生物砂滤池在中水回用中的应用

闫伟伟 陈小红 顾睿等

摘要[目的]研究生物砂滤池在中水回用中的应用。[方法]以某生态居民小区污水处理系统的出水为水源，分析了不同条件下生物砂滤池对TSS、CODCr、BOD5、TN、NH4+N、TP去除效果及规律。[结果]该生物砂滤池对于各种污染物都有明显的去除效果，尤其是对TN和NH+4N有很高的去除率，处理后中水水质完全能够满足该生态小区杂用水和景观环境用水的需求。[结论]该研究为中水回用提供了理论依据。

关键词生物砂滤池；中水回用；氨氮；总氮

中图分类号S181；X703.1文献标识码

A文章编号0517-6611（2015）31-257-04

Application of Biological Sand Filter in Water Reuse

YAN Weiwei1， CHEN Xiaohong2， GU Rui3 et al

（1. Huangshi Environment Protection Institute， Huangshi， Hubei 435002； 2. Hubei Zhenhua Chemical Co.， Ltd.， Huangshi， Hubei 435001； 3. Appraisal Center for Environment & Engineering， Ministry of Environmental Protection， Beijing 100012）

Abstract[Objective] The study aims to discuss the application of biological sand filter in water reuse. [Method] The removal effects and rules of TSS， CODCr， BOD5， TN， NH4+N and TP by the biological sand filter were analyzed using the effluent from the sewage disposal system in an ecological residential area as source water. [Result] The removal efficiency of every pollutant by the biological sand filter is apparent， especially TN and NH+4N， and the treated water can be used as miscellaneous water and scenic environment water of the ecological residential area. [Conclusion] The research can provide theoretical foundation for water reuse.

Key wordsBiological sand filter； Water reuse； Ammonia nitrogen； Total nitrogen

近年來，由于节能减排的大力推进，国家和地方政府对于污染治理的管理也越来越严格，污染治理的范围从宏观控制到微观实施都在有计划的进行。生物砂滤池是近年来用于处理微污染水的一种技术，对于微污染水中污染物尤其是NH4+N具有很好的去除效果[1]。城市生活污水主要来源于小区，而且对于小区生活污水的处理主要分为集中式和分散式处理，分散式处理主要使用生态技术，包括地下渗滤、快速渗滤、慢速渗滤、地表漫流和人工湿地等处理技术[2]，近年来开发使用较多的生物砂滤池也是应用于分散式处理小区生活污水较多的一种技术[3-4]。某生态居民小区处于黄石市内重要湖泊边，由于地理位置偏僻，市政管网未能铺设到位，小区生活污水还未能进入市政污水处理系统。为落实节能减排和建设绿色环保文明小区，保护湖泊水质，以该生态小区现有污水处理站出水为源水，采取进一步处理措施回用作为小区杂用水和湖泊景观水尤为必要。笔者依托该生活小区，开展生物砂滤池对于中水深度处理的试验研究。

1材料与方法

1.1原水水质

该生态小区原来对于产生的生活污水采用预处理+活性污泥+沉淀工艺，其运行效果较差，出水水质不稳定，由于城市污水管网目前未覆盖该小区，尾水只能就近排入附近湖泊。而依据国家、湖北省及黄石市关于湖泊保护的规定，尾水必须执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中一级A标准，结合处理后尾水用于绿化、道路浇洒及湖泊景观用水要求，列出原水水质及污染物对应标准要求（表1）。

1.2试验工艺运行参数及流程该试验是对小区污水处理站二沉池出水进行深度处理，所以直接安装了一套生物砂滤池进行调试处理，其运行参数基本上由出水和装置设计而定。生物砂滤池高5 m，内径2.8 m，过滤面积为近8.0 m2，正常运行时流量为40 m3/h，滤速为2～10 m/h；滤料采用天然海砂，高度为3.6 m（滤料颗粒平均粒径为1 mm，填充率为2.5 kg/L）。通过管道导流进入中心喇叭均匀布水，并采用单独水反冲洗方式，反冲洗强度为125 L/（s·m2），反冲洗时间为5～7 min，反冲洗出水返回原污水处理站预处理沉淀。根据工艺需要选择性进行曝气，空气导入砂滤池底部通过微孔进行曝气，以提供微生物必须的氧气。另外，在生物砂滤池运行期间，根据其反应原理，定期投加甲醇。试验工艺流程见图1。

1.3样品采集与分析

2013年6～8月试验期间，水温为21～30 ℃。根据试验进程进行合理采取水样，针对性地测定水样中有机污染物浓度，以了解生物砂滤池对各种污染物的处理效果和最佳运行条件。研究表明，生物砂滤池对氮具有很好的去除效果[5-7]。为了解该生物砂滤池脱氮除磷效果，对主要污染物TN、NH4+N和TP进行了多次取样分析。该试验采样次数不固定，依据生物滤池运行时间不定期进行采样。总悬浮物（TSS）测定采用重量法；化学需氧量（CODCr）测定采用重铬酸钾法；五日生化需氧量（BOD5）测定采用重铬酸钾紫外光度法；总氮（TN）测定采用紫外分光光度法；氨氮（NH4+N）测定采用纳氏试剂分光光度法；总磷（TP）测定采用钼酸铵分光光度法。

43卷31期闫伟伟等生物砂滤池在中水回用中的应用

2结果与分析

2.1对TSS的去除效果

由于生物砂滤池进水为二沉池出水，本身TSS浓度不是很高。由图2可知，进水中TSS浓度小于30 mg/L时，其去除率很小，而TSS浓度大于30 mg/L时去除率明显升高，这主要与生物滤池中天然海砂的粒径和构造有关[8-9]，也说明该装置对于处理TSS浓度大于30 mg/L的二沉池出水是可行的。在试验期间，随着生物滤池运行时间加长和稳定后，对TSS的去除率也在提高，升至75%后变化不大，这主要是因为当投药量达到一定的数值时，微粒间的吸引力开始起作用，颗粒开始快速絮凝。由于此过程是从滤层表面到深部进行的，有利于发挥深层滤料的截污能力。从水力学方面来看，连续过滤时，砂滤料孔隙内水流呈层流状态，它产生的速度梯度会使微絮凝体不断旋转，当其脱离自己的流线时，与砂粒接触，就会产生足够的吸引力被滤料吸附，从而从水中分离出去[10]。

2.2对CODCr的去除效果

由图3可知，当进水CODCr浓度为50～90 mg/L时，出水CODCr浓度为20～58 mg/L，去除率为28.8%～66.7%，基本可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准，这主要是因为试验期间水温基本保持在微生物（异养菌）生长繁殖的最佳水温（20～30 ℃）[11]。但测试期间有2次出现出水CODCr浓度超过50 mg/L，这是因为进水CODCr浓度超过85 mg/L，微生物的生长都有一定的规律和周期，在处理过程中，进水水质发生变化后微生物有一个适应的过程，此时适应的微生物能够生存，不适应的则被淘汰，微生物数量减少，进而导致有机物从生物滤池中流失，所以生物砂滤池对CODCr的处理效果有所波动[12]。因此，要使生物滤池出水达到回用水的基本要求，应控制进水CODCr浓度不超过85 mg/L。

2.3对BOD5的去除效果

测试期间，二沉池出水中BOD5浓度为3～14 mg/L，经过生物滤池处理后BOD5浓度为1.9～4.5 mg/L（图4），完全达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准，满足回用标准。通过对生物滤池内部，经过1个月的运行后，滤池内部已经出现生物膜，在废水充氧情况下，低浓度的污染物BOD能很好地被生物细菌消化[13]。 在生物砂滤池中，有机物的降解速率主要取决于生物好氧反应的速率，而生物好氧反应的速率主要受基质浓度和生物膜内、外基质和氧的传质过程控制。原水中污染物浓度较低，曝气充足，水中溶解氧很高而生物膜厚度较薄，传质阻力小、速度快，因此污染物的生物降解速率很快[14]

2.4对TN的去除效果

TN是生物滤池重点去除的污染物，测试期间也重点监测了进出水中TN的浓度。从实际的运行效果来看（图5），进水浓度为6.3～27.6 mg/L时，出水浓度为0.8～5.3 mg/L，平均去除率为88.9%，且进水TN浓度越高去除率也越高，主要是因为海砂表面的硝化细菌随着进水TN浓度的提高而生长较快，单位体积内硝化细菌的密度增加，对TN的去除效果较好[7]。这是因为对水中氮的去除起作用的硝酸菌和亚硝酸菌统称为硝化细菌，它们为好氧自养菌，世代时间较长，增长速度缓慢，需要有一定的停留时间。在低浓度废水处理工程上，为了要达到硝化完全的目的，一般采用低负荷运行，增加曝气量和延长曝气时间，保证有足够的溶解氧存在[15]。同时发现，虽然进水TN浓度变化较大，但出水TN浓度变化很小。可见，生物滤池对TN污染物具有很好的抗冲击负荷性能。

2.5对NH4+N的去除效果

由图6可知，在砂滤装置启动运行前期（2013年6月），原水温度相对较低，NH4+N去除率出现较大波动，总体去除率低于75%；但后期运行稳定，水温升高后，NH4+N去除率基本维持在80%以上，最高可达90%。分析原因，砂滤装置开始运行不稳定，水温相对低，海砂表面生物膜中硝化菌代谢相对不稳定，生长慢[16]，因此抗NH4+N冲击负荷能力较差，这种情况到运行中后期就明显改善。生物砂滤池对氨氮的去除是在亚硝酸菌和硝酸菌的作用下，氨氮先被氧化成亚硝酸盐氮，接着氧化为硝酸盐氮。当水中的NH4+N浓度增加，硝化细菌产生的有机细胞物质可部分作为异养菌的基质，使得异养菌有了较多的电子供体，促进生长，使水中的有机物得以分解和氧化。当进水NH4+N浓度保持稳定时，水中可降解的有机物质被大部分降解，尽管部分异养菌仍然可利用硝化反应所形成的有机细胞物质作为其营养源，但大部分异养菌的氧化分解能力较弱，不得不利用自身菌体作为营养来源，此时水中有机物的去除基本稳定。因此，水中一定量氨氮的存在可以促进异养菌的生长和微量有机物的氧化分解，硝化反应所形成的细胞物质可作为异养菌的部分基质 [17]。

2.6对TP的去除效果

同氨氮的去除效果一样，废水中TP的去除在砂滤装置运行前期不稳定，后期稳定。虽然进水中TP浓度出现较大波动，但总体去除率维持在60%～70%，出水浓度总体维持在0.2 mg/L左右（图7）。可见，该套生物砂滤池对于TP的去除也是有效的。对于除磷的机理，传统的观点为：厌氧释磷好氧吸磷，同时要求NO2-、NO3-浓度极低。而最近的研究表明，在一定的浓度范围内NO2-对除磷无抑制作用，相反，它可以作为除O2之外的另一电子受体，实现聚磷菌的同时反硝化除磷[18]。可见，生物滤池能将反硝化脱氮和生物除磷过程结合在一起，節省碳源和曝气量，减少污泥产量，适用于低C/N或C/P比的污水。

2.7抗冲击负荷效果

在运行期间，单独采集了8月份中一整天运行数据进行分析，在12：00以前流量为30～35 m3/h，12：00之后流量为17～22 m3/h。很明显，进水中氮浓度出现了很大波动，为0.34～10.50 mg/L，但出水氮浓度保持在0.17～2.00 mg/L（图8），出水很稳定，说明该套装置对氮具有很好的抗负荷冲击能力，应用于小区污水处理站尾水处理具有很好的效果。

3结论

生物砂滤池适用于深度处理城市污水管网未能覆盖的生活小区污水处理站尾水，对于生活小区废水处理站出水中TSS、COD、BOD、TN、NH4+N、TP都有较好的去除效果，尤其是对TN、NH4+N保持很高的去除率。在装置运行稳定时，TN去除率可保持在85%以上，NH4+N去除率保持在80%以上，出水中各项污染物浓度都能达到GB 8918-2002中一级A标准限值，满足回用水的要求，对于保护城市湖泊水质起到较好作用。但在实际运行过程中，对于尾水处理的参数控制要求比较严格，对设备的运行控制要求较高。

参考文献

[1] 李俊生.活性砂过滤器在城镇污水厂节能减排中的应用[J].中国给水排水，2010，26（1）：57-59.

[2] 李晓东，孙铁珩，李海波，等.小区生活污水处理模式的研究进展[J].生态学杂志，2008，27（2）：269-272.

[3] 宁宇，李义连，陈华清.生物砂滤池处理生活污水的研究[J].环境污染与防治，2011，33（2）：60-64.

[4] 张长，曾光明，余健.生物活性滤池处理有机微污染源水的研究与发展[J].环境科学与技术，2003（4）：53-55.

[5] 何嘉莉，张晓娜，陈丽珠，等.砂滤池去除氨氮和有机物随季节性的变化规律[J].供水科技，2015， 9（2）：10-12.

[6] ASLAN S，CAKICI H. Biological denitrification of drinking water in a slow sand filter[J]. Journal of hazardous materials，2007，148：253-258.

[7] 李思敏，孟庆梅，姚宏伟，等.生物砂滤池去除亚硝酸盐氮的效果及影响因素分析[J].中国给水排水，2006， 22（3）：55-57.

[8] 李微，梁建勋，裴剑道，等.气体式连续砂滤池生物预处理试验研究[J].给水排水，2011，37（11）：42-45.

[9] 宿程远，张建昆，李思敏.生物砂滤去除微污染水源水浊度特性与机理研究[J].工业用水与废水，2008，39（2）：24-27.

[10] 陈志强，陈文兵，李绍锋，等.内循环连续式砂滤器微絮凝过滤机理研究[J].哈尔滨建筑大学学报，2001，34（2）：84-85.

[11] 宿程远.生物砂滤处理微污染原水生物特性及除浊机理研究[D].邯郸：河北工程大学，2007.

[12] RODRIGUEZCABALLERO A，RAMOND J B，WELZ P J，et al. Treatment of high ethanol concentration wastewater by biological sand filters： Enhanced COD removal and bacterial community dynamics[J]. Journal of environmental management，2012，109：54-60.

[13] 张长，曾光明，余健. 生物活性滤池处理有机微污染源水的研究与发展浅析[J].净水技术，2002，21（4）：9-12

[14] WELZ P J，LEFOESHILL M. Biodegradation of organics and accumulation of metabolites in experimental biological sand filters used for the treatment of synthetic winery wastewater： A mesocosm study[J]. Journal of water process engineering，2014，3：155-163.

[15] LEE C O，BOEHANSEN R，MUSOVIC S，et al. Effects of dynamic operating conditions on nitrification in biological rapid sand filters for drinking water treatment[J]. Water research，2014，64：226-236.

[16] 李思敏，張胜，孙广垠，等.生物砂滤池除氨氮效果及影响因素分析[J].中国给水排水，2006，22（1）：74-76.

[17] FENG Y，YU Y Z，QIU L P，et al. Impact of sorption functional media （SFM） from zeolite tailings on the removal of ammonia nitrogen in a biological aerated filter[J]. Journal of industrial and engineering chemistry，2014，40（3）：1-7.

[18] 李捷，熊必永，张树德，等.亚硝酸盐对聚磷菌吸磷效果的影响[J].环境科学，2006， 27（4）：701-703.