不同生物膜滴濾池處理低濃度污水的效果

吳華山+杜靜+房蔚

摘要：采用生物膜滴濾池的方法，對低濃度養(yǎng)殖廢水進(jìn)行凈化研究。分別選用PVC毛刷、沸石和火山巖作為填料。在11月份，溫度逐漸下降情況下，研究滴濾池對COD、TN、TP和氨氮的去除效果。結(jié)果表明，3種處理COD的平均去除率分別為41.08%、85.38%和84.26%；TN的平均去除率分別為47.54%、52.41%和59.64%；TP的平均去除率分別為67.50%、50.16%和56.50%；氨氮的平均去除率分別為46.63%、79.40%和88.29%。溫度變化對于不同處理的去除率均有一定的影響，除TN外，其他指標(biāo)總體上呈下降趨勢。3種材料在材料成本、人工操作和去除效果上各有優(yōu)劣，因此，選用何種材料，需要針對去除需求進(jìn)行合理選擇。

關(guān)鍵詞：生物膜；滴濾池；低濃度；污水

中圖分類號(hào)： X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）01-0223-04

養(yǎng)豬業(yè)是我國農(nóng)村產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的重要支柱，也為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來一定的提升幫助，但同時(shí)也給我國農(nóng)村的自然生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染，并且這樣的污染在農(nóng)村地區(qū)有著愈演愈烈之勢[1]。我國每年畜禽廢水排放的COD量已經(jīng)超過生活和工業(yè)污水COD排放的總和，因畜禽糞便流失的氮、磷也已經(jīng)超過每年因化肥流失造成的損失[2]。因此，對于畜禽養(yǎng)殖廢水的處理，一直是農(nóng)業(yè)環(huán)境研究的重點(diǎn)。

養(yǎng)豬場的廢水顆粒懸浮物、COD、BOD、總氮、總磷和氨氮的含量都比較高，有一定的處理難度，目前國內(nèi)成型的豬場廢水處理大概有以下幾種方法：（1）A2/O工藝。在一個(gè)處理系統(tǒng)中同時(shí)具有厭氧、缺氧、好氧3大區(qū)域，能夠在去除總氮的同時(shí)去除總磷和降解有機(jī)物，具有工藝簡單、總水力停留時(shí)間短、運(yùn)行費(fèi)用低、處理效率好等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。（2）SBR法。采用限制性曝氣，按照一定的順序進(jìn)行好氧、厭氧交替組，達(dá)到脫氮去磷的目的。SBR法目前應(yīng)用比較成熟，從20世紀(jì)70年代開始，SBR法就已經(jīng)在國外得到廣泛的研究和應(yīng)用[6-7]。（3）UASB工藝。即上流式厭氧污泥床反應(yīng)裝備，是一種處理污水的厭氧生物方法，又叫升流式厭氧污泥床，污水自下而上通過UASB。反應(yīng)器底部有1個(gè)高濃度、高活性的污泥床，污水中的大部分有機(jī)污染物在此間經(jīng)過厭氧發(fā)酵降解為甲烷和二氧化碳。UASB負(fù)荷能力很大，適用于高濃度有機(jī)廢水的處理。運(yùn)行良好的UASB有很高的有機(jī)污染物去除率，不需要攪拌，能適應(yīng)較大幅度的負(fù)荷沖擊、溫度和pH值變化[8-10]。（4）還田模式。很多小型分散養(yǎng)豬場都是采用這種處理方式。這樣既可以處理糞污，又可以將其當(dāng)作有用的營養(yǎng)物質(zhì)輸入農(nóng)田。通過土壤微生物的作用，糞尿中的有機(jī)物質(zhì)被分解為穩(wěn)定的腐殖質(zhì)和多種有益促進(jìn)植物生長的因子，有機(jī)氮變?yōu)闊o機(jī)氮，氮?dú)饣胤诺酱髿庵?，有機(jī)磷變?yōu)闊o機(jī)磷，為農(nóng)作物提供可生長利用的磷元素[11]。（5）生物凈化。污水經(jīng)過厭氧處理后，再通過生物凈化處理法進(jìn)行處理，通過穩(wěn)定塘、氧化塘、人工濕地、生態(tài)溝或生物槽等組合，通過水生植物、藻類、水和底泥中微生物等協(xié)作作用去除污水中的COD和N、P[12-14]。

以上方法都各有優(yōu)勢，但共同的缺點(diǎn)是一次性投入大、占地面積大。根據(jù)已有研究[15]，沖圈水的COD一般約為 800 mg/L，如果能做到糞尿分離，其濃度會(huì)更低。如此低濃度的廢水可以通過簡單的方法直接降低污染因子，以達(dá)標(biāo)排放。本研究設(shè)計(jì)1種生物膜滴濾池，可以專門用來處理沖圈水，具有投入小、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，但滴濾池中填充材料有多種選擇，本研究選擇常用的PVC毛刷、沸石、火山巖這3種材料進(jìn)行比較，分析不同填充材料的滴濾池對污水處理效果。

1 材料與方法

1.1 滴濾池的原理

滴濾池是由填料附著的生物膜構(gòu)成的三相體系，這3項(xiàng)分別是液相的污水、氣相的空氣、固相的生物膜。污水由水泵抽送入頂端的布水器進(jìn)入，順著填料表面向底部流出，空氣在自然通風(fēng)或者強(qiáng)制通風(fēng)下自下而上進(jìn)出。生物膜隨著微生物的新陳代謝最外層的膜會(huì)老化脫落，所以一般工業(yè)用的滴濾池會(huì)有反沖洗裝置，圖1為生物膜示意圖。

裝滿填料的生物滴濾池，在頂端的分散布水器作用下，其中的濾料均勻吸收自上而下的污水。進(jìn)入滴濾池的污水自上而下從濾料中經(jīng)過，水膜狀均勻布散在填料表面。填料的作用是為微生物提供附著條件，隨后可以吸收污水中的有機(jī)質(zhì)新陳代謝。本研究的生物滴濾池主要研究了3種填料滴濾池對低濃度豬場廢水的處理效果，確定最佳運(yùn)行參數(shù)，有效地進(jìn)一步降低化糞池出水污染物濃度。

1.2 生物滴濾池實(shí)驗(yàn)裝置

采用PVC-U給水管（管徑=200 mm），每套裝置總高度（H）為3 500 mm，通過安裝防溢接頭設(shè)置9個(gè)取樣點(diǎn)、3個(gè)通風(fēng)口、1個(gè)出水口和1個(gè)噴淋布水裝置。模擬裝置共設(shè)3層，每層濾料總高度為900 mm，間隔300 mm設(shè)置1個(gè)取樣點(diǎn)。（取樣點(diǎn)管徑=20 mm，通風(fēng)口管徑=40 mm）（圖2）。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)處理 選用3種材料裝填進(jìn)行對比試驗(yàn)，分別是：a.毛刷（刷毛長度1 cm，人工合成PVC材質(zhì)）；b.沸石（粒徑5～10 mm）；c.火山巖（粒徑5～10 mm），用不同材料按圖2所示，將PVC柱填滿，制作成滴濾池。待運(yùn)行穩(wěn)定后，每5天取1次樣，共取5次。

1.3.2 試驗(yàn)污水配置 本試驗(yàn)所用進(jìn)水為新鮮豬糞與自來水配制而成，配置后COD為800 mg/L，TN為25.5 mg/L，TP為12.8 mg/L，氨氮為13.8 mg/L。每日進(jìn)水總量為50 L，每日流量控制方案為進(jìn)料20 min，停止100 min，進(jìn)水速率即進(jìn)水12.5 L/h。在不同有機(jī)負(fù)荷下對生物滴濾池凈化豬糞水效果的影響進(jìn)行研究，以篩選出最佳填料，監(jiān)測指標(biāo)為TN、TP、氨氮和COD。

1.3.3 掛膜啟動(dòng) 一般的生物膜的培養(yǎng)有自然掛膜法、活性污泥掛膜法和優(yōu)勢菌掛膜法3種[16]。本試驗(yàn)采用的是活性污泥掛膜法結(jié)合自然掛膜法，在運(yùn)行之前分別在3類滴濾池內(nèi)加入等量的沼渣，隨后采用設(shè)計(jì)的進(jìn)水流量。其中進(jìn)水加入了一些營養(yǎng)物質(zhì)，配方見表1。

1.4 檢測項(xiàng)目和方法

本試驗(yàn)主要的監(jiān)測項(xiàng)目為CODCr、TN、TP、氨氮，各項(xiàng)目的測定方法見表2。

2 結(jié)果與分析

此試驗(yàn)在11月份進(jìn)行，完整運(yùn)行1個(gè)月時(shí)間，5次取樣日均溫度分別為15.4、12.3、11.8、10.6、7.8 ℃，呈逐漸下降趨勢。

2.1 滴濾池的COD處理效果研究

如圖3所示，COD的去除效果柱形圖表示不同處理進(jìn)出水濃度，點(diǎn)線圖表示不同處理的去除率。

去除率=（進(jìn)水濃度-出水濃度）/進(jìn)水濃度×100%。計(jì)算得到，毛刷填料滴濾池、沸石填料滴濾池和火山巖填料滴濾池的平均去除率分別為41.08%、85.38%、84.26%。發(fā)現(xiàn)毛刷填料滴濾池去除效率最低，沸石和火山巖填料去除效果較好，且沒有明顯差異。這是由于毛刷填料與其他2種區(qū)別較大，毛刷滴濾池內(nèi)部空隙大，空氣較為充足，雖然生物膜量大，但由于空隙較大，污水的相對接觸面較小，生物膜的作用被弱化；沸石和火山巖由于顆粒小，在池內(nèi)空隙小，空氣含量少，雖然生物膜量較少，但具有較強(qiáng)的過濾效果，且由于有較大的比表面積，也有較強(qiáng)的生物作用。因此，如果只以毛刷為載體進(jìn)行微生物附著會(huì)導(dǎo)致COD幾乎沒有去除能力。沸石和火山巖填料結(jié)構(gòu)性質(zhì)相近，有較大的表面積和過濾能力，在適宜溫度條件下微生物附著能力和顆粒物截留能力方面都有相似的表現(xiàn)。

沸石填料是一種極性物質(zhì)，是極性非常強(qiáng)的吸附劑，對極性分子和不飽和分子有機(jī)物有著很強(qiáng)的吸附性，對非極性分子中極化率大的分子也有較高的選擇吸附性。而火山巖表面帶有正電荷，有利于微生物固著生長，親水性強(qiáng)，可以附著大量的生物膜且速度快。兩者的優(yōu)勢在目前實(shí)際表現(xiàn)看來還沒有明顯的區(qū)別，還有待后續(xù)試驗(yàn)對比驗(yàn)證。

2.2 滴濾池的TN處理效果研究

如圖4所示，毛刷填料滴濾池a、沸石填料滴濾池b和火山巖填料滴濾池c的平均去除率分別為47.54%、52.41%和59.64%。三者在前4次取樣去除率差異不明顯，到第5次差異明顯。毛刷處理明顯下降，而其他2個(gè)處理明顯上升，生物膜法去N，也是反硝化和硝化過程的作用?？傮w上毛刷的處理能力最差，火山巖的處理能力最高。但其間的差距不如COD的去除率明顯，甚至在前4次取樣都沒有明顯差異。因?yàn)?種滴濾池脫氮的作用不僅僅是生物膜，其內(nèi)部空間的密度、空隙、掛膜量、空氣量和比表面積等都有很大的區(qū)別。而脫氮的作用受到多個(gè)因素的制約或促進(jìn)，其機(jī)理相對復(fù)雜，最終3種處理初期沒有表現(xiàn)出較大的區(qū)別，至于第5次取樣差距較大，可能是由于氣溫降低導(dǎo)致毛刷的生物膜作用減弱所致。因?yàn)橄鄬Χ?，對于毛刷填料，作用最大的是生物膜，且?nèi)部受到外部溫度影響較大。

2.3 滴濾池的TP處理效果研究

如圖5所示，毛刷填料滴濾池a、沸石填料滴濾池b和火山巖填料滴濾池c的去除率分別為67.50%、50.16%和 56.50%。

生物膜對磷的吸收能力取決于曝氣率、DO和溫度[17-18]，由于溫度條件相同的情況下，溶解氧決定著磷的去除率。去除率仍然和池內(nèi)部的空隙有著明顯的關(guān)系，由于較大的空隙率空氣含量較高，曝氣率和DO相對較高，因此空隙率最高的毛刷去除率最高，其次是火山巖填料，直徑約為沸石的1倍，去除率為56.50%，但與沸石（50.16%）的差距已不明顯。

2.4 滴濾池的氨氮處理效果研究

如圖6所示，毛刷填料滴濾池a、沸石填料滴濾池b和火山巖填料滴濾池c的平均去除率分別為46.63%、79.40%和88.29%。毛刷的去除率最低，火山巖最高，且毛刷填料的去除率下降趨勢明顯，從最初的66.79%一直降到最后的 26.59%，一方面是因?yàn)槊⑻盍峡障洞?，受溫度影響較大，溫度的下降對硝化細(xì)菌的硝化作用影響明顯；另一方，由于較高的曝氣率和DO，反硝化作用較低。沸石和火山巖受到溫度影響相對較小，硝化和反硝化作用相對穩(wěn)定，加上較強(qiáng)的過濾作用，氨氮的去除率相對較高?；鹕綆r效果優(yōu)于沸石，可能是由于兩者的物理特性導(dǎo)致。

3 結(jié)論

毛刷填料滴濾池、沸石填料滴濾池和火山巖填料滴濾池對COD的去除率分別為41.08%、85.38%和84.26%；對TN的去除率分別為47.54%、52.41%和59.64%；對TP的去除率分別為67.50%、50.16%和56.50%；對氨氮的去除率分別為46.63%、79.40%和88.29%。

溫度變化對于不同處理的去除率均有一定的影響，除了沸石和火山巖去除TN外，溫度下降都導(dǎo)致去除能力下降。至于沸石和火山巖對TN去除率隨溫度下降反而上升，還有待于進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

毛刷材料質(zhì)量小，容易操作和沖洗，且對TP有較好的去除效果，但對于TN和氨氮的去除效果較差；沸石和火山巖有著相似的處理能力，質(zhì)量大，清洗和人工組裝工作量較大，對于COD、TN和氨氮有較好的去除效果。因此，選用何種材料，需要針對去除需求進(jìn)行合理選擇。

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