李宗宇 趙海濤 顏志俊 張明月 李天鵬 鄭盛陽(yáng)(.揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 57；.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 009)

規(guī)?；B(yǎng)殖產(chǎn)生大量養(yǎng)殖污水，含有高濃度的COD、氮、磷和各類懸浮物，處理不及時(shí)會(huì)成為區(qū)域性地表水的主要污染源。養(yǎng)殖業(yè)已經(jīng)成為生活源外的第二大污染來(lái)源，江蘇省2011年畜禽養(yǎng)殖業(yè)的COD排放量為3.4×105t，氨氮排放量為3.4×104t[1]。養(yǎng)殖污水凈化是養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要科學(xué)問(wèn)題，已成為關(guān)注熱點(diǎn)[2-3]。去除氮、磷是養(yǎng)殖污水處理的核心。生態(tài)濾池是利用水生微生物和人工填料形成生物膜，模仿自然生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行污水凈化的一種水處理技術(shù)?，F(xiàn)有生態(tài)濾池填料主要有木炭、陶粒、沸石等，但都存在著氮、磷去除率差，處理工序多，運(yùn)行成本高等缺點(diǎn)[4-6]。作為一種新興的污水處理工藝，蚯蚓生態(tài)濾池的出水水質(zhì)能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)污泥排放量也大幅減少，適用于中小城鎮(zhèn)生活污水的處理與回用。

蚯蚓是低等土壤動(dòng)物，能有效富集、去除環(huán)境中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，其在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的作用受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[7]。李軍狀等[8]研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓生態(tài)濾池可以有效凈化農(nóng)村生活污水，對(duì)COD、TN、氨氮和TP的去除率分別約為81%、66%、82%、89%。填料是蚯蚓生態(tài)濾池的重要組成部分，構(gòu)成了蚯蚓活動(dòng)的主體環(huán)境，是微生物生長(zhǎng)的載體[9]。陶粒和石英砂等作為填料的蚯蚓生態(tài)濾池具有較好的凈化污水作用[10-13]。本研究以蚯蚓生態(tài)濾池作為養(yǎng)殖污水處理裝置，從碳源供應(yīng)和持水性角度選擇不同種類的材料作為填料，優(yōu)化填料配方，為蚯蚓生態(tài)濾池凈化養(yǎng)殖污水的推廣提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用生物炭、秸稈、蛭石和海綿，并與土壤按照一定的體積比混合制成蚯蚓生態(tài)濾池填料。蛭石的顆粒直徑為1～3 mm，由江蘇省連云港市某企業(yè)生產(chǎn)；海綿尺寸為2 cm×2 cm×2 cm，由江蘇省南京市某企業(yè)生產(chǎn)；秸稈為水稻秸稈，寬<2 mm、長(zhǎng)<1 cm，取自江蘇省揚(yáng)州大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)牧場(chǎng)，TN為9.80 g/kg，TP為1.30 g/kg，TC為41.60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)；生物炭由水稻秸稈在400 ℃、厭氧條件下碳化2 h制成，過(guò)5 mm篩；土壤為黏壤土，過(guò)5 mm篩，土壤TN為0.96 g/kg，TP為1.24 g/kg，TC為0.24%，pH為6.68。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

蚯蚓生態(tài)濾池的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。蚯蚓生態(tài)濾池主體由0.6 m×0.4 m×0.6 m的試驗(yàn)箱構(gòu)成，箱上部有布水器，箱底部有均勻排列的排水孔，便于處理后的養(yǎng)殖污水下滲收集。從上至下依次包含緩沖層、消解層和礫石層。緩沖層處于表層，由玻璃纖維構(gòu)成，起到緩沖和二次布水的作用，厚3～5 cm；消解層為蚯蚓生態(tài)濾池的核心，處于中層，依據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)由不同種類填料構(gòu)成，厚20 cm；礫石層處于底層，由直徑3～5 cm的鵝卵石構(gòu)成，起到承托和緩沖的作用，厚10～12 cm。

1—進(jìn)水；2—布水；3—緩沖層；4—消解層；5—礫石層；6—出水圖1 蚯蚓生態(tài)濾池示意圖Fig.1 Schematic diagram of the earthworm ecological filter

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理組，分別記作F1～F5，各加入1.0 kg蚯蚓。F1：秸稈、蛭石和土壤按照2∶2∶1的體積比均勻混合后作為填料；F2：秸稈、海綿和土壤按照2∶2∶1的體積比均勻混合后作為填料；F3：生物炭、秸稈和土壤按照2∶2∶1的體積比均勻混合后作為填料；F4：生物炭、蛭石和土壤按照2∶2∶1的體積比均勻混合后作為填料；F5：生物炭、海綿和土壤按照2∶2∶1的體積比均勻混合后作為填料。此外，設(shè)置未處理的養(yǎng)殖污水為控制組，記作F0。

試驗(yàn)在揚(yáng)州大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)牧場(chǎng)進(jìn)行，養(yǎng)殖污水由奶牛養(yǎng)殖圈舍直接排入初沉池，沉淀24 h后，用水泵抽提上清液加入自動(dòng)布水器。采用間隙式布水，每天8:00、16:00和24:00進(jìn)行布水，每次布水負(fù)荷均為1.5 m3/m2。連續(xù)22 d每天14:00采集F0的進(jìn)水水樣和F1～F5的出水水樣測(cè)定TN、氨氮、硝態(tài)氮、TP、磷酸鹽、pH和電導(dǎo)率(EC)，COD為隔天測(cè)定。采用新復(fù)極差法檢驗(yàn)各處理組的差異。

1.3 測(cè)定方法

TN采用過(guò)硫酸鉀氧化/紫外分光光度法測(cè)定，氨氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定，TP采用過(guò)硫酸鉀氧化/鉬藍(lán)比色法測(cè)定，磷酸鹽采用異丁醇萃取/鉬藍(lán)比色法測(cè)定，COD采用高錳酸鉀法測(cè)定，pH采用HQ11d型pH計(jì)直接測(cè)定，EC采用DDS-310型電導(dǎo)儀直接測(cè)定[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)氮素的去除效果

2.1.1 硝態(tài)氮

由圖2和圖3可以看出，進(jìn)水硝態(tài)氮穩(wěn)定在59.8～64.1 mg/L，F(xiàn)4對(duì)硝態(tài)氮的去除效果明顯優(yōu)于其他處理組，其出水平均硝態(tài)氮為17.6 mg/L，平均去除率為71.8%。F5對(duì)硝態(tài)氮的去除效果僅次于F4，其出水平均硝態(tài)氮為24.6 mg/L，平均去除率為60.5%。F5的填料不太適合蚯蚓生長(zhǎng)，發(fā)生部分蚯蚓逃逸現(xiàn)象，使蚯蚓生態(tài)濾池處于相對(duì)厭氧狀態(tài)，卻一定程度上促進(jìn)了反硝化作用，增強(qiáng)對(duì)硝態(tài)氮的去除效果。F1對(duì)硝態(tài)氮的去除效果最差，其出水平均硝態(tài)氮為39.3 mg/L，平均去除率為36.9%。由此可知，不同填料對(duì)硝態(tài)氮的去除效果存在較大影響。

圖2 硝態(tài)氮隨時(shí)間的變化Fig.2 Nitrate nitrogen concentrations varied with time

圖3 硝態(tài)氮去除率的統(tǒng)計(jì)分析Fig.3 Statistical analysis of nitrate nitrogen removal efficiencies

2.1.2 氨 氮

由圖4和圖5可以看出，進(jìn)水氨氮為253.5～278.9 mg/L，F(xiàn)3對(duì)氨氮的去除效果明顯優(yōu)于其他處理組，其出水平均氨氮為48.8 mg/L，平均去除率為81.7%。F1對(duì)氨氮的去除效果在1～12 d較好，但在12 d后的去除率低于20%；其出水平均氨氮為173.4 mg/L，平均去除率為35.2%，相比其他處理組，對(duì)氨氮的去除效果最差。F2、F4和F5的平均去除率均低于50%。可見(jiàn)，生物炭和秸稈混合作為填料與蚯蚓的協(xié)同作用最強(qiáng)，對(duì)氨氮的去除效果最好；F2和F5中均含有海綿，雖能增加污水的水力停留時(shí)間，但對(duì)氨氮的去除效果較差。

圖4 氨氮隨時(shí)間的變化Fig.4 Ammonia nitrogen concentrations varied with time

圖5 氨氮去除率的統(tǒng)計(jì)分析Fig.5 Statistical analysis of ammonia nitrogen removal efficiencies

2.1.3 TN

由圖6和圖7可以看出，進(jìn)水TN穩(wěn)定在426.0～450.0 mg/L，F(xiàn)3對(duì)TN的去除效果最好，平均去除率為84.2%。F4對(duì)TN的去除效果優(yōu)于F2與F5，但F4與F2、F5對(duì)TN的累積去除量無(wú)顯著差異。

圖6 TN隨時(shí)間的變化Fig.6 TN concentrations varied with time

圖7 TN去除率的統(tǒng)計(jì)分析Fig.7 Statistical analysis of TN removal efficiencies

2.2 對(duì)磷素的去除效果

由圖8至圖11可以看出，對(duì)磷酸鹽和TP的去除效果由高到低均為F5、F4、F2、F1、F3。F5對(duì)磷酸鹽和TP的平均去除率分別為79.4%、74.6%；F4對(duì)磷酸鹽和TP的平均去除率分別為78.2%、72.3%；F3對(duì)磷酸鹽和TP的平均去除率分別為49.1%、53.2%?？梢?jiàn)，生物炭與海綿混合作為填料對(duì)磷素的去除效果最好，生物炭與蛭石混合作為填料對(duì)磷素的去除效果較好，而生物炭與秸稈混合作為填料對(duì)磷素的去除效果最差。

圖8 磷酸鹽隨時(shí)間的變化Fig.8 Phosphate concentrations varied with time

圖9 磷酸鹽去除率的統(tǒng)計(jì)分析Fig.9 Statistical analysis of phosphate removal efficiencies

圖10 TP隨時(shí)間的變化Fig.10 TP concentrations varied with time

2.3 對(duì)COD的去除效果

由圖12和圖13可以看出，F(xiàn)4對(duì)COD的去除效果最好，平均去除率為80.0%。在2～8 d，F(xiàn)2對(duì)COD的去除率為60%～70%，在8 d后下降到35%左右。F3對(duì)COD的平均去除率為57.6%，在2～22 d對(duì)COD的去除效果均比較穩(wěn)定。F5對(duì)COD的去除率在2～14 d均低于50%，在14 d后超過(guò)50%，并逐漸上升，在22 d達(dá)到76.0%，平均去除率為53.2%。F1對(duì)COD的去除效果最差，平均去除率為37.8%。

圖11 TP去除率的統(tǒng)計(jì)分析Fig.11 Statistical analysis of TP removal efficiencies

圖12 COD隨時(shí)間的變化Fig.12 COD concentrations varied with time

圖13 COD去除率的統(tǒng)計(jì)分析Fig.13 Statistical analysis of COD removal efficiencies

2.4 對(duì)EC和pH的影響

圖14和圖15可以看出，F(xiàn)2的出水EC低于其他處理組，且遠(yuǎn)低于進(jìn)水，說(shuō)明秸稈和海綿混合作為填料對(duì)帶電物質(zhì)的去除效果最好。其他處理組對(duì)帶電物質(zhì)的去除效果無(wú)顯著差異。由圖16和圖17可以看出，5個(gè)處理組的出水pH均高于進(jìn)水。F1的pH在9 d后迅速升高，F(xiàn)2的pH變化趨勢(shì)與進(jìn)水較相似，F(xiàn)3的pH在17～22 d波動(dòng)較大，F(xiàn)4的pH總體呈上升趨勢(shì)，F(xiàn)5的pH總體呈先上升后下降的趨勢(shì)。

圖14 EC隨時(shí)間的變化Fig.14 EC varied with time

圖15 EC的統(tǒng)計(jì)分析Fig.15 Statistical analysis of EC

圖16 pH隨時(shí)間的變化Fig.16 pH varied with time

3 討 論

F4最有利于去除養(yǎng)殖污水中的硝態(tài)氮和COD，F(xiàn)3最有利于去除養(yǎng)殖污水中的氨氮和TN，F(xiàn)5最有利于去除養(yǎng)殖污水中的磷酸鹽和TP?？梢?jiàn)，添加生物炭作為填料比添加秸稈作為填料更有利于對(duì)氮素、磷素及COD的去除，這是由于生物炭表面含有大量的交換性電荷，并有較大的比表面積，比秸稈更有利于對(duì)養(yǎng)殖污水中污染物的吸附[15-18]。

圖17 pH的統(tǒng)計(jì)分析Fig.17 Statistical analysis of pH

F4對(duì)硝態(tài)氮和COD的去除效果均最好，對(duì)磷素的去除效果也較好。這可能是因?yàn)樯锾烤哂泻軓?qiáng)的吸附性能，而蛭石是黑云母等天然礦物風(fēng)化蝕變的產(chǎn)物，有較高的層電荷數(shù)，因而生物炭和蛭石混合作為填料具有較高的離子交換容量[19]。生物炭和秸稈混合作為填料較適宜蚯蚓生存，未發(fā)生蚯蚓逃逸現(xiàn)象，且填料對(duì)蚯蚓體壁損傷很小，因此F3對(duì)氨氮和TN的去除效果最好。海綿能延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，增加養(yǎng)殖污水中磷素向填料微孔表面擴(kuò)散和向吸附點(diǎn)位靠近的機(jī)會(huì)[20]，且生物炭的比表面積大，對(duì)溶解物和懸浮物的去除效果均較好，因此F5對(duì)磷素的去除率最高。

4 結(jié) 論

蚯蚓生態(tài)濾池中，生物炭和蛭石等體積混合作為填料最有利于去除養(yǎng)殖污水中的硝態(tài)氮和COD；生物炭和秸稈等體積混合作為填料最有利于去除氨氮和TN；生物炭和海綿等體積混合作為填料最有利于去除磷酸鹽和TP。因此，生物炭與蛭石、秸稈、海綿混合作為蚯蚓生態(tài)濾池填料可能有利于凈化養(yǎng)殖污水。

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