基于竹纖維填料的一體化脫氮除磷生活污水處理裝置研究

王睿 張亮 譚映宇 李亞 任旭鋒 徐佳佳 梅榮武 王震

摘要 通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究聚氨酯、竹纖維、火山巖、沸石、牡蠣殼5種填料在污水處理過(guò)程中的實(shí)際效果。以填料的優(yōu)化配置為基礎(chǔ)研發(fā)一種基于竹纖維的一體化脫氮除磷生活污水處理裝置，并開(kāi)展小試、中試研究。小試試驗(yàn)中，火山巖填料的出水COD平均濃度最低，為27.56 mg/L，平均去除率為91.64%;混合填料對(duì)NH4+-N的去除效果最好，出水平均濃度為4.80 mg/L，平均去除率為77.66%;沸石填料對(duì)TN的去除效果最好，出水平均濃度為9.53 mg/L，平均去除率為71.44%;混合填料對(duì)TP的去除效果最好，其出水平均濃度為1.88 mg/L，平均去除率達(dá)57.84%。中試試驗(yàn)中，出水COD、NH4+-N、TN、TP的平均濃度分別為50.73、11.03、13.10和1.59 mg/L，相應(yīng)的平均去除率分別為86.51%、59.53%、61.57%和43.92%，出水滿足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》DB 33/973—2015一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞 竹纖維填料;混合填料;生活污水;脫氮除磷;牡蠣殼填料

中圖分類號(hào) X-799.3? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2021）11-0064-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.11.018

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Integrated Nitrogen and Phosphorus Removal Domestic Sewage Treatment Device Based on Bamboo Fiber Filler

WANG Rui1，2， ZHANG Liang3， TAN Ying-yu1 et al

（1. Zhejiang Ecological Environment Scientific Design and Research Institute，Hangzhou，Zhejiang 310007;2. Zhejiang Environmental Research Institute Co.， Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310007;3. Zhejiang Ecological Environment Low Carbon Development Center，Hangzhou，Zhejiang 310007）

Abstract The actual effect of five kinds of fillers （polyurethane， bamboo fiber， volcanic rock， zeolite and oyster shell） in the process of wastewater treatment was studied through comparative experiments. Based on the optimal allocation of fillers， an integrated nitrogen and phosphorus removal domestic sewage treatment device based on bamboo fiber was developed， and the small-scale and pilot studies were carried out. In the small-scale test， the average concentration of COD in the effluent of volcanic rock packing was the lowest， which was 27.56 mg/L， with an average removal rate of 91.64%;the mixed packing had the best removal effect on NH4+-N， which was 4.80 mg/L， with an average removal rate of 77.66%;the zeolite packing had the best removal effect on TN， which was 9.53 mg/L， with an average removal rate of 71.44%;the mixed packing had the best removal effect on TP 1.88 mg/L， the average removal rate reached 57.84%. In the pilot test， the average concentrations of COD， NH4+-N， TN and TP in the effluent were 50.73， 11.03， 13.10 and 1.59 mg/L respectively， and the corresponding average removal rates were 86.51%， 59.53%， 61.57% and 43.92% respectively. The effluent met the first-level standard of DB 33/973-2015 in the Water Pollutant Discharge Standard for Rural Domestic Sewage Treatment Facilities.

Key words Bamboo fiber packing;Mixed packing;Domestic sewage;Nitrogen and phosphorus removal;Oyster shell packing

隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，村民生活水平日益提高，其生活方式也發(fā)生改變，現(xiàn)代化廚衛(wèi)設(shè)施使用覆蓋率增加，伴隨而來(lái)的生活污水排放量亦顯著增加[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)90年代我國(guó)的生活污水產(chǎn)生排放量超過(guò)同時(shí)期的工業(yè)廢水排放量，成為主要的水污染源頭，未經(jīng)處理的生活污水隨意排放，不僅造成周邊地表水體的嚴(yán)重污染，還直接或間接危害人類生存環(huán)境及身體健康。常見(jiàn)的城鎮(zhèn)污水處理廠由于其建設(shè)成本高、運(yùn)維管理難等因素，再者由于農(nóng)村生活污水具有分布散、水質(zhì)水量波動(dòng)大、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得市政污水處理工藝并不適用于廣大農(nóng)村地區(qū)的生活污水處理。因此，為了有效處理農(nóng)村生活污水、改善農(nóng)村人居環(huán)境、保障村民身體健康，研究開(kāi)發(fā)適合我國(guó)農(nóng)村地區(qū)實(shí)際情況的簡(jiǎn)易、高效低耗脫氮除磷污水處理技術(shù)是解決我國(guó)農(nóng)村水環(huán)境污染和水資源短缺問(wèn)題的有效途徑[2]。

1 技術(shù)路線

該研究利用農(nóng)村廢棄物（如竹纖維填料、牡蠣殼等）制作新型填料，變“廢”為“寶”，并通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)研究其在污水處理過(guò)程中的實(shí)際效果。以填料的優(yōu)化配置為基礎(chǔ)研發(fā)一種低成本、低能耗、不易堵塞、占地面積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行維護(hù)管理方便的基于竹纖維的一體化脫氮除磷生活污水處理裝置，并通過(guò)小試、中試，最終應(yīng)用于實(shí)際工程上[3]。圖1為研究技術(shù)路線圖。

該研究一體化裝置內(nèi)填料為生物膜提供了巨大的附著比表面積，生長(zhǎng)于生物膜上的微生物大量吸附污水中的有機(jī)物，具有較強(qiáng)的氧化能力。不溶性的有機(jī)物通過(guò)填料的過(guò)濾作用被截留形成污泥;可溶性有機(jī)物則通過(guò)生物膜的吸附及微生物代謝作用而被去除;氮、磷的去除主要靠填料的吸附和離子交換作用，如不更換填料無(wú)法從根本去除，將填料的吸附作用與生物膜的降解作用進(jìn)行協(xié)同有機(jī)結(jié)合，可有效地解決這一問(wèn)題[4]。被填料阻截的有機(jī)氮可通過(guò)氨化作用轉(zhuǎn)化為NH4+-N，NH4+-N通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為亞硝氮和硝氮，最后通過(guò)反硝化作用轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦?聚磷菌類的微生物能夠去除吸附在填料上的磷，其代謝過(guò)程中需要從外部環(huán)境中不斷地?cái)z取磷，并將磷以聚合的形態(tài)儲(chǔ)藏在菌體內(nèi)，通過(guò)定期排泥從而達(dá)到除磷效果[5]。

微生物的生長(zhǎng)需要一定營(yíng)養(yǎng)和合適的環(huán)境條件，影響填料掛膜的主要因素有溫度、pH、溶解氧濃度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及水力停留時(shí)間等，這些因素決定了填料上生物膜的生長(zhǎng)速度和活性[6]。在適宜的范圍內(nèi)提高溫度可有效促進(jìn)酶促反應(yīng)速度，因而微生物的生長(zhǎng)和代謝速率均相應(yīng)提高。好氧微生物的適宜溫度是10～35 ℃，通常水溫低于10 ℃，對(duì)生物膜的生長(zhǎng)就會(huì)產(chǎn)生不利的影響。掛膜期間進(jìn)水水溫為20～30 ℃，恰好適合生物膜的生長(zhǎng)。大多數(shù)微生物的最適pH為6.5～8.5，小于4或大于10都會(huì)對(duì)微生物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。掛膜期間進(jìn)水pH在6.5～8.0，出水pH在6.5～7.5，對(duì)微生物的生長(zhǎng)最為適宜。溶解氧濃度與好氧微生物的生長(zhǎng)量呈正相關(guān)，好氧環(huán)境中溶解氧濃度需維持在2 mg/L以上[7]。掛膜期間對(duì)一體化裝置適量曝氣保持出水溶解氧濃度在4.0 mg/L左右，使好氧微生物得以快速生長(zhǎng)。而污水原水中的有機(jī)物恰好為微生物的生長(zhǎng)提供了營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，好氧微生物生長(zhǎng)所需的最佳碳氮磷比為BOD5∶N∶P=100∶5∶1。掛膜期間最佳進(jìn)水COD濃度為450 mg/L左右，這與農(nóng)村生活污水的水質(zhì)特性相匹配。最佳水力停留時(shí)間的設(shè)定會(huì)使微生物在快速生長(zhǎng)的同時(shí)不會(huì)過(guò)量地消耗污水中的碳源，保持最佳的碳氮磷比，提升掛膜效果，增強(qiáng)污水中污染物的去除率[8]。圖2為生物膜凈化模式。

2 小試試驗(yàn)研究

2.1 小試試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用6個(gè)相同尺寸的PVC容器，直徑為14.50 cm，高為28.00 cm，填料層高度12.50 cm。處理水量為0.15 L/h，水力停留時(shí)間為24 h，5個(gè)裝置分別裝填竹纖維、火山巖、沸石、牡蠣殼和聚氨酯填料，另一個(gè)裝置從上至下等高裝填牡蠣殼、火山巖、沸石、聚氨酯和竹纖維填料[9]。污水自下而上流經(jīng)填料。采取連續(xù)進(jìn)水、連續(xù)出水的方式，采集水樣分析其對(duì)COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果。

為控制試驗(yàn)條件，采用人工配制的污水進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，即向純水中按比例投加葡萄糖、硫酸銨、磷酸二氫鉀、硝酸鈉等分析純?cè)噭┡渲瞥傻蜐舛壬钗鬯?，試?yàn)進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)濃度分別如下：COD為170.90～425.00 mg/L，NH4+-N為6.10～35.60 mg/L，TN為10.63～43.60 mg/L，TP為2.80～5.90 mg/L。

試驗(yàn)流程見(jiàn)圖3，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖見(jiàn)圖4。

該研究所選用的裝置填料情況特性如下所述：

（1）聚氨酯。它是由有機(jī)二異氰酸酯或多異氰酸酯與二羥基或多羥基化合物加聚而成。網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料的孔隙率通常在97%以上，有較好的親水性和較大的比表面積，其內(nèi)部復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以為微生物提供易于附著生長(zhǎng)的良好空間，是一種較為理想的生化污水處理材料[10]。

（2）竹纖維。系天然成分，具有親水性、無(wú)毒副作用，含有很多的微量元素，為微生物的繁殖生長(zhǎng)提供了良好的物質(zhì)條件，在一定程度上還能解決碳源不足的問(wèn)題，使反硝化細(xì)菌能夠順利地進(jìn)行反硝化作用;竹纖維填料表面粗糙，具有很大的比表面積，為微生物的生長(zhǎng)提供了良好的棲息場(chǎng)所;掛膜后的竹纖維填料密度大于水，不會(huì)在水中呈懸浮狀態(tài)，避免了填料之間相互碰撞而導(dǎo)致生物膜脫落。

（3）火山巖。主要成分為Si、Al、Ca、Na、Mg、Ti、Mn、Fe、Ni和Co等幾十種礦物質(zhì)和微量元素，其表面不規(guī)則，為紅黑褐色，多空隙，機(jī)械強(qiáng)度大，質(zhì)輕且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。由于其表面粗糙多空隙，使得微生物較易在其表面生長(zhǎng)、繁殖，從而生成生物膜。

（4）沸石。沸石是一族多孔鋁酸鹽晶體的總稱，外觀呈灰白色，其表面具有很強(qiáng)的色散力，內(nèi)部有很大的蜂窩狀孔隙，體積占晶體總體積的50%以上。沸石也具有較強(qiáng)的靜電力，即體現(xiàn)為較強(qiáng)的吸附性。同時(shí)還具有離子交換能力，污水中的NH4+與沸石晶格中的K+、Na+、Ca2+等離子發(fā)生相互交換。沸石中的Ca2+、Fe2+、Mg2+、Al3+等離子與污水中的PO43-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀。

（5）牡蠣殼。主要成分為CaCO3，其含量為80%～95%，另外含有微量的Ca（HCO3）2、CaSO4·2H2O、Fe2O3、Al、Mg、K、Cu和Si等微量元素，是一種無(wú)機(jī)鹽資源。牡蠣殼的物理構(gòu)造由角質(zhì)層、棱柱層、珍珠層組成，主要部分為棱柱層，葉片狀結(jié)構(gòu)，含大量互相聯(lián)通的2～10 μm微孔，具有較強(qiáng)的吸附能力[11]。

2.2 小試結(jié)果與分析

2.2.1 聚氨酯填料處理效果。

從裝填聚氨酯填料的一體化裝置對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（圖5）可以看出，其出水COD平均濃度為38.76 mg/L，平均去除率為87.90%;NH4+-N平均出水濃度為15.60 mg/L，平均去除率為41.40%;TN平均出水濃度為21.04 mg/L，平均去除率為40.28%;TP平均出水濃度為3.72 mg/L，平均去除率為20.49%。

2.2.2 竹纖維填料處理效果。

從裝填竹纖維填料的一體化裝置對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（圖6）可以看出，其出水COD平均濃度為90.34 mg/L，平均去除率為73.11%;NH4+-N平均出水濃度為10.71 mg/L，平均去除率為59.16%;TN平均出水濃度為13.57 mg/L，平均去除率為60.82%;TP平均出水濃度為3.61 mg/L，平均去除率為23.77%。

2.2.3 火山巖填料處理效果。

從裝填火山巖填料的一體化裝置對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（圖7）可以看出，其出水COD平均濃度為27.56 mg/L，平均去除率為91.64%;NH4+-N平均出水濃度為12.81 mg/L，平均去除率為52.91%;TN平均出水濃度為16.45 mg/L，平均去除率為53.36%;TP平均出水濃度為3.30 mg/L，平均去除率為29.60%。

2.2.4 沸石填料處理效果。

從裝填沸石填料的一體化裝置對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（圖8）可以看出，其出水COD平均濃度為33.77 mg/L，平均去除率為89.80%;NH4+-N平均出水濃度為6.03 mg/L，平均去除率為71.20%;TN平均出水濃度為9.53 mg/L，平均去除率為71.44%;TP平均出水濃度為3.33 mg/L，平均去除率為28.45%。

2.2.5 牡蠣殼填料處理效果。

從裝填牡蠣殼填料的一體化裝置對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（圖9）可以看出，其出水COD平均濃度為30.47 mg/L，平均去除率為90.92%;NH4+-N平均出水濃度為6.56 mg/L，平均去除率為69.99%;TN平均出水濃度為15.52 mg/L，平均去除率為55.65%;TP平均出水濃度為2.86 mg/L，平均去除率為37.41%。

2.2.6 5種混合填料處理效果。

從裝填5種混合填料的一體化裝置對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（圖10）可以看出，其出水COD平均濃度為33.08 mg/L，平均去除率為90.13%;NH4+-N平均出水濃度為4.80 mg/L，平均去除率為77.66%;TN平均出水濃度為10.08 mg/L，平均去除率為70.78%;TP出水平均濃度為1.88 mg/L，平均去除率為57.84%。

2.2.7 不同種類填料組合處理效果對(duì)比。

從裝填不同種類填料的一體化裝置對(duì)污水的凈化效果（表1）可以看出，在相同進(jìn)水條件下，裝填火山巖填料的一體化裝置出水COD平均濃度最低，為27.56 mg/L，相應(yīng)的平均去除率為91.64%，裝填牡蠣殼出水COD平均濃度次之，為30.47 mg/L，相應(yīng)的平均去除率為90.92%，裝填竹纖維填料的出水COD平均濃度最高，為90.34 mg/L，相應(yīng)的去除率較低，為73.11%，這是由于試驗(yàn)周期較短，在試驗(yàn)初期竹纖維填料有緩釋有機(jī)物的功能，從圖10可以看出，在試驗(yàn)后期出水COD濃度大幅度降低;裝填5種混合填料的裝置對(duì)NH4+-N的去除效果最好，出水平均濃度為4.80? mg/L，其相應(yīng)的去除率為77.66%，這是因?yàn)楦鞣N填料的混合作用更利于微生物的生長(zhǎng);沸石裝置對(duì)TN的去除效果最好，出水平均濃度為9.53 mg/L，混合填料裝置僅次之，其相應(yīng)的出水平均濃度10.08 mg/L，去除率為70.78%;混合填料裝置對(duì)TP的去除效果最好，其出水平均濃度為1.88 mg/L，相應(yīng)的去除率達(dá)57.84%，表明多種填料的共同作用更利于廢水中TP的去除[12]。

3 中試試驗(yàn)研究

3.1 中試試驗(yàn)設(shè)計(jì)

該研究構(gòu)造了基于竹纖維的一體化脫氮除磷生活污水處理裝置，開(kāi)展中試試驗(yàn)，裝置儲(chǔ)存水量為1 t，從上至下依次分層等量裝填牡蠣殼、火山巖、沸石、聚氨酯和竹纖維[3]。由小試試驗(yàn)結(jié)果得知，裝填5種混合填料的裝置綜合來(lái)看對(duì)COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果最好，因此對(duì)其放大進(jìn)行中試試驗(yàn)。一個(gè)玻璃鋼容器，直徑為1.0 m，高為1.5 m，填料層總高1.0 m，從上至下分成5等份，依次裝入牡蠣殼、火山巖、沸石、聚氨酯和竹纖維。污水自下而上流經(jīng)填料，容器底部設(shè)置曝氣裝置，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖11。處理水量為42 L/h，水力停留時(shí)間為24 h[2]。

試驗(yàn)期間平均氣溫在30 ℃左右，平均水溫在25～30 ℃，此時(shí)的溫度屬于適宜溫度，較適于掛膜試驗(yàn)的進(jìn)行。當(dāng)水溫較高且進(jìn)水水質(zhì)中可生物降解成分較高時(shí)，可采用自然掛膜。即以小流量進(jìn)水，使微生物逐漸接種在填料上附著生長(zhǎng)，逐漸減少停留時(shí)間，直至達(dá)到要求。當(dāng)水溫較低或水中可生物降解成分較少時(shí)，應(yīng)采用接種掛膜，以強(qiáng)化掛膜效果減少掛膜時(shí)間。此次試驗(yàn)采用活性污泥接種法對(duì)填料進(jìn)行掛膜[13]。

從污水處理廠取回20 L回流污泥，該污泥呈褐色，將其倒入一個(gè)大塑料圓桶中，對(duì)其進(jìn)行曝氣24 h，凈沉1 h，去除上清液后還剩10 L活性污泥。再配BOD5∶N∶P=100∶5∶1的營(yíng)養(yǎng)液10 L與活性污泥混合曝氣，每天重復(fù)換水1次。4 d后鏡檢發(fā)現(xiàn)有大量的鐘蟲、草履蟲等微生物，投加到中試一體化裝置中，悶曝氣2 d后以小流量進(jìn)水試驗(yàn)。

3.2 中試結(jié)果與分析

3.2.1 COD去除率。

從中試試驗(yàn)對(duì)COD的去除效果（圖12）可以看出，進(jìn)水COD濃度波動(dòng)性較大，在第35天和第55天時(shí)分別達(dá)到最低值（308 mg/L）和最高值（449 mg/L），最初幾天，COD的去除效率相對(duì)較低，在75%左右，這是因?yàn)槌跗谙到y(tǒng)中的接種污泥還不適應(yīng)污水的水質(zhì)，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除主要借助于填料層的機(jī)械截留和物理吸附作用。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，COD去除效率逐漸提升。出水COD均值為50.73 mg/L，受污染負(fù)荷濃度變化影響小，去除率均值為86.51%。

3.2.2 NH4+-N去除率。

從中試試驗(yàn)對(duì)NH4+-N的去除效果（圖13）可以看出，運(yùn)行初期由于污泥還不適應(yīng)污水的水質(zhì)，因此NH4+-N的去除率較低，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除主要靠填料對(duì)NH4+-N的吸附和離子的交換作用。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，NH4+-N去除效率逐漸提升且趨于穩(wěn)定，雖然系統(tǒng)進(jìn)水NH4+-N濃度在一定范圍內(nèi)大幅度波動(dòng)（10.63～39.81 mg/L），但出水均保持了較低的濃度，其出水濃度均值為11.03 mg/L，相應(yīng)的去除率為59.53%。

3.2.3 TN去除率。

從中試試驗(yàn)對(duì)TN的去除效果（圖14）可以看出，經(jīng)過(guò)一體化裝置出水TN平均濃度為13.10 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，其相應(yīng)的去除率為61.57%。TN的濃度和去除率的變化趨勢(shì)與NH4+-N的基本上相一致，進(jìn)一步證明了中試試驗(yàn)的可靠性。

3.2.4 TP去除率。

從中試試驗(yàn)對(duì)TP的去除效果（圖15）可以看出，進(jìn)水TP濃度波動(dòng)性較大且無(wú)明顯規(guī)律，經(jīng)過(guò)一體化裝置出水TP平均濃度為1.59 mg/L，滿足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 33/973—2015）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其相應(yīng)的去除率為43.92%。

4 小結(jié)

（1）小試試驗(yàn)中在相同進(jìn)水條件下，裝填火山巖填料的一體化裝置出水COD平均濃度最低，為27.56 mg/L，相應(yīng)的平均去除率為91.64%。裝填5種混合填料的裝置對(duì)NH4+-N的去除效果最好，出水平均濃度為4.80 mg/L，其相應(yīng)的平均去除率為77.66%;裝填沸石填料的裝置對(duì)TN的去除效果最好，出水均值濃度為9.53 mg/L，裝填混合填料的裝置僅次之，其相應(yīng)的出水均值濃度10.08 mg/L，平均去除率為70.78%;裝填混合填料的裝置對(duì)TP的去除效果最好，其出水均值濃度為1.88 mg/L，相應(yīng)的平均去除率達(dá)57.84%。

（2）中試試驗(yàn)中出水COD、NH4+-N、TN、TP的均值分別為50.73、11.03、13.10和1.59 mg/L，相應(yīng)的平均去除率分別為86.51%、59.53%、61.57%和43.92%，可大幅度消減污染物濃度，出水滿足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》DB 33/973—2015一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

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