曹文平

复合滤料生态滤池净化生活污水的特性研究

曹文平

（徐州工程学院环境工程学院，江苏徐州221111）

组建了两个平行的生态滤池用于净化校园生活污水，对比研究了滤料差异而产生的不同净化特性和机理。实验结果表明：竹丝/陶粒复合滤料生态滤池对氨氮、总氮、总磷的平均去除率分别达到了89.5%、90.5%、93.7%。相比于单一滤料生态滤池而言，复合滤料生态滤池内具有更复杂的生态系统、更丰富的根系和更多的生物种群量以及良好的耦合效应，导致复合滤料生态滤池具有比单一滤料滤池更好的除磷脱氮效果。

生态滤池；除磷脱氮；复合滤料；生活污水

目前低碳氮比污水较为常见，严重影响了水体的脱氮除磷效果、生态环境安全和水质安全〔1〕。如何提高低碳氮比污水的脱氮除磷效果是值得研究的领域。生态滤池是在传统生物滤池的基础上引入大型水生植物，耦合大型水生植物和传统生物滤池的双重效果达到良好的水质净化效果。生态滤池水处理工艺逐渐发展成熟，其利用滤料过滤作用、滤料表面生物膜新陈代谢作用以及大型水生植物的同化、泌氧等作用实现污染物的高效去除〔2〕。

生态滤池中的滤料不仅决定了生物膜量的多少，而且还影响着滤池内过滤效果、新陈代谢效果〔3〕。传统生物滤池通常以单一惰性滤料作为过滤介质和生物膜附着界面，虽然取得了较好的效果，但是单一惰性滤料表面结构、特性较为单一，不利于更多微生物的附着和增殖，更因缺乏碳源导致TN的去除效果比较差〔4〕。补充固体碳源以提高水体的脱氮除磷效果是近些年来研究的热点，固体碳源通常包括高分子聚合物、植物纤维素物质等，利用其表面的微生物将其分解形成可利用的碳源供除磷脱氮过程使用，但是这些固体碳源通常会随着反应的进行逐渐减少，无法得到持续恒量的碳源〔5-6〕。基于固体碳源和单一惰性滤料各自的优缺点，利用陶粒和竹丝制作成混合滤料，并耦合美人蕉根系的导流作用、泌氧作用、新陈代谢作用等形成生态滤池，优势互补，有望达到良好的、相对恒定的效果〔7〕。

笔者实验的目的是对比单一竹丝滤料与陶粒/竹丝复合滤料等滤料差异，对生活污水中的氨氮、总氮和总磷等污染物去除率效果和差异以及内在原因进行分析，为新型生态滤池的构建提供参考。

1　材料和方法

1.1实验水质

实验用水取自徐州工程学院中心校区生活污水。实验水质：COD为135～172 mg/L；NH4+-N为11.6～39.6mg/L；TN为18.2～49.5mg/L，TP为0.71～3.48mg/L；pH为7.56～8.9，水温维持在23.4～25.7℃。

1.2反应器和基质

竹丝：由毛竹自行加工裁剪而成，为20mm× 4mm×1mm的长方体，孔隙率约为70.6%。

陶粒：由凹土、面粉和铁屑混合焙烧而成，粒径4～6mm，表观密度900 kg/m3，比表面积14.8m2/g，盐酸可溶率为0.67%，竹丝与陶粒混合孔隙率为60%。

生态滤池：由1个50 cm×50 cm×50 cm的正方体水箱和2个滤池通过水管连接而成，滤池高度25 cm，内径20 cm，有效容积6.4 L。每个滤池中放置2株幼年美人蕉作为载体植物，株高约为15.2 cm，分别填充竹丝、竹丝和陶粒的混合基质，底部进水，顶部出水，并以出水口作为取样口，不间断地利用风机（型号ACO-003）充氧曝气，整套设备连续运行，水力停留时间（HRT）为2.5 h。

1.3实验过程及分析方法

实验共分为两个阶段：第一阶段是新型陶粒的制作。采用凹土、面粉和铁屑，质量分数分别为70.0%、15.0%、15.0%，之后加入总混合物质量70.0%的蒸馏水。具体实施方式如下：取定量凹土过0.147mm（100目）样筛，加一定量的面粉和铁屑［过1mm（18目）筛］与水混合，晾干后在105℃的鼓风箱中干燥1 h，取出后放入马弗炉里焙烧。其中预热温度设定为600℃，预热时间为20min，焙烧温度为1 000℃，焙烧时间为2 h，经多次实验，效果良好。

其次，将高度相差不大的美人蕉分别种植于竹丝和陶粒/竹丝复合滤料的无差别滤池中。观察植物的生长情况以及不同基质对污水的净化效果。美人蕉高度约为15.0 cm，种植的间距约为20.0 cm。

最后，2个平行的生态滤池启动时间为2015年3月18日，至2015年4月12日完成生态滤池的调试，美人蕉生长良好、滤料上生长了一定量稳定的生物膜。实验时间是2015年4月13日至2015年5月25日。

水质监测方法：水质测定方法均采用国家标准方法《水和废水监测分析方法》〔8〕进行，其中COD利用便携水质快速监测仪（型号T3WS-P，北京普析）测定，NH4+-N、TN和TP均采用紫外可见分光光度计测定（754N，南京森贝伽生物科技有限公司）。

2　结果与讨论

2.1NH4+-N的去除效果和比较

进水NH4+-N为11.6～39.6mg/L，经过竹丝滤料生态滤池净化后，出水NH4+-N为1.09～7.29mg/L，经过陶粒/竹丝复合基质作用后，出水NH4+-N为0.25～4.83mg/L，净化效果平均高出1.72倍。竹丝滤料生态滤池和陶粒/竹丝复合滤料生态滤池净化水体中NH4+-N的效果对比如图1所示。

图1　NH4+-N去除效果对比

相比于竹丝滤料生态滤池而言，陶粒/竹丝复合滤料生态滤池具有两种特性完全不一样的滤料，容易滋生生理生化特性微生物，可以形成良好的生物链和群落〔9〕。另外氨氮氧化菌是一类比生长速率慢的自养菌，吸附生长有利于提高其生物浓度。陶粒、竹丝、植物根系等多样化的附着界面有利于氨氮氧化菌的增殖和附着。而且实验过程中发现陶粒/竹丝复合滤料生态滤池中植物生长速度和根系发达程度明显优于竹丝滤料生态滤池，在一定程度上强化了复合滤料生态滤池对氨氮的净化和转化效果。

2.2TN的去除效果和比较

进水TN为18.2～49.5mg/L，经过竹丝滤料生态滤池净化后，出水TN为2.25～28.4mg/L，经过陶粒/竹丝复合滤料生态滤池净化后，出水TN为1.02～12.6mg/L，其净化效果比竹丝滤料生态滤池平均高出2.38倍。竹丝滤料生态滤池和陶粒/竹丝复合滤料生态滤池净化水体中TN的效果对比如图2所示。

TN的去除主要依靠生物反硝化过程，而生物反硝化过程效果取决于优良碳源补充和足够的生物浓度以及良好的反硝化环境〔10〕。竹丝滤料生态滤池能够补充碳源和足够的生物浓度以及良好的缺氧反硝化环境支持生物反硝化过程，故而竹丝滤料生态滤池脱氮效果也较高；相比于竹丝滤料生态滤池，陶粒/竹丝复合滤料生态滤池具有更复杂的滤料孔隙结构，可以形成更复杂的生态系统和更稳定的生态链；而且复合滤料生态滤池中的美人蕉生长更旺盛，不仅同化吸收强，而且更旺盛的植物根系产生更显著的“根圈效应”〔11〕，强化了复合滤料生态滤池内的脱氮过程。

图2　TN去除效果对比

2.3TP的去除效果和比较

进水TP为0.71～3.48mg/L，经过竹丝滤料生态滤池净化后，出水TP为0.05～1.99mg/L，经过陶粒/竹丝复合滤料生态滤池净化后，出水TP为0.01～0.84mg/L，净化效果平均高出2.42倍。竹丝滤料生态滤池和陶粒/竹丝复合滤料生态滤池净化水体中TP的效果对比如图3所示。

图3　TP去除效果对比

植物根系的截留与滤池滤料的过滤沉淀作用以及植物同化作用是磷素污染物的主要去除途径〔12〕，复合滤料生态滤池中由于美人蕉生长速率更加旺盛，所以其同化生长效果比单一滤料生态滤池系统强〔13〕。竹丝和陶粒表面吸附了大量聚磷菌，竹丝在自然条件下形成除磷所需要的碳源而促进除磷。复合滤料生态滤池系统中更丰富的根系导致更复杂的根圈效应和更复杂的生态微环境，为聚磷菌的增殖提供场所和环境，可能是复合滤料生态滤池具有更高除磷效果的主要原因。

2.4生物相分析

对两种基质和生物载体（竹丝和陶粒）表面的微生物进行分析发现，在竹丝和陶粒表面均含有大量的微生物，包括钟虫、漫游虫、盾纤虫等固着性和游泳性纤毛虫类（纤毛纲），但是只在陶粒表面生物膜中发现有少量的轮虫，竹丝填料表面却没有发现。通过微生物相分析和原生动物生理生化特性分析，可以形成以下结论：（1）由于陶粒表面粗糙的微观结构导致陶粒表面生物膜内微生物种群数量要丰富于竹丝填料表面；（2）而在竹丝填料中心区因为机械充氧扩散限制，而形成厌氧区和缺氧区发生碳源释放和生物反硝化脱氮过程。所以将竹丝和陶粒耦合脱氮具有良好的基础条件。

3　结论

（1）陶粒/竹丝复合滤料生态滤池对污水水质的净化效果优于竹丝滤料生态滤池。当进水NH4+-N、TN、TP分别为1.57～39.6、18.2～49.5、0.71～3.48mg/L时，陶粒/竹丝复合滤料生态滤池出水NH4+-N、TN、TP分别为0.25～4.83、1.02～12.6、0.01～0.84mg/L，竹丝滤料生态滤池出水NH4+-N、TN、TP分别为1.09～7.29、2.25～28.4、0.05～1.99mg/L。

（2）陶粒/竹丝复合滤料生态滤池对污水水质的净化效果优于竹丝滤料生态滤池，主要原因是复合滤料系统具有更复杂的生态系统、更多的生物量和更丰富的根圈效应以及良好的陶粒/竹丝耦合脱氮。

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Research on the characteristics ofeco-filter consisting of hybrid filters for the purification ofdomestic sewage

CaoWenping
（Schoolof Environmental Engineering，Xuzhou Institute of Technology，Xuzhou 221111，China）

Two paralleleco-filters have been setup for the purification of domestic sewage in the campus.Different purification characteristics andmechanisms resulted from filter difference are contrasted and studied.The experimental resultsshow that theaverage removing ratesofNH4+-N，TN and TPby the eco-filter consisting ofbamboo filament/porcelain granule composite filter can reach 89.5%，90.5%and 93.7%，respectively.Compared with the ecofilter consisting of single filter，the eco-filter consisting of hybrid filters hasmore complex ecological system，richer roots，more biologicalpopulation quantity，and good coupling effect.It leads to the result that the eco-filter consisting ofhydrid filtershasbetter dephosphorization and denitrification effects，than theeco-filter consistingofsingle filter.

eco-filter；dephosphorization&denitrification；hybrid filters；domestic sewage

X703.1

A

1005-829X（2016）09-0073-04

曹文平（1979—），博士，副教授。E-mail：wenpingcao 2013@163.com。

2016-06-20（修改稿）

住房与城乡建设部科技计划项目（2012-K2-14）；江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师项目（苏教师2012［39号］）