潜流生物滤池对尾水氮磷协同去除技术
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。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。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，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。
经污水处理设施处理后的尾水属于低污染水，氮磷等污染物主要以硝态氮(NO3--N)及溶解性无机磷形式存在。若对尾水进行深度处理，需要投加碳源进行反硝化生物脱氮，同时还需深度除磷。影响反硝化生物脱氮效果的关键因素是碳源种类，乙醇、乙酸、葡萄糖等液体碳源是污水处理厂常用的碳源，这些碳源具有碳释放速度快、脱氮效率高等优点，但液体碳源成本较高（2.0～4.5元/kg）。为了降低处理成本，稻草、锯木屑等农业废弃物近年来常被用作反硝化碳源，与液体碳源相比，农业废弃物碳源成本低，更适合应用于农村污水处理。
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。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，但药剂价格高达5万~15万元/t，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、0.80m，从底部向上依次布置防堵塞碎石层（0.10m）、除氮材料层（0.25m）和除磷材料层(0.40m)(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。
1.2 处理设置
本试验共设置3个处理：C1(稻草+改性膨润土)、C2(锯木屑+改性膨润土)和C3(稻草/锯木屑+改性膨润土)，其中C3脱氮材料层中稻草和锯木屑体积比为1:1，3个处理并联运行。潜流生物滤池进水为人工模拟废水，原水取自野外自然水体，添加硝酸钾和磷酸二氢钾使废水NO3--N和磷酸盐(PO43--P)质量浓度分别为10、1mg/L。进水采用下进上出的方式，通过蠕动泵控制。试验正式开始前，先将1500g污泥(取自养殖废水绿狐尾藻处理系统)混入到废水中，平均接种到每个滤池；然后通过蠕动泵动态进水，待废水充满整个滤池后，静态培养3d以富集微生物。静态培养结束后，每个滤池以10mL/min的进水流速正式运行，共运行58d。
1.3 样品采集与分析
潜流生物滤池运行初期每天采集进出水样品，连续采集7d，之后每3天采集1次水样。水样的测定指标包括氨氮(NH4+-N)、亚硝态氮(NO2--N)、NO3--N、总氮(TN)、PO43--P、总磷(TP)和化学需氧量(COD)。(NH4+-N)、NO2--N和NO3--N测定前，先过0.45μm滤膜，然后在AA3连续流动分析仪(德国SEAL公司)测定3种形态氮各自浓度；采用碱性过硫酸钾法消解水样，再通过AA3连续流动分析仪测定TN浓度。采用钼酸铵分光光度法测定水样TP和PO43--P浓度；采用重铬酸盐法测定水样COD浓度；pH采用台式pH计测定。
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；(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。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。
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35～48mg/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；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。潜流生物滤池运行58d时，C1、C2、C3出水COD分别为15.34、14.96、12.95mg/L，均达到《地表水环境质量标准》（GB3838―2002）中的Ⅲ类标准（≤20mg/L），这与徐小强等的研究结果相似。
2.3 潜流生物滤池对水体氮素的处理效果
潜流生物滤池对NO3--N和TN的去除效果见图4所示。C1始终对NO3--N保持高效的去除效果，而C2、C3对NO3--N的去除率波动较大，运行期间3个处理对NO3--N的平均去除率为C1（94.12％）＞C3（72.16％）＞C2（54.76％）。邵留等以稻草为反硝化碳源，对水体中NO3-N去除率也达90%以上，和本研究结果相似，与以乙酸钠为碳源的深度处理反硝化滤池脱氮效率相当，证明潜流生物滤池可以廉价的农业废弃物为碳源进行深度脱氮。C2以锯木屑为碳源，对NO3--N去除效果较差，是由于锯木屑主要成分是木质素，木质素是一种难以降解的物质，从而导致其难以被微生物利用。
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。
此外，对3个潜流生物滤池出水NH4+-N和NO2-N浓度进行测定，由此来判断试验过程中是否出现NH4+-N和NO2-N的积累，结果见图5。试验前期，C2的NH4+-N累积较少，而C1、C3运行前期出现NH4+-N浓度明显增加，第3天开始出水NH4+-N浓度逐渐降低。前期NH4+-N浓度增加的原因可能是C1、C3中的稻草释放出大量氮素，造成出水NH4+-N增加，随后潜流生物滤池中NH4+-N与NO2-N可能发生厌氧氨氧化，因此造成NH4+-N浓度开始降低。
NO2-N是反硝化过程中的中间产物，NO2--N的积累与反硝化过程中碳源的供给量有很大关系。由图5可见，添加有锯木屑的C2、C3均出现了明显的NO2--N积累，而添加稻草的C1仅在试验后期出现少量NO2--N积累，该结果与朱辉翔等的研究结果相似。锯木屑在反硝化过程出现NO2--N大量积累，与锯木屑释碳缓慢有关，NO2--N还原成N2所需的自由能要高于NO3--N还原成NOz-N所需的自由能，在碳源不足条件下会优先发生NO3--N还原反应.因此会导致NO2--N积累。
2.4 潜流生物滤池对水体PO43--P和TP的去除
潜流生物滤池对PO43--P和TP的去除效果见图6。C2在整个运行期间对PO--P保持着稳定的高效去除效果；C1、C3在运行期间对PO43--P的去除效果不稳定，且总体呈下降趋势。3个潜流生物滤池出水PO43--P平均去除率为C2(96.96%)>C1(88.52%)>C3(74.18%)。C2的PO43--P去除率高于熊小京等构建的单级除磷滤池（PO43--P去除率为75%~85%)，说明潜流生物滤池中同时装填脱氮与除磷材料是可行的。
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；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（0.11mg/L）〈C3（0.43mg/L）〈C1（0.85mg/L），TP平均去除率为C2（90.69％）＞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》（GB18918-2002）的一级A标准（≤0.5mg/L），可达GB3838-2002中的Ⅳ类标准（≤0.3mg/L）。
潜流生物滤池的除磷机制主要是改性膨润土中Ca2+及其氧化物与磷素反应形成难溶性化合物，从而使磷得以沉淀去除。钙与磷结合过程受pH影响，C2出水pH呈碱性，改性膨润土中Ca2+更易与水体PO43--P结合，因此除磷效果更好。
3、结语
(1)3种不同填料潜流生物滤池中，C1、C2、C3的NO3--N平均去除率分别为94.12%、54.76%、72.16%，TN平均去除率分别为56.13%、20.64%、53.71%；与锯木屑相比，以稻草为固体碳源的潜流生物滤池脱氮效果更佳。
(2)不同潜流生物滤池PO-P平均去除率为C2（96.96％）＞C1（88.52％）＞C3（74.18％），TP平均去除率为C2（90.69％）＞C3（61.98％）＞C1（26.86%），其中C2出水TP优于GB18918-2002的一级A标准，可达GB3838-2002中的Ⅳ类标准；与稻草相比，以锯木屑为固体碳源的潜流生物滤池除磷效果更佳。
(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。（来源：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，中国科学院大学，湖南厚霖生态环保有限公司）