基于竹纤维填料的一体化脱氮除磷生活污水处理装置研究

王睿 张亮 谭映宇 李亚 任旭锋 徐佳佳 梅荣武 王震

摘要 通過对比试验研究聚氨酯、竹纤维、火山岩、沸石、牡蛎壳5种填料在污水处理过程中的实际效果。以填料的优化配置为基础研发一种基于竹纤维的一体化脱氮除磷生活污水处理装置，并开展小试、中试研究。小试试验中，火山岩填料的出水COD平均浓度最低，为27.56 mg/L，平均去除率为91.64%;混合填料对NH4+-N的去除效果最好，出水平均浓度为4.80 mg/L，平均去除率为77.66%;沸石填料对TN的去除效果最好，出水平均浓度为9.53 mg/L，平均去除率为71.44%;混合填料对TP的去除效果最好，其出水平均浓度为1.88 mg/L，平均去除率达57.84%。中试试验中，出水COD、NH4+-N、TN、TP的平均浓度分别为50.73、11.03、13.10和1.59 mg/L，相应的平均去除率分别为86.51%、59.53%、61.57%和43.92%，出水满足《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》DB 33/973—2015一级标准。

关键词 竹纤维填料;混合填料;生活污水;脱氮除磷;牡蛎壳填料

中图分类号 X-799.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2021）11-0064-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.11.018

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on Integrated Nitrogen and Phosphorus Removal Domestic Sewage Treatment Device Based on Bamboo Fiber Filler

WANG Rui1，2， ZHANG Liang3， TAN Ying-yu1 et al

（1. Zhejiang Ecological Environment Scientific Design and Research Institute，Hangzhou，Zhejiang 310007;2. Zhejiang Environmental Research Institute Co.， Ltd.，Hangzhou，Zhejiang 310007;3. Zhejiang Ecological Environment Low Carbon Development Center，Hangzhou，Zhejiang 310007）

Abstract The actual effect of five kinds of fillers （polyurethane， bamboo fiber， volcanic rock， zeolite and oyster shell） in the process of wastewater treatment was studied through comparative experiments. Based on the optimal allocation of fillers， an integrated nitrogen and phosphorus removal domestic sewage treatment device based on bamboo fiber was developed， and the small-scale and pilot studies were carried out. In the small-scale test， the average concentration of COD in the effluent of volcanic rock packing was the lowest， which was 27.56 mg/L， with an average removal rate of 91.64%;the mixed packing had the best removal effect on NH4+-N， which was 4.80 mg/L， with an average removal rate of 77.66%;the zeolite packing had the best removal effect on TN， which was 9.53 mg/L， with an average removal rate of 71.44%;the mixed packing had the best removal effect on TP 1.88 mg/L， the average removal rate reached 57.84%. In the pilot test， the average concentrations of COD， NH4+-N， TN and TP in the effluent were 50.73， 11.03， 13.10 and 1.59 mg/L respectively， and the corresponding average removal rates were 86.51%， 59.53%， 61.57% and 43.92% respectively. The effluent met the first-level standard of DB 33/973-2015 in the Water Pollutant Discharge Standard for Rural Domestic Sewage Treatment Facilities.

Key words Bamboo fiber packing;Mixed packing;Domestic sewage;Nitrogen and phosphorus removal;Oyster shell packing

随着我国农村经济水平的快速发展，村民生活水平日益提高，其生活方式也发生改变，现代化厨卫设施使用覆盖率增加，伴随而来的生活污水排放量亦显著增加[1]。据统计，20世纪90年代我国的生活污水产生排放量超过同时期的工业废水排放量，成为主要的水污染源头，未经处理的生活污水随意排放，不仅造成周边地表水体的严重污染，还直接或间接危害人类生存环境及身体健康。常见的城镇污水处理厂由于其建设成本高、运维管理难等因素，再者由于农村生活污水具有分布散、水质水量波动大、随机性强等特点，使得市政污水处理工艺并不适用于广大农村地区的生活污水处理。因此，为了有效处理农村生活污水、改善农村人居环境、保障村民身体健康，研究开发适合我国农村地区实际情况的简易、高效低耗脱氮除磷污水处理技术是解决我国农村水环境污染和水资源短缺问题的有效途径[2]。

1 技术路线

该研究利用农村废弃物（如竹纤维填料、牡蛎壳等）制作新型填料，变“废”为“宝”，并通过对比试验来研究其在污水处理过程中的实际效果。以填料的优化配置为基础研发一种低成本、低能耗、不易堵塞、占地面积小、结构简单、运行维护管理方便的基于竹纤维的一体化脱氮除磷生活污水处理装置，并通过小试、中试，最终应用于实际工程上[3]。图1为研究技术路线图。

该研究一体化装置内填料为生物膜提供了巨大的附着比表面积，生长于生物膜上的微生物大量吸附污水中的有机物，具有较强的氧化能力。不溶性的有机物通过填料的过滤作用被截留形成污泥;可溶性有机物则通过生物膜的吸附及微生物代谢作用而被去除;氮、磷的去除主要靠填料的吸附和离子交换作用，如不更换填料无法从根本去除，将填料的吸附作用与生物膜的降解作用进行协同有机结合，可有效地解决这一问题[4]。被填料阻截的有机氮可通过氨化作用转化为NH4+-N，NH4+-N通过硝化作用转化为亚硝氮和硝氮，最后通过反硝化作用转化为氮气排出;聚磷菌类的微生物能够去除吸附在填料上的磷，其代谢过程中需要从外部环境中不断地摄取磷，并将磷以聚合的形态储藏在菌体内，通过定期排泥从而达到除磷效果[5]。

微生物的生长需要一定营养和合适的环境条件，影响填料挂膜的主要因素有温度、pH、溶解氧浓度、营养物质及水力停留时间等，这些因素决定了填料上生物膜的生长速度和活性[6]。在适宜的范围内提高温度可有效促进酶促反应速度，因而微生物的生长和代谢速率均相应提高。好氧微生物的适宜温度是10～35 ℃，通常水温低于10 ℃，对生物膜的生长就会产生不利的影响。挂膜期间进水水温为20～30 ℃，恰好适合生物膜的生长。大多数微生物的最适pH为6.5～8.5，小于4或大于10都会对微生物的生长产生不利影响。挂膜期间进水pH在6.5～8.0，出水pH在6.5～7.5，对微生物的生长最为适宜。溶解氧浓度与好氧微生物的生长量呈正相关，好氧环境中溶解氧浓度需维持在2 mg/L以上[7]。挂膜期间对一体化装置适量曝气保持出水溶解氧浓度在4.0 mg/L左右，使好氧微生物得以快速生长。而污水原水中的有机物恰好为微生物的生长提供了营养物质，好氧微生物生长所需的最佳碳氮磷比为BOD5∶N∶P=100∶5∶1。挂膜期间最佳进水COD浓度为450 mg/L左右，这与农村生活污水的水质特性相匹配。最佳水力停留时间的设定会使微生物在快速生长的同时不会过量地消耗污水中的碳源，保持最佳的碳氮磷比，提升挂膜效果，增强污水中污染物的去除率[8]。图2为生物膜净化模式。

2 小试试验研究

2.1 小试试验设计

采用6个相同尺寸的PVC容器，直径为14.50 cm，高为28.00 cm，填料层高度12.50 cm。处理水量为0.15 L/h，水力停留时间为24 h，5个装置分别装填竹纤维、火山岩、沸石、牡蛎壳和聚氨酯填料，另一个装置从上至下等高装填牡蛎壳、火山岩、沸石、聚氨酯和竹纤维填料[9]。污水自下而上流经填料。采取连续进水、连续出水的方式，采集水样分析其对COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果。

为控制试验条件，采用人工配制的污水进行对比试验，即向纯水中按比例投加葡萄糖、硫酸铵、磷酸二氢钾、硝酸钠等分析纯试剂配制成低浓度生活污水，试验进水水质指标浓度分别如下：COD为170.90～425.00 mg/L，NH4+-N为6.10～35.60 mg/L，TN为10.63～43.60 mg/L，TP为2.80～5.90 mg/L。

试验流程见图3，试验现场图见图4。

该研究所选用的装置填料情况特性如下所述：

（1）聚氨酯。它是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物加聚而成。网状聚氨酯泡沫塑料的孔隙率通常在97%以上，有较好的亲水性和较大的比表面积，其内部复杂的网状结构可以为微生物提供易于附着生长的良好空间，是一种较为理想的生化污水处理材料[10]。

（2）竹纤维。系天然成分，具有亲水性、无毒副作用，含有很多的微量元素，为微生物的繁殖生长提供了良好的物质条件，在一定程度上还能解决碳源不足的问题，使反硝化细菌能够顺利地进行反硝化作用;竹纤维填料表面粗糙，具有很大的比表面积，为微生物的生长提供了良好的栖息场所;挂膜后的竹纤维填料密度大于水，不会在水中呈悬浮状态，避免了填料之间相互碰撞而导致生物膜脱落。

（3）火山岩。主要成分为Si、Al、Ca、Na、Mg、Ti、Mn、Fe、Ni和Co等几十种矿物质和微量元素，其表面不规则，为红黑褐色，多空隙，机械强度大，质轻且化学性质稳定。由于其表面粗糙多空隙，使得微生物较易在其表面生長、繁殖，从而生成生物膜。

（4）沸石。沸石是一族多孔铝酸盐晶体的总称，外观呈灰白色，其表面具有很强的色散力，内部有很大的蜂窝状孔隙，体积占晶体总体积的50%以上。沸石也具有较强的静电力，即体现为较强的吸附性。同时还具有离子交换能力，污水中的NH4+与沸石晶格中的K+、Na+、Ca2+等离子发生相互交换。沸石中的Ca2+、Fe2+、Mg2+、Al3+等离子与污水中的PO43-发生化学反应生成沉淀。

（5）牡蛎壳。主要成分为CaCO3，其含量为80%～95%，另外含有微量的Ca（HCO3）2、CaSO4·2H2O、Fe2O3、Al、Mg、K、Cu和Si等微量元素，是一种无机盐资源。牡蛎壳的物理构造由角质层、棱柱层、珍珠层组成，主要部分为棱柱层，叶片状结构，含大量互相联通的2～10 μm微孔，具有较强的吸附能力[11]。

2.2 小试结果与分析

2.2.1 聚氨酯填料处理效果。

从装填聚氨酯填料的一体化装置对COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（图5）可以看出，其出水COD平均浓度为38.76 mg/L，平均去除率为87.90%;NH4+-N平均出水浓度为15.60 mg/L，平均去除率为41.40%;TN平均出水浓度为21.04 mg/L，平均去除率为40.28%;TP平均出水浓度为3.72 mg/L，平均去除率为20.49%。

2.2.2 竹纤维填料处理效果。

从装填竹纤维填料的一体化装置对COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（图6）可以看出，其出水COD平均浓度为90.34 mg/L，平均去除率为73.11%;NH4+-N平均出水浓度为10.71 mg/L，平均去除率为59.16%;TN平均出水浓度为13.57 mg/L，平均去除率为60.82%;TP平均出水浓度为3.61 mg/L，平均去除率为23.77%。

2.2.3 火山岩填料处理效果。

从装填火山岩填料的一体化装置对COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（图7）可以看出，其出水COD平均濃度为27.56 mg/L，平均去除率为91.64%;NH4+-N平均出水浓度为12.81 mg/L，平均去除率为52.91%;TN平均出水浓度为16.45 mg/L，平均去除率为53.36%;TP平均出水浓度为3.30 mg/L，平均去除率为29.60%。

2.2.4 沸石填料处理效果。

从装填沸石填料的一体化装置对COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（图8）可以看出，其出水COD平均浓度为33.77 mg/L，平均去除率为89.80%;NH4+-N平均出水浓度为6.03 mg/L，平均去除率为71.20%;TN平均出水浓度为9.53 mg/L，平均去除率为71.44%;TP平均出水浓度为3.33 mg/L，平均去除率为28.45%。

2.2.5 牡蛎壳填料处理效果。

从装填牡蛎壳填料的一体化装置对COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（图9）可以看出，其出水COD平均浓度为30.47 mg/L，平均去除率为90.92%;NH4+-N平均出水浓度为6.56 mg/L，平均去除率为69.99%;TN平均出水浓度为15.52 mg/L，平均去除率为55.65%;TP平均出水浓度为2.86 mg/L，平均去除率为37.41%。

2.2.6 5种混合填料处理效果。

从装填5种混合填料的一体化装置对COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果（图10）可以看出，其出水COD平均浓度为33.08 mg/L，平均去除率为90.13%;NH4+-N平均出水浓度为4.80 mg/L，平均去除率为77.66%;TN平均出水浓度为10.08 mg/L，平均去除率为70.78%;TP出水平均浓度为1.88 mg/L，平均去除率为57.84%。

2.2.7 不同种类填料组合处理效果对比。

从装填不同种类填料的一体化装置对污水的净化效果（表1）可以看出，在相同进水条件下，装填火山岩填料的一体化装置出水COD平均浓度最低，为27.56 mg/L，相应的平均去除率为91.64%，装填牡蛎壳出水COD平均浓度次之，为30.47 mg/L，相应的平均去除率为90.92%，装填竹纤维填料的出水COD平均浓度最高，为90.34 mg/L，相应的去除率较低，为73.11%，这是由于试验周期较短，在试验初期竹纤维填料有缓释有机物的功能，从图10可以看出，在试验后期出水COD浓度大幅度降低;装填5种混合填料的装置对NH4+-N的去除效果最好，出水平均浓度为4.80  mg/L，其相应的去除率为77.66%，这是因为各种填料的混合作用更利于微生物的生长;沸石装置对TN的去除效果最好，出水平均浓度为9.53 mg/L，混合填料装置仅次之，其相应的出水平均浓度10.08 mg/L，去除率为70.78%;混合填料装置对TP的去除效果最好，其出水平均浓度为1.88 mg/L，相应的去除率达57.84%，表明多种填料的共同作用更利于废水中TP的去除[12]。

3 中试试验研究

3.1 中试试验设计

该研究构造了基于竹纤维的一体化脱氮除磷生活污水处理装置，开展中试试验，装置储存水量为1 t，从上至下依次分层等量装填牡蛎壳、火山岩、沸石、聚氨酯和竹纤维[3]。由小试试验结果得知，装填5种混合填料的装置综合来看对COD、NH4+-N、TN和TP的去除效果最好，因此对其放大进行中试试验。一个玻璃钢容器，直径为1.0 m，高为1.5 m，填料层总高1.0 m，从上至下分成5等份，依次装入牡蛎壳、火山岩、沸石、聚氨酯和竹纤维。污水自下而上流经填料，容器底部设置曝气装置，试验现场见图11。处理水量为42 L/h，水力停留时间为24 h[2]。

试验期间平均气温在30 ℃左右，平均水温在25～30 ℃，此时的温度属于适宜温度，较适于挂膜试验的进行。当水温较高且进水水质中可生物降解成分较高时，可采用自然挂膜。即以小流量进水，使微生物逐渐接种在填料上附着生长，逐渐减少停留时间，直至达到要求。当水温较低或水中可生物降解成分较少时，应采用接种挂膜，以强化挂膜效果减少挂膜时间。此次试验采用活性污泥接种法对填料进行挂膜[13]。

从污水处理厂取回20 L回流污泥，该污泥呈褐色，将其倒入一个大塑料圆桶中，对其进行曝气24 h，净沉1 h，去除上清液后还剩10 L活性污泥。再配BOD5∶N∶P=100∶5∶1的营养液10 L与活性污泥混合曝气，每天重复换水1次。4 d后镜检发现有大量的钟虫、草履虫等微生物，投加到中试一体化装置中，闷曝气2 d后以小流量进水试验。

3.2 中试结果与分析

3.2.1 COD去除率。

从中试试验对COD的去除效果（图12）可以看出，进水COD浓度波动性较大，在第35天和第55天时分别达到最低值（308 mg/L）和最高值（449 mg/L），最初几天，COD的去除效率相对较低，在75%左右，这是因为初期系统中的接种污泥还不适应污水的水质，此时系统对有机物的去除主要借助于填料层的机械截留和物理吸附作用。随着运行时间的延长，COD去除效率逐渐提升。出水COD均值为50.73 mg/L，受污染负荷浓度变化影响小，去除率均值为86.51%。

3.2.2 NH4+-N去除率。

从中试试验对NH4+-N的去除效果（图13）可以看出，运行初期由于污泥还不适应污水的水质，因此NH4+-N的去除率较低，此时系统对NH4+-N的去除主要靠填料对NH4+-N的吸附和离子的交换作用。随着运行时间的延长，NH4+-N去除效率逐渐提升且趋于稳定，虽然系统进水NH4+-N浓度在一定范圍内大幅度波动（10.63～39.81 mg/L），但出水均保持了较低的浓度，其出水浓度均值为11.03 mg/L，相应的去除率为59.53%。

3.2.3 TN去除率。

从中试试验对TN的去除效果（图14）可以看出，经过一体化装置出水TN平均浓度为13.10 mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，其相应的去除率为61.57%。TN的浓度和去除率的变化趋势与NH4+-N的基本上相一致，进一步证明了中试试验的可靠性。

3.2.4 TP去除率。

从中试试验对TP的去除效果（图15）可以看出，进水TP浓度波动性较大且无明显规律，经过一体化装置出水TP平均浓度为1.59 mg/L，满足《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 33/973—2015）一级标准，其相应的去除率为43.92%。

4 小结

（1）小试试验中在相同进水条件下，装填火山岩填料的一体化装置出水COD平均浓度最低，为27.56 mg/L，相应的平均去除率为91.64%。装填5种混合填料的装置对NH4+-N的去除效果最好，出水平均浓度为4.80 mg/L，其相应的平均去除率为77.66%;装填沸石填料的装置对TN的去除效果最好，出水均值浓度为9.53 mg/L，装填混合填料的装置仅次之，其相应的出水均值浓度10.08 mg/L，平均去除率为70.78%;装填混合填料的装置对TP的去除效果最好，其出水均值浓度为1.88 mg/L，相应的平均去除率达57.84%。

（2）中试试验中出水COD、NH4+-N、TN、TP的均值分别为50.73、11.03、13.10和1.59 mg/L，相应的平均去除率分别为86.51%、59.53%、61.57%和43.92%，可大幅度消减污染物浓度，出水满足《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》DB 33/973—2015一级标准。

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