复合介质生物滤器处理农家乐污水

聂新军，孙燕萍，钟　亮，宋　颖，罗安程

(浙江大学环境与资源学院/ 污染环境修复与生态健康教育部重点实验室，浙江杭州　310058)



复合介质生物滤器处理农家乐污水

聂新军，孙燕萍，钟亮，宋颖，罗安程①

(浙江大学环境与资源学院/ 污染环境修复与生态健康教育部重点实验室，浙江杭州310058)

摘要：近年来，农家乐的迅速发展使区域污水排放量明显增加，对周边环境造成的污染也越来越大，已成为农村环境保护中亟待解决的问题之一。由于农家乐分布分散，污水量变化大，故难以用常规方法处理。构建了复合介质生物滤器，研究该反应器在农家乐污水处理中的效果。试验结果表明，该装置对COD平均去除率达90%以上， TN达80%以上，TP达70%以上；对氮、磷去除途径分析表明，氨氮的去除主要依赖于硝化/反硝化作用，沸石填料对氨氮的吸附效应强化了这一过程；磷的去除主要依赖于介质的固定。在填料中添加竹颗粒除了可以降低投资成本外，还可起到稳定COD并提高磷去除率的作用。复合介质生物滤器在污水处理过程中不需要动力且管理方便，是一种具有良好实用性的农家乐污水处理技术。

关键词：复合介质生物滤器；农家乐污水；去除率

农家乐的快速发展在带来良好经济收益的同时，也对周边环境产生了严重污染，在某些地区已成为水体环境恶化的主要原因[1]。目前，对于这类污水的处理技术有一定的研究，并取得了较好的研究成果，一些技术也实现了工程化，如生物强化絮凝/人工湿地、生物接触氧化及其他生态处理技术均有相关报道[2-6]。但是，传统生化法在运维管理上技术依赖性强，实践中难以大量推广，而人工湿地占地面积大，系统抗冲击性较差，运行中影响因素多，处理效果不稳定。笔者在调研农家乐污染及其特征的基础上，综合了土地处理、生物滤池等技术特点，创制了“复合介质生物滤器”。该装置在运行时顶部设有布水管，污水由布水管均匀布入填有多层专用填料的复合介质生物滤器中。填料由铁、微生物菌种、土壤、生物材质碎屑等按一定比例混合，并与沸石、碎石等按特定方式排列，形成好氧与厌氧微区。处理过程无需动力与药剂，管理方便。因此，这一方法可有效解决农家乐分布面广而分散、经济与技术条件相对落后、运维管理困难的问题。

1材料与方法

1.1试验场所与进水水质

试验在杭州市余杭区径山镇浙江大学野外试验站内进行。供试污水取自试验站附近一家农家乐(野鱼馆)污水排放口，分别在早、中、晚各取1次。采集污水运回试验站后立即用尼龙网布将粒径较大的厨余杂物滤除。由于该农家乐污水隔油装置效果不好，含有大量油脂，COD最高可达数万mg·L-1。因此，采集的污水在滤除杂质后静置2 h撇去浮油，模拟隔油池除油效果，然后经充分混均后用于试验。整个进水期间，进水温度为4～23 ℃，pH值为4.28～6.31，COD为1 389.83～4 801.22 mg·L-1，ρ(TN)为15.68～58.91 mg·L-1，ρ(NH3-N)为6.76～12.58 mg·L-1，ρ(TP)为2.60～6.21 mg·L-1。

1.2试验装置

采用复合介质生物滤器技术(专利号201210052361.1)，试验装置结构与尺寸如图1所示。装置壳体材料为玻璃钢，每个装置的尺寸为50 cm×30 cm×92 cm。装置底部设有厚10 cm、直径为3～5 cm的鹅卵石集水室，用于收集、排出滤器出水。集水室上设有多介质混合层和快速渗滤层。多介质混合层由土壤、砂、粉煤灰、铁粉、竹屑、竹炭和发酵有机物等组成，每层厚度为5 cm。快速渗滤层厚度为8 cm，由沸石和与沸石粒径(2～3 mm)相当的竹颗粒混合而成。竹颗粒采用竹拉丝厂2～3 mm直径的废丝为原料，切成相应尺寸的小段待用。制成填料后成本约50～60元·m3。沸石成本约为350～400元·m-3。污水由蠕动泵连续泵入装置顶部，并通过穿孔PVC管布入填料层。整个运行期间每天对穿孔PVC管进行检查，必要时进行清理，保证其布水均匀。

1.3试验设计

试验设计4个处理，即快滤层沸石与竹颗粒分别按体积比为10∶0(CMB-1)、9∶1(CMB-2)、7∶3(CMB-3)和1∶1(CMB-4)组成。4个装置的进水水力负荷均设定为400 L·m-2·d-1，每天24 h不间断连续进水和出水。试验始于2011年9月22日，装置运行的第91—96天，由于无法取到足够的污水来维持装置运行，装置运行停止，取水正常后装置仍照常运行至第114天。

图1　复合介质生物滤器装置

1.4分析方法

1.4.1水质测定

装置启动运行稳定后，每6天对4个处理分别采集进出水水样，采样量为500 mL。采样后当天测定pH值、COD、TN、NH3-N、NO3--N和TP浓度。其中pH值采用玻璃电极法、COD采用重铬酸钾消解法、TN浓度采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法、NH3-N浓度采用纳氏试剂法、NO3--N浓度采用酚二磺酸光度法、TP浓度采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法[7]测定。全氮含量采用半微量开氏法消煮-靛酚蓝比色法、全磷含量采用硫酸-高氯酸消解-钼锑抗分光光度法[8]测定。

1.4.2基质测定

运行结束后，将每个装置填料进行分层取样，分别采取各多介质混合层及快速渗滤层填料。填料分层采集充分混合组成一个样品。样品在阴凉通风处晾干，并研磨过筛，用于全氮和全磷含量等测定分析。

2结果与讨论

2.1COD的去除效果

复合介质生物滤器(CMB)对农家乐污水COD处理效果见图2。从图2可见，原水COD较高且波动幅度大，平均值为2 600 mg·L-1。4个处理出水COD平均值分别为200、205、196和185 mg·L-1，远低于进水浓度，COD去除率基本上保持在90%左右。可见，该装置对农家乐污水COD具有良好的去除效果。

运行期内CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4对COD的平均去除率分别为91.3%、91.4%、91.8%和92.3%，各处理间差异不大，说明竹颗粒替代部分沸石对污水COD去除效果整体来说没有明显影响。从整个运行时段变化来看，竹颗粒的添加能有效地稳定COD去除效率，特别是后期气温降低以后，添加竹颗粒处理效率明显稳定。

总体来说，复合介质生物滤器对COD的去除效果良好，在快速渗滤层中混掺一定比例的竹颗粒可以起到稳定去除COD的效果；其原因可能是竹颗粒的存在为微生物的附着生长提供了便利条件，在一定程度上促进了微生物的生长繁殖，加强了微生物的生物降解功能，从而提高了系统装置的处理效果及其稳定性。

图2　不同复合介质生物滤器系统对COD的去除效果

2.2N的去除效果

2.2.1NH3-N去除效果

图3为复合介质生物滤器系统对农家乐污水NH3-N处理的效果。与COD不同，农家乐污水中ρ(NH3-N)并不高，平均值为9.61 mg·L-1。在整个运行期间，CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4处理出水ρ(NH3-N)平均值分别为2.91、2.51、3.38和3.78 mg·L-1，平均去除率分别为64.0%、69.4%、60.2%和55.8%。装置能一直保持良好的运行状态，但第78天去除效率下降。第78天气温降到10 ℃以下，随后数周气温基本上都在5 ℃以下，生化反应已基本被抑制。由于反应器体积小并设置在室外地面，受气温影响极大，导致NH3-N处理效率下降。因此，在工程实践中，应尽可能将反应器设在地下以便起到恒定温度的作用，减少低温对NH3-N去除的影响。添加竹颗粒一定程度上降低了对NH3-N的去除效果，但当添加量不大时，去除效果没有明显影响。竹颗粒的添加对NH3-N去除的影响与沸石数量减少有关。沸石对NH3-N有较强的吸附作用，沸石所占比例越高，其对NH3-N的吸附量越大，去除效果越明显。

图3　不同复合介质生物滤器系统对NH3-N的去除效果

2.2.2TN去除效果

复合介质生物滤器对农家乐污水TN的去除效果见图4。当进水ρ(TN)平均值为30.7 mg·L-1时，CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4的出水ρ(TN)平均值分别为4.77、4.19、5.03和5.40 mg·L-1，平均去除率分别为84.0%、85.9%、83.5%和81.9%，表明复合介质生物滤器对TN具有良好的处理效果。在整个运行过程中，4个处理出水TN浓度变化趋势相似，且不同处理间差异不明显。图4还表明，TN的去除也会受到温度的影响，低温不利于TN去除。

2.3P的去除效果

图5表明，在复合介质生物滤器运行期间，进水ρ(TN)平均值为3.87 mg·L-1时，CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4的出水ρ(TP)平均值分别为0.94、0.77、0.62和0.53 mg·L-1，平均去除率分别为74%、79%、83%和86%。这说明复合介质生物滤器对农家乐污水中TP具有很好的处理效果。

图4　不同复合介质生物滤器系统对TN的去除效果

4个装置出水TP浓度从大到小依次为CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4。在装置经过短暂停运在重新启动后，出水TP浓度比停运前要低一些，但4个装置之间出水TP浓度的大小变化趋势保持不变。添加竹颗粒可有效地提高和稳定磷的去除效果，平均去除率最大可提高12%。

2.4N、P平衡分析

2.4.1N的分配平衡

由表1可知，CMB-1、CMB-2、CMB-3和CMB-4之间N的净去除量差异不大，在164～172 g之间。但不同去除途径之间差异较大。通过基质吸附去除的N分别占N输入总量的70.7%、69.5%、66.4%和49.9%。通过吸附去除的N比例明显与快速滤层中的沸石比例一致。然而，4个处理N的净去除数量相差无几，说明在N的净去除中沸石的吸附作用并非是决定因素，而是吸附与硝化/反硝化共同作用的结果。掺混竹颗粒虽然在一定程度上降低了NH3-N的吸持能力，但是竹颗粒有利于微生物的附着生长，通过硝化/反硝化去除的N也越多，使得通过微生物作用去除的N反而增加。从长期运行的角度来看，添加一定数量的竹颗粒物料，可以增加TN的净去除量。

根据以上结果可以推测N的去除途径。在污水初始进入滤层时，有机N被矿化转化成NH3-N并立即被沸石吸附且在好氧条件下发生硝化反应，转变成NO3--N[9]。硝化产生的NO3--N带负电荷，无法继续被沸石所吸附，而随水继续向下进入多介质混合层。混合层孔隙度要大大低于快速渗滤层，加上该层填料内的有机物降解形成了一定程度的厌氧环境，随水流进入的NO3--N可被微生物反硝化而去除。反应器内部填料的层状排布使其形成多个好氧-厌氧微区，N在随水流向下运动中，相当于经历了多个硝化-反硝化的反应过程[10]。因此，复合介质生物滤器本质上仍是一个生物脱N的过程。

图5　不同复合介质生物滤器系统对TP的去除效果

2.4.2P的分配平衡

相对于N来说，P的去除途径比较简单，是通过基质固定作用得到去除。从表2可知，快速渗滤层掺混有竹颗粒的装置，基质对P的固定作用也大。根据滤料的组分与排列方式，推测P的去除可能与化学固P与生物固P都有一定关系。随水进入的P首先与快速渗滤层中的沸石相接触，由于沸石含有Ca、Mg离子，部分P通过与这些离子的化学共沉淀作用固定于介质中[11-13]。混合层中的铁屑在相对厌氧的环境下，以Fe2+的形式流出，到达快速渗滤层，随即在快速渗滤层相对好氧环境中转化为Fe3+，形成氧化铁膜，对P产生强烈的吸附作用，实现对P的去除。水流在穿过快滤层与混合层过程中，重复上述过程，使更多的P被去除[11-14]。除此以外，混合层中还含有粉煤灰、竹炭等物质，也使部分P被固定于混合层之中。添加竹颗粒提高P固定的作用是否说明与生物活动有关则仍需要进一步研究。快速渗滤层中竹颗粒的添加在一定程度上有助于P的固定，可能是竹颗粒填料有利于增加微生物的数量，少部分P可能被固定在这些微生物体内。

表1不同复合介质生物滤器氮分配平衡

Table 1Analysis of pathways of N removal of the CMB systems relative to composition of the medium in the filter

去除途径CMB-1CMB-2CMB-3CMB-4质量/g比例1)/%质量/g比例1)/%质量/g比例1)/%质量/g比例1)/%N输入199100199100199100199100N输出30.915.627.113.632.616.435.017.6N净去除16884.417286.416683.616482.4基质吸附14170.713869.513266.499.449.9硝化/反硝化27.313.733.616.934.2817.264.632.5

1)各途径N质量占N输入总质量的比例。

表2不同CMB系统去除磷途径分析

Table 2Analysis of pathways of TP removal of the CMB systems relative to composition of the medium in the filter

去除途径CMB-1CMB-2CMB-3CMB-4质量/g比例1)/%质量/g比例1)/%质量/g比例1)/%质量/g比例1)/%P输入25.1100.025.1100.025.1100.025.1100.0P输出6.0724.24.9919.94.0216.13.4113.6基质固定19.075.820.180.121.184.021.786.4

1)各途径P质量占P输入总质量的比例。

3结论

复合介质生物滤器对农家乐污水具有较好的处理效果，对COD、TN和TP的平均去除率分别为92%、84%和81%。COD的去除主要是基质的吸附与微生物生物降解协同作用的结果；对N的去除主要是依靠基质的吸附与微生物的硝化/反硝化协同作用的结果；对P的去除则主要是靠装置内填充基质的吸附作用。复合介质生物滤器快速渗滤层中掺混竹颗粒可以在一定程度上提高污水处理效率的稳定性，降低工程投资成本。

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(责任编辑： 陈昕)

Effect of Composite-Medium Bio-filter Treating Wastewater “Farm Household Tourism”.

NIE Xin-jun, SUN Yan-ping, ZHONG Liang, SONG Ying, LUO An-cheng

(College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University/ Key Laboratory of Environment Remediation and Ecological Health, Ministry of Education, Hangzhou 310058, China)

Abstract:In recent years, “farm household tourism” has become a business that has been developing rapidly and concomitantly causing significant increase in wastewater discharge, thus polluting the surrounding environment more and more in extent and posing an urgent problem that calls for solution in rural environment protection in some regions. As the farmer households sponsoring “farm household tourism” are scattered spatially, and vary sharply in wastewater production, it is hard to address this problem effectively with the conventional methods available. The authors have designed and tested a series of “composite-medium bio-filter(CMB)” systems, different in composition of medium, in laboratory for a continuous period of 114 days to investigate technical feasibility and effects of the CNB systems treating this kind of wastewater. Results show that when the wastewater was 2 000-4 500, 15-60 and 6-12 mg·L-1, in concentration of COD, TN and TP, respectively, on average the CMB systems could remove COD by over 90%, TN by over 80% and TP by over 70%. Mass balance analysis indicates that their NH4+ removal depended mainly on nitrification/denitrification, which was enhanced by the filling of zeolite adsorbing NH4+, while TP removal did on adsorption by the media. The addition of bamboo granules into the medium of the filter could not only stabilize the removal rate of COD and enhance that of TP, but also reduce cost. The test indicates that the CMB, easy to manage and free from any need of energy,is a promising technique for treating the wastewater from farm household tourism.

Key words:compound media bio-filter system；farm household tourism；removal efficiency

收稿日期：2015-07-08

基金项目：浙江省科技计划(2012C23051);国家科技支撑计划(2012BAC17B04);农业科技成果转化资金(2013GB23600658)

中图分类号：X52

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)03-0507-05

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.03.026

作者简介：聂新军(1987—)，男，山东泰安人，硕士，主要研究方向为废水处理。E-mail: xinjun198854@163.com

① 通信作者E-mail： acluo@zju.edu.cn