強(qiáng)化生態(tài)浮床深度處理城市污水處理廠出水

左芝娜

（湖南百舸水利建設(shè)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

前 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水污染和資源短缺問(wèn)題日益突出。由污水處理廠（WWTPs）處理后的再生水成為緩解水資源短缺的良好選擇[1]。污水處理廠的合格廢水通常具有低碳氮比（C/N）和難生物降解的特點(diǎn)。由于有機(jī)化合物的限制[1]，傳統(tǒng)的廢水處理技術(shù)無(wú)法有效處理低C/N 廢水，除非改進(jìn)工藝或增加處理設(shè)施，需要大面積、高投資和復(fù)雜的系統(tǒng)。本研究依托邵陽(yáng)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理設(shè)施（一期）建設(shè)項(xiàng)目，針對(duì)農(nóng)村生活污水處理廠出水進(jìn)行深度凈化研究。

生態(tài)浮床（EFB）利用生態(tài)工學(xué)原理降解水中COD氮和磷的含量，因其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各類廢水的處理以及河流湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化[2]。目前，生態(tài)浮床已成功應(yīng)用于污水處理廠出水的深度凈化。在生態(tài)浮床凈化廢水的過(guò)程中，植物和微生物都扮演著重要的角色。植物不僅能吸收氮和磷以促進(jìn)自身生長(zhǎng)，還能為微生物提供附著點(diǎn)，并通過(guò)根系釋放氧氣影響微生物硝化和反硝化作用[3]。在污水處理廠廢水處理中，碳源不足會(huì)限制生態(tài)浮床的脫氮性能，導(dǎo)致脫氮效率低，需要外部碳源。近年來(lái)，植物凋落物因其纖維素豐富、成本效益高、可再生性強(qiáng)等特點(diǎn)，逐漸成為一種替代碳源化合物[4]。植物是生態(tài)浮床的重要組成部分，收獲后可作為外部碳源，為廢物處理提供經(jīng)濟(jì)解決方案。據(jù)報(bào)道，通過(guò)增加碳供應(yīng)和促進(jìn)反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，添加植物生物量提高了硝酸鹽的去除率[5]。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種更合適的碳源來(lái)提高生態(tài)浮床的處理效率。

本研究以普通濕地植物蘆葦和聚己內(nèi)酯為主要原料，合成了一種緩釋型殼聚糖。此外，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)生態(tài)浮床除磷效率低、生物量小等缺點(diǎn)，將改性蘆葦生物炭制成的新型基質(zhì)引入生態(tài)浮床，如圖1 所示。本研究的目的是：研究外加碳源對(duì)污水處理廠生態(tài)浮床凈化廢水脫氮的影響。

圖1 改性蘆葦生物炭制成的新型基質(zhì)引入生態(tài)浮床

1 材料與方法

1.1 材 料

本研究所用廢水來(lái)自邵陽(yáng)縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠。經(jīng)檢測(cè)，主要污染物及其濃度如下（mg/L）：化學(xué)需氧量（COD），20～40；氨氮（NH4+-N），0.2～0.7；硝酸鹽氮（NO3--N），7～11；亞硝酸鹽氮（NO2--N），0～0.6；總氮（TN），8～13；總磷（TP），0.2～0.4。

1.2 碳源制備

以蘆葦為原料制備的蘆葦草粉，蘆葦草粉與聚己內(nèi)酯以5∶3 的質(zhì)量比混合加入3～4 mL 硅烷偶聯(lián)劑，充分混勻，得到碳源。

1.3 實(shí)驗(yàn)和測(cè)定

用200 mL 去離子水浸泡約4.0 g 碳源于錐形瓶中進(jìn)行碳釋放試驗(yàn)。按照1，3，8 和20 h 間隔采集水樣，后每24 h 采集一次。測(cè)定水中溶解COD、TN、TP。測(cè)定了溶液中殘余磷的濃度。每天固定時(shí)間從每個(gè)系統(tǒng)的入口和出口采集水樣。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定pH、溫度和溶解氧（DO）濃度，用0.45 μm 濾膜過(guò)濾后測(cè)定COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN 和TP。

2 結(jié)果與討論

2.1 pH、溶解氧（DO）和溫度的變化

試驗(yàn)期間測(cè)定pH、DO 和溫度。兩種系統(tǒng)（添加碳源和不添加碳源）的溫度（24.8～26.2℃）無(wú)顯著差異（p＞0.05）。pH 值介于6.8～8.0 之間，表明碳源添加對(duì)pH 值的影響有限。然而兩種體系的DO 濃度差異顯著（p＜0.05），說(shuō)明碳源的添加可以影響系統(tǒng)中DO 的濃度。

2.2 碳源的釋碳性能

為了探究碳源添加后系統(tǒng)的性能，我們測(cè)定了在碳源釋放后，兩種系統(tǒng)中COD、TP 和TN 的濃度。結(jié)果如圖2 所示，添加碳源的系統(tǒng)早期釋碳能力極強(qiáng)，COD 濃度最大可達(dá)到19 mg/g，隨后迅速減弱。100 h 后，添加碳源的系統(tǒng)碳釋放能力趨于穩(wěn)定，COD 濃度的平均值為5 mg/g。以上結(jié)果可能是因?yàn)閷?duì)蘆葦原材料進(jìn)行了堿預(yù)處理，蘆葦原料中的木質(zhì)素部分被去除，導(dǎo)致纖維素和半纖維素大量暴露在水中，有利于碳水化合物的釋放。與COD 相比，添加碳源的系統(tǒng)中TP 和TN 變化較小，與未添加碳源的系統(tǒng)中TP 和TN 濃度差異性不大（p>0.05）。然而以往研究中所使用的碳源是富氮玉米秸稈，將其應(yīng)用于人工濕地的實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生高濃度的TN 廢水[6]。以上結(jié)果說(shuō)明本文所用碳源優(yōu)于富氮玉米秸稈，利于人工濕地的實(shí)際應(yīng)用。

圖2 添加碳源系統(tǒng)中COD、TN、TP 的釋放量

2.3 碳源對(duì)生態(tài)浮床去除COD 和N 的影響

為了研究本試驗(yàn)中碳源對(duì)生態(tài)浮床去除COD和N 的影響，我們檢測(cè)了進(jìn)出水COD 和N 的濃度。結(jié)果顯示添加碳源的系統(tǒng)其進(jìn)水時(shí)的COD 濃度在8～30 mg/L 范圍內(nèi)，出水時(shí)COD 濃度在3.5～12.4 mg/L 范圍內(nèi)，平均COD 去除率為30%。系統(tǒng)運(yùn)行前10天，出水中COD 的濃度一直高于進(jìn)水COD 濃度，在系統(tǒng)運(yùn)行第6 天達(dá)到最大，為71.2 mg/L，然而隨著碳源的釋放，有機(jī)物逐漸減少。除此之外，系統(tǒng)中微生物例如反硝化細(xì)菌等的增殖對(duì)有機(jī)質(zhì)的消耗增加，使得添加碳源的系統(tǒng)中出水的COD 濃度逐漸降低。以上結(jié)果說(shuō)明碳源的添加有利于生態(tài)浮床對(duì)COD 的去除。

兩種系統(tǒng)中進(jìn)水的TN 濃度在7～11 mg/L 范圍內(nèi)。在系統(tǒng)運(yùn)行期間內(nèi)，未添加碳源的系統(tǒng)中出水的TN濃度約為8 mg/L，前期平均去除率約為25.0%。而在添加碳源的系統(tǒng)中，出水TN 濃度一直下降，最小至1 mg/L，后保持在2.8 mg/L 以下。而且添加碳源的系統(tǒng)對(duì)TN的去除率呈上升趨勢(shì)，平均去除率最大可達(dá)90%（一天時(shí)間）。相比之下，未添加碳源的系統(tǒng)平均只能去除17.0%的TN（出水TN 濃度從7 mg/L 降至10 mg/L）。碳源的加入使TN 去除率提高了3 倍左右，出水TN 濃度可達(dá)到《中國(guó)地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中的IV 級(jí)（≤1.5 mg/L），以上結(jié)果說(shuō)明碳源的添加可以顯著增強(qiáng)生態(tài)浮床對(duì)污水中TN 的去除效果。

為了評(píng)價(jià)碳源添加對(duì)氨氮（NH4+-N）去除的影響，我們對(duì)兩種系統(tǒng)中進(jìn)出水NH4+-N 濃度做了檢測(cè)。兩種系統(tǒng)的進(jìn)水NH4+-N 濃度在0.2～0.6 mg/L 之間。在整個(gè)試驗(yàn)期間，未添加碳源的系統(tǒng)中出水NH4+-N 濃度在0.1～0.5 mg/L 范圍內(nèi)，其平均去除率為35%。而在添碳源的系統(tǒng)中，出水NH4+-N 濃度迅速上升，并在8 個(gè)小時(shí)達(dá)到峰值（0.7 mg/L）。添加碳源后系統(tǒng)出水NH4+-N濃度過(guò)高可能是由于碳源中沉積了植物的組成成分，例如蛋白質(zhì)。然而隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，碳源不斷釋放，NH4+-N 逐漸減少，出水NH4+-N 濃度逐漸低于進(jìn)水濃度。添加碳源系統(tǒng)的平均NH4+-N 去除率（28%）與試驗(yàn)17 天時(shí)未添加碳源的系統(tǒng)的NH4+-N 去除率相同。與未添加碳源的系統(tǒng)相比，添加碳源的系統(tǒng)的NH4+-N 去除效率較低，這可能是因?yàn)殡S著試驗(yàn)的進(jìn)行，添加碳源的系統(tǒng)中來(lái)自于碳源釋放的有機(jī)物的降解消耗了一部分氧氣，從而降低了系統(tǒng)中氧氣的濃度，抑制了硝化細(xì)菌的硝化作用，導(dǎo)致NH4+-N 去除率降低。

我們對(duì)碳源添加對(duì)硝氮（NO3--N）去除的影響也做了評(píng)估。進(jìn)水NO3--N 濃度的變化幾乎與TN 同步，其范圍在8～11 mg/L 之間。在添加碳源的系統(tǒng)中，系統(tǒng)出水NO3--N 濃度迅速下降，這可能是因?yàn)樘荚囱苌挠袡C(jī)物通過(guò)為反硝化菌提供足夠的電子供體改善了反硝化過(guò)程。系統(tǒng)運(yùn)行1 天多后，在添加碳源的系統(tǒng)中出水NO3--N 濃度增加，與未添加碳源的幾乎相同，表明碳源釋放的有機(jī)物已經(jīng)無(wú)法滿足微生物進(jìn)行反硝化作用，從而導(dǎo)致NO3--N 濃度的增加。

進(jìn)一步，我們對(duì)碳源添加對(duì)亞硝氮（NO2--N）去除的影響也做了評(píng)估。在整個(gè)試驗(yàn)期間，兩種系統(tǒng)中進(jìn)水NO2--N 濃度一直低于0.05 mg/L，未添加碳源的系統(tǒng)中的出水NO2--N 濃度在0.2～0.4 mg/L 的范圍內(nèi)變化。由于進(jìn)水NH4+-N 濃度較低，在未添加碳源的系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了少量NO2--N 積累。在添加碳源的系統(tǒng)中，添加碳源后其出水NO2--N 濃度迅速上升，在試驗(yàn)進(jìn)行到第6 天時(shí)達(dá)到最大（2.4 mg/L），然后迅速下降至0.18 mg/L。試驗(yàn)第6 天時(shí)NO2--N 濃度的增加可能是由于碳源利用不足導(dǎo)致NO3--N 的不完全反硝化，進(jìn)而導(dǎo)致了NO2--N 的積累。而添加碳源系統(tǒng)中第6 天其出水COD 濃度最高（71.2 mg/L），也很好地證實(shí)了這一點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，添加碳源系統(tǒng)中的出水NO2--N 濃度低于0.1 mg/L，這可能是因?yàn)榇藭r(shí)有機(jī)質(zhì)濃度較高，為微生物提供了足夠的可利用的基質(zhì)，從而使其能夠進(jìn)行充分的反硝化作用，進(jìn)而減少了NO2--N 的積累。

3 結(jié) 論

利用生態(tài)浮床添加碳源后對(duì)廢水進(jìn)行處理，通過(guò)碳源提供有機(jī)質(zhì)從而提高了脫氮效果。其添加碳源的系統(tǒng)中平均碳釋放量為5 mg/g，與未添加碳源的系統(tǒng)相比，其總氮和總磷的平均去除率提高并超過(guò)了一半。添加碳源強(qiáng)化后的生態(tài)浮床可作為濕地植物廢棄物生物量深度處理污水處理廠出水的一種有效途徑，為濕地植物強(qiáng)化生態(tài)浮床處理低C/N 污水（如污水處理廠出水）提供了一種合適的方法。