生態滲濾池對微污染水中COD·氨氮和總磷去除效果研究

劉飛 左娜 羅耿彬 解少杰 高明杰

摘要?在人工濕地與人工快滲等傳統工藝基礎上，結合農村地區排污現狀和黑臭水體治理要求，提出一種生態滲濾池工藝，研究連續運行21 d對微污染水體中COD、氨氮、總磷的去除效果。結果表明，生態滲濾池可以有效去除微污染水體中的COD、氨氮、總磷，出水可以穩定達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標準，COD、氨氮、總磷平均去除率分別達78.35%、87.72%和85.96%。生態滲濾池對有機微污染物質的去除效果從大到小依次為氨氮、總磷、COD。

關鍵詞?微污染水;生態滲濾池;COD;氨氮;總磷;去除效果

中圖分類號?X505文獻標識碼?A文章編號?0517-6611（2020）02-0075-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.021

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on Removal Effect of COD， NH4+-N and TP in Micro-polluted Water by Ecological Percolating Filter

LIU Fei1， ZUO Na2， LUO Geng-bin1 et al

（1.Shenzhen Oasis Ecological Technology Co. Ltd.， Shenzhen，Guangdong 518055; 2. China Coal Technology & Engineering Group Nanjing Design & Research Institute Co. Ltd.， Nanjing，Jiangsu 210031）

Abstract?Based on the traditional techniques such as constructed wetland and artificial rapid infiltration， combined with the current situation of sewage in rural areas and the requirements of black and odorous water treatment， an ecological percolating filter（EPF） process was proposed，COD，NH4+-N and TP removal from micro-polluted water by EPF were observed in a continuous running of 21 days. Results showed that EPF could wipe out contamination of COD，NH4+-N and TP effectively and met Grade III of the Environment Quality Standards for Surface（GB 3838-2002）. The removal rates of COD，NH4+-N and TP were 78.35%，87.72% and 85.96%，respectively. The removal efficiency of organic micro-pollutants from EPF was NH4+-N>TP>COD.

Key words?Micro-polluted water;Ecological percolating filter（EPF）; COD; NH4+-N;Total phosphorus;Removal effect

人類的不科學活動造成水資源中有機微污染物質（農藥、醫藥等藥物和微塑料）含量不斷增加，對人類身體健康和水生態系統產生不利影響[1-3]。飲用水中混入有機微污染物質，可引起有害物質富集，傳染病暴發[1]。微污染水體問題已經引起了人們的關注[3]，有效的修復、處理方法主要有物理方法、化學方法和生物方法等。隨著微污染物質的范圍不斷擴大，濃度不斷增加，微污染物去除處理工藝也在不斷深化，由簡單的物理化學處理工藝增加了生物處理工藝、生態處理工藝和強化生物處理工藝[4]。生態修復作為一種具有很大潛力和經濟有效的處理方法，越來越受到廣泛關注[4]。

人工濕地去除污染物主要通過植物吸收，需配合投加菌劑等，整個系統的微生物結構脆弱;人工快滲以河沙為主要濾料，是一種滲濾系統。該研究在人工濕地與人工快滲等傳

統工藝基礎上，結合農村地區排污現狀和黑臭水體治理要求，將生態修復與滲濾功能相結合，形成生態滲濾池（ecological percolating filter，EPF）。植物根系作為生物膜附著載體，與各種類型濾料協同作用，系統考察生態滲濾池對微污染水體中COD、氨氮和總磷的去除效果，為微污染水體治理工藝提供理論基礎和工程借鑒。

1?材料與方法

1.1?試驗裝置

該試驗裝置采用前端處理+生態滲濾池工

藝（圖1），主要包括Single池、反應沉淀罐、污泥干化槽、生態滲濾池和出水槽等。微污染水經過提籃格柵進入Single池，停留一段時間，泵送至沉淀罐，添加PAC/PAM絮凝沉淀，水體進入生態滲濾池，通過濾池中的植物根系和填料上生物膜作用，降解水體中有機微污染物質，最終由出水槽達標排放。

1.2?生態滲濾池

生態滲濾池反應器由有機玻璃制成，主要包括適水植物、布水管道和人工濾料（圖2）。裝置長2 000 mm、寬1 500 mm、高2 000 mm，在裝置底端側壁留有排水口，水通過集水管排出。人工濾料分為4類，主要包含砂石、生態珠等。濾料直徑、裝填高度見表1。植物選用品種、種植間距見表2。

1.3?進水水質

該試驗進水水質參照《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）和《生活飲用水衛生標準》（GB 5749—2006）進行人工配水。具體指標分別為pH 6～9、COD 60～109 mg/L、NH4+-N 3.0～5.8 mg/L、TP 0.9～1.6 mg/L、濁度3～8 NTU。

1.4?運行參數

用清水沖洗生態滲濾池4～5次，使出水水質與進水水質相同。將配制好的微污染水通過離心泵，泵送至濾池，由布水管流出。設計水量為5 m3/d，水力負荷為0.8 m3/（m2·h）。每天運行4個批次，每個批次進水1 h、出水1 h，停留反應4 h。

1.5?檢測指標及分析方法

該試驗所測指標為COD、氨氮和總磷。COD采用重鉻酸鹽法（HJ 828—2017），氨氮采用納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009），總磷采用鉬酸銨分光光度計法（GB 11893—89）。數據分析利用OriginPro 2018C（OriginLab Corporation，USA）軟件分析數據。

2?結果與分析

2.1?生態滲濾池對微污染水中COD的去除效果

有機微污染物質部分來源于工廠企業等，直接隨污水排出;部分來源于農業用有機物，通過滲透作用進入地下水系統[5]。COD表征水體中好氧性有機物的含量。COD的高低反映了水體中有機微污染物質含量的多少。圖3表示生態滲濾池處理對微污染水COD去除情況的影響。從圖3可看出，系統運行3 d后即達到穩定狀態;平均進水COD為80.81 mg/L，平均出水COD為18.11mg/L，去除率達78.53%。出水標準滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標準（20 mg/L）。同時還可以看出進水COD增大，系統運行穩定，去除率為78.35%。

生態滲濾池能夠快速達到穩定狀態，主要有以下原因造成：首先，濾料表面的微孔能夠截留吸附有機微污染物質，有利于快速掛膜，Hagemann等[6]研究發現基質表面涂有有機物質可以增強對水溶解物質的滯流;其次，植物根系與濾料緊密結合，產生根際效應，增強生物活性、氧化還原電位等，大大提高水體污染物的降解能力[6-7]。

2.2?生態滲濾池對微污染水中氨氮的去除效果

氨氮的去除主要有吸附、氨化、硝化、反硝化等。氮元素是植物合成蛋白質的重要元素。試驗中選種的植物對有機污染物質具有較強的吸附和吸收能力[8-10]。從圖4可以看出，生態滲濾池對氨氮的去除效果顯著，3 d內去除率由30%提高至93%，并一直維持在較高水平;氨氮的平均去除率為87.72%;平均進水氨氮為4.37 mg/L，平均出水氨氮為0.54 mg/L。出水標準高于《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標準（1.0 mg/L）。

植物根系能夠有效過濾和分解懸浮物，具有較強的污水凈化能力和傳輸氧氣、有利于氮硝化等[9]。生態滲濾池的濾料粒徑，由上向下逐漸增大，粒徑間隙逐漸增大，不僅有利于植物根系的生長，便于微生物掛膜，同時也為微生物高效降解有機微污染物質提供了傳質通道。Cui等[9]研究發現高爐礦渣空隙大，能夠有效吸附氨氮和磷，并且為植物提供礦質元素。試驗中的濾料中含有砂石、生態珠，為植物提供礦質元素的同時，也為微生物的附著和生長提供環境。因此，生態滲濾池系統對氨氮的去除率一直保持較高水平。

2.3?生態滲濾池對微污染水中總磷的去除效果

磷是造成水體富營養化的主要元素之一。磷的去除對控制水體富氧化至關重要[11]。試驗中總磷的去除情況如圖5所示。試驗平均進水總磷為1.37 mg/L，平均出水總磷為0.19 mg/L，出水標準滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標準（0.2 mg/L），總體上，生態滲濾池對微污染水體中總磷去除效率較高，平均為85.96%。

聚磷菌是生物除磷的主要菌群，在厭氧和好氧條件下，形成磷酸鹽或合成細胞內物質[12-13]。植物通過主動吸收磷元素，合成植物的遺傳物質、生物膜骨架、酶等物質。磷是氮素代謝過程中一些重要酶的組分，濾料中微生物和植物根基微生物協同降解氮元素和磷元素。

2.4?生態滲濾池對有機污染物去除的機理

人工濕地主要通過植物吸收去除污染物，甚至需配合投加菌劑等[14];人工快滲是一種滲濾系統[15]。生態滲濾池利用植物根系作為生物膜附著載體，與各種類型濾料協同作用，作用機制結合了植物根系與滲濾系統，降解有機微污染物質。

濾料吸附、吸收和氧化層的粒徑為8～20 mm，濾料孔隙上生物膜從外層到內層出現氧氣濃度梯度變化的微環境，促進微生物新陳代謝活動，如硝化反硝化同步反應或短程硝化除磷[12]。植物根系生長于濾料周圍，吸收根際周圍的脫落生物膜和礦質元素，同時根際分泌物促進形成新的生物膜，生物群落結構和代謝活動形成良性循環。

3?結論

微污染水具有潛在累積風險，對生態環境和人體健康均會產生影響。加強對微污染水體治理的研究具有重要的科學研究意義和實際意義。

生態滲濾池對微污染水體中COD、氨氮、總磷的去除效果較好，可以穩定達到《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的Ⅲ類水標準，平均去除率分別達78.35%、87.72%和85.96%。生態滲濾池工藝可以用于微污染水體的治理方法。

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