生态滤池中污染物去除与出水中溶解氧的关系研究

陈登美 朱 彬 康 媞

(贵州省环境科学研究设计院，贵阳 550081)

贵州省作为西部欠发达省份，受经济发展水平以及喀斯特地形条件等限制，污水的收集和处理面临较大的困难，全省农村生活污水处理较全国而言处于较低水平，由于农村居民分布零散，污水排放量小，水量波动大，难以集中收集处理等自身特点，宜采用分散式生活污水处理方式，推进农村污水治理[1]。

目前，贵州省农村生活污水处理技术主要以生物处理为主，其中人工湿地由于具有建造和运行费用低、易于维护等优点[2-4]，被广泛应用于农村生活污水处理，但由于人工湿地所能承受的水力负荷较小，污染物去除能力较低，在推广运用上有一定的局限性，而生态滤池具有水力负荷较高、占地面积较小等优点，在贵州污水处理中具有较好的适用性。

生态滤池主要是由填料基质以及植物等组成。通常认为，生态滤池主要是通过物理作用、化学作用以及生物作用这三个方面的协同作用达到对污水净化的目的[5-7]。目前对溶解氧与污染物的去除影响主要研究对象为人工湿地[8-9]，对生态滤池中DO变化情况与污染物去除关系的研究较少。为研究生态滤池出水中DO含量与污染物的去除关系，为贵州省农村污水处理设计参数提供依据，在实验室内构建了生态滤池，研究出水中DO含量和污染物的去除率关系。

1 试验装置与方法

1.1 植物选择

有研究表明，贵州本土耐污能力相对较强的野生水生植物有水葱、藨草、菰、羊蹄、莕菜、白水苦菜6种植物[10]，通过与广泛应用于污水处理试验研究的菖蒲、美人蕉和旱伞草进行对比，结果表明：以上6种本土植物对污水中污染物有一定的净化效果，但相比菖蒲、美人蕉和旱伞草其净化效果较差，且由于6种本土植物没有规模化种植，获取难度较大，因此选取美人蕉和旱伞草作为本次生态滤池试验装置中的配置植物，栽种时植株高15～20 cm。

1.2 试验装置

设计3组生态滤池小型试验装置，每组设置两个平行，分别种植美人蕉、旱伞草、美人蕉+旱伞草，分组情况见表1，植株种植密度为30株/m2，除种植植物不同外，其余均相同。试验装置采用直径400 mm有机玻璃管制作，反应器装置见图1。填料从下至上采取粒径逐渐变小的级配方式，填料总高度为80 cm，采用蠕动泵控制进水和十字架布水管布水，

表1 植株种植与分组

图1 室内试验装置示意图

滤池底部设置采样点。该装置于2018年7月开始运行，2018年9-12月对出水中溶解氧含量与污染物去除效果进行研究。

1.3 污水来源及进水水质

试验污水进水取自贵州省环保科技园化粪池，进水指标见表2，平均C/N比为4.39。

表2 试验进水水质 单位：mg/L

1.4 运行情况及水样采集情况

进水水力负荷为0.8～0.9 m3/m2·d之间，以24 h连续进水方式运行。每周对进出水取样进行水质检测和分析，监测指标为：COD、NH3-N、TN、TP、DO、水温、pH值。具体测试方法与使用仪器见表3，具体操作步骤参照《水和废水监测分析方法》[11]。由于本次进水为贵州省环保科技园化粪池污水，受污水中悬浮物等的影响，流量在一定范围内有波动。

表3 分析项目与方法

2 试验结果与分析

植物在种植两周后全部成活，试验前期平均每月净生长高度约6～10 cm，长势总体良好；到11月，植株总高度为40～45 cm。试验期间出现老叶枯黄状态时及时将枯黄的老叶去除；进入11月，由于受低温影响，植物生长较缓慢，进入12月，基本处于生长停滞状态。整个试验期间，污水24 h连续进入，未出现水淹状态。

2.1 COD去除率与出水中DO关系分析

从9月至12月，COD去除率与出水DO的关系见图2。

对三组装置的COD去除率与出水的DO进行相关性分析，结果表明，美人蕉装置的COD去除率与出水DO含量有很好的相关性，相关系数在0.815以上；美人蕉+旱伞草装置在9月相关性不明显，从10月以后，相关系数为0.93；旱伞草装置除11月上旬外，相关性达到了0.9以上，总体上，三组装置出水中DO与COD去除率呈较好正相关。试验表明，在DO充足的情况下，好氧微生物在降解有机物的过程中，氧能得到有效供应，好氧微生物的生长代谢能持续进行，由于COD去除主要为好氧微生物的作用，因此其去除率也较高；而当出水中DO含量较低时，在装置系统反应后端，装置中无足够的氧去维持好氧微生物的生长代谢，降解有机物的过程受到DO不足的制约，COD去除率下降。同时，由于受低温影响，微生物活性降低，植物生长缓慢甚至停滞，根系输氧能力降低，处理效果下降。

图2 COD去除率与出水中DO关系图

从进出水DO变化情况来看，在9月至11月上旬，三个装置出水中DO均高于进水中的DO，在这期间植物长势良好，说明这期间装置中可能存在植物根系泌氧的情况。而在11月下旬至12月，进水中的DO均高于出水中DO，这可能是由于受低温影响，植物生长处于停滞状态，根系泌氧能力减弱，而系统中的好氧微生物生长耗氧，出水中DO浓度降低。

从出水浓度达标情况来看，以上三个装置在整个试验期间出水均达到或优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级B排放标准，其中在12月由于受低温影响，出水COD较其他月偏高，但均达到了一级B排放标准，也全部达到了《贵州省农村生活污水处理污染物排放标准》(DB52/1424-2019)中的一级标准。

从实验室结果来看，在工程设计中，对于生态滤池布水管孔径及孔间距需要根据处理水量、滤池面积等进行合理设计，使进水尽可能的均匀分布，对于填料的选择和布置需兼顾到处理效果及防堵塞情况，防止进水发生短路现象。同时根据研究表明，在一定水力负荷调节下，降低水力负荷有助于处理效率提升[12-13]，因此在冬季温度较低情况下可通过适当减小水力负荷提高出水水质。

2.2 NH3-N去除率与出水中DO关系分析

从9月至12月，NH3-N去除率与出水DO的关系见图3。

图3 NH3-N去除率与出水中DO关系图

对9月至12月出水DO监测发现，从11月开始，气温低于12℃时，由于受低温影响，植物生长处于休眠状态，根系输氧能力弱，出水中DO 均显著降低，受低温影响微生物生长代谢受到抑制。

对三组装置的NH3-N去除率与出水的DO进行相关性分析，结果表明，美人蕉装置的NH3-N去除率与出水DO含量有较好的相关性，相关系数在0.820以上；美人蕉+旱伞草装置在9月无明显相关性，从10月下旬开始，相关系数为0.932，相关性较高；旱伞草装置除11月上旬外，其余相关性也达到了0.87以上。氨氮去除率与出水中DO相关性与COD基本一致。由于氨氮的去除主要为硝化菌类作用，而硝化菌类主要为好氧微生物，当出水DO含量高，说明滤池中的DO较充足，好氧微生物在发生硝化作用时，由于氧能得到有效供应，硝化菌的生长代谢能得到持续进行，促进了硝化作用的发生，氨氮得以去除，这与COD去除率的变化基本一致。

从出水浓度达标情况来看，三组装置出水浓度均都能达到或优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级B排放标准，也全部达到了《贵州省农村生活污水处理污染物排放标准》(DB52/1424-2019)中的一级标准。

2.3 TN与出水中DO关系分析

试验期间通过对出水中的DO进行监测，发现TN的去除率和出水中的DO有一定的相关性，但相关性并不明显。通过2018年10月对装置中10 cm土壤层的微生物检测发现，装置中存在好氧、厌氧和兼氧性反硝化菌，而反硝化作用是以上几类反硝化菌共同作用的结果，这可能是导致TN的去除与出水中DO无相关性的原因，另外，进水C/N比低也可能是导致装置后端反硝化作用不明显的原因之一。

从出水浓度达标情况来看，三组装置NH3-N出水浓度除12月外，其余月均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级B排放标准，在12月由于受低温影响，出水略有超标情况。

在实际工程中，可通过前端曝气或自然通风方式加强前端的硝化作用，使前端的氨氮尽可能的转化为硝酸盐氮，为反硝化的顺利进行提供前体物质，后端若碳源不足时可通过回流、多点进水方式在不额外增加碳源的情况下为反硝化作用提供碳源，使反硝化过程能充分进行。同时在冬季低温情况下合理调节水力负荷，增加水力停留时间，从而提高处理系统的除氮效率。

3 结论与建议

COD和NH3-N的去除率总体来说与出水中的DO呈正相关，但TN由于装置中存在厌氧、好氧和兼氧性反硝化菌，反硝化作用是以上几类反硝化菌共同的结果，因此TN去除率与出水中DO无明显相关性。在实际工程中，为提高系统对COD、NH3-N去除率，可考虑在系统的前端采取自然通风或强制通风方式，保持系统前端处于好氧环境，利于硝化作用的进行。而在装置后端为维持反硝化阶段有足够的碳源，可通过回流、多点进水等方式在不外加碳源的情况下补充反硝化所需碳源，同时微生物的丰富性和多样性也可提高系统的稳定性和污染物的处理率。