工濾料（圖2）。裝置長2 000 mm、寬1 500 mm、高2 000 mm，在裝置底端側(cè)壁留有排水口，水通過集水管排出。人工濾料分為4類，主要包含砂石、生態(tài)珠等。濾料直徑、裝填高度見表1。植物選用品種、種植間距見表2。

1.3?進(jìn)水水質(zhì)

該試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)參照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）進(jìn)行人工配水。具體指標(biāo)分別為pH 6～9、COD 60～109 mg/L、NH4+-N 3.0～5.8 mg/L、TP 0.9～1.6 mg/L、濁度3～8 NTU。

1.4?運(yùn)行參數(shù)

用清水沖洗生態(tài)滲濾池4～5次，使出水水質(zhì)與進(jìn)水水質(zhì)相同。將配制好的微污染水通過離心泵，泵送至濾池，由布水管流出。設(shè)計(jì)水量為5 m3/d，水力負(fù)荷為0.8 m3/（m2·h）。每天運(yùn)行4個(gè)批次，每個(gè)批次進(jìn)水1 h、出水1 h，停留反應(yīng)4 h。

1.5?檢測指標(biāo)及分析方法

該試驗(yàn)所測指標(biāo)為COD、氨氮和總磷。COD采用重鉻酸鹽法（HJ 828—2017），氨氮采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009），總磷采用鉬酸銨分光光度計(jì)法（GB 11893—89）。數(shù)據(jù)分析利用OriginPro 2018C（OriginLab Corporation，USA）軟件分析數(shù)據(jù)。

2?結(jié)果與分析

2.1?生態(tài)滲濾池對微污染水中COD的去除效果

有機(jī)微污染物質(zhì)部分來源于工廠企業(yè)等，直接隨污水排出;部分來源于農(nóng)業(yè)用有機(jī)物，通過滲透作用進(jìn)入地下水系統(tǒng)[5]。COD表征水體中好氧性有機(jī)物的含量。COD的高低反映了水體中有機(jī)微污染物質(zhì)含量的多少。圖3表示生態(tài)滲濾池處理對微污染水COD去除情況的影響。從圖3可看出，系統(tǒng)運(yùn)行3 d后即達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);平均進(jìn)水COD為80.81 mg/L，平均出水COD為18.11mg/L，去除率達(dá)78.53%。出水標(biāo)準(zhǔn)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)（20 mg/L）。同時(shí)還可以看出進(jìn)水COD增大，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，去除率為78.35%。

生態(tài)滲濾池能夠快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，主要有以下原因造成：首先，濾料表面的微孔能夠截留吸附有機(jī)微污染物質(zhì)，有利于快速掛膜，Hagemann等[6]研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)表面涂有有機(jī)物質(zhì)可以增強(qiáng)對水溶解物質(zhì)的滯流;其次，植物根系與濾料緊密結(jié)合，產(chǎn)生根際效應(yīng)，增強(qiáng)生物活性、氧化還原電位等，大大提高水體污染物的降解能力[6-7]。

2.2?生態(tài)滲濾池對微污染水中氨氮的去除效果

氨氮的去除主要有吸附、氨化、硝化、反硝化等。氮元素是植物合成蛋白質(zhì)的重要元素。試驗(yàn)中選種的植物對有機(jī)污染物質(zhì)具有較強(qiáng)的吸附和吸收能力[8-10]。從圖4可以看出，生態(tài)滲濾池對氨氮的去除效果顯著，3 d內(nèi)去除率由30%提高至93%，并一直維持在較高水平;氨氮的平均去除率為87.72%;平均進(jìn)水氨氮為4.37 mg/L，平均出水氨氮為0.54 mg/L。出水標(biāo)準(zhǔn)高于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)（1.0 mg/L）。

植物根系能夠有效過濾和分解懸浮物，具有較強(qiáng)的污水凈化能力和傳輸氧氣、有利于氮硝化等[9]。生態(tài)滲濾池的濾料粒徑，由上向下逐漸增大，粒徑間隙逐漸增大，不僅有利于植物根系的生長，便于微生物掛膜，同時(shí)也為微生物高效降解有機(jī)微污染物質(zhì)提供了傳質(zhì)通道。Cui等[9]研究發(fā)現(xiàn)高爐礦渣空隙大，能夠有效吸附氨氮和磷，并且為植物提供礦質(zhì)元素。試驗(yàn)中的濾料中含有砂石、生態(tài)珠，為植物提供礦質(zhì)元素的同時(shí)，也為微生物的附著和生長提供環(huán)境。因此，生態(tài)滲濾池系統(tǒng)對氨氮的去除率一直保持較高水平。

2.3?生態(tài)滲濾池對微污染水中總磷的去除效果

磷是造成水體富營養(yǎng)化的主要元素之一。磷的去除對控制水體富氧化至關(guān)重要[11]。試驗(yàn)中總磷的去除情況如圖5所示。試驗(yàn)平均進(jìn)水總磷為1.37 mg/L，平均出水總磷為0.19 mg/L，出水標(biāo)準(zhǔn)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)（0.2 mg/L），總體上，生態(tài)滲濾池對微污染水體中總磷去除效率較高，平均為85.96%。

聚磷菌是生物除磷的主要菌群，在厭氧和好氧條件下，形成磷酸鹽或合成細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)[12-13]。植物通過主動(dòng)吸收磷元素，合成植物的遺傳物質(zhì)、生物膜骨架、酶等物質(zhì)。磷是氮素代謝過程中一些重要酶的組分，濾料中微生物和植物根基微生物協(xié)同降解氮元素和磷元素。

2.4?生態(tài)滲濾池對有機(jī)污染物去除的機(jī)理

人工濕地主要通過植物吸收去除污染物，甚至需配合投加菌劑等[14];人工快滲是一種滲濾系統(tǒng)[15]。生態(tài)滲濾池利用植物根系作為生物膜附著載體，與各種類型濾料協(xié)同作用，作用機(jī)制結(jié)合了植物根系與滲濾系統(tǒng)，降解有機(jī)微污染物質(zhì)。

濾料吸附、吸收和氧化層的粒徑為8～20 mm，濾料孔隙上生物膜從外層到內(nèi)層出現(xiàn)氧氣濃度梯度變化的微環(huán)境，促進(jìn)微生物新陳代謝活動(dòng)，如硝化反硝化同步反應(yīng)或短程硝化除磷[12]。植物根系生長于濾料周圍，吸收根際周圍的脫落生物膜和礦質(zhì)元素，同時(shí)根際分泌物促進(jìn)形成新的生物膜，生物群落結(jié)構(gòu)和代謝活動(dòng)形成良性循環(huán)。

3?結(jié)論

微污染水具有潛在累積風(fēng)險(xiǎn)，對生態(tài)環(huán)境和人體健康均會(huì)產(chǎn)生影響。加強(qiáng)對微污染水體治理的研究具有重要的科學(xué)研究意義和實(shí)際意義。

生態(tài)滲濾池對微污染水體中COD、氨氮、總磷的去除效果較好，可以穩(wěn)定達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，平均去除率分別達(dá)78.35%、87.72%和85.96%。生態(tài)滲濾池工藝可以用于微污染水體的治理方法。

參考文獻(xiàn)

[1] QAMAR F N，YOUSAFZAI M T，KHALID M，et al.Outbreak investigation of ceftriaxone-resistant Salmonella enterica serotype Typhi and its risk factors among the general population in Hyderabad，Pakistan：A matched case-control study[J].The lancet infectious diseases，2018，18（12）：1368-1376.

[2] ALSBAIEE A，SMITH B J，XIAO L L，et al.Rapid removal of organic micropollutants from water by a porous β-cyclodextrin polymer[J].Nature，2016，529（7585）：190-194.

[3] SCHWARZENBACH R P，ESCHER B I，F(xiàn)ENNER K，et al.The challenge of micropollutants in aquatic systems[J].Science，2006，313（5790）：1072-1077.

48卷2期劉 飛等?生態(tài)滲濾池對微污染水中COD·氨氮和總磷去除效果研究

[4] BENNER J，HELBLING D E，KOHLER H P E，et al.Is biological treatment a viable alternative for micropollutant removal in drinking water treatment processes？[J].Water research，2013，47（16）：5955-5976.

[5] MURRAY K E，THOMAS S M，BODOUR A A.Prioritizing research for trace pollutants and emerging contaminants in the freshwater environment[J].Environmental pollution，2010，158（12）：3462-3471.

[6] HAGEMANN N，JOSEPH S，SCHMIDT H P，et al.Organic coating on biochar explains its nutrient retention and stimulation of soil fertility[J].Nature communications，2017，8（1）：1-11.

[7] WU H L，WANG X Z，HE X J，et al.Effects of root exudates on denitrifier gene abundance，community structure and activity in a micro-polluted constructed wetland[J].Science of the total environment，2017，598：697-703.

[8] SOHSALAM P，SIRIANUNTAPIBOON S.Feasibility of using constructed wetland treatment for molasses wastewater treatment[J].Bioresource technology，2008，99（13）：5610-5616.

[9] CUI L H，OUYANG Y，LOU Q，et al.Removal of nutrients from wastewater with Canna indica L.under different vertical-flow constructed wetland conditions[J].Ecological engineering，2010，36（8）：1083-1088.

[10] CHANG Y H，WU B Y，LAI C F.The effect of a green energy landscape fountain on water quality improvement[J].Ecological engineering，2014，73：201-208.

[11] HUANG X J，F(xiàn)ENG M，NI C S，et al.Enhancement of nitrogen and phosphorus removal in landscape water using polymeric ferric sulfate as well as the synergistic effect of four kinds of natural rocks as promoter[J].Environmental science and pollution research，2018，25（13）：12859-12867.

[12] 吳昌永.A2/O工藝脫氮除磷及其優(yōu)化控制的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[13] 羅梅，劉昔，陳國梁，等.零價(jià)鐵去除微污染水源水中磷的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，38（11）：154-158.

[14] 孫廣東.人工濕地對微污染水體的生態(tài)修復(fù)及其系統(tǒng)微生物的研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2018.

[15] 陳佼.人工快滲系統(tǒng)PN-ANAMMOX耦合脫氮性能及機(jī)理研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2018.