刘雪妮，何连生，姜登岭，袁震，杨兆华，孟睿，蒋进元

1.华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063000 2.中国环境科学研究院环境工程设计研究中心，北京 100012

生物滴滤池处理农村废水的研究进展

刘雪妮1,2，何连生2*，姜登岭1，袁震2，杨兆华1,2，孟睿2，蒋进元2

1.华北理工大学建筑工程学院，河北 唐山 063000 2.中国环境科学研究院环境工程设计研究中心，北京 100012

生物滴滤池存在脱氮除磷效果较差、滤料易堵塞、有异味等缺点。针对不同农村地区不同水质的废水，为达到出水标准，提高运行效率，国内外很多学者对生物滴滤池进行了改进研究。滴滤池的结构设计可从降低进水有机负荷、增加含氧量和脱氮除磷分段进行等方面改进；布水方式可从减小进水水滴体积、均匀布水、适当提高布水高度等方面改进；滤料的选择可根据废水的特点选择组合滤料实现优势互补；生物膜的培养可采用人工接种挂膜和自然挂膜相结合的方式来缩短培养时间；适当提高回流比，可提高氮去除率，一般回流比设为60%～80%。生物滴滤池的不断改进使其在农村废水处理中更有优势。

生物滴滤池；结构设计；滤料；挂膜；回流比

农村废水是指农村居民在生活和生产过程中形成的废水。受条件、习惯和季节气候等因素的影响，从宏观来看农村居民用水水量很大，但作为村庄或农户个体而言，污水的排放一般集中在白天的某个时段,夜间排放量很小，昼夜排放量变化明显。农村废水主要污染物为COD、氮和磷，有机污染物浓度低于城市污水。我国农村废水水量和水质波动性大，排水管网不完善，村镇经济水平较低，缺乏专业的污水处理人员。针对这些现状，农村废水处理选择的工艺应满足抗冲击负荷能力强、可就近独自处理、建设和运行费用低、操作管理简便等要求[1]。生物滴滤池因其处理工艺简单有效，抗冲击负荷，工艺材料环保廉价，不需要大型曝气设备，处理过程中无废气废水产生，较少的污泥产量等优点被广泛应用于农村废水处理中。但该技术存在顶部滤料易堵塞、有异味、处理负荷较低、易招蚊虫等缺点。笔者综述了生物滴滤池的应用和研究进展，分析了影响处理效果的因素，提出了改进方式，以期为生物滴滤池的改进和在农村废水处理中的推广提供借鉴。

1 生物滴滤池简介

生物滴滤池构造包括布水器、滤料、进水再循环泵和覆盖物4个部分[2-3]。废水通过布水器进入滤池，长期滴在滤料表面，因此滤料表面会形成生物膜[4-5]；附着生物膜的滤料形成了由废水、空气和生物膜组成的三相流体系，废水由生物膜表面向下流，与生物膜进行固、液相的物质交换；空气在自然通风或鼓风曝气的作用下流动，在氧的参与下，废水中的有机物被微生物分解得到净化。传统的生物滴滤池供氧方式为自然通风；挂膜方式一般采用自然挂膜；滤料以石块为主，粒径为25～100 mm，形状不规则；滤料层高度为1～2 m。

2 生物滴滤池的研究进展

生物滴滤池出现于20世纪50年代，当时设计参数不明确，没有完善的设计标准[6-7]。20世纪60年代，陶氏化学公司开始研究模块化滤料，之后越来越多的研究者开始探究生物滴滤池污水处理工艺[8-9]，并在20世纪60—70年代取得了大量的研究成果。20世纪70年代美国国家环境保护局正式定义了生物滴滤池[10]。

近年，生物滴滤池不断发展优化，日本研发了成本低、体积小、操作简便的淹没式生物滴滤池。一些学者研发了较为实用的组合工艺，如生物滴滤池与人工湿地的组合、生物复合滴滤池-地下渗滤工艺组合、多级生物滴滤池的组合、臭氧-生物滴滤池组合等，生物滴滤池作为组合工艺中的一部分取得了很好的效果，这使其在水处理工艺中更有优势。此外，对生物膜的模拟也应用在了生物滴滤池上，早期的生物膜模型大都建立在假设生物膜表面均匀、光滑的一维动力学模型，近年，大量的试验促进了半二维及三维生物膜模型的产生。三维生物膜模型主要是对微生物结构和不同种群微生物相互关系的模拟，相关参数较多且不易测定。伴随着先进观测和检测技术的发展，三维生物膜模型将是生物膜理论研究的有力工具[11]。影响生物滴滤池处理效果的因素有结构设计、进水负荷、布水方式、滤料、供氧方式、挂膜方式、回流比和温度等，因此许多学者对其进行了改造或优化。

2.1 结构设计

为提高出水水质，国内外学者对生物滴滤池结构改进进行了大量研究，如表1所示。

表1 生物滴滤池的结构改进

生物滴滤池的结构设计影响处理效果。由表1可知，从降低有机负荷、增加含氧量、除碳和脱氮分段进行、增设回流结构等方面对生物滴滤池进行结构改进，对处理效果都有一定提高。研究表明，生物滴滤池净水能力取决于滤池中微生物的活性[18-19]，说明生物滴滤池截留了原水中的活性微生物，由上向下微生物种群存在明显差别，高度的设计会影响其对污染物的去除率。生物滴滤池结构的改进途径可以从选择合适的滤池高度、增加氧气与生物膜的接触、配置合适的进水负荷、好氧与厌氧分段进行、降低进水污染物浓度等方面考虑。

2.2 进水负荷

生物滴滤池进水负荷是影响其处理能力的重要指标之一。进水负荷通过改变滤池内的底物浓度以及溶解氧与微生物的接触方式来影响生物膜的生长。一些学者在选择合适的进水负荷方面做了很多研究：李桂荣等[20]对生物滴滤池的不同进水负荷进行了研究，结果表明，当进水体积负荷为20 L/h，进水COD负荷为1.638～2.047 g/(L·d)时，综合去除效果最佳，对COD的去除率为80%～83.2%，对氨氮的去除率为72.7%～80.3%，对TN的去除率为80%～83.2%，对TP的去除率为49.1%～52.3%；余珍[21]在对传统生物滴滤池进行改造后，发现当进水体积负荷为25 L/d，进水COD负荷小于0.9 g/(L·d)时，COD去除率为55%～70%，TN去除率为55%～65%，TP去除率为51%～80%。

生物滴滤池的进水体积负荷与废水的停留时间成反比，最佳进水体积负荷需根据滤池的结构通过试验测得。提高滤池的进水有机负荷，滤池内微生物群落增多，活性不断提高，其去除率增大，微生物抗冲击负荷能力较强；当有机负荷超出微生物的分解能力时，去除率随之下降。生物滴滤池的最佳进水有机负荷为0.3～0.9 kg/(m3·d)(以COD计)，且负荷高低与滴滤池的设计结构和温度有关。因此，进水负荷应根据滴滤池的结构和水温进行研究，选择最佳负荷。

2.3 布水方式

生物滴滤池的布水方式是影响污水能否在滴滤池中均匀分布的因素。传统生物滴滤池的布水采用在其上方由布水器分散成滴状喷洒在滤料上。张甜甜等[22]对进水做雾化处理，其去除效果明显高于同等条件下的滴渗布水。许多研究者采用丰字形布水器来实现均匀布水。陈蒙亮[23]参考化工蒸馏塔布水系统，使用V型溢流布水器，该布水器具有抗堵、抗腐蚀、可处理含固体的污水、操作可靠、操作弹性和处理量较大等特点。吴磊等[24]研究了跌水充氧接触氧化技术，利用污水提升泵提升污水，分级跌落，形成水幕及水滴自然充氧，将势能转化为动能，大幅削减了能耗，研究表明，既经济又有效的跌水高度为0.5 m。

布水方式的改进途径可从减小水滴的体积、均匀布水、提高布水高度等方面考虑，以达到增加与氧气的接触面积，增加好氧微生物的活性的目的。

2.4 滤料

滤料是生物滴滤池处理废水技术的核心。选用的滤料需满足比表面积大、持水时间长、吸附性能好、化学稳定性好、机械性能好、可以去除氮磷及成本低等条件。生物滴滤池的滤料种类很多，常用的有沸石(天然和人工)、石英砂、陶粒系列、活性炭、页岩、砾石、火山岩、珍珠岩、硅藻土、稀土瓷砂、有机高分子滤料(如聚丙乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等)、生化环、拉西环和鲍尔环等[25]。一些常见滤料的物理性能及优缺点见表2。

表2 常见滤料的性能比较

王萍等[26]把煤矸石作为原料制备了陶粒滤料，粒径为1.6～2.5 mm，孔隙率为58.29%，研究发现，陶粒挂膜快、微生物适应性好、耐反冲洗，COD平均去除率保持在80%以上，氨氮去除率为60%以上。Guo等[27-31]研究了黏土、珍珠岩、火山岩、沸石及其他轻质矿物材料制作的滤料，研究表明，污水处理效果较理想的滤料是价廉易得、多孔不规则、环境友好的矿物滤料。袁震[32]研究了沸石、陶粒、页岩、火山岩和石英砂5种滤料对氮、磷的吸附效果，结果表明，滤料对氮、磷的综合吸附效果为沸石>火山岩>陶粒>页岩>石英砂。沸石、黏土、火山岩、陶粒等矿物滤料使用较为广泛，处理效果较好。

单一滤料在实际应用中会存在一些不足。近年来，有学者对组合滤料做了相关研究，实现多种滤料的优势组合。刘颖等[33]研究了斜发沸石+焦炭、斜发沸石+兰炭2种不同组合滤料的去除效果，结果表明：斜发沸石+焦炭组合滤料对COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分别为83.3%、86.52%、23.93%和60.48%；斜发沸石+兰炭组合滤料对COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分别为77.31%、86.6%、31.87%和47.51%；斜发沸石+焦炭组合滤料的处理效果更好。杜永祥[34]用陶粒-沸石-活性炭组合滤料处理受污染地表水体，出水COD小于2 mg/L，氨氮浓度在0.15 mg/L以下。此外，沸石-陶粒、陶粒-炉渣等组合滤料和一些改性滤料也有一定的应用。多种滤料的组合能够实现优势互补，对污染物的去除有明显的优势。滤料粒径对处理效果也有影响。Kent等[35]研究发现，不同粒径的滤料对废水的处理效果不同，小粒径(2～3 mm)有利于提高脱氮效果和综合去除效果，但易堵塞。

为提高生物滴滤池的出水水质，国内外学者在高性能滤料的研制及改性滤料等方面开展了大量研究。如日本研究者运用贝壳作滤料，贝壳具有天然的多孔表面，且含有丰富的CaCO3，是微生物附着和生长的理想滤料，脱氮除磷效果较好[36]；龙腾锐等[37]发明了一种酶促生物滤料，解决了传统生物滤料存在的挂膜慢、效率低、易堵塞、损耗大、再生难、价格贵等缺点，提高了废水处理工艺的效率。滤料发展的趋势是开发可专门设计的尺寸、表面性质、体密度，并以天然材料为主要成分的人工合成无机滤料，克服微生物与高分子滤料之间相容性较差的问题，如轻质陶粒。

在运行参数相同的条件下，生物滴滤池中的滤料对微生物群落结构多样性和代谢功能的影响较小。在生物滴滤池中，滤料的选择要考虑机械性能、质量、比表面积和价格等因素。滤料的机械性能和质量决定了滤池的建造面积和高度；比表面积决定了废水和生物膜间的接触面积；滤料的价格直接影响经济成本。在污水处理的实际应用中,滤料的选择应根据当地废水的特点，结合滤料的性能，选择最优的滤料或滤料组合。

2.5 供氧方式

传统生物滴滤池采用自然通风供氧。供氧主要受滤池自然拔风和风速的影响，而自然拔风的推动力则是池内温度与气温之差及滤池的高度[38]。当水温和气温相近时,空气流动可能停滞，结果在滤池的部分区域氧分压会减少。当含有高浓度有机物的废水进入滤池时，供氧条件有可能成为影响其工作的主要因素，因此较低的空气流速会使滤池的效率降低。为避免这些问题,可以对滤池进行曝气来强制通风，曝气则会带来能耗问题。许多研究者通过改进结构设计来增加含氧量。余珍等[39]采用分层的模块结构，层与层之间和各层四周都有空隙，可以充分和空气接触，因此能较好地提供滴滤池内微生物生长所需要的氧气,改进后的生物滴滤池可有效去除餐饮废水中的COD、氨氮、TN和TP。李先宁等[40]采用溅水充氧滴滤池装置，专门设有溅水区满足滤池内生物对氧的需求，同时滤池内部通过自然拔风管拔风，进一步提高了充氧效果，实现节能条件下的好氧生物处理。

增加含氧量可提高好氧微生物的活性。一般通过曝气的形式来充氧，会带来能耗问题。农村废水的处理，能耗是必须要考虑的因素。因此，可通过改进生物滴滤池的结构来提高含氧量，也可选择在风速较大的位置建设生物滴滤池。

2.6 挂膜方式

挂膜是指膜状微生物的培养和驯化过程。生物挂膜的方法主要分为接种挂膜和自然挂膜[41-43]。接种挂膜是指在滤池中接种一定量的活性污泥，污水从较低流量连续运行到设计流量，对COD的去除率达65%,对氨氮的平均去除率为65%，对TN和TP的去除率均达到20%左右，且出水水质稳定，可认为挂膜成功[44]。传统生物滴滤池采用自然挂膜的方式，当气温较低时，硝化细菌的生长受到抑制，可采用接种挂膜或二者结合的方式挂膜。傅金祥等[45]研究了2种不同挂膜方式的处理效果，结果表明：接种挂膜下COD去除率为90.36%，氨氮去除率为70.14%；自然挂膜下COD去除率为87.69%，氨氮去除率为34.67%；接种挂膜下生物膜生长情况好于自然挂膜。张菊萍等[46]对比了自然挂膜和接种挂膜的处理效果，结果表明：自然挂膜状态下启动6周后氨氮去除率仅为20%左右；接种挂膜状态下整个挂膜启动过程仅需17 d，氨氮的去除率稳定在60%以上。接种挂膜与自然挂膜相比，缩短了挂膜周期，且净水水质也较好。釆用自然挂膜有利于异养菌的生长，生物膜具有更强的抗冲击负荷能力；采用接种挂膜有利于自养硝化菌的生长，更加适用于培养自养硝化菌生物膜。

接种挂膜相对自然挂膜，缩短了挂膜周期，更具有实际应用意义。很多研究者在试验及应用过程中，采用接种挂膜或二者结合的方式来缩短生物膜的培养周期。

2.7 回流比

回流比是影响生物滴滤池处理效果的因素，对出水水质有明显的影响。美国国家环境保护局研究回流对生物滴滤池脱氮的影响发现：适当增大回流比有利于硝化反应，当回流比为100%时，氨氮去除率为50%；当回流比为200%时，氨氮去除率为67%[47]。崔婷婷[48]研究发现：TN、TP的去除率随回流比的增加而增加，最佳回流比为2∶1，TN平均去除率为56.02%，TP平均去除率为66.04%；对氨氮、COD去除的最佳回流比为1∶1，氨氮平均去除率为87.08%，COD平均去除率为80.78%。

回流比主要影响氨氮和TN的去除。出水硝酸盐浓度为0时的回流比为临界回流比，当回流比小于该值时，增加回流比，氨氮进一步转化为硝态氮，去除率随之增加；当回流比大于该值时，超出微生物的处理负荷，同时过大回流比带入的溶解氧破坏了缺氧环境，抑制了反硝化细菌的活性，TN去除率不再增加反而下降。适当增加回流比是生物滴滤池提高脱氮效果的有效途径，一般回流比为60%～80%时，对各类水质指标的去除率均较高，但最佳回流比还需根据生物滴滤池的结构试验测得。

2.8 温度

温度的变化对生物滴滤池各检测指标都有一定的影响。厌氧微生物对温度更为敏感，一般适宜温度为30～40 ℃。胡和平等[49]在研究温度对反硝化效果的影响时发现：40 ℃时，反硝化速度最快，达到最佳反硝化效果；当温度升高到45 ℃时，整个系统的反硝化效果开始下降。赵美[50]在研究低温对生物滴滤池处理效果的影响时，通过调节运行参数，设定5、8、10、12和15～20 ℃ 5个温度段，考察COD、氨氮、TN及TP的去除效果，结果表明，水温降低对COD、氨氮、TN及TP的去除效果都有影响，尤其对氨氮和TN的影响显著。窦娜莎[51]在14.5、18.6和23.2 ℃ 3个温度下，研究了生物滴滤池中微生物群落结构、总细菌菌群密度和硝化细菌菌群密度随温度的变化情况，结果表明，温度降低时，微生物多样性急剧下降，且细菌总量和硝化细菌菌群密度均下降，在18.6 ℃条件下综合去除率最高。

温度对氨氮、TN的去除影响很大，但当温度达到硝化细菌的适宜温度(20～35 ℃)后，将不再成为去除氨氮的限制因素。受温度的影响，生物滴滤池在北方寒冷的冬季运行效果较差，可通过减少通气量，对池壁采取保温措施等来减少热量的散失。

3 结论

(1)生物滴滤池结构设计可从降低进水有机负荷、增加含氧量、设置最佳进水负荷和脱氮除磷分段进行等方面加以改进。

(2)配置最佳进水负荷可提高滴滤池的处理效果，根据滴滤池结构的设计及温度，可通过试验得到最佳进水负荷。

(3)布水方式可通过减小进水水滴的体积，改进布水器及提高布水高度等方面加以改进。

(4)滤料的选择可根据废水的特点，选择合适的滤料进行组合，实现优势互补。开发新型的以天然材料为主要成分的人工合成滤料是未来的发展趋势。

(5)曝气在人工增氧的同时也增加了能耗，因此，可通过改进滴滤池的结构让其自行充氧。

(6)人工接种挂膜的时间周期优于自然挂膜，可采用二者结合的方式来缩短生物膜的培养时间。

(7)适当提高回流比是滴滤池提高去除效果的有效途径。综合各项水质指标的去除率，一般回流比设为60%～80%。

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Research progress of treatment of rural wastewater by bio-trickling filter

LIU Xueni1,2, HE Liansheng2, JIANG Dengling1, YUAN Zhen2, YANG Zhaohua1,2, MENG Rui2, JIANG Jinyuan2

1.College of Architectural Engineering Institute, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China2.Environmental Engineering Design and Research Centre, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Biological trickling filter (BTF) has the disadvantages of low removal efficiency of nitrogen and phosphorus, easy clogging of the filter, and bad smells. In order to achieve the effluent standards and improve the operational efficiency for different wastewater quality in rural areas, improvement researches have been made by domestic and foreign scholars. The structure of BTF can be improved by reducing the filter influent organic concentration, increasing the oxygen content, and removing nitrogen and phosphorus in different stages, etc. Water distribution can be improved by reducing the volume of water droplets, distributing water uniformly, and raising the water distribution height suitably. Different sorts of filter materials can be combined to have complementary advantages according to the characteristics of the wastewater. Through combining artificial inoculation film-forming with natural biofilm, biofilm can be adopted in the shorter time. Increase of the reflux ratio can improve the removal efficiency, with optimum reflux ratio is 60%-80%. The continuous improvement of the BFT makes it more advantageous in the treatment of wastewater in the rural areas.

biological trickling filter; structure design; filter material; forming film; reflux ratio

2016-07-08

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAJ21B08)

刘雪妮(1990—)，女，硕士，主要从事水处理研究，liuxueni90@126.com

*责任作者：何连生(1976—)，男，教授级高级工程师，博士，长期从事水污染治理，heliansheng08@126.com

X703.1

1674-991X(2017)02-0194-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.02.029

刘雪妮，何连生，姜登岭,等.生物滴滤池处理农村废水的研究进展[J].环境工程技术学报,2017,7(2):194-200.

LIU X N,HE L S,JIANG D L,et al.Research progress of treatment of rural wastewater by bio-trickling filter[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):194-200.