生態濾池中污染物去除與出水中溶解氧的關系研究

陳登美 朱 彬 康 媞

(貴州省環境科學研究設計院，貴陽 550081)

貴州省作為西部欠發達省份，受經濟發展水平以及喀斯特地形條件等限制，污水的收集和處理面臨較大的困難，全省農村生活污水處理較全國而言處于較低水平，由于農村居民分布零散，污水排放量小，水量波動大，難以集中收集處理等自身特點，宜采用分散式生活污水處理方式，推進農村污水治理[1]。

目前，貴州省農村生活污水處理技術主要以生物處理為主，其中人工濕地由于具有建造和運行費用低、易于維護等優點[2-4]，被廣泛應用于農村生活污水處理，但由于人工濕地所能承受的水力負荷較小，污染物去除能力較低，在推廣運用上有一定的局限性，而生態濾池具有水力負荷較高、占地面積較小等優點，在貴州污水處理中具有較好的適用性。

生態濾池主要是由填料基質以及植物等組成。通常認為，生態濾池主要是通過物理作用、化學作用以及生物作用這三個方面的協同作用達到對污水凈化的目的[5-7]。目前對溶解氧與污染物的去除影響主要研究對象為人工濕地[8-9]，對生態濾池中DO變化情況與污染物去除關系的研究較少。為研究生態濾池出水中DO含量與污染物的去除關系，為貴州省農村污水處理設計參數提供依據，在實驗室內構建了生態濾池，研究出水中DO含量和污染物的去除率關系。

1 試驗裝置與方法

1.1 植物選擇

有研究表明，貴州本土耐污能力相對較強的野生水生植物有水蔥、藨草、菰、羊蹄、莕菜、白水苦菜6種植物[10]，通過與廣泛應用于污水處理試驗研究的菖蒲、美人蕉和旱傘草進行對比，結果表明：以上6種本土植物對污水中污染物有一定的凈化效果，但相比菖蒲、美人蕉和旱傘草其凈化效果較差，且由于6種本土植物沒有規模化種植，獲取難度較大，因此選取美人蕉和旱傘草作為本次生態濾池試驗裝置中的配置植物，栽種時植株高15～20 cm。

1.2 試驗裝置

設計3組生態濾池小型試驗裝置，每組設置兩個平行，分別種植美人蕉、旱傘草、美人蕉+旱傘草，分組情況見表1，植株種植密度為30株/m2，除種植植物不同外，其余均相同。試驗裝置采用直徑400 mm有機玻璃管制作，反應器裝置見圖1。填料從下至上采取粒徑逐漸變小的級配方式，填料總高度為80 cm，采用蠕動泵控制進水和十字架布水管布水，

表1 植株種植與分組

圖1 室內試驗裝置示意圖

濾池底部設置采樣點。該裝置于2018年7月開始運行，2018年9-12月對出水中溶解氧含量與污染物去除效果進行研究。

1.3 污水來源及進水水質

試驗污水進水取自貴州省環保科技園化糞池，進水指標見表2，平均C/N比為4.39。

表2 試驗進水水質 單位：mg/L

1.4 運行情況及水樣采集情況

進水水力負荷為0.8～0.9 m3/m2·d之間，以24 h連續進水方式運行。每周對進出水取樣進行水質檢測和分析，監測指標為：COD、NH3-N、TN、TP、DO、水溫、pH值。具體測試方法與使用儀器見表3，具體操作步驟參照《水和廢水監測分析方法》[11]。由于本次進水為貴州省環保科技園化糞池污水，受污水中懸浮物等的影響，流量在一定范圍內有波動。

表3 分析項目與方法

2 試驗結果與分析

植物在種植兩周后全部成活，試驗前期平均每月凈生長高度約6～10 cm，長勢總體良好；到11月，植株總高度為40～45 cm。試驗期間出現老葉枯黃狀態時及時將枯黃的老葉去除；進入11月，由于受低溫影響，植物生長較緩慢，進入12月，基本處于生長停滯狀態。整個試驗期間，污水24 h連續進入，未出現水淹狀態。

2.1 COD去除率與出水中DO關系分析

從9月至12月，COD去除率與出水DO的關系見圖2。

對三組裝置的COD去除率與出水的DO進行相關性分析，結果表明，美人蕉裝置的COD去除率與出水DO含量有很好的相關性，相關系數在0.815以上；美人蕉+旱傘草裝置在9月相關性不明顯，從10月以后，相關系數為0.93；旱傘草裝置除11月上旬外，相關性達到了0.9以上，總體上，三組裝置出水中DO與COD去除率呈較好正相關。試驗表明，在DO充足的情況下，好氧微生物在降解有機物的過程中，氧能得到有效供應，好氧微生物的生長代謝能持續進行，由于COD去除主要為好氧微生物的作用，因此其去除率也較高；而當出水中DO含量較低時，在裝置系統反應后端，裝置中無足夠的氧去維持好氧微生物的生長代謝，降解有機物的過程受到DO不足的制約，COD去除率下降。同時，由于受低溫影響，微生物活性降低，植物生長緩慢甚至停滯，根系輸氧能力降低，處理效果下降。

圖2 COD去除率與出水中DO關系圖

從進出水DO變化情況來看，在9月至11月上旬，三個裝置出水中DO均高于進水中的DO，在這期間植物長勢良好，說明這期間裝置中可能存在植物根系泌氧的情況。而在11月下旬至12月，進水中的DO均高于出水中DO，這可能是由于受低溫影響，植物生長處于停滯狀態，根系泌氧能力減弱，而系統中的好氧微生物生長耗氧，出水中DO濃度降低。

從出水濃度達標情況來看，以上三個裝置在整個試驗期間出水均達到或優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中的一級B排放標準，其中在12月由于受低溫影響，出水COD較其他月偏高，但均達到了一級B排放標準，也全部達到了《貴州省農村生活污水處理污染物排放標準》(DB52/1424-2019)中的一級標準。

從實驗室結果來看，在工程設計中，對于生態濾池布水管孔徑及孔間距需要根據處理水量、濾池面積等進行合理設計，使進水盡可能的均勻分布，對于填料的選擇和布置需兼顧到處理效果及防堵塞情況，防止進水發生短路現象。同時根據研究表明，在一定水力負荷調節下，降低水力負荷有助于處理效率提升[12-13]，因此在冬季溫度較低情況下可通過適當減小水力負荷提高出水水質。

2.2 NH3-N去除率與出水中DO關系分析

從9月至12月，NH3-N去除率與出水DO的關系見圖3。

圖3 NH3-N去除率與出水中DO關系圖

對9月至12月出水DO監測發現，從11月開始，氣溫低于12℃時，由于受低溫影響，植物生長處于休眠狀態，根系輸氧能力弱，出水中DO 均顯著降低，受低溫影響微生物生長代謝受到抑制。

對三組裝置的NH3-N去除率與出水的DO進行相關性分析，結果表明，美人蕉裝置的NH3-N去除率與出水DO含量有較好的相關性，相關系數在0.820以上；美人蕉+旱傘草裝置在9月無明顯相關性，從10月下旬開始，相關系數為0.932，相關性較高；旱傘草裝置除11月上旬外，其余相關性也達到了0.87以上。氨氮去除率與出水中DO相關性與COD基本一致。由于氨氮的去除主要為硝化菌類作用，而硝化菌類主要為好氧微生物，當出水DO含量高，說明濾池中的DO較充足，好氧微生物在發生硝化作用時，由于氧能得到有效供應，硝化菌的生長代謝能得到持續進行，促進了硝化作用的發生，氨氮得以去除，這與COD去除率的變化基本一致。

從出水濃度達標情況來看，三組裝置出水濃度均都能達到或優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中的一級B排放標準，也全部達到了《貴州省農村生活污水處理污染物排放標準》(DB52/1424-2019)中的一級標準。

2.3 TN與出水中DO關系分析

試驗期間通過對出水中的DO進行監測，發現TN的去除率和出水中的DO有一定的相關性，但相關性并不明顯。通過2018年10月對裝置中10 cm土壤層的微生物檢測發現，裝置中存在好氧、厭氧和兼氧性反硝化菌，而反硝化作用是以上幾類反硝化菌共同作用的結果，這可能是導致TN的去除與出水中DO無相關性的原因，另外，進水C/N比低也可能是導致裝置后端反硝化作用不明顯的原因之一。

從出水濃度達標情況來看，三組裝置NH3-N出水濃度除12月外，其余月均能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中的一級B排放標準，在12月由于受低溫影響，出水略有超標情況。

在實際工程中，可通過前端曝氣或自然通風方式加強前端的硝化作用，使前端的氨氮盡可能的轉化為硝酸鹽氮，為反硝化的順利進行提供前體物質，后端若碳源不足時可通過回流、多點進水方式在不額外增加碳源的情況下為反硝化作用提供碳源，使反硝化過程能充分進行。同時在冬季低溫情況下合理調節水力負荷，增加水力停留時間，從而提高處理系統的除氮效率。

3 結論與建議

COD和NH3-N的去除率總體來說與出水中的DO呈正相關，但TN由于裝置中存在厭氧、好氧和兼氧性反硝化菌，反硝化作用是以上幾類反硝化菌共同的結果，因此TN去除率與出水中DO無明顯相關性。在實際工程中，為提高系統對COD、NH3-N去除率，可考慮在系統的前端采取自然通風或強制通風方式，保持系統前端處于好氧環境，利于硝化作用的進行。而在裝置后端為維持反硝化階段有足夠的碳源，可通過回流、多點進水等方式在不外加碳源的情況下補充反硝化所需碳源，同時微生物的豐富性和多樣性也可提高系統的穩定性和污染物的處理率。