潛流生物濾池對尾水氮磷協(xié)同去除的研究*

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,用水需求量不斷增加,水資源短缺現(xiàn)象日益嚴重。為了緩解水資源短缺和社會經(jīng)濟發(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、鐵類絮凝劑及有機高分子絮凝劑是常見的除磷藥劑[8]?；瘜W(xué)沉淀絮凝法除磷效果較好,廢水中磷的去除率可達到90%以上[9],但藥劑價格高達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[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。試驗期間進水COD為35～48 mg/L。潛流生物濾池運行第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碳和易脫落的有機顆粒物[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,對污水有機物進行了高效降解[15]。潛流生物濾池運行58 d時,C1、C2、C3出水COD分別為15.34、14.96、12.95 mg/L,均達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838—2002)中的Ⅲ類標準(≤20 mg/L),這與徐小強等[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,平均去除率可達到90.69%;C1在運行前期對TP的去除效果較差,這可能與稻草釋放一定有機磷有關(guān)[29];C3在運行前期對TP的去除效果較好,TP去除率可達到90%以上,運行后期對TP的去除率僅達到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準》(GB 18918—2002)的一級A標準(≤0.5 mg/L),可達GB 3838—2002中的Ⅳ類標準(≤0.3 mg/L)。

3 結(jié) 語

(3) 綜合而言,當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。