周衛(wèi)東,李 芳,李 磊,方 程,關(guān) 輝,吳 濤,王 飛
(1.南京水務(wù)集團(tuán)有限公司,江蘇 南京 210000;2.江蘇金陵環(huán)境股份有限公司,江蘇 南京 210000;3.南京城南污水處理有限公司,江蘇 南京 210039;4.東南大學(xué)土木工程學(xué)院,江蘇 南京 211189)
為達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]中的糞大腸菌群指標(biāo)要求,目前我國(guó)城市污水廠大多采用氯消毒的方法對(duì)尾水進(jìn)行消毒,在尾水氯消毒過程中,氯會(huì)和水中的殘留有機(jī)物反應(yīng)生成一些有害環(huán)境和人體的消毒副產(chǎn)物[2]。尾水消毒后直接排放或者作為再生水利用后進(jìn)入到自然水體中,產(chǎn)生的氯消毒副產(chǎn)物會(huì)對(duì)受納水體中的生物和人類健康造成直接或間接危害[3]。因此,研究污水廠尾水氯消毒的替代方案具有重要的實(shí)踐意義。近年來,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)污水廠尾水消毒技術(shù)進(jìn)行了大量研究。劉喜坤等[4]通過研究紫外線聯(lián)合二氧化氯的消毒效果,發(fā)現(xiàn)二氧化氯消毒克服了紫外線消毒不能提供持續(xù)消毒能力的缺陷,增強(qiáng)了系統(tǒng)的消毒能力。王儉龍[5]在研究膜生物反應(yīng)器(MBR)消毒工藝時(shí),發(fā)現(xiàn)臭氧與次氯酸鈉組合的消毒方法可以大幅降低三鹵甲烷(THMs)生成量,有效氯投加量為4 mg/L 時(shí),生成的THMs 質(zhì)量濃度減小至14.11 μg/L,THMs 生成量比次氯酸鈉單獨(dú)消毒過程降低了37.19%。一些新興消毒技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)并付諸應(yīng)用,如納米光催化消毒、超聲消毒、微波消毒、電場(chǎng)法消毒、電離輻射消毒、膜法消毒等[6-10],新興消毒技術(shù)大大擴(kuò)充了消毒工藝的選擇范圍,但在實(shí)際應(yīng)用中普遍存在技術(shù)難度高、成本高、能耗高、處理能力較低等問題[11]。
生物滯留池是一種仿自然生態(tài)的雨水徑流控制設(shè)施,通過植物、填料和微生物的共同作用,來削減洪峰、過濾裹挾雜質(zhì)、凈化徑流水質(zhì)和補(bǔ)充地下水[12]。目前生物滯留池的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、植物選配、填料組成及配比、水文效應(yīng)、污染物去除等方面,關(guān)于生物滯留池處理污水廠尾水中糞大腸菌群的研究仍然不足。如李磊等[13]研究了水力負(fù)荷對(duì)生物滯留池處理污水廠尾水中氮、磷的去除效果;鄭楊等[14]研究了夏季不同降雨間隔對(duì)生物滯留池的脫氮效果;鄧延慧等[15]開展了不同水力條件下生物滯留池處理化糞池出水水質(zhì)的研究。因此,本文以污水廠尾水中糞大腸菌群為研究對(duì)象,研究不同運(yùn)行條件下生物滯留池對(duì)污水廠尾水中糞大腸菌群的去除效果,為實(shí)現(xiàn)污水廠尾水的綠色、低碳、可持續(xù)消毒提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。
構(gòu)建3 組生物滯留池試驗(yàn)裝置,所用材料為5 mm 鋼板、透明PC 板以及PVC 管,每組生物滯留池長(zhǎng)、寬、高分別為2,1,1 m,有效容積為1.6 m3,底部預(yù)留20 cm 過水空間,在上行池左側(cè)75 cm 高度處設(shè)置溢流口,由蠕動(dòng)泵定時(shí)將集水桶中的污水泵入裝置中。生物滯留池試驗(yàn)裝置見圖1。
圖1 生物滯留池裝置示意
3 組生物滯留池分別為A1,A2,A3。根據(jù)《海綿城市設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,結(jié)合生物滯留池設(shè)計(jì)建設(shè)相關(guān)研究成果及應(yīng)用案例,將A1,A2,A3 這3 組生物滯留池分別填充粒徑為0.5 ~1,1 ~2,3 ~5 mm 的無煙煤填料,并將水力停留時(shí)間設(shè)計(jì)為1,2,3 d 3 個(gè)梯度。A1,A2,A3 生物滯留池均種植美人蕉。
恒溫培養(yǎng)箱:37±1℃;恒溫培養(yǎng)箱:44.5±0.5 ℃;高壓蒸汽滅菌器:121 ℃,101.3 kPa;冰箱:0 ~4 ℃;移液管:1±0.01,10±0.1 mL;試管:Φ15 mm×150 mm;采樣瓶:250 mL。
糞大腸菌群測(cè)定方法執(zhí)行HJ 755—2015《水質(zhì)總大腸菌群和糞大腸菌群的測(cè)定紙片快速法》[16],由于本方法檢出限為20 MPN/L,對(duì)于低于檢出限以下的檢測(cè)值,本文均以10 MPN/L 代替。
裝置構(gòu)建完成后,在試驗(yàn)初期持續(xù)通入經(jīng)二沉池處理后的污水,保持基質(zhì)潤(rùn)濕,促進(jìn)美人蕉生長(zhǎng)和基質(zhì)掛膜,此期間不記錄水量和水質(zhì)。掛膜成功后,將試驗(yàn)分為3 個(gè)階段,7 ~9月為夏季高溫試驗(yàn)階段,10 ~11月為秋季中溫試驗(yàn)階段,12月~次年1月為冬季低溫試驗(yàn)階段。試驗(yàn)期間,根據(jù)水力停留時(shí)間每周平均取樣2 ~4 次。
為保證生物滯留池進(jìn)水濃度相對(duì)穩(wěn)定,在每組試驗(yàn)開始前,通過潛水泵將二沉池出水輸送到集水桶中,試驗(yàn)開始時(shí),通過蠕動(dòng)泵將集水桶中污水穩(wěn)定輸送到生物滯留池中。
經(jīng)二沉池處理后的污水中糞大腸菌群數(shù)日際變化較大,導(dǎo)致生物滯留池進(jìn)水中糞大腸菌群數(shù)存在顯著波動(dòng),故根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),將生物滯留池進(jìn)水中糞大腸菌群數(shù)分為3 個(gè)梯度,分別為3 000 ~5 000,7 000~10 000,20 000 ~50 000 MPN/L。為研究進(jìn)水濃度對(duì)糞大腸菌群數(shù)的影響,選擇水力停留時(shí)間最短(HRT=1 d)、無煙煤填料粒徑最普遍(1 ~2 mm)的工況作為試驗(yàn)條件,結(jié)果見圖2。
圖2 進(jìn)水濃度對(duì)出水糞大腸菌群數(shù)的影響
由圖2 可以看出,在HRT=1 d、填料粒徑為1 ~2 mm 條件下,隨著進(jìn)入到生物滯留池中糞大腸菌群數(shù)的增加,生物滯留池出水中的糞大腸菌群數(shù)也在不斷增加,但糞大腸菌群平均去除率均保持在99%以上。即使進(jìn)入到生物滯留池中的糞大腸菌群數(shù)較高(20 000 ~50 000 MPN/L),但出水中的糞大腸菌群數(shù)僅為120 MPN/L,符合GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn),這是因?yàn)樯餃舫靥盍蠈?duì)糞大腸菌群具有明顯的吸附截留作用。由此可以得到,在水力停留時(shí)間最短(HRT=1 d)、無煙煤填料粒徑最普遍(1 ~2 mm)的試驗(yàn)條件下,生物滯留池出水糞大腸菌群數(shù)受進(jìn)水糞大腸菌群數(shù)的影響較小,出水中糞大腸菌群數(shù)均能達(dá)到一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)。
為研究無煙煤填料粒徑對(duì)出水糞大腸菌群數(shù)的影響,選擇尾水中糞大腸菌群數(shù)最高(20 000 ~50 000 MPN/L)、水力停留時(shí)間最長(zhǎng)(HRT = 3 d)的工況作為試驗(yàn)條件,結(jié)果見圖3。
圖3 填料粒徑對(duì)出水糞大腸菌群數(shù)的影響
由圖3 可以看出,當(dāng)尾水中糞大腸菌群數(shù)為20 000 ~50 000 MPN/L,HRT=3 d 時(shí),雖然無煙煤填料粒徑發(fā)生變化,但經(jīng)生物滯留池處理后的出水中糞大腸菌群數(shù)均低于50 MPN/L,平均去除率均高于99.8%,均能達(dá)到一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn) (GB 18918—2002),這是因?yàn)槲菜腥源罅看嬖谖⒂^懸浮物,糞大腸菌群主要附著在懸浮物表面,通過填料的過濾、吸附、截留作用,絕大部分糞大腸菌群在生物滯留池中得到有效去除。試驗(yàn)說明在尾水糞大腸菌群數(shù)較高的情況下,保證較高的水力停留時(shí)間,能夠?qū)崿F(xiàn)糞大腸菌群較高的去除率。當(dāng)無煙煤填料粒徑為0.5 ~1 mm 時(shí),出水中糞大腸菌群數(shù)為40 MPN/L;當(dāng)無煙煤填料粒徑分別為1 ~2 mm 和3 ~5 mm 時(shí),出水中糞大腸菌群數(shù)未發(fā)生變化,均為50 MPN/L,說明當(dāng)無煙煤填料粒徑為0.5 ~1 mm 時(shí),生物滯留池對(duì)糞大腸菌群的去除效果最好。分析認(rèn)為,在試驗(yàn)條件下,無煙煤填料粒徑越小,填料孔隙率越小,對(duì)糞大腸菌群的截留和吸附作用越明顯。
為研究水力停留時(shí)間對(duì)出水糞大腸菌群數(shù)的影響,選擇尾水中糞大腸菌群數(shù)最高(20 000 ~50 000 MPN/L)、無煙煤填料粒徑為0.5 ~1 mm 的工況作為試驗(yàn)條件,結(jié)果見圖4。由圖4 可以看出,當(dāng)尾水中糞大腸菌群數(shù)為20 000 ~50 000 MPN/L、無煙煤填料粒徑為0.5 ~1 mm 時(shí),雖然水力停留時(shí)間發(fā)生改變,但經(jīng)生物滯留池處理后的出水中糞大腸菌群數(shù)均低于70 MPN/L,平均去除率均高于99.8%,均能達(dá)到一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)。隨著水力停留時(shí)間的增加,出水中糞大腸菌群數(shù)出現(xiàn)不同變化。當(dāng)HRT 為2 d 時(shí),出水中糞大腸菌群數(shù)達(dá)到最高值,為70 MPN/L;當(dāng)HRT為3 d 時(shí),出水中糞大腸菌群數(shù)達(dá)到最小值,為40 MPN/L。這是因?yàn)楫?dāng)HRT=1 d 時(shí),糞大腸菌群的去除主要是通過生物滯留池的過濾和吸附作用;當(dāng)HRT=2 d 時(shí),由于進(jìn)水中糞大腸菌群數(shù)較高,超過了生物滯留池的處理負(fù)荷,導(dǎo)致出水中糞大腸菌群數(shù)略微上升;當(dāng)HRT=3 d 時(shí),糞大腸菌群的容積負(fù)荷降低,糞大腸菌群在生物滯留池內(nèi)能夠被進(jìn)一步過濾和吸附。此外,美人蕉根部對(duì)糞大腸菌群的吸附固定也起到一定作用。說明當(dāng)尾水中糞大腸菌群數(shù)較高、無煙煤填料粒徑為0.5 ~1 mm 時(shí),控制HRT為3d,能夠?qū)崿F(xiàn)糞大腸菌群較好的去除效果。
圖4 HRT 對(duì)糞大腸菌群數(shù)的影響
試驗(yàn)使用水銀溫度計(jì)測(cè)量生物滯留池水溫,測(cè)量時(shí)間為每日10:00,測(cè)量A1,A2,A3 生物滯留池的出水糞大腸菌群數(shù),取3 組生物滯留池出水糞大腸菌群數(shù)的平均值作為該溫度下的測(cè)定值。溫度對(duì)生物滯留池進(jìn)出水中糞大腸菌群數(shù)的影響見表1。
表1 溫度對(duì)生物滯留池進(jìn)出水中糞大腸菌群的影響
由表1 可知,隨著溫度升高,進(jìn)水糞大腸菌群數(shù)也在不斷升高,這是因?yàn)槎脸爻鏊ㄟ^潛水泵被打入集水桶中,集水桶中由于環(huán)境溫度相對(duì)偏高,導(dǎo)致桶中糞大腸菌群快速繁殖。此外,夏季高溫也會(huì)促進(jìn)污水廠污水中糞大腸菌群的大量繁殖。分析得出,溫度與進(jìn)水糞大腸菌群數(shù)具有強(qiáng)相關(guān)性(r=0.91,p=0.001),溫度越高,進(jìn)水糞大腸菌群數(shù)越高;而溫度與出水糞大腸菌群數(shù)并無顯著相關(guān)性 (r = 0.54,p =0.166),說明溫度與出水糞大腸菌群數(shù)的關(guān)系不明顯。
(1)當(dāng)HRT為1 d、無煙煤填料粒徑為1 ~2 mm時(shí),隨著進(jìn)水糞大腸菌群數(shù)的增加,生物滯留池對(duì)糞大腸菌群數(shù)的去除率仍能保持在99%以上,出水糞大腸菌群數(shù)滿足一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn) (GB 18918—2002)。
(2)當(dāng)HRT控制在3 d、尾水中糞大腸菌群數(shù)為20 000 ~50 000 MPN/L 時(shí),選擇粒徑為0.5 ~1 mm的無煙煤填料,能夠?qū)崿F(xiàn)糞大腸菌群較高的去除率。
(3)當(dāng)無煙煤填料粒徑為0.5 ~1 mm、尾水中糞大腸菌群數(shù)為20 000 ~50 000 MPN/L 時(shí),控制HRT為3 d,能夠?qū)崿F(xiàn)糞大腸菌群較高的去除率。
(4)溫度越高,尾水中糞大腸菌群數(shù)越高;溫度與生物滯留池出水中糞大腸菌群數(shù)的關(guān)系不明顯。