生物滯留池處理污水廠尾水中糞大腸菌群的試驗研究

周衛(wèi)東，李 芳，李 磊，方 程，關(guān) 輝，吳 濤，王 飛

（1.南京水務(wù)集團有限公司，江蘇 南京 210000；2.江蘇金陵環(huán)境股份有限公司，江蘇 南京 210000；3.南京城南污水處理有限公司，江蘇 南京 210039；4.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211189）

0 引言

為達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]中的糞大腸菌群指標(biāo)要求，目前我國城市污水廠大多采用氯消毒的方法對尾水進行消毒，在尾水氯消毒過程中，氯會和水中的殘留有機物反應(yīng)生成一些有害環(huán)境和人體的消毒副產(chǎn)物[2]。尾水消毒后直接排放或者作為再生水利用后進入到自然水體中，產(chǎn)生的氯消毒副產(chǎn)物會對受納水體中的生物和人類健康造成直接或間接危害[3]。因此，研究污水廠尾水氯消毒的替代方案具有重要的實踐意義。近年來，國內(nèi)外研究學(xué)者對污水廠尾水消毒技術(shù)進行了大量研究。劉喜坤等[4]通過研究紫外線聯(lián)合二氧化氯的消毒效果，發(fā)現(xiàn)二氧化氯消毒克服了紫外線消毒不能提供持續(xù)消毒能力的缺陷，增強了系統(tǒng)的消毒能力。王儉龍[5]在研究膜生物反應(yīng)器（MBR）消毒工藝時，發(fā)現(xiàn)臭氧與次氯酸鈉組合的消毒方法可以大幅降低三鹵甲烷（THMs）生成量，有效氯投加量為4 mg/L 時，生成的THMs 質(zhì)量濃度減小至14.11 μg/L，THMs 生成量比次氯酸鈉單獨消毒過程降低了37.19%。一些新興消毒技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)并付諸應(yīng)用，如納米光催化消毒、超聲消毒、微波消毒、電場法消毒、電離輻射消毒、膜法消毒等[6-10]，新興消毒技術(shù)大大擴充了消毒工藝的選擇范圍，但在實際應(yīng)用中普遍存在技術(shù)難度高、成本高、能耗高、處理能力較低等問題[11]。

生物滯留池是一種仿自然生態(tài)的雨水徑流控制設(shè)施，通過植物、填料和微生物的共同作用，來削減洪峰、過濾裹挾雜質(zhì)、凈化徑流水質(zhì)和補充地下水[12]。目前生物滯留池的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、植物選配、填料組成及配比、水文效應(yīng)、污染物去除等方面，關(guān)于生物滯留池處理污水廠尾水中糞大腸菌群的研究仍然不足。如李磊等[13]研究了水力負(fù)荷對生物滯留池處理污水廠尾水中氮、磷的去除效果；鄭楊等[14]研究了夏季不同降雨間隔對生物滯留池的脫氮效果；鄧延慧等[15]開展了不同水力條件下生物滯留池處理化糞池出水水質(zhì)的研究。因此，本文以污水廠尾水中糞大腸菌群為研究對象，研究不同運行條件下生物滯留池對污水廠尾水中糞大腸菌群的去除效果，為實現(xiàn)污水廠尾水的綠色、低碳、可持續(xù)消毒提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

構(gòu)建3 組生物滯留池試驗裝置，所用材料為5 mm 鋼板、透明PC 板以及PVC 管，每組生物滯留池長、寬、高分別為2，1，1 m，有效容積為1.6 m3，底部預(yù)留20 cm 過水空間，在上行池左側(cè)75 cm 高度處設(shè)置溢流口，由蠕動泵定時將集水桶中的污水泵入裝置中。生物滯留池試驗裝置見圖1。

圖1 生物滯留池裝置示意

3 組生物滯留池分別為A1，A2，A3。根據(jù)《海綿城市設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合生物滯留池設(shè)計建設(shè)相關(guān)研究成果及應(yīng)用案例，將A1，A2，A3 這3 組生物滯留池分別填充粒徑為0.5 ～1，1 ～2，3 ～5 mm 的無煙煤填料，并將水力停留時間設(shè)計為1，2，3 d 3 個梯度。A1，A2，A3 生物滯留池均種植美人蕉。

1.2 儀器設(shè)備

恒溫培養(yǎng)箱：37±1℃；恒溫培養(yǎng)箱：44.5±0.5 ℃；高壓蒸汽滅菌器：121 ℃，101.3 kPa；冰箱：0 ～4 ℃；移液管：1±0.01，10±0.1 mL；試管：Φ15 mm×150 mm；采樣瓶：250 mL。

1.3 糞大腸菌群測定方法

糞大腸菌群測定方法執(zhí)行HJ 755—2015《水質(zhì)總大腸菌群和糞大腸菌群的測定紙片快速法》[16]，由于本方法檢出限為20 MPN/L，對于低于檢出限以下的檢測值，本文均以10 MPN/L 代替。

1.4 裝置運行

裝置構(gòu)建完成后，在試驗初期持續(xù)通入經(jīng)二沉池處理后的污水，保持基質(zhì)潤濕，促進美人蕉生長和基質(zhì)掛膜，此期間不記錄水量和水質(zhì)。掛膜成功后，將試驗分為3 個階段，7 ～9月為夏季高溫試驗階段，10 ～11月為秋季中溫試驗階段，12月～次年1月為冬季低溫試驗階段。試驗期間，根據(jù)水力停留時間每周平均取樣2 ～4 次。

為保證生物滯留池進水濃度相對穩(wěn)定，在每組試驗開始前，通過潛水泵將二沉池出水輸送到集水桶中，試驗開始時，通過蠕動泵將集水桶中污水穩(wěn)定輸送到生物滯留池中。

2 結(jié)果與討論

2.1 進水濃度對出水糞大腸菌群數(shù)的影響

經(jīng)二沉池處理后的污水中糞大腸菌群數(shù)日際變化較大，導(dǎo)致生物滯留池進水中糞大腸菌群數(shù)存在顯著波動，故根據(jù)實測數(shù)據(jù)，將生物滯留池進水中糞大腸菌群數(shù)分為3 個梯度，分別為3 000 ～5 000，7 000～10 000，20 000 ～50 000 MPN/L。為研究進水濃度對糞大腸菌群數(shù)的影響，選擇水力停留時間最短（HRT=1 d）、無煙煤填料粒徑最普遍（1 ～2 mm）的工況作為試驗條件，結(jié)果見圖2。

圖2 進水濃度對出水糞大腸菌群數(shù)的影響

由圖2 可以看出，在HRT=1 d、填料粒徑為1 ～2 mm 條件下，隨著進入到生物滯留池中糞大腸菌群數(shù)的增加，生物滯留池出水中的糞大腸菌群數(shù)也在不斷增加，但糞大腸菌群平均去除率均保持在99%以上。即使進入到生物滯留池中的糞大腸菌群數(shù)較高（20 000 ～50 000 MPN/L），但出水中的糞大腸菌群數(shù)僅為120 MPN/L，符合GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)，這是因為生物滯留池填料對糞大腸菌群具有明顯的吸附截留作用。由此可以得到，在水力停留時間最短（HRT=1 d）、無煙煤填料粒徑最普遍（1 ～2 mm）的試驗條件下，生物滯留池出水糞大腸菌群數(shù)受進水糞大腸菌群數(shù)的影響較小，出水中糞大腸菌群數(shù)均能達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918—2002）。

2.2 填料粒徑對出水糞大腸菌群數(shù)的影響

為研究無煙煤填料粒徑對出水糞大腸菌群數(shù)的影響，選擇尾水中糞大腸菌群數(shù)最高（20 000 ～50 000 MPN/L）、水力停留時間最長（HRT = 3 d）的工況作為試驗條件，結(jié)果見圖3。

圖3 填料粒徑對出水糞大腸菌群數(shù)的影響

由圖3 可以看出，當(dāng)尾水中糞大腸菌群數(shù)為20 000 ～50 000 MPN/L，HRT=3 d 時，雖然無煙煤填料粒徑發(fā)生變化，但經(jīng)生物滯留池處理后的出水中糞大腸菌群數(shù)均低于50 MPN/L，平均去除率均高于99.8%，均能達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn) （GB 18918—2002），這是因為尾水中仍大量存在微觀懸浮物，糞大腸菌群主要附著在懸浮物表面，通過填料的過濾、吸附、截留作用，絕大部分糞大腸菌群在生物滯留池中得到有效去除。試驗說明在尾水糞大腸菌群數(shù)較高的情況下，保證較高的水力停留時間，能夠?qū)崿F(xiàn)糞大腸菌群較高的去除率。當(dāng)無煙煤填料粒徑為0.5 ～1 mm 時，出水中糞大腸菌群數(shù)為40 MPN/L；當(dāng)無煙煤填料粒徑分別為1 ～2 mm 和3 ～5 mm 時，出水中糞大腸菌群數(shù)未發(fā)生變化，均為50 MPN/L，說明當(dāng)無煙煤填料粒徑為0.5 ～1 mm 時，生物滯留池對糞大腸菌群的去除效果最好。分析認(rèn)為，在試驗條件下，無煙煤填料粒徑越小，填料孔隙率越小，對糞大腸菌群的截留和吸附作用越明顯。

2.3 水力停留時間對出水糞大腸菌群數(shù)的影響

為研究水力停留時間對出水糞大腸菌群數(shù)的影響，選擇尾水中糞大腸菌群數(shù)最高（20 000 ～50 000 MPN/L）、無煙煤填料粒徑為0.5 ～1 mm 的工況作為試驗條件，結(jié)果見圖4。由圖4 可以看出，當(dāng)尾水中糞大腸菌群數(shù)為20 000 ～50 000 MPN/L、無煙煤填料粒徑為0.5 ～1 mm 時，雖然水力停留時間發(fā)生改變，但經(jīng)生物滯留池處理后的出水中糞大腸菌群數(shù)均低于70 MPN/L，平均去除率均高于99.8%，均能達(dá)到一級A 排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 18918—2002）。隨著水力停留時間的增加，出水中糞大腸菌群數(shù)出現(xiàn)不同變化。當(dāng)HRT 為2 d 時，出水中糞大腸菌群數(shù)達(dá)到最高值，為70 MPN/L；當(dāng)HRT為3 d 時，出水中糞大腸菌群數(shù)達(dá)到最小值，為40 MPN/L。這是因為當(dāng)HRT=1 d 時，糞大腸菌群的去除主要是通過生物滯留池的過濾和吸附作用；當(dāng)HRT=2 d 時，由于進水中糞大腸菌群數(shù)較高，超過了生物滯留池的處理負(fù)荷，導(dǎo)致出水中糞大腸菌群數(shù)略微上升；當(dāng)HRT=3 d 時，糞大腸菌群的容積負(fù)荷降低，糞大腸菌群在生物滯留池內(nèi)能夠被進一步過濾和吸附。此外，美人蕉根部對糞大腸菌群的吸附固定也起到一定作用。說明當(dāng)尾水中糞大腸菌群數(shù)較高、無煙煤填料粒徑為0.5 ～1 mm 時，控制HRT為3d，能夠?qū)崿F(xiàn)糞大腸菌群較好的去除效果。

圖4 HRT 對糞大腸菌群數(shù)的影響

2.4 溫度對出水糞大腸菌群數(shù)的影響

試驗使用水銀溫度計測量生物滯留池水溫，測量時間為每日10：00，測量A1，A2，A3 生物滯留池的出水糞大腸菌群數(shù)，取3 組生物滯留池出水糞大腸菌群數(shù)的平均值作為該溫度下的測定值。溫度對生物滯留池進出水中糞大腸菌群數(shù)的影響見表1。

表1 溫度對生物滯留池進出水中糞大腸菌群的影響

由表1 可知，隨著溫度升高，進水糞大腸菌群數(shù)也在不斷升高，這是因為二沉池出水通過潛水泵被打入集水桶中，集水桶中由于環(huán)境溫度相對偏高，導(dǎo)致桶中糞大腸菌群快速繁殖。此外，夏季高溫也會促進污水廠污水中糞大腸菌群的大量繁殖。分析得出，溫度與進水糞大腸菌群數(shù)具有強相關(guān)性（r=0.91，p=0.001），溫度越高，進水糞大腸菌群數(shù)越高；而溫度與出水糞大腸菌群數(shù)并無顯著相關(guān)性 （r = 0.54，p =0.166），說明溫度與出水糞大腸菌群數(shù)的關(guān)系不明顯。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)HRT為1 d、無煙煤填料粒徑為1 ～2 mm時，隨著進水糞大腸菌群數(shù)的增加，生物滯留池對糞大腸菌群數(shù)的去除率仍能保持在99%以上，出水糞大腸菌群數(shù)滿足一級A 排放標(biāo)準(zhǔn) （GB 18918—2002）。

（2）當(dāng)HRT控制在3 d、尾水中糞大腸菌群數(shù)為20 000 ～50 000 MPN/L 時，選擇粒徑為0.5 ～1 mm的無煙煤填料，能夠?qū)崿F(xiàn)糞大腸菌群較高的去除率。

（3）當(dāng)無煙煤填料粒徑為0.5 ～1 mm、尾水中糞大腸菌群數(shù)為20 000 ～50 000 MPN/L 時，控制HRT為3 d，能夠?qū)崿F(xiàn)糞大腸菌群較高的去除率。

（4）溫度越高，尾水中糞大腸菌群數(shù)越高；溫度與生物滯留池出水中糞大腸菌群數(shù)的關(guān)系不明顯。