生物滴滤塔/景观滤床工艺高效处理农村污水

刘梦雪，曾非凡，文红平，林学明，杨小明，任宗玲，李永涛,2，张 振*

（1.华南农业大学资源环境学院，中英环境科学研究中心，广州 510642；2.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191）

随着我国农村经济的迅猛发展，农民的生活水平不断提高，然而大部分农村地区仍然没有较为完善的污水收集和处理系统，未经处理的生活污水直接排放至周边自然水体中，对农村环境造成了严重污染[1-2]。近两年来，农村环境治理已成为国家非常重视的一项工作，2018 年《国家乡村振兴战略规划》（2018—2022）明确提出了“以农村垃圾、污水治理和村容村貌提升为主攻方向，全面提升农村人居环境质量”的发展要求[3]。2019 年中央一号文件中更是将农村生活污水的处理列入改善农村人居环境的重要工作内容[4]。

在国家各项政策的积极扶持下，农村污水处理设施的建设节奏虽得到一定程度的加快，但同时已建成的处理设施又出现了运行率低、处理达标率低等诸多新的问题，而缺少真正适用于我国农村地区的污水处理技术是其主要原因之一。相对于城镇生活污水，农村生活污水具有水量小但排放分散等特点，同时由于技术管理水平和经济水平受限，农村污水处理不能过分依赖现场技术人员，且建设与运维成本不能过高[5]。A2O 工艺因其运行稳定、兼具脱氮除磷功能等优势长期以来广泛被城镇污水处理厂所采用[6]，然而该工艺存在能耗高、需要定期排泥等弊端[7-8]，因而限制了其在农村生活污水处理中的应用[9]。人工湿地工艺虽能够降低运行维护所需的人工和成本，但容易堵塞、占地面积大[10]，且处理效率往往不能达标[11]。MBR 工艺具有占地面积小，运行维护方便和污泥产量少等特点，近些年，在农业污水处理中逐渐得到重视，但是该工艺存在使用年限短（一般在3～5 a）且除磷效果不理想等问题[12]。日本久保田净化槽技术在MBR 工艺的基础上结合A2O 工艺及定期反冲洗等智能化控制，使得这种膜式净化槽处理技术不仅具备了MBR 的优点，同时除磷效果大大提高，且膜使用的寿命可以延长至8 a，干钢等[13]利用该技术处理安吉县山川乡续目村生活污水及餐饮废水，CODCr、和TP的平均去除率可以分别达到83.64%、97.94% 和94.13%，出水水质符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）规定的一级A标准。然而该工艺的处理量为 25 m3·d-1，占地 74.4 m2，总造价 59.8万元，其运行成本高达0.63 元·m-3，因而并不适合我国农村地区的经济现状，难以大规模推广应用。

近年来，生物滴滤工艺因其抗冲击负荷能力强、无需人工等优点，逐渐引起国内学者们的兴趣[14]。陈旸等[5]通过改变传统生物滴滤池中的滤料，研发了一种新型的蚯蚓生物滴滤池，将上层设置为蚯蚓分解处理层，蚯蚓可以提高土壤通气透水性能和促进有机物质的分解转化，该工艺对污水中CODCr、BOD5和SS 去除率分别可以达到80.5%、87.5%和93.2%。目前，生物滴滤工艺中常用的填料对污染物的吸附没有选择性且挂膜能力普遍较低，且单独使用生物滴滤工艺，出水水质无法稳定达到一级A 标准[16]。李星星等[17]采用以炉渣为填料的塔式生物滤池处理农村生活污水，进水方式采用连续进水，出水的CODCr、、TN、TP 达到一级A 标准。Li 等[18]采用装有生物炭芯片的两相生物滴滤池来处理高氮磷废水，也是通过改变滤池填料来降低污水中的氮磷。因此，本文的主要研究目的为筛选和优化功能性填料，并将生物滴滤工艺与其他工艺相结合，探索出一套适用于农村生活污水处理的新工艺技术。首先通过小试试验，合成并筛选出具有氮磷吸附能力的功能性生物填料；在中试尺度下改良型生物滴滤工艺，并根据小试筛选出的填料进一步进行筛选和效果验证；建立工程应用基地，将中试研究中改良结构的生物滴滤工艺和筛选出的填料组合成高效生物滴滤塔，后端与滤床工艺相结合，形成高效生物滴滤塔/景观滤床污水净化工艺（Efficient trickling filter/Landscape Biofilter-bed，ETF/LBb），评估该工艺在农村生活污水处理方面的应用前景。通过上述研究，预期获得最优的生物滴滤池组合工艺，为生物滴滤池的改良优化提供直接的实践依据，并为推进农村生活污水处理、补齐农村人居环境短板、加快建设美丽宜居乡村提供技术支持和理论基础。

1 材料与方法

1.1 填料选择

通过实验室小试尺度下的静态烧杯试验，以单一目标污染物配制的溶液作为原水，筛选、合成及优化功能性生物填料，筛选填料有火山岩、沸石、生物陶粒、轻质生物陶粒、建筑陶粒、椰壳活性炭、柱状活性炭、松树皮、石英砂、生物陶环、细菌屋、砂岩、泥岩和页岩，填料成本和填料是否可以本土化为主要筛选条件，初步筛选出生物陶粒、建筑陶粒、石英砂、砂岩、泥岩和页岩作为备选填料进行下一步吸附试验及生物挂膜试验。此外课题组自主研发了除磷填料和除氮填料，两种填料主要来源于工业及建筑废料，除磷填料由粉煤灰材料通过CO2气体活化、在控温条件下添加氧化镁和氯化钙改性而成。除氮填料则由钢渣、铁渣和浮岩以一定比例混合后，混合黏土及水并添加硫酸亚铁在500 ℃条件下烧制而成。

1.2 小试试验-吸附试验及生物挂膜试验

吸附试验中，需准确称取每种候选填料10 g，投加至50 mL 不同浓度的溶液中，将溶液转移至锥形瓶中，在室温23 ℃、转速150 r·min-1的条件下，放于恒温摇床中振荡24 h，静置15 min 后取上清液过滤，检测吸附后水样的等指标，并根据其残留浓度计算不同填料对每种污染物的吸附量。生物挂膜试验采用活性污泥挂膜，活性污泥采自东莞污水处理厂，将采集的活性污泥放入200 L的塑料箱中闷曝1 d，第2 d进30%配制的模拟生活污水，驯化2 d后进行填料挂膜，将填料和驯化后的活性污泥放入容器中进行连续曝气2～3 d，填料表面可见到黄褐色絮状物即为挂膜成功，吸附和挂膜试验每组各设置3组平行。

1.3 中试试验-生物滴滤塔试验

根据小试（吸附试验及生物挂膜试验）结果，筛选出除磷填料、除氮填料和泥岩开展中试尺度下的生物滴滤塔试验。如图1 所示，生物滴滤塔的主体呈塔式结构，由上至下为若干个由塑料筐组成的独立单元，这样既有利于好氧段和除磷段的通风，也方便在运行过程中取换填料，使得整个生物滴滤系统不易堵塞。生物滴滤塔的污水处理规模约为1 m3·d-1。塔式结构的顶端安装布水器，从调节池抽出的污水由管道送至布水器，再由布水器均匀喷洒到滴滤池顶部的好氧段。采用实验室配制的模拟生活污水，其中碳源采用葡萄糖，氮源采用氯化铵，磷源采用磷酸氢二钾，C∶N∶P=100∶5∶1，试验过程中收集并分析进出水中的CODCr、、TN和 TP。

1.4 工程应用试验-污水净化技术工程应用基地的试验设置

基于小试筛选出的填料以及中试下的改良型生物滴滤塔，结合生物滤床工艺形成一套新型的高效生物滴滤池/景观滤床污水净化工艺（ETF/LBb），并据此建立污水净化技术工程应用基地，原水采用3—6 月期间华南农业大学校园学生公寓的真实生活污水，气温在 22～26 ℃，原水水质的 CODCr为 60～150 mg·L-1、BOD5为为 48～50 mg·L-1、TN 为为 0.75～1.1 mg·L-1、TP 为 3.0～4.0 mg·L-1、SS为89.2～90 mg·L-1、pH值为6.5～7.5。

工程应用基地的实体及工艺示意图如图2 所示，ETF/LBb 系统污水处理规模为50 m3·d-1，占地面积约为52.8 m2，共分为3 级处理单元，其中一级处理单元为人工格栅和调节池，人工格栅作为物理拦截，对污水中的漂浮物、较大悬浮物进行初步的拦截处理，调节池用于调节原水的水质水量，调节时间为14.7 h；二级处理（生化处理）单元为改良型的高效生物滴滤塔，采用除磷填料、除氮填料和泥岩作为组合填料，填料总体积为12.34 m3，容积负荷为1.62 m3·m-3∙d-1，启动过程中采用活性污泥进行挂膜；三级处理（深度处理）单元为景观滤床，滤床创新采用环状的主体设计，显著缩小了占地面积，有效容积为24.9 m3，水力停留时间为29.9 h，滤床下层采用筛选出的除磷填料，上层以鸢尾、菖蒲和美人蕉组合作为滤床植物。工程应用基地运行情况基本稳定后开始对进水、生物滴滤池出水和滤床出水进行采样研究，采样频率为每日采样一次，测定参数主要包括和SS。

图1 改良型生物滴滤塔中试反应器Figure 1 Picture of the pilot-scale modified biofiter reactor

图2 高效生物滴滤塔/景观滤床工艺示意图Figure 2 The schematic diagram of ETF/LBb process

1.5 试验检测项目与方法

水质检测指标中CODCr采用重铬酸钾法测定、采用纳氏试剂分光光度法测定、采用紫外分光光度法测定、TN采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定、TP 采用钼锑抗分光光度法测定、pH 采用玻璃电极法测定，均依据《水和废水监测分析方法》[19]，此外，填料的表征分析采用能量色散X 射线光谱仪（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，EDS）和扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM）[20]。

2 结果与讨论

2.1 小试尺度下的吸附试验及生物挂膜试验结果

如图4 所示，除磷填料中含有大量的Al3+、Ca2+等阳离子，这些阳离子能够与污水中的发生反应，形成难溶解性的磷酸盐沉淀物[21]。此外除磷填料还具有较高的孔隙率，因此，除磷填料对具有显著的吸附效果；除氮填料中Al3+、Fe2+的含量高，Al3+和Fe2+被广泛应用在污水的脱氮除磷的处理上[22]，除氮填料在处理污水过程中发生了大量的化学置换反应。泥岩是一种碳酸盐矿物，其主要成分白云岩[CaMg（CO3）2]所占比例约为25.6%[23]，黏土矿物约占12.2%，吸附试验发现泥岩对具有一定的吸附能力，但对和的吸附不显著。泥岩所含黏土矿物的晶体结构有利于微生物附着，且从图4（c）可知，泥岩富含大量微生物所需的微量矿物元素[24]，因此泥岩的微生物挂膜能力显著优于其他备选填料。

图3 不同备选填料对、及的吸附量和生物挂膜能力Figure 3 The adsorption capacities and biofilm capacity of ，，andby different fillers

对比石英砂和火山岩等广泛使用的传统填料而言，课题组所研发的除磷填料及除氮填料不仅可以更加高效地吸附、及，而且具有较好的专性吸附能力（即除磷填料主要针对的吸附，而除氮填料主要针对和的吸附），因而可以结合不同地区污水中氮磷浓度特点有针对性地配比除磷及除氮填料以达到最佳的污水处理效果，再结合两种填料成本低、容易本地化等优势，因此具备了替代传统填料的可能性。此外，泥岩、砂岩和页岩也展示了其在不同方面优越性，这些岩石矿物在环境中大量存在，容易取得且加入到环境中不会产生二次污染等问题，因此在污水处理领域同样具有潜在的应用价值，有待于进一步的研究。

2.2 中试尺度下的生物滴滤塔试验结果

图5 为中试尺度下的生物滴滤塔运行结果，其中滤塔1#采用除磷填料，滤塔2#采用除氮填料，滤塔3#采用泥岩，3 种填料经驯化后的活性污泥进行挂膜后开始运行，3 种填料对CODCr和的去除效果均较好，出水CODCr和均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）规定的一级A标准。从本次中试滴滤试验结果来看，试验运行约一周后，3种填料表面均发现了浅白色黏膜，这说明3 种填料挂膜成功，3 种填料在同一条件下对CODCr的高效去除效果也证实了这种结果，采用活性污泥挂膜技术可以使填料表面有效形成一层富含异养硝化细菌的生物膜，这也意味着试验中微生物在对模拟生活污水的处理中起着重要作用，生物滴滤塔对污水的高效处理可能是因为硝化细菌等功能性微生物和填料本身在化学吸附下的共同作用[25-27]。传统生物滴滤池技术对TN和TP的去除效果往往不够理想，在和TN的去除方面，除磷填料和除氮填料的表现均优于泥岩填料，出乎意料的是，除磷填料对于和 TN 的去除效果更优，平均去除率分别为92.14%和79.6%，这可能是因为：（1）除磷填料当中的主要成分与除氮填料类似，因此对和TN 也具有较好的化学吸附能力；（2）除磷填料表面富集了更多的硝化及反硝化微生物，因而表现出更优的硝化及反硝化能力，这一方面有待于进一步的试验验证（对填料表面洗脱下来的微生物的硝化势及反硝化势的分析）；在TP 的去除方面，除磷填料的去除效果最高，为84.45%，这是因为除磷填料中的Al3+、Ca2+等阳离子对的去除能力。滤池1#～3#对TN 的去除效果优于一级A 排放标准，对TP 的去除效果优于一级B 排放标准。除氮及除磷填料条件下的生物滴滤塔对于氮磷的处理优势与前期小试尺度下实验室的烧杯吸附试验结果相吻合，泥岩对氮磷的去除效果可能源于其高效的生物挂膜能力。通过小试尺度下的筛选和中试尺度下的验证，工程应用试验中的ETF/LBb工艺确定仍然以除磷填料、除氮填料和泥岩作为主要生物填料。

图4 （a）除氮填料、（b）除磷填料及（c）泥岩的SEM和EDS图Figure 4 Scanning electron microscope image and energy dispersive spectrometer analysis graphs：（a）nitrogen-removal filler，（b）phosphorus-removal filler and（c）argillaceous limestone

2.3 工程应用尺度下的污水净化技术工程应用试验结果

基于小试尺度下的吸附及挂膜试验结果以及中试尺度下改良型生物滴滤试验结果，在工程应用尺度下将高效生物滴滤工艺和景观滤床工艺相结合形成新型ETF/LBb 污水净化工艺。其中生物滴滤单元整体为一个塔状结构，采用敞开+封闭+敞开式的分段结构设计，并将3 种填料进行组合，使其在功能方面相互补充：以泥岩为主要填料的好氧段主要针对有机污染物及在硝化作用下的去除，由上述2.2 中可知，泥岩填料具有显著的微生物挂膜能力；硝化作用产生的硝态氮通过缺氧段的反硝化作用得到进一步的去除，同时对于上一硝化处理阶段残留的有机污染物也可在缺氧段得到进一步的去除，缺氧段以除氮填料为主，采用封闭式结构设计；而污水中的磷可以在除磷段中除磷填料表面附着的聚磷菌（PAO）的微生物作用下以及除磷填料对磷的化学吸附作用下得到高效去除，此外除磷填料的粒径较小，在对磷进行吸附去除的同时还可以有效过滤掉污水中的固体悬浮物以及拦截从上层脱落的生物膜等。可以看出，通过好氧段和缺氧段的设置有利于形成一个“硝化-反硝化”的完整体系，这一体系可以有效提高污水中有机物和TN 的处理效率；缺氧段和除磷的设置有利于形成“释磷-聚磷”的完整体系，这一体系可以有效提高污水中TP 的去除效率；而好/缺氧段和除磷段的设置又形成了一个“生物/吸附-吸附/过滤”的处理体系。景观滤床的单元创新采用环状的主体结构设计，污水绕调节池及生物滴滤塔形成一个环状流动，同时内部采用复合流形式，通过从下部进水上部出水以及设置隔墙等形式，使得景观滤床的占地面积远小于传统湿地的占地面积，并且达到充分时长和更佳效果的污水净化处理；同时，环状的滤床系统分布在生物滴滤塔的四周，上层为鸢尾、菖蒲和美人蕉的组合滤床植物，下层设置除磷填料，通过填料层和耕植层进一步吸附氮磷以达到污水深度处理的目的。

图5 滤塔1#（除磷填料）、滤塔2#（除氮填料）、滤塔3#（泥岩）运行效果Figure 5 Filter tower 1#（phosphorus-removal filler），Filter tower 2#（Nitrogen-removal filler），Filter tower 3#（argillaceous limestone）operation effect

由图6 可以看出，生活污水经ETF/LBb 污水净化工艺处理后，CODCr的平均浓度值可降至20 mg·L-1以下，CODCr的平均去除率可达75%；出水BOD5的平均浓度值可降至5 mg·L-1以下，平均去除率约为84.3%，出水CODCr和BOD5均可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准，说明ETF/LBb 污水净化工艺可以有效去除生活污水中的有机污染物。由图6 可以看出，ETF/LBb 工艺对和TN 也具有高效的处理效果，ETF/LBb 工艺对和TN 的去除主要发生在高效生物滴滤塔阶段，去除率分别为83.3%和81.25%。通过中试阶段的试验可以得出，生物滴滤塔对于的去除可能主要依靠硝化细菌以及填料吸附的共同作用。生物滴滤塔单元和滤床单元对于TP 和SS 均具有较明显的去除效果，原水中TP的平均浓度约为3.5 mg·L-1，SS的平均浓度为 90 mg·L-1，经生物滴滤塔处理后，TP 和 SS 可以达到一级B标准，而经滤床深度处理后，出水TP和SS可以稳定达到一级A 标准，出水TP 浓度多在0.1～0.2 mg·L-1，SS 浓度在5 mg·L-1左右浮动，可以看出，生物滴滤塔下部的除磷段以及滤床单元下层的除磷填料对于磷的去除达到了预期效果，与小试吸附试验以及中试生物滴滤塔试验的结果相吻合，而且对水中的固体悬浮物具有显著的拦截能力。

图6 污水净化技术工程应用基地CODCr、BOD5、、TN、TP和SS历时变化曲线Figure 6 Demonstration base of wastewater treatment technology CODCr，BOD5，，TN，TP and SS duration curve

综合上述试验效果验证，ETF/LBb 工艺至少具有如下优势：（1）节省占地面积，传统人工湿地系统一般占地面积为污水处理规模的4 倍以上，ETF/LBb 工艺由于生物滴滤塔较高的容积负荷（1.62 m3·m-3∙d-1）以及环状设计的滤床水力条件，其占地面积比可以达到吨水处理所需面积小于1.1 m2；（2）污水处理效率高，传统处理工艺的出水水质一般只能达到二级，而该技术工艺的出水各项指标均可以稳定达到一级A标准；（3）节省人工且运行稳定，传统工艺如A2O 需要较多的运维人员，而ETF/LBb工艺因无需加药且无需经常排泥，整个系统中只涉及污水提升泵等若干简易设备，因此基本无需运维人员，同时由于上述原因，吨水的处理成本远低于大部分传统工艺，具体成本有待于进一步核算。结合上述农村生活污水的特点可以看出，ETF/LBb 工艺在农村污水处理领域具有显著的应用前景和推广价值。

3 结论

（2）中试尺度下，改良型生物滴滤塔的结构设计具有较好的通风性能且不易堵塞，除磷填料、除氮填料和泥岩条件下的3 组生物滴滤塔均可以有效处理污水中 CODCr、、TN 和 TP 等各项污染物。所筛选的具有吸附氮磷功能及微生物挂膜能力较强的填料，结合活性污泥挂膜技术可将微生物作用和物理化学吸附作用有效地结合，最终实现生活污水的高效处理。

（3）工程应用试验发现，新型ETF/LBb 工艺对于生活污水中 CODCr、BOD5、、TN、TP 及 SS 的去除率分别可以达到72.85%、71.33%、95%、76.3%、84.3%、91.6%、94.3%。经ETF/LBb 工艺处理后的生活污水可以稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 排放标准。相对于其他传统污水处理技术而言，ETF/LBb 工艺具有节省占地面积、污水处理效率高、节省人工和运行稳定等特点，适用于农村生活污水的处理，符合我国现阶段对农村生活污水治理的需求。