基于生物炭填料的蚯蚓生态滤池净化养殖污水的效果分析*

李宗宇 赵海涛 颜志俊 张明月 李天鹏 郑盛阳(.扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 57；.南京水利科学研究院，江苏 南京 009)

规模化养殖产生大量养殖污水，含有高浓度的COD、氮、磷和各类悬浮物，处理不及时会成为区域性地表水的主要污染源。养殖业已经成为生活源外的第二大污染来源，江苏省2011年畜禽养殖业的COD排放量为3.4×105t，氨氮排放量为3.4×104t[1]。养殖污水净化是养殖业可持续发展的重要科学问题，已成为关注热点[2-3]。去除氮、磷是养殖污水处理的核心。生态滤池是利用水生微生物和人工填料形成生物膜，模仿自然生态系统进行污水净化的一种水处理技术。现有生态滤池填料主要有木炭、陶粒、沸石等，但都存在着氮、磷去除率差，处理工序多，运行成本高等缺点[4-6]。作为一种新兴的污水处理工艺，蚯蚓生态滤池的出水水质能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)二级标准，同时污泥排放量也大幅减少，适用于中小城镇生活污水的处理与回用。

蚯蚓是低等土壤动物，能有效富集、去除环境中的氮、磷等营养物质，其在生态环境领域的作用受到越来越广泛的关注[7]。李军状等[8]研究发现，蚯蚓生态滤池可以有效净化农村生活污水，对COD、TN、氨氮和TP的去除率分别约为81%、66%、82%、89%。填料是蚯蚓生态滤池的重要组成部分，构成了蚯蚓活动的主体环境，是微生物生长的载体[9]。陶粒和石英砂等作为填料的蚯蚓生态滤池具有较好的净化污水作用[10-13]。本研究以蚯蚓生态滤池作为养殖污水处理装置，从碳源供应和持水性角度选择不同种类的材料作为填料，优化填料配方，为蚯蚓生态滤池净化养殖污水的推广提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用生物炭、秸秆、蛭石和海绵，并与土壤按照一定的体积比混合制成蚯蚓生态滤池填料。蛭石的颗粒直径为1～3 mm，由江苏省连云港市某企业生产；海绵尺寸为2 cm×2 cm×2 cm，由江苏省南京市某企业生产；秸秆为水稻秸秆，宽<2 mm、长<1 cm，取自江苏省扬州大学实验农牧场，TN为9.80 g/kg，TP为1.30 g/kg，TC为41.60%(质量分数，下同)；生物炭由水稻秸秆在400 ℃、厌氧条件下碳化2 h制成，过5 mm筛；土壤为黏壤土，过5 mm筛，土壤TN为0.96 g/kg，TP为1.24 g/kg，TC为0.24%，pH为6.68。

1.2 试验设计

蚯蚓生态滤池的结构见图1。蚯蚓生态滤池主体由0.6 m×0.4 m×0.6 m的试验箱构成，箱上部有布水器，箱底部有均匀排列的排水孔，便于处理后的养殖污水下渗收集。从上至下依次包含缓冲层、消解层和砾石层。缓冲层处于表层，由玻璃纤维构成，起到缓冲和二次布水的作用，厚3～5 cm；消解层为蚯蚓生态滤池的核心，处于中层，依据试验设计由不同种类填料构成，厚20 cm；砾石层处于底层，由直径3～5 cm的鹅卵石构成，起到承托和缓冲的作用，厚10～12 cm。

1—进水；2—布水；3—缓冲层；4—消解层；5—砾石层；6—出水图1 蚯蚓生态滤池示意图Fig.1 Schematic diagram of the earthworm ecological filter

试验设置5个处理组，分别记作F1～F5，各加入1.0 kg蚯蚓。F1：秸秆、蛭石和土壤按照2∶2∶1的体积比均匀混合后作为填料；F2：秸秆、海绵和土壤按照2∶2∶1的体积比均匀混合后作为填料；F3：生物炭、秸秆和土壤按照2∶2∶1的体积比均匀混合后作为填料；F4：生物炭、蛭石和土壤按照2∶2∶1的体积比均匀混合后作为填料；F5：生物炭、海绵和土壤按照2∶2∶1的体积比均匀混合后作为填料。此外，设置未处理的养殖污水为控制组，记作F0。

试验在扬州大学实验农牧场进行，养殖污水由奶牛养殖圈舍直接排入初沉池，沉淀24 h后，用水泵抽提上清液加入自动布水器。采用间隙式布水，每天8:00、16:00和24:00进行布水，每次布水负荷均为1.5 m3/m2。连续22 d每天14:00采集F0的进水水样和F1～F5的出水水样测定TN、氨氮、硝态氮、TP、磷酸盐、pH和电导率(EC)，COD为隔天测定。采用新复极差法检验各处理组的差异。

1.3 测定方法

TN采用过硫酸钾氧化/紫外分光光度法测定，氨氮采用靛酚蓝比色法测定，硝态氮采用紫外分光光度法测定，TP采用过硫酸钾氧化/钼蓝比色法测定，磷酸盐采用异丁醇萃取/钼蓝比色法测定，COD采用高锰酸钾法测定，pH采用HQ11d型pH计直接测定，EC采用DDS-310型电导仪直接测定[14]。

2 结果与分析

2.1 对氮素的去除效果

2.1.1 硝态氮

由图2和图3可以看出，进水硝态氮稳定在59.8～64.1 mg/L，F4对硝态氮的去除效果明显优于其他处理组，其出水平均硝态氮为17.6 mg/L，平均去除率为71.8%。F5对硝态氮的去除效果仅次于F4，其出水平均硝态氮为24.6 mg/L，平均去除率为60.5%。F5的填料不太适合蚯蚓生长，发生部分蚯蚓逃逸现象，使蚯蚓生态滤池处于相对厌氧状态，却一定程度上促进了反硝化作用，增强对硝态氮的去除效果。F1对硝态氮的去除效果最差，其出水平均硝态氮为39.3 mg/L，平均去除率为36.9%。由此可知，不同填料对硝态氮的去除效果存在较大影响。

图2 硝态氮随时间的变化Fig.2 Nitrate nitrogen concentrations varied with time

图3 硝态氮去除率的统计分析Fig.3 Statistical analysis of nitrate nitrogen removal efficiencies

2.1.2 氨 氮

由图4和图5可以看出，进水氨氮为253.5～278.9 mg/L，F3对氨氮的去除效果明显优于其他处理组，其出水平均氨氮为48.8 mg/L，平均去除率为81.7%。F1对氨氮的去除效果在1～12 d较好，但在12 d后的去除率低于20%；其出水平均氨氮为173.4 mg/L，平均去除率为35.2%，相比其他处理组，对氨氮的去除效果最差。F2、F4和F5的平均去除率均低于50%。可见，生物炭和秸秆混合作为填料与蚯蚓的协同作用最强，对氨氮的去除效果最好；F2和F5中均含有海绵，虽能增加污水的水力停留时间，但对氨氮的去除效果较差。

图4 氨氮随时间的变化Fig.4 Ammonia nitrogen concentrations varied with time

图5 氨氮去除率的统计分析Fig.5 Statistical analysis of ammonia nitrogen removal efficiencies

2.1.3 TN

由图6和图7可以看出，进水TN稳定在426.0～450.0 mg/L，F3对TN的去除效果最好，平均去除率为84.2%。F4对TN的去除效果优于F2与F5，但F4与F2、F5对TN的累积去除量无显著差异。

图6 TN随时间的变化Fig.6 TN concentrations varied with time

图7 TN去除率的统计分析Fig.7 Statistical analysis of TN removal efficiencies

2.2 对磷素的去除效果

由图8至图11可以看出，对磷酸盐和TP的去除效果由高到低均为F5、F4、F2、F1、F3。F5对磷酸盐和TP的平均去除率分别为79.4%、74.6%；F4对磷酸盐和TP的平均去除率分别为78.2%、72.3%；F3对磷酸盐和TP的平均去除率分别为49.1%、53.2%。可见，生物炭与海绵混合作为填料对磷素的去除效果最好，生物炭与蛭石混合作为填料对磷素的去除效果较好，而生物炭与秸秆混合作为填料对磷素的去除效果最差。

图8 磷酸盐随时间的变化Fig.8 Phosphate concentrations varied with time

图9 磷酸盐去除率的统计分析Fig.9 Statistical analysis of phosphate removal efficiencies

图10 TP随时间的变化Fig.10 TP concentrations varied with time

2.3 对COD的去除效果

由图12和图13可以看出，F4对COD的去除效果最好，平均去除率为80.0%。在2～8 d，F2对COD的去除率为60%～70%，在8 d后下降到35%左右。F3对COD的平均去除率为57.6%，在2～22 d对COD的去除效果均比较稳定。F5对COD的去除率在2～14 d均低于50%，在14 d后超过50%，并逐渐上升，在22 d达到76.0%，平均去除率为53.2%。F1对COD的去除效果最差，平均去除率为37.8%。

图11 TP去除率的统计分析Fig.11 Statistical analysis of TP removal efficiencies

图12 COD随时间的变化Fig.12 COD concentrations varied with time

图13 COD去除率的统计分析Fig.13 Statistical analysis of COD removal efficiencies

2.4 对EC和pH的影响

图14和图15可以看出，F2的出水EC低于其他处理组，且远低于进水，说明秸秆和海绵混合作为填料对带电物质的去除效果最好。其他处理组对带电物质的去除效果无显著差异。由图16和图17可以看出，5个处理组的出水pH均高于进水。F1的pH在9 d后迅速升高，F2的pH变化趋势与进水较相似，F3的pH在17～22 d波动较大，F4的pH总体呈上升趋势，F5的pH总体呈先上升后下降的趋势。

图14 EC随时间的变化Fig.14 EC varied with time

图15 EC的统计分析Fig.15 Statistical analysis of EC

图16 pH随时间的变化Fig.16 pH varied with time

3 讨 论

F4最有利于去除养殖污水中的硝态氮和COD，F3最有利于去除养殖污水中的氨氮和TN，F5最有利于去除养殖污水中的磷酸盐和TP。可见，添加生物炭作为填料比添加秸秆作为填料更有利于对氮素、磷素及COD的去除，这是由于生物炭表面含有大量的交换性电荷，并有较大的比表面积，比秸秆更有利于对养殖污水中污染物的吸附[15-18]。

图17 pH的统计分析Fig.17 Statistical analysis of pH

F4对硝态氮和COD的去除效果均最好，对磷素的去除效果也较好。这可能是因为生物炭具有很强的吸附性能，而蛭石是黑云母等天然矿物风化蚀变的产物，有较高的层电荷数，因而生物炭和蛭石混合作为填料具有较高的离子交换容量[19]。生物炭和秸秆混合作为填料较适宜蚯蚓生存，未发生蚯蚓逃逸现象，且填料对蚯蚓体壁损伤很小，因此F3对氨氮和TN的去除效果最好。海绵能延长水力停留时间，增加养殖污水中磷素向填料微孔表面扩散和向吸附点位靠近的机会[20]，且生物炭的比表面积大，对溶解物和悬浮物的去除效果均较好，因此F5对磷素的去除率最高。

4 结 论

蚯蚓生态滤池中，生物炭和蛭石等体积混合作为填料最有利于去除养殖污水中的硝态氮和COD；生物炭和秸秆等体积混合作为填料最有利于去除氨氮和TN；生物炭和海绵等体积混合作为填料最有利于去除磷酸盐和TP。因此，生物炭与蛭石、秸秆、海绵混合作为蚯蚓生态滤池填料可能有利于净化养殖污水。

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