強化生態浮床深度處理城市污水處理廠出水

左芝娜

（湖南百舸水利建設股份有限公司，湖南 長沙 410007）

前 言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，水污染和資源短缺問題日益突出。由污水處理廠（WWTPs）處理后的再生水成為緩解水資源短缺的良好選擇[1]。污水處理廠的合格廢水通常具有低碳氮比（C/N）和難生物降解的特點。由于有機化合物的限制[1]，傳統的廢水處理技術無法有效處理低C/N 廢水，除非改進工藝或增加處理設施，需要大面積、高投資和復雜的系統。本研究依托邵陽縣鄉鎮污水處理設施（一期）建設項目，針對農村生活污水處理廠出水進行深度凈化研究。

生態浮床（EFB）利用生態工學原理降解水中COD氮和磷的含量，因其成本低、結構簡單、操作方便、維護費用低等優點，已廣泛應用于各類廢水的處理以及河流湖泊的富營養化[2]。目前，生態浮床已成功應用于污水處理廠出水的深度凈化。在生態浮床凈化廢水的過程中，植物和微生物都扮演著重要的角色。植物不僅能吸收氮和磷以促進自身生長，還能為微生物提供附著點，并通過根系釋放氧氣影響微生物硝化和反硝化作用[3]。在污水處理廠廢水處理中，碳源不足會限制生態浮床的脫氮性能，導致脫氮效率低，需要外部碳源。近年來，植物凋落物因其纖維素豐富、成本效益高、可再生性強等特點，逐漸成為一種替代碳源化合物[4]。植物是生態浮床的重要組成部分，收獲后可作為外部碳源，為廢物處理提供經濟解決方案。據報道，通過增加碳供應和促進反硝化細菌的生長，添加植物生物量提高了硝酸鹽的去除率[5]。因此，有必要開發一種更合適的碳源來提高生態浮床的處理效率。

本研究以普通濕地植物蘆葦和聚己內酯為主要原料，合成了一種緩釋型殼聚糖。此外，為了彌補傳統生態浮床除磷效率低、生物量小等缺點，將改性蘆葦生物炭制成的新型基質引入生態浮床，如圖1 所示。本研究的目的是：研究外加碳源對污水處理廠生態浮床凈化廢水脫氮的影響。

圖1 改性蘆葦生物炭制成的新型基質引入生態浮床

1 材料與方法

1.1 材 料

本研究所用廢水來自邵陽縣鄉鎮污水處理廠。經檢測，主要污染物及其濃度如下（mg/L）：化學需氧量（COD），20～40；氨氮（NH4+-N），0.2～0.7；硝酸鹽氮（NO3--N），7～11；亞硝酸鹽氮（NO2--N），0～0.6；總氮（TN），8～13；總磷（TP），0.2～0.4。

1.2 碳源制備

以蘆葦為原料制備的蘆葦草粉，蘆葦草粉與聚己內酯以5∶3 的質量比混合加入3～4 mL 硅烷偶聯劑，充分混勻，得到碳源。

1.3 實驗和測定

用200 mL 去離子水浸泡約4.0 g 碳源于錐形瓶中進行碳釋放試驗。按照1，3，8 和20 h 間隔采集水樣，后每24 h 采集一次。測定水中溶解COD、TN、TP。測定了溶液中殘余磷的濃度。每天固定時間從每個系統的入口和出口采集水樣。現場測定pH、溫度和溶解氧（DO）濃度，用0.45 μm 濾膜過濾后測定COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN 和TP。

2 結果與討論

2.1 pH、溶解氧（DO）和溫度的變化

試驗期間測定pH、DO 和溫度。兩種系統（添加碳源和不添加碳源）的溫度（24.8～26.2℃）無顯著差異（p＞0.05）。pH 值介于6.8～8.0 之間，表明碳源添加對pH 值的影響有限。然而兩種體系的DO 濃度差異顯著（p＜0.05），說明碳源的添加可以影響系統中DO 的濃度。

2.2 碳源的釋碳性能

為了探究碳源添加后系統的性能，我們測定了在碳源釋放后，兩種系統中COD、TP 和TN 的濃度。結果如圖2 所示，添加碳源的系統早期釋碳能力極強，COD 濃度最大可達到19 mg/g，隨后迅速減弱。100 h 后，添加碳源的系統碳釋放能力趨于穩定，COD 濃度的平均值為5 mg/g。以上結果可能是因為對蘆葦原材料進行了堿預處理，蘆葦原料中的木質素部分被去除，導致纖維素和半纖維素大量暴露在水中，有利于碳水化合物的釋放。與COD 相比，添加碳源的系統中TP 和TN 變化較小，與未添加碳源的系統中TP 和TN 濃度差異性不大（p>0.05）。然而以往研究中所使用的碳源是富氮玉米秸稈，將其應用于人工濕地的實際應用中會產生高濃度的TN 廢水[6]。以上結果說明本文所用碳源優于富氮玉米秸稈，利于人工濕地的實際應用。

圖2 添加碳源系統中COD、TN、TP 的釋放量

2.3 碳源對生態浮床去除COD 和N 的影響

為了研究本試驗中碳源對生態浮床去除COD和N 的影響，我們檢測了進出水COD 和N 的濃度。結果顯示添加碳源的系統其進水時的COD 濃度在8～30 mg/L 范圍內，出水時COD 濃度在3.5～12.4 mg/L 范圍內，平均COD 去除率為30%。系統運行前10天，出水中COD 的濃度一直高于進水COD 濃度，在系統運行第6 天達到最大，為71.2 mg/L，然而隨著碳源的釋放，有機物逐漸減少。除此之外，系統中微生物例如反硝化細菌等的增殖對有機質的消耗增加，使得添加碳源的系統中出水的COD 濃度逐漸降低。以上結果說明碳源的添加有利于生態浮床對COD 的去除。

兩種系統中進水的TN 濃度在7～11 mg/L 范圍內。在系統運行期間內，未添加碳源的系統中出水的TN濃度約為8 mg/L，前期平均去除率約為25.0%。而在添加碳源的系統中，出水TN 濃度一直下降，最小至1 mg/L，后保持在2.8 mg/L 以下。而且添加碳源的系統對TN的去除率呈上升趨勢，平均去除率最大可達90%（一天時間）。相比之下，未添加碳源的系統平均只能去除17.0%的TN（出水TN 濃度從7 mg/L 降至10 mg/L）。碳源的加入使TN 去除率提高了3 倍左右，出水TN 濃度可達到《中國地表水環境質量標準》中的IV 級（≤1.5 mg/L），以上結果說明碳源的添加可以顯著增強生態浮床對污水中TN 的去除效果。

為了評價碳源添加對氨氮（NH4+-N）去除的影響，我們對兩種系統中進出水NH4+-N 濃度做了檢測。兩種系統的進水NH4+-N 濃度在0.2～0.6 mg/L 之間。在整個試驗期間，未添加碳源的系統中出水NH4+-N 濃度在0.1～0.5 mg/L 范圍內，其平均去除率為35%。而在添碳源的系統中，出水NH4+-N 濃度迅速上升，并在8 個小時達到峰值（0.7 mg/L）。添加碳源后系統出水NH4+-N濃度過高可能是由于碳源中沉積了植物的組成成分，例如蛋白質。然而隨著試驗的進行，碳源不斷釋放，NH4+-N 逐漸減少，出水NH4+-N 濃度逐漸低于進水濃度。添加碳源系統的平均NH4+-N 去除率（28%）與試驗17 天時未添加碳源的系統的NH4+-N 去除率相同。與未添加碳源的系統相比，添加碳源的系統的NH4+-N 去除效率較低，這可能是因為隨著試驗的進行，添加碳源的系統中來自于碳源釋放的有機物的降解消耗了一部分氧氣，從而降低了系統中氧氣的濃度，抑制了硝化細菌的硝化作用，導致NH4+-N 去除率降低。

我們對碳源添加對硝氮（NO3--N）去除的影響也做了評估。進水NO3--N 濃度的變化幾乎與TN 同步，其范圍在8～11 mg/L 之間。在添加碳源的系統中，系統出水NO3--N 濃度迅速下降，這可能是因為碳源衍生的有機物通過為反硝化菌提供足夠的電子供體改善了反硝化過程。系統運行1 天多后，在添加碳源的系統中出水NO3--N 濃度增加，與未添加碳源的幾乎相同，表明碳源釋放的有機物已經無法滿足微生物進行反硝化作用，從而導致NO3--N 濃度的增加。

進一步，我們對碳源添加對亞硝氮（NO2--N）去除的影響也做了評估。在整個試驗期間，兩種系統中進水NO2--N 濃度一直低于0.05 mg/L，未添加碳源的系統中的出水NO2--N 濃度在0.2～0.4 mg/L 的范圍內變化。由于進水NH4+-N 濃度較低，在未添加碳源的系統中發現了少量NO2--N 積累。在添加碳源的系統中，添加碳源后其出水NO2--N 濃度迅速上升，在試驗進行到第6 天時達到最大（2.4 mg/L），然后迅速下降至0.18 mg/L。試驗第6 天時NO2--N 濃度的增加可能是由于碳源利用不足導致NO3--N 的不完全反硝化，進而導致了NO2--N 的積累。而添加碳源系統中第6 天其出水COD 濃度最高（71.2 mg/L），也很好地證實了這一點。系統運行一段時間后，添加碳源系統中的出水NO2--N 濃度低于0.1 mg/L，這可能是因為此時有機質濃度較高，為微生物提供了足夠的可利用的基質，從而使其能夠進行充分的反硝化作用，進而減少了NO2--N 的積累。

3 結 論

利用生態浮床添加碳源后對廢水進行處理，通過碳源提供有機質從而提高了脫氮效果。其添加碳源的系統中平均碳釋放量為5 mg/g，與未添加碳源的系統相比，其總氮和總磷的平均去除率提高并超過了一半。添加碳源強化后的生態浮床可作為濕地植物廢棄物生物量深度處理污水處理廠出水的一種有效途徑，為濕地植物強化生態浮床處理低C/N 污水（如污水處理廠出水）提供了一種合適的方法。