潛流生物濾池對(duì)尾水氮磷協(xié)同去除技術(shù)

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化迅速推進(jìn).用水需求量不斷增加，水資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重。為了緩解水資源短缺和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾.中水回用的研究受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。目前污水處理廠的尾水一部分用作湖泊、河流、水庫(kù)等天然水系的補(bǔ)充水源，另一部分經(jīng)深度處理后用作城市的第二水源。我國(guó)大部分污水處理廠受工藝水平、技術(shù)條件、管理維護(hù)等限制，出水氮磷等污染物含量仍然較高，造成地表水體富營(yíng)養(yǎng)化。因此，亟需對(duì)污水處理廠的尾水進(jìn)行深度處理，以改善地表水環(huán)境。

經(jīng)污水處理設(shè)施處理后的尾水屬于低污染水，氮磷等污染物主要以硝態(tài)氮(NO3--N)及溶解性無(wú)機(jī)磷形式存在。若對(duì)尾水進(jìn)行深度處理，需要投加碳源進(jìn)行反硝化生物脫氮，同時(shí)還需深度除磷。影響反硝化生物脫氮效果的關(guān)鍵因素是碳源種類，乙醇、乙酸、葡萄糖等液體碳源是污水處理廠常用的碳源，這些碳源具有碳釋放速度快、脫氮效率高等優(yōu)點(diǎn)，但液體碳源成本較高（2.0～4.5元/kg）。為了降低處理成本，稻草、鋸木屑等農(nóng)業(yè)廢棄物近年來(lái)常被用作反硝化碳源，與液體碳源相比，農(nóng)業(yè)廢棄物碳源成本低，更適合應(yīng)用于農(nóng)村污水處理。

除磷技術(shù)一般多采用化學(xué)沉淀絮凝法，鋁類絮凝劑、鐵類絮凝劑及有機(jī)高分子絮凝劑是常見(jiàn)的除磷藥劑?；瘜W(xué)沉淀絮凝法除磷效果較好，廢水中磷的去除率可達(dá)到90%以上，但藥劑價(jià)格高達(dá)5萬(wàn)~15萬(wàn)元/t，并不適合在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。

目前，尾水深度處理多是構(gòu)建脫氮和除磷兩級(jí)系統(tǒng)，而具有同步脫氮除磷功能的單級(jí)深度處理系統(tǒng)研究較少。基于此，本課題組結(jié)合生物膜法和吸附法原理，通過(guò)裝填長(zhǎng)效固體碳源及高效除磷材料，構(gòu)建了能夠同步脫氮除磷的潛流生物濾池。由于潛流生物濾池將傳統(tǒng)的脫氮除磷兩級(jí)系統(tǒng)合并成一級(jí)，因此構(gòu)建費(fèi)用更低廉、占地面積更小。目前有關(guān)潛流生物濾池在野外條件下同步脫氮除磷效果還缺乏研究，因此本研究以廉價(jià)的稻草和鋸木屑為反硝化固體碳源、改性膨潤(rùn)土為除磷材料，構(gòu)建野外中試潛流生物濾池，通過(guò)水質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè).探明其對(duì)水體氮磷的協(xié)同去除效果，以期為我國(guó)建立經(jīng)濟(jì)可行的尾水深度處理工藝提供技術(shù)支撐。

1、材料與方法

1.1 潛流生物濾池構(gòu)建

潛流生物濾池由磚混結(jié)構(gòu)建成，長(zhǎng)、寬、高分別為1.30、1.20、0.80m，從底部向上依次布置防堵塞碎石層（0.10m）、除氮材料層（0.25m）和除磷材料層(0.40m)(見(jiàn)圖1)。脫氮材料為稻草和鋸木屑，除磷材料采用前期篩選的Ca(OH)2改性膨潤(rùn)土，改性膨潤(rùn)土制作方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)。

1.2 處理設(shè)置

本試驗(yàn)共設(shè)置3個(gè)處理：C1(稻草+改性膨潤(rùn)土)、C2(鋸木屑+改性膨潤(rùn)土)和C3(稻草/鋸木屑+改性膨潤(rùn)土)，其中C3脫氮材料層中稻草和鋸木屑體積比為1:1，3個(gè)處理并聯(lián)運(yùn)行。潛流生物濾池進(jìn)水為人工模擬廢水，原水取自野外自然水體，添加硝酸鉀和磷酸二氫鉀使廢水NO3--N和磷酸鹽(PO43--P)質(zhì)量濃度分別為10、1mg/L。進(jìn)水采用下進(jìn)上出的方式，通過(guò)蠕動(dòng)泵控制。試驗(yàn)正式開(kāi)始前，先將1500g污泥(取自養(yǎng)殖廢水綠狐尾藻處理系統(tǒng))混入到廢水中，平均接種到每個(gè)濾池；然后通過(guò)蠕動(dòng)泵動(dòng)態(tài)進(jìn)水，待廢水充滿整個(gè)濾池后，靜態(tài)培養(yǎng)3d以富集微生物。靜態(tài)培養(yǎng)結(jié)束后，每個(gè)濾池以10mL/min的進(jìn)水流速正式運(yùn)行，共運(yùn)行58d。

1.3 樣品采集與分析

潛流生物濾池運(yùn)行初期每天采集進(jìn)出水樣品，連續(xù)采集7d，之后每3天采集1次水樣。水樣的測(cè)定指標(biāo)包括氨氮(NH4+-N)、亞硝態(tài)氮(NO2--N)、NO3--N、總氮(TN)、PO43--P、總磷(TP)和化學(xué)需氧量(COD)。(NH4+-N)、NO2--N和NO3--N測(cè)定前，先過(guò)0.45μm濾膜，然后在AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀(德國(guó)SEAL公司)測(cè)定3種形態(tài)氮各自濃度；采用堿性過(guò)硫酸鉀法消解水樣，再通過(guò)AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定TN濃度。采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定水樣TP和PO43--P濃度；采用重鉻酸鹽法測(cè)定水樣COD濃度；pH采用臺(tái)式pH計(jì)測(cè)定。

2、結(jié)果與討論

2.1 潛流生物濾池對(duì)水體pH的影響

潛流生物濾池對(duì)pH的影響見(jiàn)圖2。潛流生物濾池進(jìn)水平均pH為8.67，呈堿性。C1出水平均pH為7.19，在生態(tài)安全范圍內(nèi)，C1出水呈現(xiàn)中性的原因有兩方面：(1)稻草在缺氧環(huán)境中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素大量降解，產(chǎn)生糖類，繼而又被轉(zhuǎn)化成酸，使pH下降；(2)稻草表面生物膜上的反硝化菌和其他細(xì)菌通過(guò)自身的新陳代謝消耗了一定的堿度，使得出水pH趨于中性，有利于自身的生存。C2出水平均pH為11.77，是由于Ca(OH)2改性的膨潤(rùn)土釋放出大量OH-，而鋸木屑充當(dāng)碳源時(shí)難以被微生物降解，因此造成出水pH較高。C3出水平均pH為9.93。C3中也加入了一定量稻草，但加入量比C1少，因此被微生物降解利用的碳源較少，出水pH基本在C1、C2之間。

2.2 潛流生物濾池對(duì)COD的處理效果

潛流生物濾池對(duì)COD的處理效果見(jiàn)圖3。試驗(yàn)期間進(jìn)水COD為35～48mg/L。潛流生物濾池運(yùn)行第1天，C1、C3對(duì)COD無(wú)明顯的去除效果，出水COD濃度不降反升，可能原因是稻草材料表面含有較多的可溶性有機(jī)碳和易脫落的有機(jī)顆粒物；C2中加入的除氮材料是鋸木屑，前期釋放出的COD并不明顯。隨著潛流生物濾池持續(xù)運(yùn)行，COD去除效果逐漸穩(wěn)定，這是由于潛流生物濾池中微生物通過(guò)水解氧化、吸附、吸收作用，對(duì)污水有機(jī)物進(jìn)行了高效降解。潛流生物濾池運(yùn)行58d時(shí)，C1、C2、C3出水COD分別為15.34、14.96、12.95mg/L，均達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3838―2002）中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)（≤20mg/L），這與徐小強(qiáng)等的研究結(jié)果相似。

2.3 潛流生物濾池對(duì)水體氮素的處理效果

潛流生物濾池對(duì)NO3--N和TN的去除效果見(jiàn)圖4所示。C1始終對(duì)NO3--N保持高效的去除效果，而C2、C3對(duì)NO3--N的去除率波動(dòng)較大，運(yùn)行期間3個(gè)處理對(duì)NO3--N的平均去除率為C1（94.12％）＞C3（72.16％）＞C2（54.76％）。邵留等以稻草為反硝化碳源，對(duì)水體中NO3-N去除率也達(dá)90%以上，和本研究結(jié)果相似，與以乙酸鈉為碳源的深度處理反硝化濾池脫氮效率相當(dāng)，證明潛流生物濾池可以廉價(jià)的農(nóng)業(yè)廢棄物為碳源進(jìn)行深度脫氮。C2以鋸木屑為碳源，對(duì)NO3--N去除效果較差，是由于鋸木屑主要成分是木質(zhì)素，木質(zhì)素是一種難以降解的物質(zhì)，從而導(dǎo)致其難以被微生物利用。

各處理對(duì)TN的平均去除率為C1（56.13%）＞C3（53.71%）＞C2（20.64%）。整個(gè)試驗(yàn)期間，C1對(duì)TN去除不穩(wěn)定，最高去除率高達(dá)83.54%，最低去除率僅為14.30%；C2、C3對(duì)TN的去除效果也處于波動(dòng)狀態(tài)，且去除率不高。C2、C3對(duì)TN的去除效果不佳的原因可能是碳源供給不足，潛流生物濾池中微生物反硝化過(guò)程需要碳源，適宜的碳氮比是保證反硝化反應(yīng)發(fā)生的必要條件。

此外，對(duì)3個(gè)潛流生物濾池出水NH4+-N和NO2-N濃度進(jìn)行測(cè)定，由此來(lái)判斷試驗(yàn)過(guò)程中是否出現(xiàn)NH4+-N和NO2-N的積累，結(jié)果見(jiàn)圖5。試驗(yàn)前期，C2的NH4+-N累積較少，而C1、C3運(yùn)行前期出現(xiàn)NH4+-N濃度明顯增加，第3天開(kāi)始出水NH4+-N濃度逐漸降低。前期NH4+-N濃度增加的原因可能是C1、C3中的稻草釋放出大量氮素，造成出水NH4+-N增加，隨后潛流生物濾池中NH4+-N與NO2-N可能發(fā)生厭氧氨氧化，因此造成NH4+-N濃度開(kāi)始降低。

NO2-N是反硝化過(guò)程中的中間產(chǎn)物，NO2--N的積累與反硝化過(guò)程中碳源的供給量有很大關(guān)系。由圖5可見(jiàn)，添加有鋸木屑的C2、C3均出現(xiàn)了明顯的NO2--N積累，而添加稻草的C1僅在試驗(yàn)后期出現(xiàn)少量NO2--N積累，該結(jié)果與朱輝翔等的研究結(jié)果相似。鋸木屑在反硝化過(guò)程出現(xiàn)NO2--N大量積累，與鋸木屑釋碳緩慢有關(guān)，NO2--N還原成N2所需的自由能要高于NO3--N還原成NOz-N所需的自由能，在碳源不足條件下會(huì)優(yōu)先發(fā)生NO3--N還原反應(yīng).因此會(huì)導(dǎo)致NO2--N積累。

2.4 潛流生物濾池對(duì)水體PO43--P和TP的去除

潛流生物濾池對(duì)PO43--P和TP的去除效果見(jiàn)圖6。C2在整個(gè)運(yùn)行期間對(duì)PO--P保持著穩(wěn)定的高效去除效果；C1、C3在運(yùn)行期間對(duì)PO43--P的去除效果不穩(wěn)定，且總體呈下降趨勢(shì)。3個(gè)潛流生物濾池出水PO43--P平均去除率為C2(96.96%)>C1(88.52%)>C3(74.18%)。C2的PO43--P去除率高于熊小京等構(gòu)建的單級(jí)除磷濾池（PO43--P去除率為75%~85%)，說(shuō)明潛流生物濾池中同時(shí)裝填脫氮與除磷材料是可行的。

對(duì)比3個(gè)潛流生物濾池對(duì)TP的去除效果，C2對(duì)TP的去除效果穩(wěn)定，平均去除率可達(dá)到90.69%；C1在運(yùn)行前期對(duì)TP的去除效果較差，這可能與稻草釋放一定有機(jī)磷有關(guān)；C3在運(yùn)行前期對(duì)TP的去除效果較好，TP去除率可達(dá)到90%以上，運(yùn)行后期對(duì)TP的去除率僅達(dá)到50%左右。3個(gè)潛流生物濾池出水TP平均質(zhì)量濃度為C2（0.11mg/L）〈C3（0.43mg/L）〈C1（0.85mg/L），TP平均去除率為C2（90.69％）＞C3（61.98％）＞C1（26.86％）。C2出水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（≤0.5mg/L），可達(dá)GB3838-2002中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)（≤0.3mg/L）。

潛流生物濾池的除磷機(jī)制主要是改性膨潤(rùn)土中Ca2+及其氧化物與磷素反應(yīng)形成難溶性化合物，從而使磷得以沉淀去除。鈣與磷結(jié)合過(guò)程受pH影響，C2出水pH呈堿性，改性膨潤(rùn)土中Ca2+更易與水體PO43--P結(jié)合，因此除磷效果更好。

3、結(jié)語(yǔ)

(1)3種不同填料潛流生物濾池中，C1、C2、C3的NO3--N平均去除率分別為94.12%、54.76%、72.16%，TN平均去除率分別為56.13%、20.64%、53.71%；與鋸木屑相比，以稻草為固體碳源的潛流生物濾池脫氮效果更佳。

(2)不同潛流生物濾池PO-P平均去除率為C2（96.96％）＞C1（88.52％）＞C3（74.18％），TP平均去除率為C2（90.69％）＞C3（61.98％）＞C1（26.86%），其中C2出水TP優(yōu)于GB18918-2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，可達(dá)GB3838-2002中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)；與稻草相比，以鋸木屑為固體碳源的潛流生物濾池除磷效果更佳。

(3)綜合而言，當(dāng)廢水中以氮污染為主時(shí)，可選用稻草＋改性膨潤(rùn)土組合作為潛流生物濾池脫氮除磷材料；當(dāng)廢水中以磷污染為主時(shí)，可以選用鋸木屑+改性膨潤(rùn)土組合作為潛流生物濾池脫氮除磷材料。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，湖南厚霖生態(tài)環(huán)保有限公司）