潘碌亭，謝欣玨，王九成，董恒杰

?

脫氮除磷生物濾池填料制備及其對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果

潘碌亭，謝欣玨，王九成，董恒杰

（同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，上海 200092）

針對(duì)農(nóng)村生活污水處理過(guò)程中，總氮（TN）和總磷（TP）難以直接達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)的難題，該研究研制出一種新型脫氮除磷濾料，并對(duì)其表征。掃描電鏡結(jié)果表明該濾料親水性較好，表面粗糙，大量的空隙和較大的比表面積利于微生物掛膜；光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果表明，生物膜生長(zhǎng)狀況良好，活性較高，無(wú)需反沖洗就能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。將該新型濾料用于兩級(jí)生物濾池對(duì)農(nóng)村生活污水的處理研究，考察了水力停留時(shí)間（hydraulic retention time，HRT）、氣水比、回流比及溫度對(duì)系統(tǒng)TN和TP處理效果的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，污染物質(zhì)的去除率與水力停留時(shí)間和溫度成正相關(guān)，隨著氣水比和回流比的增大先上升后下降；溫度對(duì)TN去除的影響較為顯著。試驗(yàn)得出系統(tǒng)運(yùn)行的最適工況：HRT 5 h，氣水比10:1，回流比50%，最利于系統(tǒng)脫氮溫度為27 ℃。系統(tǒng)在最佳試驗(yàn)條件下穩(wěn)定運(yùn)行后，出水COD（化學(xué)需氧量）、NH3-N、TN和TP平均質(zhì)量濃度分別為18.53、0.66、9.78、0.30 mg/L，平均去除率分別為89.82%、99.80%、59.05%、88.31%，滿足《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)要求。研究結(jié)果可為實(shí)際工程和理論研究提供參考。

污水；脫氮；磷；生物濾池；去除機(jī)理

0 引 言

近年來(lái)，農(nóng)村養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，導(dǎo)致農(nóng)村水環(huán)境污染嚴(yán)重[1-2]。農(nóng)村生活污水含有機(jī)物質(zhì)、氮磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、懸浮物及病菌等污染成分，各污染物排放質(zhì)量濃度一般為[3]：CODCr為250～400 mg/L，NH3-N為40～60 mg/L，TP為2.5～5.0 mg/L。農(nóng)村生活污水經(jīng)生化處理后，其COD和BOD5（5日生化需氧量）等指標(biāo)能夠滿足排放要求，而氮、磷的去除則相對(duì)復(fù)雜，涉及多個(gè)生物降解過(guò)程，且每個(gè)過(guò)程對(duì)環(huán)境要求不同，導(dǎo)致TN和TP的去除效果不佳，很難直接達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，保證出水TN和TP濃度達(dá)標(biāo)一直是農(nóng)村污水處理領(lǐng)域的一大難題。

目前，應(yīng)用較為廣泛的脫氮除磷方法主要是傳統(tǒng)技術(shù)[4]，如：A2/O[5]、氧化溝[6]、SBR[7]等，其應(yīng)用相對(duì)成熟，但也存在固有缺陷。生物濾池作為實(shí)現(xiàn)低C/N比污水的同步脫氮除磷的重要工藝，具有處理效率高、占地面積小、基建及運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便和抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣泛的污水處理應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)曝氣生物濾池存在除磷效率低、對(duì)進(jìn)水固體懸浮物要求較高、易堵塞等問(wèn)題，且出水COD很難降到40 mg/L以下。其中，填料作為生物濾池最核心的部分，直接影響濾池的運(yùn)行效能。目前，在國(guó)內(nèi)廢水生物處理工藝中，現(xiàn)有的濾料在物理學(xué)特性及生物膜附著性能等方面均存在問(wèn)題，如難以掛膜、強(qiáng)度不高、價(jià)格昂貴等。

內(nèi)電解法是目前被廣泛使用的一種電化學(xué)處理技術(shù)[8]。該法主要在鑄鐵屑中摻加一定量的活性碳等惰性物質(zhì)或其他高電位的金屬，以廢水作為電解質(zhì)溶液，形成無(wú)數(shù)個(gè)原電池反應(yīng)[9]，在電化學(xué)作用的同時(shí)涉及到氧化還原、電富集、絮凝沉淀和吸附等多種作用協(xié)同對(duì)廢水進(jìn)行處理。利用這個(gè)原理，本研究研制出一種強(qiáng)度高、廉價(jià)、易于微生物附著的新型脫氮除磷鐵碳濾料，并用于兩級(jí)生物濾池對(duì)農(nóng)村生活污水的處理研究，以期出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。試驗(yàn)研究了新型填料的制備方法，并探討該工藝的反應(yīng)機(jī)理，考察了HRT、氣水比、回流比及溫度對(duì)系統(tǒng)TN和TP處理效果的影響，確定了最佳反應(yīng)條件，以期對(duì)生物濾池的技術(shù)發(fā)展和農(nóng)村生活污水處理提供理論和設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原水水質(zhì)

試驗(yàn)所用低濃度生活污水取自上海某郊區(qū)小區(qū)污水井，主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

表1 污水主要水質(zhì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

工藝路線如圖1所示。

污水生化系統(tǒng)由厭氧生物濾池和曝氣生物濾池組成。低濃度生活污水由蠕動(dòng)泵控制進(jìn)入?yún)捬跎餅V池，厭氧池出水通過(guò)高差自流進(jìn)入曝氣生物濾池?；亓飨趸河扇鋭?dòng)泵調(diào)節(jié)特定流量回流至厭氧生物濾池進(jìn)行反硝化反應(yīng)。

生物濾池反應(yīng)器具體參數(shù)如下：厭氧生物濾池尺寸為?82 mm×620 mm，反應(yīng)器有效容積約3.1 L，填料層高540 mm；曝氣生物濾池的尺寸為?102 mm×780 mm，反應(yīng)器有效容積約6.2 L，填料層高620 mm；反應(yīng)器材質(zhì)均為有機(jī)玻璃，在底部與頂部均各設(shè)有進(jìn)水口與出水口，內(nèi)置課題組研制新型填料。

1.3 新型濾料制備

1.3.1濾料成分

基于課題組的前期研究成果[10-12]和工程經(jīng)驗(yàn)，制備了同步脫氮除磷的生物濾池濾料[13]，其成分配比如表2所示。

表2 填料成分配比

1.3.2 制作步驟

本研究所用的新型濾料的制作步驟如下：1）將鋼渣、鐵屑分別置于球磨機(jī)中研磨至一定粒徑，得到鋼渣粉、鐵粉；沸石經(jīng)顎式破碎機(jī)、對(duì)輥機(jī)破碎后過(guò)0.2 mm篩，得沸石粉。2）將得到的鋼渣粉、鐵粉、沸石粉、活性炭、水泥按照一定比例混合均勻。3）在包衣機(jī)中撒入一定數(shù)量塑料空心浮球，啟動(dòng)包衣機(jī)，機(jī)器旋轉(zhuǎn)的同時(shí)邊噴水邊撒配料，適量均勻噴水使表面潤(rùn)濕；再撒入混合均勻的配料，啟動(dòng)包衣機(jī)，使包覆在塑料空心浮球上，團(tuán)聚成潮濕的球狀顆粒。4）將包裹好的濾料進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)室溫為15～25 ℃，相對(duì)濕度為40%～60%。將制備好的成品球放于自然養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7～10 d出料，制備成新型生物濾池濾料。

1.3.3 特點(diǎn)及性能

本試驗(yàn)所用新型濾料，與其他常見(jiàn)的濾池濾料相比具有以下特點(diǎn)：1）濾料的成分、密度及粒徑可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整制備。2）濾料表面粗糙多孔，材料無(wú)毒，不結(jié)垢，易于微生物掛膜生長(zhǎng)。3）濾料的親水性好，有利于提高生物濾池的處理效率。4）濾料具有較好的同步脫氮除磷性能。5）本制備方法簡(jiǎn)便，制作成本低，適合推廣應(yīng)用。其具體性能參數(shù)如下表3所示：

表3 填料性能參數(shù)表

1.4 試驗(yàn)方法

厭氧生物濾池（anoxic filter，AF）和曝氣生物濾池（biological aerated filter，BAF）的運(yùn)行受到多種因素的影響，包括氣水比、系統(tǒng)HRT、硝化液回流比、溫度等。試驗(yàn)重點(diǎn)研究了HRT、氣水比、回流比和溫度對(duì)TN和TP去除效果的影響。

單因素試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)改變研究因素的取值時(shí)，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后連續(xù)4 d測(cè)定TN和TP，取其平均值作為最終結(jié)果。具體試驗(yàn)方法如下：1）選定回流比為50%，氣水比為15:1，研究系統(tǒng)總HRT（體積比AF:BAF=1:2）分別為3、4、5、6和7 h，對(duì)TN和TP去除效果的影響；2）選定回流比50%，HRT 5 h，研究氣水比分別為30:1、25:1、20:1、10:1、8:1、5:1時(shí)，對(duì)污染物去除效果的影響；3）選定BAF出水氣水比為10:1，HRT為5 h，研究回流比分別為0、50%、100%、150%、200%時(shí)，對(duì)污染物去除效果的影響；4）選定BAF出水氣水比為10:1，HRT為5 h，回流比為50%。利用恒溫水浴箱控制系統(tǒng)溫度，研究溫度分別為11、15、19、21、24、27、30、33 ℃時(shí)，對(duì)污染物去除效果的影響。

2 反應(yīng)機(jī)理探討

2.1 SEM分析

為了更好的研究新型填料表面及生物膜的生長(zhǎng)及組成情況，試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)月后，對(duì)反應(yīng)器中填料表面及生物膜進(jìn)行掃描電鏡觀察，將濾料表面分別放大500倍和3 000倍，比較反應(yīng)前后新型填料表面粗糙程度和生物膜情況。掃描電鏡及顯微鏡拍照?qǐng)D片，如圖2所示。

由圖2可知，新型填料在反應(yīng)前后發(fā)生了較明顯的變化。生物膜是由微生物細(xì)胞組成的復(fù)雜混合物的微生態(tài)系統(tǒng)，細(xì)胞鑲嵌在胞外聚合物的基質(zhì)中，并且附著于固體表面，因此，生物膜形成的關(guān)鍵是固定于載體表面。而載體表面性質(zhì)是影響其附著的重要影響因素，包括表面親水性、表面電荷等。圖片說(shuō)明，新型填料與污水進(jìn)行了反應(yīng)。未反應(yīng)的填料表面粗糙，不規(guī)則顆粒物及空隙多，比表面積較大，能與污水中的有機(jī)物充分接觸并發(fā)生反應(yīng)，為微生物的附著提供足夠的生長(zhǎng)繁殖空間。穩(wěn)定運(yùn)行后，AF濾池與BAF濾池的填料表面及空隙中均附著有較厚實(shí)且分布情況也較復(fù)雜的生物膜。由此可見(jiàn)，該新型濾料對(duì)微生物的掛膜有著較大優(yōu)勢(shì)。隨著掃描電鏡放大到3 000倍，可以觀察到生物膜內(nèi)大量存在的短桿狀菌類和球菌類，可以判斷生物膜中微生物是呈多樣化的。

2.2 光學(xué)顯微鏡分析

分別取潔凈的厭氧生物濾池、曝氣生物濾池填料表面成熟的生物膜，經(jīng)染色，采用40倍和100倍光學(xué)顯微鏡進(jìn)行拍照觀察，如圖3所示。

從圖3可知，鏡檢發(fā)現(xiàn)，厭氧生物膜的菌膠團(tuán)較疏松，透光度較差，出現(xiàn)較多桿狀菌，厭氧污泥絮體中出現(xiàn)較多的水蚤；且厭氧生物膜整體呈深綠色，可能是由于AF濾池生物膜中存在較高濃度的綠色二價(jià)鐵離子，這便證明了系統(tǒng)對(duì)TP去除機(jī)理的猜想。好氧生物膜的菌膠團(tuán)較厭氧生物膜密實(shí)，生物膜中以球狀菌居多，并有少量桿狀菌及對(duì)微生物的粘附有利的絲狀菌等；且好氧生物膜呈黃綠色，說(shuō)明存在較高濃度的黃色三價(jià)鐵離子和少量的綠色二價(jià)鐵離子。另外，AF濾池和BAF濾池中均能發(fā)現(xiàn)不可透光的黑色顆粒，這說(shuō)明填料表面與生物膜接觸層面出現(xiàn)剝離，這說(shuō)明濾池中的生物膜能夠自然脫落而不必借助反沖洗沖刷，有利于生物膜的更新并保持較高活性。這也為該新型濾料無(wú)需反沖洗就能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行提供依據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 HRT的影響

HRT決定了污水與生物膜接觸時(shí)間的長(zhǎng)短，影響反應(yīng)器內(nèi)微生物的生長(zhǎng)與增殖，進(jìn)而影響工藝的處理效果[14]。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)HRT由7 h縮短到5 h，出水TN平均值為11.3 mg/L，不僅能達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)且有余地；當(dāng)HRT縮短至4和3 h，TN去除率下降，出水TN平均值超出一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。其原因在于，一方面，縮短HRT對(duì)反應(yīng)器內(nèi)生物膜微生態(tài)環(huán)境帶來(lái)沖擊，對(duì)其生長(zhǎng)繁殖不利，影響系統(tǒng)硝化脫氮效能[14-16]。另一方面，生物膜法可以通過(guò)同步硝化反硝化脫氮，因而要求生物膜在縱向上有相對(duì)穩(wěn)定的好氧區(qū)域和厭氧區(qū)域，而縮短HRT導(dǎo)致溶解氧與底物濃度均有所增加，生物膜繁殖更新速度加快且厚度減小，一些具有堿性反硝化細(xì)菌轉(zhuǎn)而利用有機(jī)物為底物，總體降低了系統(tǒng)的硝化脫氮能力。故綜合TN去除效果與工程造價(jià)，確定最佳HRT為5 h。

隨著HRT的縮短，系統(tǒng)對(duì)TP的去除率從89.92%降至80.94%，TP出水質(zhì)量濃度從0.24 mg/L上升至0.46 mg/L，且AF對(duì)系統(tǒng)除磷作用更大。對(duì)于厭氧生物濾池，增大HRT有利于有機(jī)物厭氧降解產(chǎn)酸[17]，使得水中存在少量H+，有利于填料中零價(jià)鐵產(chǎn)氫釋放并使污水pH值向堿性偏移，同時(shí)游離態(tài)的鐵離子在中性條件下與游離磷酸鹽生成沉淀[18]，從而具有較好的除磷效果，可以看作生化與物化共同作用的結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)有反沖洗裝置，定期對(duì)濾池進(jìn)行沖洗，去除剩余污泥與生成的沉淀。對(duì)于曝氣生物濾池，TP的去除主要通過(guò)微生物的同化作用實(shí)現(xiàn)，HRT的延長(zhǎng)有助于TP去除率的提高，但除磷作用要小于厭氧生物濾池。故綜合去除效果與基建成本，HRT為5 h為宜。綜上所述及其他水質(zhì)指標(biāo)的去除效果考察，最佳HRT定為5 h。

3.2 氣水比的影響

氣水比直接影響到反應(yīng)器中的溶解氧量，對(duì)曝氣生物濾池的正常運(yùn)行起重要作用。較多研究認(rèn)為[19-20]氣水比與氧的傳遞系數(shù)（la）成正比，且與生物膜厚度也有關(guān)系[21]。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)氣水比從30:1降低到5:1時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TN的平均去除率分別為：44.54%、48.09%、48.42%、44.83%、40.85%、30.19%，即TN去除率先上升后下降。氣水比較大時(shí)，水中的溶解氧較高，有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，但回流導(dǎo)致AF溶解氧含量較高，而反硝化需要在缺氧的環(huán)境中進(jìn)行，抑制了反硝化的進(jìn)行[22]；當(dāng)氣水比減小時(shí)，同步硝化反硝化作用增強(qiáng)，與其他研究結(jié)論相同[23-24]；氣水比繼續(xù)降低，AF的反硝化效果受到BAF硝化效果的間接影響，導(dǎo)致TN去除率逐步降低。綜上分析，氣水比為20:1～10:1較宜。

系統(tǒng)和BAF對(duì)TP的去除效果變化不大，AF對(duì)TP的去除率隨著氣水比的減少而逐步增大。這可能是由于，隨著氣水比的減小，回流硝化液的溶解氧含量降低，使AF具有較好的厭氧環(huán)境，有利于反硝化聚磷菌的生長(zhǎng)繁殖，導(dǎo)致AF出水TP濃度呈逐漸降低趨勢(shì)。因此，為保證TP出水濃度達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，且BAF曝氣器不會(huì)因氣水比過(guò)低而被堵塞，氣水比為10:1較宜。

3.3 回流比的影響

硝化液回流是系統(tǒng)獲得良好脫氮效果的先決條件，回流比的大小直接影響到脫氮效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，BAF對(duì)TN去除率變化平緩，而整個(gè)系統(tǒng)與AF對(duì)TN去除率則隨著回流比的增大呈先升高后下降趨勢(shì)。研究表明[25]，在厭氧反應(yīng)器中，出水硝酸鹽濃度為0時(shí)的回流量為回流比的臨界值，此時(shí)反應(yīng)器達(dá)到最大反硝化能力，當(dāng)回流比小于此值，硝酸鹽將在到達(dá)反應(yīng)器末端之前降至0，硝酸鹽的去除率會(huì)隨回流比的增加而增大；當(dāng)回流比大于此值時(shí)，缺氧反應(yīng)器末端出水將會(huì)出現(xiàn)硝酸鹽，增加回流比對(duì)系統(tǒng)硝酸鹽的下降不會(huì)產(chǎn)生影響，并且回流液中的硝酸鹽總量將超出缺氧反應(yīng)器的脫氮負(fù)荷。當(dāng)回流量達(dá)到一定的界限后，進(jìn)一步增加回流比會(huì)導(dǎo)致回流液攜帶至厭氧反應(yīng)器中的溶解氧增加，對(duì)厭氧反應(yīng)柱內(nèi)的缺氧環(huán)境產(chǎn)生一定的破壞作用，使得反硝化能力下降，TN去除率降低。故回流比為100%時(shí)對(duì)脫氮最有利。

隨著回流比的增大，TP去除率始終穩(wěn)定在一個(gè)區(qū)間，AF段TP去除率隨回流比的增大而增加。主要原因是，一方面，回流比增大，導(dǎo)致AF形成部分好氧區(qū)域，根據(jù)厭氧釋磷、好氧吸磷原理，造成部分磷被AF自身含氧區(qū)域的聚磷菌攝取，導(dǎo)致出水TP濃度降低；另一方面，回流比增大，同時(shí)導(dǎo)致AF段TP實(shí)際進(jìn)水濃度降低，因而AF段TP出水濃度降低。此外，AF段出水TP濃度降低，導(dǎo)致BAF段TP進(jìn)水濃度降低，間接降低BAF濾池的TP去除率。雖TP去除率隨回流比而變動(dòng)，但當(dāng)回流比由0變化到200%時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的TP去除率始終穩(wěn)定，且TP出水濃度均滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。故結(jié)合實(shí)際運(yùn)行與去除效果，較佳除磷回流比為50%。綜上所述及其他水質(zhì)指標(biāo)去除的考察，較佳回流比為50%。

3.4 溫度的影響

生物處理的實(shí)質(zhì)是利用微生物體內(nèi)的酶促生化反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的降解。溫度影響微生物的代謝速率決定了生物處理反應(yīng)器必須在一定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。在水處理過(guò)程中，硝化作用受溫度的影響最大[26-27]。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，隨溫度的升高，系統(tǒng)和BAF濾池對(duì)TN的去除率均呈先升高后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，一方面，低溫在一定程度上影響了氨氮的去除效果，影響了硝化過(guò)程，回流硝化液中氨氮的比例升高。另一方面，研究表明當(dāng)溫度低于15 ℃時(shí)，反硝化菌的代謝速率下降[28]，對(duì)污水的處理能力降低，脫氮效果變差。還可以看出，當(dāng)溫度高于27 ℃時(shí)，系統(tǒng)對(duì)TN的去除率反而下降，說(shuō)明溫度太高或太低都會(huì)影響脫氮效果。試驗(yàn)表明溫度在27 ℃時(shí)，最有利于系統(tǒng)脫氮。

隨著溫度的升高，TP的去除率緩慢上升，可見(jiàn)溫度對(duì)TP的去除無(wú)顯著影響。一般來(lái)說(shuō)，溫度對(duì)于微生物的酶促反應(yīng)有重要影響[29-30]，但對(duì)應(yīng)用于新型濾料的兩級(jí)生物濾池系統(tǒng)而言，其對(duì)TP的去除主要通過(guò)生化-物化耦合作用進(jìn)行。溫度降到一定程度聚磷菌的活性降低，除磷效果受到影響，但物化除磷為物理化學(xué)過(guò)程，不易受溫度影響，因此，在一定程度上削弱了溫度對(duì)TP去除的影響，說(shuō)明系統(tǒng)對(duì)溫度的耐受性比較好，這也體現(xiàn)了新型填料生物濾池的優(yōu)越性。綜上所述，較佳溫度為27 ℃。

3.5 系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行

經(jīng)上述試驗(yàn)研究確定，新型填料的兩級(jí)生物濾池系統(tǒng)運(yùn)行的較佳工藝條件為：HRT為5 h，AF與BAF體積比為1:2，氣水比為10:1，回流比為50%，水溫為27 ℃。為了進(jìn)一步探討該新型濾料對(duì)去除污染物的特性優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)對(duì)比試驗(yàn)。采用市售普通生物濾池陶粒為填料，其他裝置同試驗(yàn)組系統(tǒng)一致。兩組在較佳工況條件下穩(wěn)定運(yùn)行15 d，試驗(yàn)期間無(wú)需更換填料（若長(zhǎng)期運(yùn)行，則根據(jù)實(shí)際情況對(duì)填料進(jìn)行更新），檢測(cè)試驗(yàn)組和對(duì)比組COD、NH3-N、TN和TP的去除情況，如表4所示。

表4 工藝穩(wěn)定運(yùn)行效果

由表4可知，試驗(yàn)組系統(tǒng)在最佳工藝條件下運(yùn)行穩(wěn)定，COD去除率為90%左右，出水COD<25 mg/L；氨氮去除率接近100%，出水氨氮濃度檢測(cè)不出；TN平均去除率為59.05%，出水TN<11 mg/L；TP去除率為85%以上，出水TP<0.4 mg/L。試驗(yàn)組系統(tǒng)出水水質(zhì)均達(dá)一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，且留有余地。且兩組試驗(yàn)在相同工況條件下運(yùn)行，試驗(yàn)組使用新型濾料處理廢水效果優(yōu)于對(duì)比組采用的普通市售陶粒濾料，具有顯著優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景。

4 結(jié) 論

本研究采用鋼渣、鐵屑、沸石、活性炭及水泥材料，自行研發(fā)出一種新型同步脫氮除磷填料，并用于AF-BAF兩級(jí)生物濾池，處理低濃度分散生活污水。系統(tǒng)分析影響兩級(jí)生物濾池處理效能的影響因素，對(duì)比不同工況的運(yùn)行結(jié)果，得出最適運(yùn)行控制參數(shù)。研究結(jié)果如下：

1）采用鋼渣、鐵屑、沸石、活性炭、水泥為原料，按一定比例（質(zhì)量百分比為鋼渣：鐵屑：沸石：活性炭：水泥=45%：10%：20%：10%：15%）配比，再于包衣機(jī)進(jìn)行包覆，經(jīng)養(yǎng)護(hù)后成品。該填料具有較好的同步脫氮除磷性能且制備簡(jiǎn)便、成本低，適合推廣應(yīng)用。

2）掃描電鏡結(jié)果表明該填料親水性較好，表面粗糙，大量的空隙和較大的比表面積利于微生物掛膜；光學(xué)顯微鏡觀察結(jié)果表明，生物膜生長(zhǎng)狀況良好，活性較高，無(wú)需反沖洗就能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3）采用自行研發(fā)的新型脫氮除磷濾料用于AF-BAF兩級(jí)生物濾池對(duì)農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理，較佳的工藝參數(shù)為：水力停留時(shí)間為5 h，氣水比為10:1，回流比為50%，最有利于系統(tǒng)脫氮溫度為27 ℃。較佳工藝條件下，出水COD、NH3-N、TN和TP平均質(zhì)量濃度分別為18.53、0.66、9.78、0.30 mg/L，平均去除率分別為89.82%、99.80%、59.05%、88.31%，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1] 王俊起，王友斌，李筱翠，等. 鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾與生活污水排放及處理現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)衛(wèi)生工程學(xué)，2004(4)：12－15.

Wang Junqi, Wang Youbin, Li Xiaocui, et al. Discharge & disposal status on garbage and sewage in countrysides[J]. Chinese Journal of Public Health Engineering, 2004(4): 12－15. (in Chinese with English abstract)

[2] 盧璟莉，肖運(yùn)來(lái).我國(guó)農(nóng)村生活污水處理及利用分析[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(9)：2289－2291.

Lu Jingli, Xiao Yunlai. Analysis on treatment and reuse of rural domestic wastewater in china[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2009(9): 2289－2291. (in Chinese with English abstract)

[3] Takssaki M, Harada M, Sato A. Evaluation of the NH4-N and COD removal efficiency by submerged biofilm process in tap water supply pretreatment system[J]. Water Science & Technology, 1998, 20(11): 517－519.

[4] 王英，陳澤軍. 生物脫氮除磷工藝的研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境污染與防治，2002(3)：180－183.

Wang Ying, Chen Zejun. Progress of biological nutrient removal technology[J]. Environmental Pollution & Control, 2002(3): 180－183. (in Chinese with English abstract)

[5] 李曈，郝瑞霞，劉峰，等. A/A/O工藝脫氮除磷運(yùn)行效果分析[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011(8)：1729－1734.

Li Tong, Hao Ruixia, Liu Feng, et al. Analysis on running effect for biological nitrogen and phosphorus removal of A/A/O technology[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2011(8): 1729－1734. (in Chinese with English abstract)

[6] 李柏林. A/A/O氧化溝工藝強(qiáng)化脫氮調(diào)控技術(shù)研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2012.

Li Bolin. Study on Strengthening Nitrogen Removal in A/A/O Oxidation Ditch Process by Regulation Technology[D]. Chongqing: Chongqing University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[7] 許德超，陳洪波，李小明，等. 靜置/好氧/缺氧序批式反應(yīng)器(SBR)脫氮除磷效果研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014(1)：152－159.

Xu Dechao, Chen Hongbo, Li Xiaoming, et al. Biological phosphorus and nitrogen removal in a sequencing batch reactor(SBR) operated in static/aerobic/anoxic regime[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2014(1): 152－159. (in Chinese with English abstract)

[8] 劉敏. 內(nèi)電解法處理難降解有機(jī)物特性及其分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)性研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

Liu Min. Research on Treating Refractory Organisms byand Relativity with their Molecular Structure[D]. Shanghai: Tongji University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[9] 呂建曉，崔英. 活性艷紅X-3B染料廢水的銅-鐵內(nèi)電解法處理[J]. 印染，2015(7)：17－20.

Lu Jianxiao, Cui Ying. Treatment of reactive red X-3B dye wastewater with Cu-Fe inner electrolysis method[J]. China Dyeing & Finishing, 2015(7): 17－20. (in Chinese with English abstract)

[10] Pan L T, Han Y. A novel anoxic-aerobic biofilter process using new composite packing material for the treatment of rural domestic wastewater[J]. Water Science & Technology, 2016, 73(10): 2486－2492.

[11] 潘碌亭，王九成，韓悅. 鐵碳復(fù)合材料催化內(nèi)電解技術(shù)處理模擬農(nóng)村鉛污染水體效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016(增刊1)：254－260.

Pan Liuting, Wang Jiucheng, Han Yue. Study on characteristics of catalyzed internal electrolysis treating simulated rural lead pollution water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2016(Supp.1): 254－260. (in Chinese with English abstract)

[12] Pan Luting, Han Yue, Wu Jinfeng. Advanced treatment of biologically pretreated coking wastewater by intensified zero-valent iron process (IZVI) combined with anaerobic filter and biological aerated filter (AF/BAF)[J]. Journal of Central South University, 2015, 22(10): 3781－3787.

[13] 同濟(jì)大學(xué).一種脫氮除磷生物濾池濾料的制備方法201410048193.8[P]. 2015-08-12.

[14] 管運(yùn)濤，寧濤，張麗麗. HRT和載體對(duì)一體化生物膜反應(yīng)器脫氮除磷效果的影響[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009(3)：359－363.

Guan Yuntao, Ning Tao, Zhang Lili. Effects of HRT and media on nitrogen and phosphorus removal in an integrated biofilm reactors[J]. Journal of Tsinghua University: Sci & Tech, 2009(3): 359－363. (in Chinese with English abstract)

[15] 楊躍，張金松，黃文章. 復(fù)合式曝氣生物濾池脫氮效果影響因素研究[J]. 給水排水，2010(7)：140－143.

Yang Yue, Zhang Jinsong, Huang Wenzhang. Influencing factors on nitrogen removal of combined biological aerated filter[J]. Water & Wastewater Engineering, 2010(7): 140－143. (in Chinese with English abstract)

[16] 李基東. 反硝化脫氮補(bǔ)充碳源選擇與研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

Li Jidong. Study on Choose and Optimize of Extra Carbon Source for Denitrification[D]. Shanghai: Tongji University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[17] Strous M, Kuenen J G, Jetten M S. Key physiology of anaerobic ammonium oxidation[J]. Appl Environ Microbiol, 1999, 65(7): 3248－3250.

[18] 李倩囡，張建強(qiáng)，謝江，等. 人工濕地基質(zhì)吸附磷素性能及動(dòng)力學(xué)研究[J]. 水處理技術(shù)，2011(9)：64－67.

Li Qiannan, Zhang Jianqiang, Xie Jiang, et al. Performances and dynamics of substrate in constructed wetland system adsorbing phosphorus[J]. Technology of Water Treatment, 2011(9): 64－67. (in Chinese with English abstract)

[19] 趙靜野，鄭曉萌，高軍. 曝氣充氧中氧總傳質(zhì)系數(shù)的探討[J]. 北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(1)：11－13.

Zhao Jingye, Zheng Xiaomeng, Gao Jun. Research on transfer coefficient of oxygenic aeration[J]. Journal of Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture, 2006(1): 11－13. (in Chinese with English abstract)

[20] 張闖，陶濤，李爾，等. 兩種曝氣設(shè)備的清水曝氣充氧實(shí)驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境污染與防治，2006(1)：25－27.

Zhang Chuang, Tao Tao, Li Er, et al. Evaluation of two aerators based on results of clean water oxygenation experiment[J].Environmental Pollution & Control, 2006(1): 25－27. (in Chinese with English abstract)

[21] 朱小彪，許春華，高寶玉，等. 曝氣生物濾池生物量和生物活性的試驗(yàn)研究[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 2007(7)：1135－1140.

Zhu Xiaobiao, Xu Chunhua, Gao Baoyu, et al. Studies of biomass and microbial activity in biological aerated filter[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2007(7): 1135－1140. (in Chinese with English abstract)

[22] 李微，魏煒，張傳彬. 曝氣量對(duì)間歇曝氣/曝氣生物濾池效能影響[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010(S1)：104－106.

Li Wei, Wei Wei, Zhang Chuanbin. The aeration quantity impact on efficiency of intermittent aeration/biological aerated filter[J]. Environment Science & Technology, 2010(Supp.1): 104－106. (in Chinese with English abstract)

[23] 吳昌永，彭永臻，王然登，等. 溶解氧濃度對(duì)A～2/O工藝運(yùn)行的影響[J]. 中國(guó)給水排水，2012(3)：5－9.

Wu Changyong, Peng Yongzhen, Wang Randeng, et al. Effect of dissolved oxygen concentration on performance of A2/O process[J]. China Water & Waste Water, 2012(3): 5－9. (in Chinese with English abstract)

[24] 李軍，彭永臻，顧國(guó)維，等. SBBR同步硝化反硝化處理生活污水的影響因素[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2006(5)：728－733.

Li Jun, Peng Yongzhen, Gu Guowei, et al. Factors affecting simultaneous nitrification and denitrification in a SBBR treating domestic wastewater[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2006(5): 728－733. (in Chinese with English abstract)

[25] 嚴(yán)煦世. 水和廢水技術(shù)研究[M]. 北京：北京建筑工業(yè)出版社，1992：465－472.

[26] Han Hongjun, Hu Hongbo, Xu Chunyan, et al. Effect of low-temperature for the treatment of municipal wastewater in a full-scale BAF[C]//Bioinformatics and Biomedical Engineering (ICBBE), 2010 4th International Conference on, IEEE Conference Publications, 2010: 1－4.

[27] Park Seongjun, Bae Wookeun. Modeling kinetics of ammonium oxidation and nitrite oxidation under simultaneous inhibition by free ammonia and free nitrous acid[J]. Process Biochemistry, 2009, 44(6): 631－640.

[28] 榮宏偉，彭永臻，張朝升，等. 序批式生物膜反應(yīng)器的同步硝化反硝化研究[J].工業(yè)水處理，2008(11)：9－12.

Rong Hongwei, Peng Yongzhen, Zhang Chaosheng, et al. Study on the nitrogen removal by simultaneous nitrification and denitrification in sequencing batch biofilm reactor[J]. Industrial Water Treatment, 2008(11): 9－12. (in Chinese with English abstract)

[29] 謝江. CRI系統(tǒng)除磷機(jī)理及加強(qiáng)除磷型CRI系統(tǒng)構(gòu)建[D]. 重慶：西南交通大學(xué)，2011.

Xie Jiang. Phosphorus Removal Mechanism of CRI System and Construction of Reinforced-Removing-Phosphorus CRI System[D]. Chongqing: Southwest Jiaotong University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[30] Kuba T. VanLoosdrecht MCM, Heijnen J J. Phosphorus and nitrogen removal with minimal cod requirement by integration of denitrifying dephosphatation and nitrification in a two-sludge system[J]. Water Research, 1996, 30(7): 1702－1710.

Preparation of denitrification and dephosphorization biological fillers and its effect on treatment of rural domestic sewage

Pan Luting, Xie Xinjue, Wang Jiucheng, Dong Hengjie

(200092)

In the treatment of the rural domestic sewage, the total nitrogen（TN） and total phosphorus（TP） effluent concentration has been too high to comply with the class A of(GB18918-2002). To solve this problem, a new type of denitrification and dephosphorization filer adopted in an anoxic filter (AF) - biological aerated filter (BAF) system was developed. The mass percentage of the raw materials of this fillers, namely steel slag, iron scrap, zeolite, activated carbon and cement, was 45%, 10%, 20%, 10% and 15%, respectively. The mixture of these materials at this mass ratio was then wrapped on the hollow float in the coating machine. The final product was produced after curing for a certain time. Due to the fact that the new fillers presented excellent synchronous nitrogen and phosphorus removal performances and were easy to prepare with low cost, they could be beneficial for promotion and application. The scanning electron microscope (SEM) results demonstrated that the fillers were of good hydrophilicity and rough surface. A large number of voids and large specific surface area was conductive to biofilm colonization. Optical microscope results showed that the biofilm was of good growth and high activity, which could remain long-term stable operation without backwash. And five main influencing factors (HRT, gas water ratio, reflux ratio and temperature) were investigated for the advanced treatment research.In the single factor experiment, when the value of the study factor was changed, TN and TP concentrations were measured for consecutive 4 days after the system got stable, and the average value was taken as the final result. The results showed that, within a certain range, the pollutants removal rate was proportional to HRT and temperature which means that the improvement of HRT and temperature exerted a positive effect on pollutant removal within a certain range. Besides, the removal rate tended to increase at first and then decrease with the rising of gas water ratio and reflux ratio. At the same time, the TN removal efficiency was significantly affected by temperature. The TN removal rate experienced an upward then a following downward trend with the increasing of temperature. In contrast, the TP removal rate increased slightly as temperature rose, drawing the conclusion that the changes of temperature had little effect on TP removal. Overall, the optimum conditions of this technology were as follows: HRT 5h, gas water ratio 10:1, reflux ratio 50% and 27℃, which was best for the nitrogen removal. With a stable system operation achieved, the effluent COD (chemical oxygen demand-), NH3-N, TN and TP were 18.53, 0.66, 9.78 and 0.30 mg/L respectively and the removal efficiencies were 89.82%, 99.80%, 59.05% and 88.31%, respectively, which could meet the A class criteria specified in(GB18918-2002). Through the comparative test conducted, the effect of the new filters was better than that of the ordinary commercial ceramic filters, which was of obvious advantages and development prospects. The results have provided reference for the practical engineering and theoretical study.

sewage; denitrification; phosphorus; bio-filter; removal mechanism

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.030

X524

A

1002-6819(2017)-09-0230-07

2016-09-06

2017-04-04

“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2009BAC57B01）

潘碌亭，男，安徽蚌埠人，博士，副教授，主要從事環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域教學(xué)與科研工作，重點(diǎn)研究水污染控制技術(shù)、工業(yè)廢水深度處理及回用技術(shù)、新型水處理劑等。上海 同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院，200092。Email：lutingpan@sina.com

潘碌亭，謝欣玨，王九成，董恒杰. 脫氮除磷生物濾池填料制備及其對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(9)：230－236. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.030 http://www.tcsae.org

Pan Luting, Xie Xinjue, Wang Jiucheng, Dong Hengjie. Preparation of denitrification and dephosphorization biological fillers and its effect on treatment of rural domestic sewage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 230－236. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.09.030 http://www.tcsae.org