工艺参数对蚯蚓生态滤池净化养殖污水的影响

李宗宇 颜志俊 赵海涛 张明月 郑盛阳 李天鹏 王波

摘要：【目的】探讨蚯蚓添加量、布料强度和布料方式等工艺参数对蚯蚓生物滤池净化养殖污水的影响特征，确定滤池规模化处理畜禽养殖污水的最佳条件，为养殖污水处理提供技术支撑。【方法】采用蚯蚓生态滤池技术净化养殖污水，测定水样中的总氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）、总磷（TP）、磷酸盐（PO43-）、化学需氧量（COD）、pH和电导率（EC）等指标。【结果】在相同蚯蚓添加量和滤料总量下，单层生态滤池去除养殖污水中TN、NH4+-N、NO3--N和COD的效果优于双层，但去除PO43-的效果劣于双层；布料强度为2.25～4.50 m3/m2·d时，最有利于养殖污水中NH4+-N、TN、TP和COD的去除，但对NO3--N含量、pH和EC变化无明显影响；蚯蚓添加量为0.5 kg/箱的处理对进水TN、NO3--N、NH4+-N、TP、PO43-和COD的平均去除率明显小于投入量1.0～2.0 kg/箱的处理，但蚯蚓添加量过大会导致出水EC增加。【结论】蚯蚓生态滤池能够持续高效并相对稳定地去除养殖污水中氮、磷和碳等污染物质。综合成本和效率因素，蚯蚓生态滤池净化养殖污水工艺建议采用单层布料，布料强度4.50 m3/m2·d，蚯蚓添加量1.0 kg/箱。

关键词： 蚯蚓生态滤池；畜禽养殖污水；布料方式；布料强度；蚯蚓添加量

中图分类号： X506 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）03-0433-08

0 引言

【研究意义】畜禽养殖污水具有数量大、氮磷等污染物浓度高等特点，是水环境的高危污染源，也是导致平原河网区生态型缺水的重要因素（付意成等，2010）。据相关统计资料显示，2010年我国畜禽养殖粪污化学需氧量（COD）和氨氮（NH4+-N）排放量分别占全国总排放量的41.9%和41.5%，养殖污水污染已成为养殖污染最大的症结（刘茹等，2012）。因此，研究应用蚯蚓生态滤池技术对养殖污水中氮磷进行处理，对规模化处理畜禽养殖污水具有很好的参考价值。【前人研究进展】現有的养殖污水处理工艺方法主要包括厌氧处理技术和好氧处理技术等。张国治和姚爱莉（2000）选用小球藻、颤藻等藻类，采用悬浮藻和固定藻法两种工艺对猪粪厌氧废液进行净化处理虽然取得一定的效果，但由于实验材料等因素限制，没有达到预期效果。邓良伟和刘铬铭（2001）采用内循环厌氧反应器（IC）工艺处理猪场废水，其总磷（TP）去除率达53.8%，COD去除率达80.3%。生态滤池是一项当前较有效的水处理技术，通过利用水生微生物和人工填料上的生物膜形成仿自然生态系统来进行污水净化，在处理过程中，污水与生态滤池中的滤料相接触，从而使微生物在滤料表面繁殖形成生物膜，生物膜利用污水中的有机污染物作为营养物质进行分解代谢，从而使污水得到净化（肖亿群，2003）。生态滤池处理工艺出水水质能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918-2002）》二级标准，污泥的排放量也大幅度减少，水资源的回收利用程度提高。目前，国内外已有较多学者进行了生态滤池研究，并开发出较成熟的生产工艺技术。现有工艺方法主要有木炭填料的生态滤池、陶粒填料的生态滤池和沸石填料的生态滤池等，但均不同程度存在着氮磷去除率差、处理工序多、运行成本高等问题（贾晗等，2008；刘茹等，2012；宋立等，2015）。蚯蚓生态滤池最早由智利大学的Jose Toha教授于1992年提出（Bouché and Qiu，1998）。蚯蚓生态滤池工艺简单、处理流程短，具有更高的有机负荷承受能力和水力负荷承受力，处理效果好（王夙等，2010），能够持续高效并相对稳定地去除养殖污水中氮、磷和碳等污染物质。该工艺运行管理简单，高效节能，具有技术经济竞争优势，环境效益比较显著。【本研究切入点】目前使用蚯蚓作为生态滤池主体，并以碳元素为填料的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用蚯蚓生态滤池技术，研究布料方式、布料强度和蚯蚓密度等工艺参数的影响特征，寻找蚯蚓生态滤池规模化处理畜禽养殖污水的最佳条件，为养殖污水处理提供技术支撑。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

为了给蚯蚓营造较好的生存环境，本研究将水稻秸秆与土壤按照4∶1体积比混合制成蚯蚓生态滤池填料，以供蚯蚓栖息。水稻秸秆和土壤取自江苏省扬州市扬州大学实验农牧场，水稻秸秆粉碎规格宽<2 mm、长<1 cm，秸秆总氮（TN）9.8 g/kg、TP 1.3 g/k、总碳（TC）41.6%；土壤为黏质壤土，过5 mm目筛，土壤TN 0.96 g/kg、TP 1.24 g/kg、TC 0.24%、pH 6.68。试验用蚯蚓为赤子爱胜蚓（大平2号），由江苏省扬州农业环境安全技术服务中心蚯蚓繁育基地提供。试验用污水为扬州大学实验农牧场奶牛养殖污水，主要是牛尿和圈舍冲洗污水。

1. 2 试验设计

试验装置为蚯蚓生态滤池（图1）。主体由0.6 m×0.4 m×0.6 m的试验箱构成，箱上部有布水器，箱底部有均匀排列的排水孔，便于处理后的污水下渗收集。蚯蚓生态滤池主体从上至下依次包含缓冲层、消解层和砾石层。缓冲层位于滤池上表层，厚3～5 cm，由玻璃纤维构成，起到缓冲和二次布水的作用；消解层位于中层，厚20 cm，是滤池核心，依据试验设计由不同种类填料构成，是蚯蚓生活的介质；砾石层位于底层，厚10～12 cm，由直径3～5 cm的鹅卵石构成，起到承托和缓冲作用。

根据不同蚯蚓投加量、加料方式和加料强度设H1～H6 6个处理：H1：蚯蚓投加量1.0 kg/箱，布料强度2.25 m3/m2·d；H2：蚯蚓投加量1.0 kg/箱，布料强度4.50 m3/m2·d；H3：蚯蚓投加量1.0 kg/箱，布料强度9.00 m3/m2·d；H4：蚯蚓投加量0.5 kg/箱，布料强度4.50 m3/m2·d；H5：蚯蚓投加量2.0 kg/箱，布料强度4.50 m3/m2·d；H6：装置由上下两个生态滤池叠加而成，上面为A床、下面为B床，A床和B床的滤料是其他处理的一半，蚯蚓投加量均为1.0 kg/箱，均匀分布于A床和B床，布料强度4.50 m3/m2·d，A床布料，B床收集。以布料前的畜禽养殖污水为对照。

养殖污水由奶牛养殖圈舍直接排入初沉池沉淀24 h后，上清液用水泵抽提加入生态滤池自动布料器的储存箱中备用。采用自动布料器间隙式布料，每天8：00、16：00和24：00各布料1次，每次布料负荷为1.5 m3/m2，每天布料总负荷为4.5 m3/m2·d。每天中午14：00取处理后的出水样品检测水质指标，连续取样22 d。

1. 3 测定项目

测定水样品的TN、NH4+-N、硝氮（NO3--N）、TP、磷酸盐（PO43-）、COD、pH和电导率（EC）等指标。TN采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定，NH4+-N采用靛酚蓝比色法测定，NO3--N采用紫外分光光度法测定，TP采用过硫酸钾氧化—钼蓝比色法测定，PO43-采用异丁醇萃取—钼蓝比色法测定，COD采用高锰酸钾法测定，pH采用pH计直接测定，EC采用电导仪直接测定（鲁如坤，2000）。试验中空白实验、标准曲线及有效数字的取舍均按照规定进行。去除率计算公式如下：

去除率（%）=（进水浓度-出水浓度）/进水浓度×100

1. 4 统计分析

试验数据采用Excel 2010整理，以SPSS 18.0进行统计分析，各处理间使用Duncans进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2. 1 工艺参数对去除养殖污水氮素的影响

2. 1. 1 工艺参数对去除养殖污水NO3--N的影响 图2为不同处理时间对NO3--N去除率的影响，图3为不同工艺对NO3--N平均去除率的影响。试验中进水NO3--N含量为59.8～62.1 mg/L，根据去除率公式可计算得出，H1、H2和H3的平均去除率分别为53.8%、57.0%和55.5%，说明蚯蚓生态滤池去除NO3--N具有较好的耐布料强度冲击能力。H2和H6的滤料种类、数量及滤池中的蚯蚓数量均相同，不同的是H2有一层蚯蚓消解层，H6有双层蚯蚓消解层。从图3可看出，H2的NO3--N去除率始终高于H6。可见，在填料量和蚯蚓量相同的情况下，单层消解层对NO3--N的去除效果优于双层。H4、H2和H5的蚯蚓添加量（0.5、1.0和2.0 kg/箱）依次增加，但H2與H5对NO3--N的平均去除率（55.3%）十分接近，H4对NO3--N平均去除率（48.3%）小于H2和H5。可见，低蚯蚓添加量处理不利于进水NO3--N的去除。综合上述分析可知，蚯蚓生态滤池去除进水NO3--N的建议工艺为单层布料，布料强度4.50 m3/m2·d，蚯蚓添加量1.0 kg/箱。

2. 1. 2 工艺参数对去除养殖污水NH4+-N的影响 图4为不同处理时间对NH4+-N去除率的影响，图5为不同工艺对NH4+-N平均去除率的影响。试验中进水NH4+-N为253.5～278.9 mg/L，由图4和图5可知，H1去除率从75.0%上升到95.0%，之后趋于稳定；H2的平均去除率为92.5%；H3的去除率总体趋势为先升高后下降，其平均去除率为76.2%，说明在布料强度为2.25和4.50 m3/m2·d时生态滤池对NH4+-N的去除效果较优，而布料强度为9.00 m3/m2·d处理NH4+-N的效果较差，说明9.00 m3/m2·d的布料强度已超过装置处理NH4+-N能够承受的最佳布料强度。H2对NH4+-N的去除率始终高于H6，H6的平均去除率为85.0%，单层消解层的H2对NH4+-N的去除效果高于双层消解层的H6；H2与H5对NH4+-N的去除率相差不明显，平均去除率分别是92.5%和91.6%；而H4的NH4+-N去除率随试验时间推延而减小，说明在一定范围内NH4+-N的去除效果随着蚯蚓密度的增加而增加。综合上述分析可知，蚯蚓生态滤池去除进水NH4+-N的建议工艺为单层布料，布料强度4.50 m3/m2·d，蚯蚓添加量1.0 kg/箱。

2. 1. 3 工艺参数对去除养殖污水TN的影响 图6为不同处理时间对TN去除率的影响，图7为不同工艺对TN平均去除率的影响。试验中进水TN为424.9～449.5 mg/L，由图6和图7可知，H1与H2的去除率差距不明显，而H3对TN的去除效果稍差，其平均去除率为84.8%。说明布料强度为2.25和4.50 m3/m2·d时，生态滤池能较好的去除TN；H2和H6的平均去除率分别为89.9%和86.0%，说明单层消解装置对TN的去除效果要优于双层；H2与H5对TN的去除效果十分接近；H4对TN的去除效果明显较低，其平均去除率为77.7%，说明低蚯蚓添加量处理不利于进水TN的去除。综合上述分析可知，蚯蚓生态滤池去除进水TN的建议工艺为单层布料，布料强度4.50 m3/m2·d，蚯蚓添加量1.0 kg/箱。

2. 2 工艺参数对去除养殖污水磷素的影响

2. 2. 1 工艺参数对去除养殖污水PO43-的影响 图8为不同处理时间对PO43-去除率的影响，图9为不同工艺对PO43-平均去除率的影响。试验中进水PO43-为27.0～28.7 mg/L，由图8和图9可知，H1、H2和H3对PO43-的平均去除率分别为46.8%、47.6%和52.7%，说明布料强度越大吸附能力越强，高布料强度的去除率高于低布料强度，但布料强度超过装置的承载能力后吸附能力不再增加；H2和H6的平均去除率分别为47.6%和53.8%，说明在填料量相等的情况下双层消解层比单层消解层去除PO43-效果好；H5对PO43-的平均去除率（54.8%）最高，H4的平均去除率（44.6%）最低，说明蚯蚓密度的增加对PO43-的去除有促进作用。综合上述分析可知，蚯蚓生态滤池去除进水PO43-的建议工艺为双层布料，布料强度9.00 m3/m2·d，蚯蚓添加量2.0 kg/箱。

2. 2. 2 工艺参数对去除养殖污水TP的影响 图10为不同处理时间对TP去除率的影响，图11为不同工艺对TP平均去除率的影响。试验中进水TP为42.8～45.9 mg/L，由图10和图11可知，H2对TP的去除率明显高于H1和H3，且H3对TP的去除效果优于H1，说明布料强度为4.50 m3/m2·d时对TP的去除效果最佳；H2和H6对TP平均去除率分别为73.9%和74.2%，相差不明显，说明在相同的填料量和蚯蚓密度下，消解装置对TP的去除没有明显影响；H5、H2和H4对TP的平均去除率分别为76.0%、73.9%和53.1%，说明增加蚯蚓投加量有利于进水TP的去除。综合上述分析可知，蚯蚓生态滤池去除进水TP的建议工艺为单层布料，布料强度4.50 m3/m2·d，蚯蚓添加量2.0 kg/箱。

2. 3 工艺参数对去除养殖污水COD的影响

图12为不同处理时间对COD去除率的影响，图13为不同工艺对COD平均去除率的影响。试验中进水COD为114.8～119.7 mg/L，由图12和图13可知，在H1、H2和H3中，H2对COD的去除效果最佳，其平均去除率为48.7%，说明布料强度为4.50 m3/m2·d时对COD的去除效果最佳；H2的平均去除率比H6高，H6对COD平均去除率为33.8%，说明在填料量和蚯蚓添加量相同的情况下，单层蚯蚓消解层对COD的去除效果更佳；H5、H2和H4对COD去除效果依次下降，说明蚯蚓密度的增加能够明显提高COD的降解效果。综合上述分析可知，蚯蚓生态滤池去除进水COD的建议工艺为单层布料，布料强度4.50 m3/m2·d，蚯蚓添加量2.0 kg/箱。

2. 4 工艺参数对养殖污水pH和EC的影响

图14为不同处理时间养殖污水pH变化特征，图15为不同工艺对养殖污水pH的影响特征。试验中进水的pH为8.2～8.3，水质呈弱碱性，由图14和图15可知，所有装置的出水pH均升高，H3的pH比H1和H2稍低，说明较小的布料强度有利于水pH升高；H2和H6的pH变化差异不明显，说明消解装置单层或双层对pH影响不明显；H2、H4和H5的pH变化无明显规律，表明蚯蚓添加密度对pH影响不明显。综合上述分析可知，较高的布料强度有利于进水和出水pH的稳定，布料方式和蚯蚓添加密度对出水pH变化无明显影响。

图16为不同处理时间养殖污水EC变化特征，图17为不同工艺对养殖污水EC的影响特征。试验中进水的EC为10.2～11.5 μS/cm，由图16和图17可知，H3、H1和H2的EC消减量依次增大，说明布料强度为4.50 m3/m2·d时生态滤池对电解质的去除效果最佳；H2与H6的出水EC非常接近，说明在其他条件相同时，单层消解层与双层消解层对电解质的去除几乎没有影响；H5的出水EC（3.6 μS/cm）最高，H2与H4的出水EC相差很小，说明蚯蚓密度的增加反而会减少装置对电解质的去除量。综合上述分析可知，蚯蚓生态滤池降低进水EC的建议工艺为单层布料，布料强度4.50 m3/m2·d，蚯蚓添加量0.5 kg/箱。

3 讨论

本研究结果表明，生态滤池的工艺参数对其净化畜禽养殖污水的效果有明显影响。布料强度分别为2.25、4.50和9.00 m3/m2·d的3个处理对NO3--N的平均去除率相差不到5%，说明以秸秆和土壤混合物作为生态滤池填料，对NO3--N的耐负荷冲击能力较强。其中，9.00 m3/m2·d的布料强度超过了装置处理NH4+-N或TN能够承受的最佳布料强度，是由于较大的布料强度产生的水力及气流剪切对工程床中的生物膜带来冲击，导致对生长条件要求苛刻的氨氧化细菌及硝化细菌活性下降，细菌数量增长缓慢，从而降低了硝化能力（段秀举，2006），而较小的布料强度有利于硝化作用（Green et al.， 1997； Schwager and Boller， 1997）。

生态滤池对磷素和COD的去除率随布料强度的增加先增大后减小，对EC的影响也呈同样的变化趋势。蚯蚓是常见的土壤动物，具有提高土壤通气性、透水性、促进有机物质分解转化等生态学功能（邢美燕，2008），污水土地处理系统中蚯蚓活动显著改善了系统的通气状况，有利于提升好氧功能微生物活性，系统的运行效率在蚯蚓和微生物协同作用下得到提高（罗固源，1997）。蚯蚓抵御环境胁迫的能力在一定范围内，随着布料强度的增大而增强（Xing et al.，2010），并且当布料强度很小时，有机负荷也较低，导致微生物繁殖所需的养分不足，微生物活性降低，从而对污染物的去除效果较低（郭天鹏等，2002）；当布料强度提高到4.50 m3/m2·d，营养物质的增加促进了微生物的生长，也加强了水流对填料表面生物膜的冲刷，促进生物膜的更新，微生物活性得到很大的增强，从而提高了生物滤池对污染物的去除效果（兰善红等，2007）；但当布料强度增加到9.00 m3/m2·d，加强了水力剪切力，使生物膜易于脱落，降低了污染物的去除效果，且当污水投加量超过了蚯蚓的承受能力，蚯蚓体内自由基的平衡被打破，引起蚯蚓各方面机能下降（Fang and Zheng，2002），也会影响生态滤池整体对污染物的去除效果。

单层蚯蚓消解层比双层蚯蚓消解层对氮素的去除效果更佳，其原因可能是由于双层消解层使每一层填料厚度变薄，填料接触空气面积增加使填料中含氧量增加，抑制了硝酸盐还原酶的形成，同时氧可作为电子受体，在与硝酸盐的竞争中削弱了反硝化作用（易彪，2008），從而减少了对NO3--N的去除。双层消解层同样不利于以降解有机物为主的异养菌生长（Fdz-Polanco et al.，2000），因此单层消解层对COD的去除效果也优于双层消解层。消解层厚度变薄使每一层的截留效果都极大降低，而截留效果不佳致使生长缓慢、世代周期长的硝化菌不能很好地在滤池内富集（邢美燕等，2008），因此对NH4+-N的处理效果也较差。蚯蚓土壤填料生态滤池对生活污水中各污染物净化效果良好，滤池二级串联的结构设计提高了污水处理的稳定性，改善了出水水质（马长德等，2015）。由于对磷素的去除主要依靠蚯蚓的摄食、填料的物理吸附及与其中的某些矿物（Ca、Mg、Fe等）形成沉淀（王荣等，2010），因此在填料和蚯蚓添加量相同的情况下，单层蚯蚓消解层与双层蚯蚓消解层对磷素的去除效果无明显差别，消解层的厚度对pH和EC也无明显影响。

秸秆和土壤混合填料对氮素和磷素的去除率随蚯蚓密度的增加先增大后趋于平稳，是由于当蚯蚓密度较低时，滤料多孔结构难以形成，不能充分发挥生态滤池对污染物的去除作用；而蚯蚓密度过高会发生种群内的空间和食物争夺，影响污水的处理效率（Arancon et al.，2004），过分拥挤会影响蚯蚓的生长和繁殖，进而影响对污染物的处理效果（Dominguez and Edwards， 1997），因此蚯蚓添加量从1.0 kg/箱增加到2.0 kg/箱对氮素、磷素的去除效果无明显促进作用。生态滤池对COD的去除率随蚯蚓密度的增加明显增大，是由于蚯蚓通过粉碎、消化、排泄对有机物分解做出直接贡献，且通过挖掘、穿插为其他微生物分解有机物创造条件（Cortez and Bouche， 2001），其作用仅次于微生物（吴文良等，2001；李云乐等，2006）。蚯蚓密度的变化对pH无明显影响，但蚯蚓密度过大会使污水的EC增大，是由于蚯蚓密度增加，排出的蚓粪增加，蚓粪溶于污水中随水排出（Elvira et al.，1998；边静，2008），致使EC增大。

本研究的试验周期仅为22 d，因此蚯蚓生态滤池的长期运行效果需要进一步的探讨；另外，应进一步探究蚯蚓生态滤池处理养殖污水的最佳条件，并对填料进行改进，以得出更好的处理条件。

4 结论

蚯蚓生态滤池能够持续高效并相对稳定去除养殖污水中氮、磷和碳等污染物质。综合成本和效率因素，蚯蚓生态滤池净化养殖污水工艺建议采用单层布料，布料强度4.50 m3/m2·d，蚯蚓添加量1.0 kg/箱。

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（責任编辑 邓慧灵）