生態(tài)濾池中污染物去除與出水中溶解氧的關(guān)系研究

陳登美 朱 彬 康 媞

(貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，貴陽 550081)

貴州省作為西部欠發(fā)達(dá)省份，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及喀斯特地形條件等限制，污水的收集和處理面臨較大的困難，全省農(nóng)村生活污水處理較全國而言處于較低水平，由于農(nóng)村居民分布零散，污水排放量小，水量波動(dòng)大，難以集中收集處理等自身特點(diǎn)，宜采用分散式生活污水處理方式，推進(jìn)農(nóng)村污水治理[1]。

目前，貴州省農(nóng)村生活污水處理技術(shù)主要以生物處理為主，其中人工濕地由于具有建造和運(yùn)行費(fèi)用低、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[2-4]，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理，但由于人工濕地所能承受的水力負(fù)荷較小，污染物去除能力較低，在推廣運(yùn)用上有一定的局限性，而生態(tài)濾池具有水力負(fù)荷較高、占地面積較小等優(yōu)點(diǎn)，在貴州污水處理中具有較好的適用性。

生態(tài)濾池主要是由填料基質(zhì)以及植物等組成。通常認(rèn)為，生態(tài)濾池主要是通過物理作用、化學(xué)作用以及生物作用這三個(gè)方面的協(xié)同作用達(dá)到對(duì)污水凈化的目的[5-7]。目前對(duì)溶解氧與污染物的去除影響主要研究對(duì)象為人工濕地[8-9]，對(duì)生態(tài)濾池中DO變化情況與污染物去除關(guān)系的研究較少。為研究生態(tài)濾池出水中DO含量與污染物的去除關(guān)系，為貴州省農(nóng)村污水處理設(shè)計(jì)參數(shù)提供依據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)構(gòu)建了生態(tài)濾池，研究出水中DO含量和污染物的去除率關(guān)系。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 植物選擇

有研究表明，貴州本土耐污能力相對(duì)較強(qiáng)的野生水生植物有水蔥、藨草、菰、羊蹄、莕菜、白水苦菜6種植物[10]，通過與廣泛應(yīng)用于污水處理試驗(yàn)研究的菖蒲、美人蕉和旱傘草進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：以上6種本土植物對(duì)污水中污染物有一定的凈化效果，但相比菖蒲、美人蕉和旱傘草其凈化效果較差，且由于6種本土植物沒有規(guī)模化種植，獲取難度較大，因此選取美人蕉和旱傘草作為本次生態(tài)濾池試驗(yàn)裝置中的配置植物，栽種時(shí)植株高15～20 cm。

1.2 試驗(yàn)裝置

設(shè)計(jì)3組生態(tài)濾池小型試驗(yàn)裝置，每組設(shè)置兩個(gè)平行，分別種植美人蕉、旱傘草、美人蕉+旱傘草，分組情況見表1，植株種植密度為30株/m2，除種植植物不同外，其余均相同。試驗(yàn)裝置采用直徑400 mm有機(jī)玻璃管制作，反應(yīng)器裝置見圖1。填料從下至上采取粒徑逐漸變小的級(jí)配方式，填料總高度為80 cm，采用蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水和十字架布水管布水，

表1 植株種植與分組

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)裝置示意圖

濾池底部設(shè)置采樣點(diǎn)。該裝置于2018年7月開始運(yùn)行，2018年9-12月對(duì)出水中溶解氧含量與污染物去除效果進(jìn)行研究。

1.3 污水來源及進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)污水進(jìn)水取自貴州省環(huán)?？萍紙@化糞池，進(jìn)水指標(biāo)見表2，平均C/N比為4.39。

表2 試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì) 單位：mg/L

1.4 運(yùn)行情況及水樣采集情況

進(jìn)水水力負(fù)荷為0.8～0.9 m3/m2·d之間，以24 h連續(xù)進(jìn)水方式運(yùn)行。每周對(duì)進(jìn)出水取樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)和分析，監(jiān)測(cè)指標(biāo)為：COD、NH3-N、TN、TP、DO、水溫、pH值。具體測(cè)試方法與使用儀器見表3，具體操作步驟參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[11]。由于本次進(jìn)水為貴州省環(huán)?？萍紙@化糞池污水，受污水中懸浮物等的影響，流量在一定范圍內(nèi)有波動(dòng)。

表3 分析項(xiàng)目與方法

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

植物在種植兩周后全部成活，試驗(yàn)前期平均每月凈生長(zhǎng)高度約6～10 cm，長(zhǎng)勢(shì)總體良好；到11月，植株總高度為40～45 cm。試驗(yàn)期間出現(xiàn)老葉枯黃狀態(tài)時(shí)及時(shí)將枯黃的老葉去除；進(jìn)入11月，由于受低溫影響，植物生長(zhǎng)較緩慢，進(jìn)入12月，基本處于生長(zhǎng)停滯狀態(tài)。整個(gè)試驗(yàn)期間，污水24 h連續(xù)進(jìn)入，未出現(xiàn)水淹狀態(tài)。

2.1 COD去除率與出水中DO關(guān)系分析

從9月至12月，COD去除率與出水DO的關(guān)系見圖2。

對(duì)三組裝置的COD去除率與出水的DO進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，美人蕉裝置的COD去除率與出水DO含量有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.815以上；美人蕉+旱傘草裝置在9月相關(guān)性不明顯，從10月以后，相關(guān)系數(shù)為0.93；旱傘草裝置除11月上旬外，相關(guān)性達(dá)到了0.9以上，總體上，三組裝置出水中DO與COD去除率呈較好正相關(guān)。試驗(yàn)表明，在DO充足的情況下，好氧微生物在降解有機(jī)物的過程中，氧能得到有效供應(yīng)，好氧微生物的生長(zhǎng)代謝能持續(xù)進(jìn)行，由于COD去除主要為好氧微生物的作用，因此其去除率也較高；而當(dāng)出水中DO含量較低時(shí)，在裝置系統(tǒng)反應(yīng)后端，裝置中無足夠的氧去維持好氧微生物的生長(zhǎng)代謝，降解有機(jī)物的過程受到DO不足的制約，COD去除率下降。同時(shí)，由于受低溫影響，微生物活性降低，植物生長(zhǎng)緩慢甚至停滯，根系輸氧能力降低，處理效果下降。

圖2 COD去除率與出水中DO關(guān)系圖

從進(jìn)出水DO變化情況來看，在9月至11月上旬，三個(gè)裝置出水中DO均高于進(jìn)水中的DO，在這期間植物長(zhǎng)勢(shì)良好，說明這期間裝置中可能存在植物根系泌氧的情況。而在11月下旬至12月，進(jìn)水中的DO均高于出水中DO，這可能是由于受低溫影響，植物生長(zhǎng)處于停滯狀態(tài)，根系泌氧能力減弱，而系統(tǒng)中的好氧微生物生長(zhǎng)耗氧，出水中DO濃度降低。

從出水濃度達(dá)標(biāo)情況來看，以上三個(gè)裝置在整個(gè)試驗(yàn)期間出水均達(dá)到或優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，其中在12月由于受低溫影響，出水COD較其他月偏高，但均達(dá)到了一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，也全部達(dá)到了《貴州省農(nóng)村生活污水處理污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB52/1424-2019)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

從實(shí)驗(yàn)室結(jié)果來看，在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于生態(tài)濾池布水管孔徑及孔間距需要根據(jù)處理水量、濾池面積等進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使進(jìn)水盡可能的均勻分布，對(duì)于填料的選擇和布置需兼顧到處理效果及防堵塞情況，防止進(jìn)水發(fā)生短路現(xiàn)象。同時(shí)根據(jù)研究表明，在一定水力負(fù)荷調(diào)節(jié)下，降低水力負(fù)荷有助于處理效率提升[12-13]，因此在冬季溫度較低情況下可通過適當(dāng)減小水力負(fù)荷提高出水水質(zhì)。

2.2 NH3-N去除率與出水中DO關(guān)系分析

從9月至12月，NH3-N去除率與出水DO的關(guān)系見圖3。

圖3 NH3-N去除率與出水中DO關(guān)系圖

對(duì)9月至12月出水DO監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，從11月開始，氣溫低于12℃時(shí)，由于受低溫影響，植物生長(zhǎng)處于休眠狀態(tài)，根系輸氧能力弱，出水中DO 均顯著降低，受低溫影響微生物生長(zhǎng)代謝受到抑制。

對(duì)三組裝置的NH3-N去除率與出水的DO進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，美人蕉裝置的NH3-N去除率與出水DO含量有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.820以上；美人蕉+旱傘草裝置在9月無明顯相關(guān)性，從10月下旬開始，相關(guān)系數(shù)為0.932，相關(guān)性較高；旱傘草裝置除11月上旬外，其余相關(guān)性也達(dá)到了0.87以上。氨氮去除率與出水中DO相關(guān)性與COD基本一致。由于氨氮的去除主要為硝化菌類作用，而硝化菌類主要為好氧微生物，當(dāng)出水DO含量高，說明濾池中的DO較充足，好氧微生物在發(fā)生硝化作用時(shí)，由于氧能得到有效供應(yīng)，硝化菌的生長(zhǎng)代謝能得到持續(xù)進(jìn)行，促進(jìn)了硝化作用的發(fā)生，氨氮得以去除，這與COD去除率的變化基本一致。

從出水濃度達(dá)標(biāo)情況來看，三組裝置出水濃度均都能達(dá)到或優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，也全部達(dá)到了《貴州省農(nóng)村生活污水處理污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB52/1424-2019)中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 TN與出水中DO關(guān)系分析

試驗(yàn)期間通過對(duì)出水中的DO進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)TN的去除率和出水中的DO有一定的相關(guān)性，但相關(guān)性并不明顯。通過2018年10月對(duì)裝置中10 cm土壤層的微生物檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，裝置中存在好氧、厭氧和兼氧性反硝化菌，而反硝化作用是以上幾類反硝化菌共同作用的結(jié)果，這可能是導(dǎo)致TN的去除與出水中DO無相關(guān)性的原因，另外，進(jìn)水C/N比低也可能是導(dǎo)致裝置后端反硝化作用不明顯的原因之一。

從出水濃度達(dá)標(biāo)情況來看，三組裝置NH3-N出水濃度除12月外，其余月均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)，在12月由于受低溫影響，出水略有超標(biāo)情況。

在實(shí)際工程中，可通過前端曝氣或自然通風(fēng)方式加強(qiáng)前端的硝化作用，使前端的氨氮盡可能的轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，為反硝化的順利進(jìn)行提供前體物質(zhì)，后端若碳源不足時(shí)可通過回流、多點(diǎn)進(jìn)水方式在不額外增加碳源的情況下為反硝化作用提供碳源，使反硝化過程能充分進(jìn)行。同時(shí)在冬季低溫情況下合理調(diào)節(jié)水力負(fù)荷，增加水力停留時(shí)間，從而提高處理系統(tǒng)的除氮效率。

3 結(jié)論與建議

COD和NH3-N的去除率總體來說與出水中的DO呈正相關(guān)，但TN由于裝置中存在厭氧、好氧和兼氧性反硝化菌，反硝化作用是以上幾類反硝化菌共同的結(jié)果，因此TN去除率與出水中DO無明顯相關(guān)性。在實(shí)際工程中，為提高系統(tǒng)對(duì)COD、NH3-N去除率，可考慮在系統(tǒng)的前端采取自然通風(fēng)或強(qiáng)制通風(fēng)方式，保持系統(tǒng)前端處于好氧環(huán)境，利于硝化作用的進(jìn)行。而在裝置后端為維持反硝化階段有足夠的碳源，可通過回流、多點(diǎn)進(jìn)水等方式在不外加碳源的情況下補(bǔ)充反硝化所需碳源，同時(shí)微生物的豐富性和多樣性也可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和污染物的處理率。