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）

0 引言

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。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

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。

1.2 儀器設(shè)備

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。

1.3 糞大腸菌群測(cè)定方法

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。

1.4 裝置運(yùn)行

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。

2 結(jié)果與討論

2.1 進(jìn)水濃度對(duì)出水糞大腸菌群數(shù)的影響

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）。

2.2 填料粒徑對(duì)出水糞大腸菌群數(shù)的影響

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。

2.3 水力停留時(shí)間對(duì)出水糞大腸菌群數(shù)的影響

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

2.4 溫度對(duì)出水糞大腸菌群數(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。

3 結(jié)論

（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。