潜流生物滤池对尾水氮磷协同去除的研究*

吕双铜 连神海 张树楠 陈 哲 肖润林,3 刘 锋 吴金水

(1.中国科学院亚热带农业生态研究所,亚热带农业生态过程重点实验室,长沙农业环境观测研究站,湖南 长沙 410125;2.中国科学院大学,北京 100049;3.湖南厚霖生态环保有限公司,湖南 长沙 410000)

随着工业化、城镇化迅速推进,用水需求量不断增加,水资源短缺现象日益严重。为了缓解水资源短缺和社会经济发展之间的矛盾,中水回用的研究受到越来越广泛的关注[1-2]。目前污水处理厂的尾水一部分用作湖泊、河流、水库等天然水系的补充水源,另一部分经深度处理后用作城市的第二水源[3]。我国大部分污水处理厂受工艺水平、技术条件、管理维护等限制,出水氮磷等污染物含量仍然较高[4],造成地表水体富营养化。因此,亟需对污水处理厂的尾水进行深度处理,以改善地表水环境。

除磷技术一般多采用化学沉淀絮凝法,铝类絮凝剂、铁类絮凝剂及有机高分子絮凝剂是常见的除磷药剂[8]。化学沉淀絮凝法除磷效果较好,废水中磷的去除率可达到90%以上[9],但药剂价格高达5万～15万元/t[10],并不适合在农村地区推广应用。

目前,尾水深度处理多是构建脱氮和除磷两级系统,而具有同步脱氮除磷功能的单级深度处理系统研究较少。基于此,本课题组结合生物膜法和吸附法原理,通过装填长效固体碳源及高效除磷材料,构建了能够同步脱氮除磷的潜流生物滤池。由于潜流生物滤池将传统的脱氮除磷两级系统合并成一级,因此构建费用更低廉、占地面积更小。目前有关潜流生物滤池在野外条件下同步脱氮除磷效果还缺乏研究,因此本研究以廉价的稻草和锯木屑为反硝化固体碳源、改性膨润土为除磷材料,构建野外中试潜流生物滤池,通过水质动态监测,探明其对水体氮磷的协同去除效果,以期为我国建立经济可行的尾水深度处理工艺提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 潜流生物滤池构建

潜流生物滤池由砖混结构建成,长、宽、高分别为1.30、1.20、0.80 m,从底部向上依次布置防堵塞碎石层(0.10 m)、除氮材料层(0.25 m)和除磷材料层(0.40 m)(见图1)。脱氮材料为稻草和锯木屑,除磷材料采用前期筛选的Ca(OH)2改性膨润土,改性膨润土制作方法详见文献[11]。

1.2 处理设置

图1 潜流生物滤池示意图Fig.1 Schematic diagram of subsurface flow biofilter

1.3 样品采集与分析

2 结果与讨论

2.1 潜流生物滤池对水体pH的影响

潜流生物滤池对pH的影响见图2。潜流生物滤池进水平均pH为8.67,呈碱性。C1出水平均pH为7.19,在生态安全范围内,C1出水呈现中性的原因有两方面：(1)稻草在缺氧环境中纤维素、半纤维素和木质素大量降解,产生糖类,继而又被转化成酸,使pH下降[12];(2)稻草表面生物膜上的反硝化菌和其他细菌通过自身的新陈代谢消耗了一定的碱度,使得出水pH趋于中性，有利于自身的生存[13]1416。C2出水平均pH为11.77,是由于Ca(OH)2改性的膨润土释放出大量OH-,而锯木屑充当碳源时难以被微生物降解,因此造成出水pH较高。C3出水平均pH为9.93,C3中也加入了一定量稻草,但加入量比C1少,因此被微生物降解利用的碳源较少,出水pH基本在C1、C2之间。

图2 潜流生物滤池对pH的影响Fig.2 The influence of subsurface flow biological filters on pH

2.2 潜流生物滤池对COD的处理效果

潜流生物滤池对COD的处理效果见图3。试验期间进水COD为35～48 mg/L。潜流生物滤池运行第1天,C1、C3对COD无明显的去除效果,出水COD浓度不降反升,可能原因是稻草材料表面含有较多的可溶性有机碳和易脱落的有机颗粒物[14];C2中加入的除氮材料是锯木屑,前期释放出的COD并不明显。随着潜流生物滤池持续运行,COD去除效果逐渐稳定,这是由于潜流生物滤池中微生物通过水解氧化、吸附、吸收作用,对污水有机物进行了高效降解[15]。潜流生物滤池运行58 d时,C1、C2、C3出水COD分别为15.34、14.96、12.95 mg/L,均达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中的Ⅲ类标准(≤20 mg/L),这与徐小强等[16]的研究结果相似。

图3 潜流生物滤池对COD的处理效果Fig.3 Treatment efficiency of COD by the subsurface flow biological filters

2.3 潜流生物滤池对水体氮素的处理效果

图4 潜流生物滤池对TN和的去除Fig.4 Removal of TN and by the subsurface flow biological filters

各处理对TN的平均去除率为C1(56.13%)>C3(53.71%)>C2(20.64%)。整个试验期间,C1对TN去除不稳定,最高去除率高达83.54%,最低去除率仅为14.30%;C2、C3对TN的去除效果也处于波动状态,且去除率不高。C2、C3对TN的去除效果不佳的原因可能是碳源供给不足,潜流生物滤池中微生物反硝化过程需要碳源,适宜的碳氮比是保证反硝化反应发生的必要条件[20-21]。

图5 潜流生物滤池出水和变化Fig.5 Variation of in the effluent of subsurface flow biological filters

2.4 潜流生物滤池对水体和TP的去除

图6 潜流生物滤池对和TP的去除Fig.6 Removal of and TP by the subsurface flow biological filters

对比3个潜流生物滤池对TP的去除效果,C2对TP的去除效果稳定,平均去除率可达到90.69%;C1在运行前期对TP的去除效果较差,这可能与稻草释放一定有机磷有关[29];C3在运行前期对TP的去除效果较好,TP去除率可达到90%以上,运行后期对TP的去除率仅达到50%左右。3个潜流生物滤池出水TP平均质量浓度为C2(0.11 mg/L)C3(61.98%)>C1(26.86%)。C2出水水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A标准(≤0.5 mg/L),可达GB 3838—2002中的Ⅳ类标准(≤0.3 mg/L)。

3 结 语

(3) 综合而言,当废水中以氮污染为主时,可选用稻草+改性膨润土组合作为潜流生物滤池脱氮除磷材料;当废水中以磷污染为主时,可以选用锯木屑+改性膨润土组合作为潜流生物滤池脱氮除磷材料。