复合填料曝气生物滤池净化校园化粪池出水中的营养盐

张雁秋，曹文平，汪银梅，孙　玲，蒋金龙，陈　静

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州　221116；2.徐州工程学院，江苏 徐州　221018；

3.淮阴工学院 江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏 淮安　223003)



复合填料曝气生物滤池净化校园化粪池出水中的营养盐

张雁秋1，曹文平2，汪银梅2，孙玲2，蒋金龙3，陈静3

(1.中国矿业大学 环境与测绘学院，江苏 徐州221116；2.徐州工程学院，江苏 徐州221018；

3.淮阴工学院 江苏省凹土资源利用重点实验室，江苏 淮安223003)

摘要：以校园化粪池出水为处理对象，对比研究了2组不同填料的平行曝气生物滤池(BAF)的净化效果和特性.试验结果表明：两组平行的BAF均能有效去除水体中的营养盐(N，P)；竹丝和凹土陶粒复合填料BAF氨氮、总氮、总磷平均去除率达到89.5%、90.5%、93.7%，而竹丝基质填料BAF平均去除率为78.7%、81.8%、84.4%.可能存在的原因是：1)复合填料具有更加复杂的表面孔隙系统造就更为复杂的微生物体系；2)竹丝填料使用过程中降解减少，微生物量在一定程度上比复合填料减少.

关键词：曝气生物滤池(BAF)；凹土陶粒；竹丝填料；化粪池出水；营养盐

曝气生物滤池(biological aerated filter, BAF)是上个世纪90年代后开始在国内被广泛使用的水质净化技术，属于生物膜范畴，被应用于污水生物处理和微污染水源水预处理[1].其基本原理是水质净化过程中污染物与BAF中填料上的微生物膜发生吸附、过滤、矿化、转化和氧化等复杂的生物化学过程，使污染物从水体中分离出来而达到水质净化的目的[2-3].

传统的BAF系统通常填充单一的陶粒填料作为滤料，可能是因为陶粒表面结构粗糙度不够(反冲洗磨损)而导致水质净化效果不佳，也可能因为陶粒表面结构较为单一，生物的附着量、丰富度等有限，特别是随着除磷脱氮排放标准的不断严格化，BAF因为水体中缺乏可用碳源使除磷脱氮效果欠佳.孙灿灿等[4]已经证实采用单一填料BAF系统处理生活污水的效果较差，尤其总氮的去除效果较差.选择一种既能克服单一滤料的缺点，又能改善水体脱氮碳源不足的方法是值得探讨的问题.利用天然纤维素物质(竹丝填料)作为固体碳源强化水体的生物脱氮已经有了较多研究，而且固体碳源具有良好的“按需供给”的特点，可解决液体碳源二次污染、费用较高、安全性不足等问题[5-6].徐州周边具有大量的凹土资源可以资源化利用，用它做成填料(新型的凹土陶粒)，减小了以黏土、页岩等做填料所造成的环境破坏.

1材料与方法

1.1实验水样

1.2反应器和填料

竹丝填料：由毛竹自行加工裁剪而成，为20 mm×4 mm×1 mm的长方体，表观密度为1060 kg/m3，比表面积为3.9 m2/g，孔隙率为70%，其预处理方法参考文献[6].

凹土陶粒：由凹土(购于南京森贝伽生物科技有限公司)、面粉和铁屑混合焙烧而成，填料粒径为4～6 mm，表观密度为1900 kg/m3，比表面积为4.8 m2/g，孔隙率约为50%，竹丝填料与凹土陶粒体积比为1∶2，混合孔隙率为60%.

BAF：高度25 cm，内径20 cm，有效容积6 L，2个平行的BAF分别填充单一的竹丝填料、复合的竹丝填料和凹土陶粒.每个BAF中放置两株等高、生长状况大约相同的美人蕉，株高约为15 cm，叶子呈翠绿色.BAF由底部进水，并由穿孔管布水器均匀布水，顶部出水，并以出水口作为取样口，利用风机(型号ACO-003，南京森贝伽生物科技有限公司)由底部充氧曝气，同样由穿孔管布气器均匀布气.

试验的调试时间为2015年4月10日—5月7日，采用强化自然连续流挂膜法，在化粪池出水中加入100 mg/L工业葡萄糖，改善调试过程中的有机物供应，试图实现“葡萄糖”效应，缩短调试时间，直到竹丝填料和凹土陶粒上出现大量的群居钟虫和少量的轮虫，并稳定7 d左右，调试阶段结束.进入试验过程，取消工业葡萄糖加入，采用化粪池出水作为进水，整套设备连续运行，污水在池内平均停留时间为3～4 h，溶解氧保持在3 mg/L左右.

1.3实验及分析方法

1)凹土陶粒、竹丝填料的制作.凹土陶粒的制作是采用凹土、面粉和铁屑，质量配比为70%、15%、15%，之后加入总混合物质量70%的蒸馏水混合.具体实施方式如下：取定量凹土过100目的样筛，加一定量的面粉和铁屑(过18目)与水混合，晾干后在105 ℃的鼓风箱中干燥1 h，取出后放入马弗炉里焙烧.其中预热温度为600 ℃，预热时间为20 min，焙烧温度1000 ℃，焙烧时间2 h.经多次试验，效果良好.竹丝填料的制作可参考文献[6].

2)将美人蕉分别种植于两种BAF中，观察美人蕉的生长情况(用卷尺测量).

2结果与讨论

图1　两种BAF的NH+4-N去除效果对比图

2.2TN的去除效果和比较

图2是竹丝填料和凹土陶粒与竹丝复合填料BAF净化水体中TN的效果图.

由图2看出，TN进水浓度为18.20～49.50 mg/L，竹丝填料BAF出水浓度降为2.25～28.40 mg/L，平均去除率为81.8%；凹土陶粒与竹丝复合填料BAF出水浓度降为1.02～12.60 mg/L，平均去除率为90.5%.复合填料BAF对TN平均去除率比竹丝填料BAF高出2.3倍.这可能是因为两个BAF均可以为生物脱氮提供碳源，保证生物反硝化和脱氮效果，然而，凹土陶粒孔隙结构比竹丝填料表面孔隙结构要复杂得多，而且生物吸附界面也相对稳定；竹丝填料是可生物降解的填料，随着试验进行，它会因生物降解而减少，使生物的附着面减少，从而影响生物降解速率和效果[8-9].

2.3TP的去除效果和比较

图3为竹丝填料和凹土陶粒与竹丝复合填料BAF净化水体中TP的效果图.

图3　两种BAF的TP去除效果对比图

由图3可知，凹土陶粒与竹丝复合填料BAF比竹丝填料BAF的处理效果更好.TP进水浓度为0.71～3.48 mg/L，经过竹丝填料BAF作用后，出水浓度降为0.05～1.99 mg/L，平均去除率为84.4%;而经过凹土陶粒与竹丝复合填料BAF作用后，出水浓度降为0.01～0.84 mg/L，平均去除率为93.7%.复合填料BAF的净化效果高出2.4倍.

植物根系的截留与BAF填料的过滤沉淀作用是磷素污染物的主要去除途径，由于复合填料BAF中引进了凹土陶粒与竹丝填料，一方面增加了滤池填料的吸附性能和微生物附着场所，使得聚磷菌的种群数量及活性进一步提高，从而增加了生物作用对除磷的贡献率;另一方面也在滤池内部形成了多级厌氧-好氧交替区，这正是生物除磷必不可少的环境条件，再协同植物根系的吸收作用，复合填料的除磷效果因此更加明显.

3结语

2)复合填料BAF去除营养盐表现出良好的效果，明显优于单一填料.说明复合填料的试验研究可以为BAF工艺研究和开发新工艺提供有益参考.

3)在复合填料BAF系统中，植物、竹丝和凹土陶粒形成耦合作用，达到生物脱氮的强化过程.植物以竹丝和凹土陶粒为基质强劲生长和为BAF造景，并在基质中形成缺氧、厌氧和好氧微环境；竹丝为生物反硝化提供碳源及植物生长需要的微量元素，植物和碳源为竹丝上的微生物提供氧气和同化作用的物质来源；竹丝释放的碳源和污水中的内源碳为凹土陶粒表面的生物反硝化提供物质供给.

参考文献：

[1] 马军,邱立平.曝气生物滤池及其研究进展[J].环境工程,2002,20(3):7-11.

[2] 冯亚兵,季叶飞.曝气生物滤池在城镇污水处理厂中的应用[J].环境科技,2013,26(2):46-49.

[3] 曹文平,张永明,钱鲁泓.两段曝气生物滤池废水处理的研究[J].水处理技术,2006,26(3):62-65.

[4] 孙灿灿.瓷粒和陶粒填料曝气生物滤池运行特性的研究[D].苏州:苏州科技学院,2008.

[5] Yu H J,Cao W P.Comparative study on bio-remediation of eutrophic river water, using two biofilm processes[J].RSCAdvances,2014,48:1122-1128.

[6] Cao W P,Zhang Y Q.Removal of nitrogen (N) from hypereutrophic waters by ecological foating beds (EFBs) with various substrates[J].Ecological Engineering,2014,62:148-152.

[7] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].北京:中国环境科学出版社,2002.

[8] Cao W P,Zhang H H,Wang Y M,et al.Bioremediation of polluted surface water by using biofilm on a filamentous bamboo[J].Ecological Engineering,2012,42:146-149.

[9] 付江盛,成岳,唐燕超,等.粉煤灰多孔陶粒在水处理中的应用研究[J].环境科学与技术,2008,31(11):112-115.

(编辑武峰)

Removing Nutrients from Septic Tank Effluent by Using a

Biological Aerator Filter with Hybrid Carriers

ZHANG Yanqiu1, CAO Wenping2, WANG Yinmei2, SUN Ling2,JIANG Jinlong3, CHEN Jing3

(1.School of Environment Science and Spatial Informatics,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China;

2.School of Environmental Engineering, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018,China; 3. Jiangsu Provincial Key

Laboratory of Palygorskite Science and Applied Technology, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an 223003, China)

Abstract:A comparative study has done on the purification efficacy and characteristics of two parallel biological aerator filters (BAFs) from campus septic tank effluent.The experimental results indicated that both of the two parallel biological aerated filter (BAF)N, TN and TP removal rate of one biological aerator filter (BAF) with two hybrid carriers reached 89.5%、90.5%、93.7%,while the corresponding removal rate was only 78.7%、81.8%、84.4% by using one biological aerator filter (BAF) with one carrier.The mechanisms involved that:1)the more complex biological system was created by a complex surface pore structure on hybrid carriers;2) filamentous bamboo could be decomposed during the experiment and some microorganisms were reduced to a certain degree.

Key words:biological aerated filter(BAF), palygorskite ceramistite, filamentous bamboo; septic tank effluent; nutriuents (N and P)

中图分类号：X703.1

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2015)04-0024-04

作者简介：张雁秋(1956-)，男，江苏泗阳人，教授，博士，博士生导师，主要从事污水除磷脱氮研究.

基金项目：国家自然科学基金重点项目(50978146)；住房与城乡建设部科技计划项目(2012-k7-14)；江苏省青蓝工程优秀青年骨干教师项目；江苏省凹土资源利用重点实验室开放研究基金项目(HPK201403)

收稿日期：2015-08-27