呂雙銅 連神海 張樹楠 陳 哲 肖潤林,3 劉 鋒 吳金水

(1.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實驗室,長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站,湖南 長沙 410125;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049;3.湖南厚霖生態(tài)環(huán)保有限公司,湖南 長沙 410000)

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化迅速推進(jìn),用水需求量不斷增加,水資源短缺現(xiàn)象日益嚴(yán)重。為了緩解水資源短缺和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾,中水回用的研究受到越來越廣泛的關(guān)注[1-2]。目前污水處理廠的尾水一部分用作湖泊、河流、水庫等天然水系的補(bǔ)充水源,另一部分經(jīng)深度處理后用作城市的第二水源[3]。我國大部分污水處理廠受工藝水平、技術(shù)條件、管理維護(hù)等限制,出水氮磷等污染物含量仍然較高[4],造成地表水體富營養(yǎng)化。因此,亟需對污水處理廠的尾水進(jìn)行深度處理,以改善地表水環(huán)境。

除磷技術(shù)一般多采用化學(xué)沉淀絮凝法,鋁類絮凝劑、鐵類絮凝劑及有機(jī)高分子絮凝劑是常見的除磷藥劑[8]。化學(xué)沉淀絮凝法除磷效果較好,廢水中磷的去除率可達(dá)到90%以上[9],但藥劑價格高達(dá)5萬～15萬元/t[10],并不適合在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。

目前,尾水深度處理多是構(gòu)建脫氮和除磷兩級系統(tǒng),而具有同步脫氮除磷功能的單級深度處理系統(tǒng)研究較少?；诖?本課題組結(jié)合生物膜法和吸附法原理,通過裝填長效固體碳源及高效除磷材料,構(gòu)建了能夠同步脫氮除磷的潛流生物濾池。由于潛流生物濾池將傳統(tǒng)的脫氮除磷兩級系統(tǒng)合并成一級,因此構(gòu)建費(fèi)用更低廉、占地面積更小。目前有關(guān)潛流生物濾池在野外條件下同步脫氮除磷效果還缺乏研究,因此本研究以廉價的稻草和鋸木屑為反硝化固體碳源、改性膨潤土為除磷材料,構(gòu)建野外中試潛流生物濾池,通過水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測,探明其對水體氮磷的協(xié)同去除效果,以期為我國建立經(jīng)濟(jì)可行的尾水深度處理工藝提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 潛流生物濾池構(gòu)建

潛流生物濾池由磚混結(jié)構(gòu)建成,長、寬、高分別為1.30、1.20、0.80 m,從底部向上依次布置防堵塞碎石層(0.10 m)、除氮材料層(0.25 m)和除磷材料層(0.40 m)(見圖1)。脫氮材料為稻草和鋸木屑,除磷材料采用前期篩選的Ca(OH)2改性膨潤土,改性膨潤土制作方法詳見文獻(xiàn)[11]。

1.2 處理設(shè)置

圖1 潛流生物濾池示意圖Fig.1 Schematic diagram of subsurface flow biofilter

1.3 樣品采集與分析

2 結(jié)果與討論

2.1 潛流生物濾池對水體pH的影響

潛流生物濾池對pH的影響見圖2。潛流生物濾池進(jìn)水平均pH為8.67,呈堿性。C1出水平均pH為7.19,在生態(tài)安全范圍內(nèi),C1出水呈現(xiàn)中性的原因有兩方面：(1)稻草在缺氧環(huán)境中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素大量降解,產(chǎn)生糖類,繼而又被轉(zhuǎn)化成酸,使pH下降[12];(2)稻草表面生物膜上的反硝化菌和其他細(xì)菌通過自身的新陳代謝消耗了一定的堿度,使得出水pH趨于中性，有利于自身的生存[13]1416。C2出水平均pH為11.77,是由于Ca(OH)2改性的膨潤土釋放出大量OH-,而鋸木屑充當(dāng)碳源時難以被微生物降解,因此造成出水pH較高。C3出水平均pH為9.93,C3中也加入了一定量稻草,但加入量比C1少,因此被微生物降解利用的碳源較少,出水pH基本在C1、C2之間。

圖2 潛流生物濾池對pH的影響Fig.2 The influence of subsurface flow biological filters on pH

2.2 潛流生物濾池對COD的處理效果

潛流生物濾池對COD的處理效果見圖3。試驗期間進(jìn)水COD為35～48 mg/L。潛流生物濾池運(yùn)行第1天,C1、C3對COD無明顯的去除效果,出水COD濃度不降反升,可能原因是稻草材料表面含有較多的可溶性有機(jī)碳和易脫落的有機(jī)顆粒物[14];C2中加入的除氮材料是鋸木屑,前期釋放出的COD并不明顯。隨著潛流生物濾池持續(xù)運(yùn)行,COD去除效果逐漸穩(wěn)定,這是由于潛流生物濾池中微生物通過水解氧化、吸附、吸收作用,對污水有機(jī)物進(jìn)行了高效降解[15]。潛流生物濾池運(yùn)行58 d時,C1、C2、C3出水COD分別為15.34、14.96、12.95 mg/L,均達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)(≤20 mg/L),這與徐小強(qiáng)等[16]的研究結(jié)果相似。

圖3 潛流生物濾池對COD的處理效果Fig.3 Treatment efficiency of COD by the subsurface flow biological filters

2.3 潛流生物濾池對水體氮素的處理效果

圖4 潛流生物濾池對TN和的去除Fig.4 Removal of TN and by the subsurface flow biological filters

各處理對TN的平均去除率為C1(56.13%)>C3(53.71%)>C2(20.64%)。整個試驗期間,C1對TN去除不穩(wěn)定,最高去除率高達(dá)83.54%,最低去除率僅為14.30%;C2、C3對TN的去除效果也處于波動狀態(tài),且去除率不高。C2、C3對TN的去除效果不佳的原因可能是碳源供給不足,潛流生物濾池中微生物反硝化過程需要碳源,適宜的碳氮比是保證反硝化反應(yīng)發(fā)生的必要條件[20-21]。

圖5 潛流生物濾池出水和變化Fig.5 Variation of in the effluent of subsurface flow biological filters

2.4 潛流生物濾池對水體和TP的去除

圖6 潛流生物濾池對和TP的去除Fig.6 Removal of and TP by the subsurface flow biological filters

對比3個潛流生物濾池對TP的去除效果,C2對TP的去除效果穩(wěn)定,平均去除率可達(dá)到90.69%;C1在運(yùn)行前期對TP的去除效果較差,這可能與稻草釋放一定有機(jī)磷有關(guān)[29];C3在運(yùn)行前期對TP的去除效果較好,TP去除率可達(dá)到90%以上,運(yùn)行后期對TP的去除率僅達(dá)到50%左右。3個潛流生物濾池出水TP平均質(zhì)量濃度為C2(0.11 mg/L)C3(61.98%)>C1(26.86%)。C2出水水質(zhì)優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)(≤0.5 mg/L),可達(dá)GB 3838—2002中的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)(≤0.3 mg/L)。

3 結(jié) 語

(3) 綜合而言,當(dāng)廢水中以氮污染為主時,可選用稻草+改性膨潤土組合作為潛流生物濾池脫氮除磷材料;當(dāng)廢水中以磷污染為主時,可以選用鋸木屑+改性膨潤土組合作為潛流生物濾池脫氮除磷材料。