曹文平

復(fù)合濾料生態(tài)濾池凈化生活污水的特性研究

曹文平

（徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院，江蘇徐州221111）

組建了兩個(gè)平行的生態(tài)濾池用于凈化校園生活污水，對(duì)比研究了濾料差異而產(chǎn)生的不同凈化特性和機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：竹絲/陶粒復(fù)合濾料生態(tài)濾池對(duì)氨氮、總氮、總磷的平均去除率分別達(dá)到了89.5%、90.5%、93.7%。相比于單一濾料生態(tài)濾池而言，復(fù)合濾料生態(tài)濾池內(nèi)具有更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)、更豐富的根系和更多的生物種群量以及良好的耦合效應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合濾料生態(tài)濾池具有比單一濾料濾池更好的除磷脫氮效果。

生態(tài)濾池；除磷脫氮；復(fù)合濾料；生活污水

目前低碳氮比污水較為常見(jiàn)，嚴(yán)重影響了水體的脫氮除磷效果、生態(tài)環(huán)境安全和水質(zhì)安全〔1〕。如何提高低碳氮比污水的脫氮除磷效果是值得研究的領(lǐng)域。生態(tài)濾池是在傳統(tǒng)生物濾池的基礎(chǔ)上引入大型水生植物，耦合大型水生植物和傳統(tǒng)生物濾池的雙重效果達(dá)到良好的水質(zhì)凈化效果。生態(tài)濾池水處理工藝逐漸發(fā)展成熟，其利用濾料過(guò)濾作用、濾料表面生物膜新陳代謝作用以及大型水生植物的同化、泌氧等作用實(shí)現(xiàn)污染物的高效去除〔2〕。

生態(tài)濾池中的濾料不僅決定了生物膜量的多少，而且還影響著濾池內(nèi)過(guò)濾效果、新陳代謝效果〔3〕。傳統(tǒng)生物濾池通常以單一惰性濾料作為過(guò)濾介質(zhì)和生物膜附著界面，雖然取得了較好的效果，但是單一惰性濾料表面結(jié)構(gòu)、特性較為單一，不利于更多微生物的附著和增殖，更因缺乏碳源導(dǎo)致TN的去除效果比較差〔4〕。補(bǔ)充固體碳源以提高水體的脫氮除磷效果是近些年來(lái)研究的熱點(diǎn)，固體碳源通常包括高分子聚合物、植物纖維素物質(zhì)等，利用其表面的微生物將其分解形成可利用的碳源供除磷脫氮過(guò)程使用，但是這些固體碳源通常會(huì)隨著反應(yīng)的進(jìn)行逐漸減少，無(wú)法得到持續(xù)恒量的碳源〔5-6〕?；诠腆w碳源和單一惰性濾料各自的優(yōu)缺點(diǎn)，利用陶粒和竹絲制作成混合濾料，并耦合美人蕉根系的導(dǎo)流作用、泌氧作用、新陳代謝作用等形成生態(tài)濾池，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有望達(dá)到良好的、相對(duì)恒定的效果〔7〕。

筆者實(shí)驗(yàn)的目的是對(duì)比單一竹絲濾料與陶粒/竹絲復(fù)合濾料等濾料差異，對(duì)生活污水中的氨氮、總氮和總磷等污染物去除率效果和差異以及內(nèi)在原因進(jìn)行分析，為新型生態(tài)濾池的構(gòu)建提供參考。

1　材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水取自徐州工程學(xué)院中心校區(qū)生活污水。實(shí)驗(yàn)水質(zhì)：COD為135～172 mg/L；NH4+-N為11.6～39.6mg/L；TN為18.2～49.5mg/L，TP為0.71～3.48mg/L；pH為7.56～8.9，水溫維持在23.4～25.7℃。

1.2反應(yīng)器和基質(zhì)

竹絲：由毛竹自行加工裁剪而成，為20mm× 4mm×1mm的長(zhǎng)方體，孔隙率約為70.6%。

陶粒：由凹土、面粉和鐵屑混合焙燒而成，粒徑4～6mm，表觀密度900 kg/m3，比表面積14.8m2/g，鹽酸可溶率為0.67%，竹絲與陶?；旌峡紫堵蕿?0%。

生態(tài)濾池：由1個(gè)50 cm×50 cm×50 cm的正方體水箱和2個(gè)濾池通過(guò)水管連接而成，濾池高度25 cm，內(nèi)徑20 cm，有效容積6.4 L。每個(gè)濾池中放置2株幼年美人蕉作為載體植物，株高約為15.2 cm，分別填充竹絲、竹絲和陶粒的混合基質(zhì)，底部進(jìn)水，頂部出水，并以出水口作為取樣口，不間斷地利用風(fēng)機(jī)（型號(hào)ACO-003）充氧曝氣，整套設(shè)備連續(xù)運(yùn)行，水力停留時(shí)間（HRT）為2.5 h。

1.3實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析方法

實(shí)驗(yàn)共分為兩個(gè)階段：第一階段是新型陶粒的制作。采用凹土、面粉和鐵屑，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為70.0%、15.0%、15.0%，之后加入總混合物質(zhì)量70.0%的蒸餾水。具體實(shí)施方式如下：取定量凹土過(guò)0.147mm（100目）樣篩，加一定量的面粉和鐵屑［過(guò)1mm（18目）篩］與水混合，晾干后在105℃的鼓風(fēng)箱中干燥1 h，取出后放入馬弗爐里焙燒。其中預(yù)熱溫度設(shè)定為600℃，預(yù)熱時(shí)間為20min，焙燒溫度為1 000℃，焙燒時(shí)間為2 h，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，效果良好。

其次，將高度相差不大的美人蕉分別種植于竹絲和陶粒/竹絲復(fù)合濾料的無(wú)差別濾池中。觀察植物的生長(zhǎng)情況以及不同基質(zhì)對(duì)污水的凈化效果。美人蕉高度約為15.0 cm，種植的間距約為20.0 cm。

最后，2個(gè)平行的生態(tài)濾池啟動(dòng)時(shí)間為2015年3月18日，至2015年4月12日完成生態(tài)濾池的調(diào)試，美人蕉生長(zhǎng)良好、濾料上生長(zhǎng)了一定量穩(wěn)定的生物膜。實(shí)驗(yàn)時(shí)間是2015年4月13日至2015年5月25日。

水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法：水質(zhì)測(cè)定方法均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》〔8〕進(jìn)行，其中COD利用便攜水質(zhì)快速監(jiān)測(cè)儀（型號(hào)T3WS-P，北京普析）測(cè)定，NH4+-N、TN和TP均采用紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定（754N，南京森貝伽生物科技有限公司）。

2　結(jié)果與討論

2.1NH4+-N的去除效果和比較

進(jìn)水NH4+-N為11.6～39.6mg/L，經(jīng)過(guò)竹絲濾料生態(tài)濾池凈化后，出水NH4+-N為1.09～7.29mg/L，經(jīng)過(guò)陶粒/竹絲復(fù)合基質(zhì)作用后，出水NH4+-N為0.25～4.83mg/L，凈化效果平均高出1.72倍。竹絲濾料生態(tài)濾池和陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池凈化水體中NH4+-N的效果對(duì)比如圖1所示。

圖1　NH4+-N去除效果對(duì)比

相比于竹絲濾料生態(tài)濾池而言，陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池具有兩種特性完全不一樣的濾料，容易滋生生理生化特性微生物，可以形成良好的生物鏈和群落〔9〕。另外氨氮氧化菌是一類(lèi)比生長(zhǎng)速率慢的自養(yǎng)菌，吸附生長(zhǎng)有利于提高其生物濃度。陶粒、竹絲、植物根系等多樣化的附著界面有利于氨氮氧化菌的增殖和附著。而且實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池中植物生長(zhǎng)速度和根系發(fā)達(dá)程度明顯優(yōu)于竹絲濾料生態(tài)濾池，在一定程度上強(qiáng)化了復(fù)合濾料生態(tài)濾池對(duì)氨氮的凈化和轉(zhuǎn)化效果。

2.2TN的去除效果和比較

進(jìn)水TN為18.2～49.5mg/L，經(jīng)過(guò)竹絲濾料生態(tài)濾池凈化后，出水TN為2.25～28.4mg/L，經(jīng)過(guò)陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池凈化后，出水TN為1.02～12.6mg/L，其凈化效果比竹絲濾料生態(tài)濾池平均高出2.38倍。竹絲濾料生態(tài)濾池和陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池凈化水體中TN的效果對(duì)比如圖2所示。

TN的去除主要依靠生物反硝化過(guò)程，而生物反硝化過(guò)程效果取決于優(yōu)良碳源補(bǔ)充和足夠的生物濃度以及良好的反硝化環(huán)境〔10〕。竹絲濾料生態(tài)濾池能夠補(bǔ)充碳源和足夠的生物濃度以及良好的缺氧反硝化環(huán)境支持生物反硝化過(guò)程，故而竹絲濾料生態(tài)濾池脫氮效果也較高；相比于竹絲濾料生態(tài)濾池，陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池具有更復(fù)雜的濾料孔隙結(jié)構(gòu)，可以形成更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)和更穩(wěn)定的生態(tài)鏈；而且復(fù)合濾料生態(tài)濾池中的美人蕉生長(zhǎng)更旺盛，不僅同化吸收強(qiáng)，而且更旺盛的植物根系產(chǎn)生更顯著的“根圈效應(yīng)”〔11〕，強(qiáng)化了復(fù)合濾料生態(tài)濾池內(nèi)的脫氮過(guò)程。

圖2　TN去除效果對(duì)比

2.3TP的去除效果和比較

進(jìn)水TP為0.71～3.48mg/L，經(jīng)過(guò)竹絲濾料生態(tài)濾池凈化后，出水TP為0.05～1.99mg/L，經(jīng)過(guò)陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池凈化后，出水TP為0.01～0.84mg/L，凈化效果平均高出2.42倍。竹絲濾料生態(tài)濾池和陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池凈化水體中TP的效果對(duì)比如圖3所示。

圖3　TP去除效果對(duì)比

植物根系的截留與濾池濾料的過(guò)濾沉淀作用以及植物同化作用是磷素污染物的主要去除途徑〔12〕，復(fù)合濾料生態(tài)濾池中由于美人蕉生長(zhǎng)速率更加旺盛，所以其同化生長(zhǎng)效果比單一濾料生態(tài)濾池系統(tǒng)強(qiáng)〔13〕。竹絲和陶粒表面吸附了大量聚磷菌，竹絲在自然條件下形成除磷所需要的碳源而促進(jìn)除磷。復(fù)合濾料生態(tài)濾池系統(tǒng)中更豐富的根系導(dǎo)致更復(fù)雜的根圈效應(yīng)和更復(fù)雜的生態(tài)微環(huán)境，為聚磷菌的增殖提供場(chǎng)所和環(huán)境，可能是復(fù)合濾料生態(tài)濾池具有更高除磷效果的主要原因。

2.4生物相分析

對(duì)兩種基質(zhì)和生物載體（竹絲和陶粒）表面的微生物進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在竹絲和陶粒表面均含有大量的微生物，包括鐘蟲(chóng)、漫游蟲(chóng)、盾纖蟲(chóng)等固著性和游泳性纖毛蟲(chóng)類(lèi)（纖毛綱），但是只在陶粒表面生物膜中發(fā)現(xiàn)有少量的輪蟲(chóng)，竹絲填料表面卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)。通過(guò)微生物相分析和原生動(dòng)物生理生化特性分析，可以形成以下結(jié)論：（1）由于陶粒表面粗糙的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致陶粒表面生物膜內(nèi)微生物種群數(shù)量要豐富于竹絲填料表面；（2）而在竹絲填料中心區(qū)因?yàn)闄C(jī)械充氧擴(kuò)散限制，而形成厭氧區(qū)和缺氧區(qū)發(fā)生碳源釋放和生物反硝化脫氮過(guò)程。所以將竹絲和陶粒耦合脫氮具有良好的基礎(chǔ)條件。

3　結(jié)論

（1）陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池對(duì)污水水質(zhì)的凈化效果優(yōu)于竹絲濾料生態(tài)濾池。當(dāng)進(jìn)水NH4+-N、TN、TP分別為1.57～39.6、18.2～49.5、0.71～3.48mg/L時(shí)，陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池出水NH4+-N、TN、TP分別為0.25～4.83、1.02～12.6、0.01～0.84mg/L，竹絲濾料生態(tài)濾池出水NH4+-N、TN、TP分別為1.09～7.29、2.25～28.4、0.05～1.99mg/L。

（2）陶粒/竹絲復(fù)合濾料生態(tài)濾池對(duì)污水水質(zhì)的凈化效果優(yōu)于竹絲濾料生態(tài)濾池，主要原因是復(fù)合濾料系統(tǒng)具有更復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)、更多的生物量和更豐富的根圈效應(yīng)以及良好的陶粒/竹絲耦合脫氮。

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Research on the characteristics ofeco-filter consisting of hybrid filters for the purification ofdomestic sewage

CaoWenping
（Schoolof Environmental Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221111，China）

Two paralleleco-filters have been setup for the purification of domestic sewage in the campus.Different purification characteristics andmechanisms resulted from filter difference are contrasted and studied.The experimental resultsshow that theaverage removing ratesofNH4+-N，TN and TPby the eco-filter consisting ofbamboo filament/porcelain granule composite filter can reach 89.5%，90.5%and 93.7%，respectively.Compared with the ecofilter consisting of single filter，the eco-filter consisting of hybrid filters hasmore complex ecological system，richer roots，more biologicalpopulation quantity，and good coupling effect.It leads to the result that the eco-filter consisting ofhydrid filtershasbetter dephosphorization and denitrification effects，than theeco-filter consistingofsingle filter.

eco-filter；dephosphorization&denitrification；hybrid filters；domestic sewage

X703.1

A

1005-829X（2016）09-0073-04

曹文平（1979—），博士，副教授。E-mail：wenpingcao 2013@163.com。

2016-06-20（修改稿）

住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012-K2-14）；江蘇省“青藍(lán)工程”優(yōu)秀青年骨干教師項(xiàng)目（蘇教師2012［39號(hào)］）