中空球型多孔新型填料在城市污水處理中的應用

馬 超，丁 輝，，徐世民，孫貽超，鄧小文

（1.天津大學 化工學院化學工程系，天津300072；2.天津大學 精餾技術國家工程研究中心300072；3.天津環境保護科學研究院 天津300191）

人工濕地是一種具有凈化污染物效果好、費用低、易維護等特點的污水處理技術，它的系統配置可塑性強，對負荷變化適應性強，而且有較好的有機物、營養物質去除能力，除此之外其生態環境效益顯著。如今這項技術被大量應用于處理城市生活污水[1]、垃圾滲濾液[2]和建筑排水[3]中。

人工濕地中的填料又稱濾料、基質，它不僅為植物和微生物提供生長介質，還通過沉淀、過濾和吸附等作用直接去除顆粒態磷和水中懸浮物。人工濕地的微生物可以通過硝化反應和反硝化反應將污水中的氮元素轉化為氮氣排到空氣中，從而達到去除總氮的效果；同時微生物通過將有機物分解為CO2和H2O獲得生長過程中所需要的能量，從而達到降低污水中COD的效果。微生物附著于填料上，所以填料的物理性質（孔隙率、孔徑、比表面積等）和組成成分對于微生物生長有很大的影響。綜上所述，選擇優良的填料可以大大提高人工濕地的凈化能力。

現在國內外研究主要集中在種植植物后的人工濕地復合系統[4－5]和填 料本 身對氮 磷 的 固 定 吸 收 作 用[6－7]，而 對 于 填料在不種植植物而只附著微生物這一過程的基礎研究[8]和新型填料的開發[9]比較少。基于經濟型、實用性和可行性，通過設計與實驗，開發了中空球型多孔新型填料（發明專利號：201010594065.5）通過接種好氧和厭氧微生物構建垂直流人工濕地來處理城市污水，并選擇了另外四種常規填料進行對比試驗，以期提高人工濕地對城市生活污水的凈化效率，同時比較微生物對于不同填料的適應性。

1 試驗材料與方法

1.1 填料性質

此新型填料外部材質塑料，通過將其做成直徑為5cm的多孔球型，其比表面積240m2m－3，孔隙率97%；中空部分填充燒結粘土。各種填料的物理性質和元素含量如表1和表2：

表1 各種填料的物理性質

表2 各種填料的元素組成

1.2 實驗裝置

本實驗采用了5套人工濕地的試驗裝置，編號1－5。每套實驗裝置都如圖1所示，人工濕地填料實驗裝置為內徑為10cm、高度為100cm的垂直PVC柱，用金屬支架將管身固定，再填充不同的填料。實驗柱分為好氧柱和厭氧柱兩部分，基質填充于圓柱形柱身內至管頂10cm處，管頂預留10cm的布水區和超高。柱身頂部與底部各有一個取樣口，一共2個取樣口。進樣口采用蠕動泵將水送入人工濕地填料柱，使得進水流速容易控制。在每個好氧柱底部都安裝一個石質空氣分布器，分布器另一端連接一個空氣泵，通過控制溶解氧（DO）來調節空氣流量。

圖1 實驗裝置圖

1.3 啟動與運行

系統進水為儲存于水箱中的人工配制污水，化學需要氧量（COD）150mg／L、氨氮（NH3—N）36mg／L、硝氮（NO3—N）0mg／L，總氮（TN）36mg／L總磷（TP）8mg／L。在水力負荷率和水力停留時間分別為0.25m／d和3d的工況下，污水通過蠕動泵首先進入接種好氧細菌的好氧柱底部，在好氧柱頂部通過重力出水進入接種好厭氧細菌的厭氧柱底部，最后于厭氧柱頂部通過重力出水進入出水池，穩定運行10d，測試出水的COD、NH3—N、NO3—N、TN和TP。同時我們要測量體系系統pH、DO變化。

1.4 分析方法

COD、NH3—N、NO3—N、TN和TP測試都是根據國家標準[10]。其它的指標：pH通過筆式pH計測定，DO通過溶氧儀測定。

2 結果和討論

2.1 系統pH和DO討論

系統進水的pH值大約維持在7.6左右，其變化范圍為7.5～8.0，對于硝化細菌是適合的。在適宜范圍內，pH值越高對于硝化反應促進作用越大。好氧柱出水pH值維持6.8左右，其變化范圍為6.6～7.0，由于好氧微生物進行硝化反應將氨基氮轉化為硝基氮。好氧柱出水pH值對于反硝化細菌的生存略低[11]。

Paredes[12]等解釋溶解氧低于2.5mg／L時硝化反應才會被抑制。本實驗各好氧柱DO大約維持在3.0mg／L左右，其變化范圍為2.8～3.2mg／L，適于好氧微生物生長；厭氧柱溶解氧處于0.5mg／L以下，變化范圍為0.2～0.6mg／L，適合于反硝化細菌適合生長。

2.2 五種填料去污效果分析

2.2.1 COD的去除效果 各填料在水力負荷為0.25m／d條件下運行對于COD的去除效果如圖2。由圖2知隨著時間的增加，COD去除效果會有緩慢增加，這是因為實驗初始階段的有機物含量足夠，大量微生物進行繁殖，但是有些微生物并沒有在填料表面形成生物膜，有部分被水體沖走，但是隨著時間的增加，填料上的生物膜漸漸長成，使得去除效果比實驗初期要好，最終去除效果也達到了60%～90%。Li[13]等研究結果說明垂直流人工濕地有機物去除效果比較好，這與本實驗中各種填料組成的垂直流人工濕地有機物去除效果都很好相吻合。

圖2 各種填料COD去除效果

由圖知2，新型填料的去除效果還是最好的，并且達到很高去除效果的時間比較短。這是因為：（1）新型填料外部是塑料，塑料的表面比較光滑，有利于微生物的附著生長，所以達到平衡的時間比其他的填料要短；（2）新型填料比表面積大于其它的填料所以在它表面的微生物生長量比其它的填料要多。其它幾種填料相比，沸石的孔徑要小于其他的填料所以掛膜時間比其它的填料要長，但是它的孔隙率和比表面積比較大，所以最終它的效果并不差。麥飯石比表面積較小所以附著微生物量比較少，效果相比比較差。生物陶粒外表也比較光滑，容易掛膜，所以也很快達到很好的效果，但是由于堆密度比較小，所以效果不如新型填料。

2.2.2 TP的去除效果 由圖3知，新型填料的效果比其它的填料要好，這是因為（1）新型填料中 Mg、Ca的含量比較高，容易和磷酸根離子發生化學反應，將其吸附在表面；（2）由于新型填料中的燒結粘土比表面積比較大，所以吸收的磷比較多；（3）新型填料的孔徑也比較大，使得污水中的磷元素可以更容易和填料接觸。這也符合Cui[14]等的研究結果。

圖3 各種填料TP去除效果

2.2.3 TN去除效果 由圖4知實驗初期氨氮去除效果比較好，隨著時間慢慢加長，去除效果會略有所下降。這是由于實驗開始階段各條件良好：溶解氧充足，填料上吸附的銨根離子也足夠硝化細菌使用，同時水體中有機物含量比較大，當實驗開始一定階段后，隨著微生物大量繁殖，水體有機物不能滿足微生物需求，非硝化好氧細菌將會消耗一部分水體中的營養，導致硝化反應效果變差；并且吸附在填料上的銨根離子量也不足以保證硝化細菌的新陳代謝正常進行。但是最終填充了各種基質的好氧柱氨氮去除率大約在80%～100%，這是因為硝化細菌生長要求條件簡單，且水體中溶解氧可以達到好氧細菌成活比例，此實驗現象也符合Faulwetter[15]等關于垂直流人工濕地的硝化效果比較好的理論。

五個填料柱相比，生物陶粒和石英砂的效果是最差的，這是因為這兩種填料的鋁和硅的含量比其他的填料要低，吸附銨根的能力要差一些。同時這兩種填料的孔隙率也不是很大，微生物生長量也沒有其他填料大。同時新型填料的吸附以及去除效果還是比較好的。

圖4 氨氮去除效果

圖5 硝氮去除效果

進入厭氧柱中的主體是硝基氮，從厭氧柱中出來的水硝基氮的含量慢慢降低，經過大約5～6d的時間后達到平衡。與氨氮去除率相比，硝氮去除效果比較差，這與Vymazal[16]研究結果相符。

由圖知，新型填料的去除效果排在第二位，但是它達到平衡的時間比較短。這是因為：1）塑料的表面比較光滑，有利于微生物的附著生長，所以達到平衡的時間比其他的填料要短；2）內部的燒結粘土材質孔徑比較大，也有利于微生物的附著；3）其它的填料外部沒有一層塑料填料，進水含有一定量的氧氣，填料表面與進水直接接觸，所以在表面不能形成厭氧條件。同時由于新型填料微生物量大量增長，使得水中的有機物不能夠支持更多的反硝化細菌，同時其它厭氧菌和反硝化細菌的競爭，反硝化細菌會部分死去，導致后來的效果比開始時要差一些。沸石的吸收效果比較好，但是達到平衡的時間比較長，這是因為沸石的孔徑比較小，所以微生物附著時間比較長，但是沸石的孔隙率和比表面積比較大，總的吸收量還是很大的。生物陶粒達到平衡的時間比較短，但是效果比較一般，因為它的直徑比較大，所以堆積密度比較小，有效地掛膜面積比較小。石英砂無論從掛膜時間還是吸收量上都是中等。

圖6 總氮去除效果

通過研究發現，各種填料有機物去除率比氮磷去除率都要高，這符合Karajic[17]等人的研究結果。由圖可知，新型填料和沸石對于總氮的去除效果最好，其它填料效果一般，只有不到50%，這是因為：1）石英砂和生物陶粒在好氧柱中并沒有完全把氨基氮轉化為硝基氮，導致了經過厭氧柱后仍然有部分氨基氮，增加了總氮的含量；2）麥飯石在厭氧柱這部分效果比較差，導致了它的總氮去除率比較低。新型填料在處理氮元素時比沸石速率要快，而且比沸石輕便易于安裝。

3 結 論

1）本實驗通過將新型填料填充于好氧、厭氧交替的小型人工濕地系統中，增加了附著于填料上的微生物量從而強化了整個系統對于污染物的吸收能力。運行結果表明在系統進水COD 150mg／L、NH3－N 36mg／L、總磷TP 8mg／L、總氮TN 36mg／L、水力負荷率為0.25m／d的工況下，新型填料在對污水的COD、NH3－N、TN和TP的去除率提高了大約10%左右，顯示了新型填料在幾種填料中最佳的綜合去污效果，說明新型填料在生活污水處理發面有良好的潛力。

2）本濕地填料其原料均來源于聚氯乙烯、聚丙烯、維尼綸或尼龍等廢棄塑料，以及燒結粘土，從而擁有重量輕，來源廣的特點，為找到適合于處理城市生活污水的填料從而減小人工濕地在城市中的占地面積和延長人工濕地使用年限提供一定的參考。

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