朱擎，楊飛飛，蘆婷，馮傳平，吳為中*

1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京，100083；2. 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京100871；3. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京，100012

微曝氣生物濾池-固相碳源反硝化生物濾池強(qiáng)化脫氮處理新運(yùn)糧河水的示范工程研究

朱擎1, 2, 3，楊飛飛2，蘆婷2，馮傳平1，吳為中2*

1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京，100083；2. 北京大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，北京100871；3. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京，100012

摘要：滇池是中國(guó)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)最為嚴(yán)重的湖泊，而入湖河流氮磷元素的輸入是其主要原因。河流水質(zhì)的低C/N特征是限制氮素去除的關(guān)鍵因素，采用固相反硝化技術(shù)能夠?yàn)榉聪趸^(guò)程提供持續(xù)的碳源，因而能夠強(qiáng)化受污染河流的脫氮效果。以滇池的重點(diǎn)控制入湖河流-新運(yùn)糧河為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了微曝氣生物濾池（Biological aerating filter，BAF）-固相碳源反硝化（Solid-phase denitrification，SPD）組合工藝，在河道旁路展開示范工程研究。組合工藝設(shè)計(jì)規(guī)模為800 m3·d-1，BAF（氣水比為3∶1～5∶1）和SPD生物濾池的最大表面水力負(fù)荷分別為4.2和1.4 m3·m-2·h-1，其中SPD生物濾池采用新型固相碳源共混可生物降解聚合物與惰性載體共混作為生物膜載體。工藝研究結(jié)果表明，在BAF氣水比為3∶1～5∶1、HRT為0.5～1 h 和SPD濾池HRT為0.5～1 h的運(yùn)行工況下，BAF對(duì)NH4+-N的平均硝化率達(dá)到了91.27%，SPD濾池的平均反硝化率93.60%，工藝出水NH4+-N、NO3--N和NO2--N平均濃度分別為0.68、0.70和0.02 mg·L-1。示范工程對(duì)各項(xiàng)污染物的去除效果良好，對(duì)TN、TP和CODCr的去除率分別達(dá)到84.93%、50.15%和31.39%；工藝出水TN、TP和CODCr平均濃度分別為1.75、0.20 和22.96 mg·L-1，主要水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到了地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。采用新型固相碳源填充的反硝化生物濾池強(qiáng)化了工藝針對(duì)低C/N水質(zhì)特征污染水體的脫氮效果，組合工藝對(duì)滇池氮素輸入控制具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：曝氣生物濾池（Biological aerating filter，BAF）；固相反硝化（Solid-phase denitrification，SPD）；脫氮；示范工程

*通訊聯(lián)系人，E-mail: wzwu@pku.edu.cn

引用格式：朱擎，楊飛飛，蘆婷，馮傳平，吳為中. 微曝氣生物濾池-固相碳源反硝化生物濾池強(qiáng)化脫氮處理新運(yùn)糧河水的示范工程研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 2015, 24(7): 1216-1221.

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近年來(lái)，我國(guó)的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化形勢(shì)日趨嚴(yán)重，據(jù)2013年國(guó)家環(huán)境質(zhì)量公報(bào)結(jié)果顯示，在國(guó)家重點(diǎn)湖泊（水庫(kù)）中，處于富營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)的比例為27.8%，其中滇池富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)最為嚴(yán)重。滇池是我國(guó)著名的高原湖泊，位于昆明市西南部，其流域面積為2920 km2，湖岸線長(zhǎng)為163 km，湖容積為15.6億m3（陳吉寧等，2004）。滇池流域富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題主要由外源性氮、磷輸入導(dǎo)致，而入湖河流是重要的輸入途徑之一。草海是滇池富營(yíng)養(yǎng)化最為嚴(yán)重的區(qū)域，而其北部入湖河流輸入的污水量是其最主要的污染輸入源。在納入監(jiān)測(cè)的草海的4條入湖河流中，污染最為嚴(yán)重的是烏龍河和新運(yùn)糧河，其水質(zhì)均為劣V類水，因而針對(duì)入湖河流的水質(zhì)凈化對(duì)滇池的富營(yíng)養(yǎng)化控制具有重要意義。

針對(duì)受污染河流的水質(zhì)凈化方法，較為常用的技術(shù)有生物接觸氧化工藝（張輝等，2009）、人工快速滲濾系統(tǒng)（張敏等，2008；牟新民等，2003）、地表漫流系統(tǒng)（孫敏等，2006）、人工濕地系統(tǒng)（Ruan et al.，2006；張建等，2006）、多級(jí)土壤滲濾系統(tǒng)（魏才倢等，2010)、氧化塘（張永祥等，2011）等。但受河水水溫變化及低碳氮比的水質(zhì)特征影響（吳偉龍等，2013），限制了工藝對(duì)污染物的去除。在低碳氮比水質(zhì)特征的受污染河水處理過(guò)程中，有機(jī)碳源是影響氮素去除的限制性因素，碳源不足會(huì)導(dǎo)致反硝化不足而導(dǎo)致氮素去除效率低下的問(wèn)題。在傳統(tǒng)的污水處理過(guò)程中常采用液體碳源，如甲醇（Auclair et al.，2012；Ginige et al.，2009）、乙醇（Adav et al.，2010；Kazasi et al.，2013）、乙酸鈉（Rustigeet al.，2007）等，來(lái)作為反硝化過(guò)程的電子供體，但往往由于投加量控制困難而易出現(xiàn)反硝化不完全或出水的二次污染問(wèn)題等（Wu et al.，2012）。固相反硝化工藝是近年來(lái)研究較多的一種新型反硝化脫氮工藝，其由于固相碳源能夠在微生物酶作用下緩慢釋放有機(jī)物質(zhì)，因而維持了反硝化過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行，且能夠有效避免出水的二次污染問(wèn)題。多種人工可生物降解聚合物（Biodegradable Ploymers）類固相碳源被用于多種反硝化工藝中，取得了較好的污染物去除效果（Boley et al.，2005；Chu et al.，2013；Zhao et al.，2009；陳佳利等，2012），證實(shí)了固相反硝化工藝在實(shí)際工程中應(yīng)用的可能性，但存在固相碳源成本較高的問(wèn)題。

本研究設(shè)計(jì)了河流旁路處理工程——微曝氣生物濾池（Biological aerating filter，BAF）-固相碳源反硝化生物（Solid-phase denitrification，SPD）濾池組合工藝處理受污染城市河流新運(yùn)糧河河水，將研發(fā)的一種新型較低成本的固相碳源應(yīng)用于生物濾池中，探討強(qiáng)化脫氮去除效果，為滇池流域入湖河流輸送的氮素污染控制提供技術(shù)支撐。

1　材料與方法

1.1示范工程概況

示范工程位于昆明市昆安公路與積善路之間，隱含在新運(yùn)糧河“河長(zhǎng)林”綠地內(nèi)，緊鄰新運(yùn)糧河。工程采用BAF-SPD生物濾池工藝，由取水泵將新運(yùn)糧河河水泵至BAF，經(jīng)處理后進(jìn)入砂濾池、配水井，最后進(jìn)入生物濾池單元，出水經(jīng)景觀水池后回流入新運(yùn)糧河。工藝流程如圖1所示。

圖1　示范工程工藝流程圖Fig. 1 Flow chart of the demonstration project

該示范工程所處位置，地質(zhì)結(jié)構(gòu)良好。范工程中BAF尺寸為4 m×4 m×3.5 m，填充重質(zhì)陶粒，采用上向流，濾池為半地下式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；快濾池單元尺寸為4 m×1.5 m×2 m，選用重質(zhì)陶砂作為濾料，水流流向?yàn)橄蛳铝?，主要控制懸浮物?duì)后續(xù)基于固相碳源多介質(zhì)生物濾池的沖擊問(wèn)題。由于該示范工程BAF-砂濾池為本研究中SPD生物濾池與其它技術(shù)單元的共用流程，因而建設(shè)配水井以完成后續(xù)不同處理技術(shù)單元的分流，配水井尺寸為4 m×1.5 m×2 m。SPD生物濾池尺寸為3 m×8 m×2 m，濾池為半地下式結(jié)構(gòu)，水流流向?yàn)橄蛏狭?，填料高度? m，由新型固相碳源、水洗高爐渣、瓜子石等組成，有效容積為36 m3，上面種植具有凈化和景觀美化功能的水生植物。新型固相碳源是基于聚羥基丁酸戊酸酯/聚乳酸等多組分共混可生物降解聚合物。除BAF外，SPD生物濾池、快濾池、配水井等因池深僅為2 m，且為半地下式，所以均為底部地基經(jīng)過(guò)夯實(shí)，下部為鋼筋混凝土池底，采用磚混結(jié)構(gòu)池體并作了防滲膜處理，上部加圈梁加固。

1.2工藝運(yùn)行期間的原水水質(zhì)及運(yùn)行條件

示范工程運(yùn)行期間（3月至9月）跨越了旱季、雨季，截污控源后的新運(yùn)糧河河水主要為昆明市第3污水處理廠尾水排放，除了少量截污不完善的污水排放外，在雨季受降雨影響比較明顯。運(yùn)行期間的新運(yùn)糧河河水的水質(zhì)特征如表1所示。BAF處理規(guī)模為1600 m3·d-1，其最大水力表面負(fù)荷為4.2 m3·m-2·h-1；BAF-SPD生物濾池工藝設(shè)計(jì)最大規(guī)模為800 m3·d-1，SPD生物濾池的最大水力表面負(fù)荷為0.7 m3·m-2·h-1。工程運(yùn)行期間，BAF氣水比為3∶1～5∶1。

表1　新運(yùn)糧河“河長(zhǎng)林”段的水質(zhì)狀況Table 1 The Hechanglin section water quality of the Xin Yunliang River

單獨(dú)設(shè)立了控制室，放置空壓機(jī)等，控制泵的自控運(yùn)行、正常運(yùn)行時(shí)BAF的供氧以及BAF、快濾池、SPD濾池的氣水聯(lián)合反沖洗等。非雨季情況下，BAF、SPD濾池反沖洗的周期一般為3～6 d，快濾池則每天反沖洗1次。

1.3分析項(xiàng)目和分析方法

2　結(jié)果與討論

BAF-SPD生物濾池工藝示范工程運(yùn)行期間的各類污染物去除情況及分析如下。

圖2　BAF的硝化效果：BAF進(jìn)出水NH?-N、NO?-N和NO?-N濃度分別如（A）～（C）所示，硝化率如（D）所示Fig. 2 Nitrification performance of BAF: Influent and effluent contents of NH-N, NO-N and NO-N showed in a～c, nitrification rate showed in d

2.1工藝對(duì)N素污染的去除效果分析

表2　工藝進(jìn)出水NH?-N、NO?-N、NO?-N和TN平均濃度及N素平均去除率Table 2 Average contents of NH-N, NO-N, NO-N and TN in influent/effluent with average nitrogen removal rates for the project

表2　工藝進(jìn)出水NH?-N、NO?-N、NO?-N和TN平均濃度及N素平均去除率Table 2 Average contents of NH-N, NO-N, NO-N and TN in influent/effluent with average nitrogen removal rates for the project

水質(zhì)指標(biāo) 　NH4+-N 　NO3--N 　NO2--N 　TN進(jìn)水濃度/(mg·L-1) 6.80±2.60　3.43±2.77 0.39±0.27 11.85±1.16出水濃度/(mg·L-1) 0.70±0.52　0.70±0.40 0.02±0.01　1.75±0.52平均去除率/% 　88.97±6.60 92.33±4.77 93.84±3.48 84.93±5.14

如圖2a，示范工程運(yùn)行期間，由于季節(jié)和污水處理廠排水影響，進(jìn)水NH4+-N濃度波動(dòng)變化較大，濃度范圍為1.29～12.28 mg·L-1。經(jīng)過(guò)BAF的充分氧化后，出水NH4+-N濃度降至0.80 mg·L-1，平均硝化率達(dá)到了91.27%（圖2d）。由圖2b也可以看出在進(jìn)水NO3--N濃度波動(dòng)較大的條件下（0.09～10.22 mg·L-1），BAF的硝化作用仍然十分明顯，出水NO-N明顯上升，濃度范圍為6.72～9.53 mg·L-1。由BAF進(jìn)出水NO-N濃度變化（圖2c），可以表明河水中的NO-N濃度較低（0.04～1.13 mg·L-1）且波動(dòng)較大，BAF出水NO-N平均濃度為0.23 mg·L-1，并未出現(xiàn)明顯的積累現(xiàn)象，表明硝化過(guò)程較為完全。這表明BAF單元設(shè)計(jì)合理，具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力，為后續(xù)反硝化過(guò)程準(zhǔn)備了良好的基礎(chǔ)條件。

圖3　SPD濾池的反硝化效果：SPD濾池進(jìn)出水NH?-N、NO?-N和NO?-N分別如（A）～（C）所示，反硝化率如（D）所示Fig. 3 Denitrification performance SPD biofilter: Influent and effluent contents of NH-N, NO-N and NO-N showed in a～c, denitrification rate showed in d

圖4　示范工程對(duì)TN的去除效果Fig. 4 Removal performance of TN by the demonstration project

BAF-SPD組合工藝對(duì)TN的去除效果反映了整個(gè)示范工程對(duì)氮素污染物的去除效果。由圖4可以看出，系統(tǒng)對(duì)TN的去除效果隨運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸趨于穩(wěn)定，由進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)變化與去除率變化情況可以得知，在運(yùn)行條件維持一定的情況下，進(jìn)水TN濃度是影響TN去除率變化的主要因素。進(jìn)水TN濃度平均值為11.85 mg·L-1，工藝出水TN濃度平均值為1.75 mg·L-1，達(dá)到了地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，去除率達(dá)到了84.93%。工藝中BAF單元的高效硝化作用與SPD生物濾池的高效反硝化脫氮作用，共同實(shí)現(xiàn)了示范工程對(duì)受污染河水的強(qiáng)化脫氮功能。

2.2工藝對(duì)TP的去除效果分析

示范工程對(duì)TP的去除效果如圖5所示。在BAF中，水體中TP的去除主要通過(guò)附著在填料表面生物膜對(duì)磷素進(jìn)行吸收利用的同化作用實(shí)現(xiàn)，在反沖洗過(guò)程中通過(guò)生物膜脫落實(shí)現(xiàn)磷素從系統(tǒng)中的去除。在該示范工程中，春季進(jìn)水中TP濃度較低，進(jìn)入夏季TP濃度略有升高，濃度范圍為0.09～1.83 mg·L-1（平均濃度為0.52 mg·L-1）。BAF段出水TP濃度平均值為0.30 mg·L-1，SPD生物濾池出水TP濃度為0.20 mg·L-1，達(dá)到了地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)TP的去除率貢獻(xiàn)分別為42.31%和19.23%，可見在曝氣的條件下生物濾池具有相對(duì)較高的TP去除效果。整個(gè)工程對(duì)TP的平均去除率達(dá)到了50.15%，表現(xiàn)出良好的去除能力。

圖5　示范工程對(duì)TP的去除效果Fig. 5 Removal performance of TP by the demonstration project

2.3工藝對(duì)有機(jī)物的去除效果分析

示范工程對(duì)CODCr的去除效果如圖6所示。工程運(yùn)行期間進(jìn)水CODCr濃度平均值為33.78 mg·L-1，BAF段出水CODCr濃度平均值為23.61 mg·L-1，對(duì)其去除率貢獻(xiàn)為30.11%，SPD生物濾池出水CODCr濃度平均值為22.96 mg·L-1，對(duì)整個(gè)工藝CODCr去除率的貢獻(xiàn)甚微，由此說(shuō)明有機(jī)物的去除主要發(fā)生在BAF段，主要通過(guò)好氧微生物的分解利用去除，而SPD生物濾池段由于填充了固相碳源，系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)外源有機(jī)污染物的去除作用并不明顯，但由出水濃度與進(jìn)水濃度比較可知，固相碳源的填充并沒(méi)有帶來(lái)過(guò)度釋碳導(dǎo)致的出水有機(jī)物濃度過(guò)高的二次污染問(wèn)題。由于在該工程中，SPD生物濾池內(nèi)部固相碳源是與惰性載體（水洗高爐渣、瓜子石等）混合填充的，因而在固相碳源和惰性載體表面均能形成生物膜，若固相碳源被其表面微生物利用后釋放出殘余的有機(jī)物質(zhì)，會(huì)被惰性載體表面的異養(yǎng)型微生物進(jìn)一步利用，進(jìn)而避免了出水的二次污染，也提高了固相碳源的利用效率，這與很多研究中單獨(dú)使用固相碳源作為生物濾池填料易出現(xiàn)出水的有機(jī)物濃度較高的二次污染問(wèn)題（吳偉龍等，2013；譚洪新等，2010；Shen et al.，2011）。

圖6　示范工程對(duì)CODCr的去除效果Fig. 6 Removal performance of CODCrby the demonstration project

由進(jìn)水水質(zhì)可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)水CODCr/TN僅為2.85，且經(jīng)過(guò)BAF氧化處理后水中CODCr濃度進(jìn)一步降低，CODCr/TN變?yōu)?.08，遠(yuǎn)低于滿足反硝化完全進(jìn)行所需的C/N（4～15）（李曉晨等，2003），屬于一類明顯具有低C/N特征的污水，而采用固相碳源強(qiáng)化的反硝化過(guò)程則能較好地實(shí)現(xiàn)這類污染水體的脫氮效果。

3　結(jié)論

（1）BAF-SPD生物濾池示范工程對(duì)氮素污染物具有較好的去除效果，其中BAF和SPD生物濾池段的平均硝化和反硝化率分別為91.27%和93.60%，表現(xiàn)出了較好的硝化和反硝化性能，在進(jìn)水TN濃度為11.85 mg·L-1的條件下，去除率達(dá)到了84.93%，出水氮素水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到了地表水V類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；新型固相碳源的填充強(qiáng)化了SPD生物濾池對(duì)NO3--N的去除效果。

（2）在進(jìn)水TP濃度波動(dòng)較大的水質(zhì)條件下，示范工程對(duì)TP的去除效果良好，去除率達(dá)到了50.15%，且TP的去除主要由BAF段完成。

（3）示范工程對(duì)CODCr的去除效果良好，在進(jìn)水為33.78 mg·L-1的水質(zhì)條件下，對(duì)CODCr的去除率達(dá)到了31.39%，出水CODCr濃度為22.96 mg·L-1，達(dá)到了地表水IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)表明通過(guò)固相碳源與惰性載體混合填充能有效避免過(guò)度釋碳導(dǎo)致的出水二次污染問(wèn)題，并進(jìn)一步提高了碳源的利用效率。

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Demonstration Scale Evaluation of A Biological Aerated Filter Combined with Solid Phase Denitrification Biofilter for XinYunliang River Water Treatment

ZHU Qing1, 2, 3, YANG Feifei2, LU Ting2, FENG Chuanping1, WU Weizhong2*
1. School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 2. College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China; 3. China National Environmental Monitoring Center, Beijing 100012, China

Abstract:Over input of nitrogen and phosphorus contaminats is the major reason for the most serious eutrophication condition of Dianchi Lake in China. Low C/N restricts the removal efficiency of nitrogen compounds. Application of solid-phase technology could supply enough carbon source consistently for denitrification process, enhancing the removal performance of nitrogen. A biological aerated filter (BAF) combined with solid phase denitrification (SPD) biofilter was applied to water purification in the Xin Yunliang River bypass on a demonstration scale. Designed scale was 800 m3·d-1, with the maximum hydraulic loads of 4.2 and 1.4 m3·m-2·h-1for BAF and SPD biofilter, respectively. Novel solid carbon source combined with inert carrier were applied in the SPD biofilter as biofilm carriers. Results indicated nitrification and denitrification were satisfactory at air/water ratio of 3∶1 to 5∶1 and HRT of 0.5 to 1.0 h for BAF and HRT of 0.5 to 1.0 h for SPD, with average nitrification and denitrification rates of 91.27% and 93.60% respectively. Effluent contents of NH4+-N, NO3--N and NO2--N were 0.68, 0.70 and 0.02 mg·L-1. Removals of TN, TP and CODCrwere found to be 84.93%, 50.15% and 31.19%, respectively. Contents of TN, TP and CODCrin the effluent were 1.75 mg·L-1, 0.20 mg·L-1and 22.96 mg·L-1respectively, meeting the Class V limits of Environmental Quality Standards for Surface Water. Further analysis pointed out that such a process combination was effective for purifying low C/N ratio water and thus controlling nitrogen input into Dianchi Lake.

Key words:biological aerated filter (BAF); solid phase denitrification; nitrogen removal; demonstration project

收稿日期：2014-11-20

作者簡(jiǎn)介：朱擎（1983年生），男，博士研究生，主要從事水污染治理技術(shù)方面的研究。E-mail: zhuqing@cnemc.cn

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然基金面上項(xiàng)目（51378021；50978001）；國(guó)家重大水專項(xiàng)（2012ZX07102002）

中圖分類號(hào)：X522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2015）07-1216-06

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.07.021