强化生态浮床深度处理城市污水处理厂出水

左芝娜

（湖南百舸水利建设股份有限公司，湖南 长沙 410007）

前 言

近年来，随着我国经济的快速发展，水污染和资源短缺问题日益突出。由污水处理厂（WWTPs）处理后的再生水成为缓解水资源短缺的良好选择[1]。污水处理厂的合格废水通常具有低碳氮比（C/N）和难生物降解的特点。由于有机化合物的限制[1]，传统的废水处理技术无法有效处理低C/N 废水，除非改进工艺或增加处理设施，需要大面积、高投资和复杂的系统。本研究依托邵阳县乡镇污水处理设施（一期）建设项目，针对农村生活污水处理厂出水进行深度净化研究。

生态浮床（EFB）利用生态工学原理降解水中COD氮和磷的含量，因其成本低、结构简单、操作方便、维护费用低等优点，已广泛应用于各类废水的处理以及河流湖泊的富营养化[2]。目前，生态浮床已成功应用于污水处理厂出水的深度净化。在生态浮床净化废水的过程中，植物和微生物都扮演着重要的角色。植物不仅能吸收氮和磷以促进自身生长，还能为微生物提供附着点，并通过根系释放氧气影响微生物硝化和反硝化作用[3]。在污水处理厂废水处理中，碳源不足会限制生态浮床的脱氮性能，导致脱氮效率低，需要外部碳源。近年来，植物凋落物因其纤维素丰富、成本效益高、可再生性强等特点，逐渐成为一种替代碳源化合物[4]。植物是生态浮床的重要组成部分，收获后可作为外部碳源，为废物处理提供经济解决方案。据报道，通过增加碳供应和促进反硝化细菌的生长，添加植物生物量提高了硝酸盐的去除率[5]。因此，有必要开发一种更合适的碳源来提高生态浮床的处理效率。

本研究以普通湿地植物芦苇和聚己内酯为主要原料，合成了一种缓释型壳聚糖。此外，为了弥补传统生态浮床除磷效率低、生物量小等缺点，将改性芦苇生物炭制成的新型基质引入生态浮床，如图1 所示。本研究的目的是：研究外加碳源对污水处理厂生态浮床净化废水脱氮的影响。

图1 改性芦苇生物炭制成的新型基质引入生态浮床

1 材料与方法

1.1 材 料

本研究所用废水来自邵阳县乡镇污水处理厂。经检测，主要污染物及其浓度如下（mg/L）：化学需氧量（COD），20～40；氨氮（NH4+-N），0.2～0.7；硝酸盐氮（NO3--N），7～11；亚硝酸盐氮（NO2--N），0～0.6；总氮（TN），8～13；总磷（TP），0.2～0.4。

1.2 碳源制备

以芦苇为原料制备的芦苇草粉，芦苇草粉与聚己内酯以5∶3 的质量比混合加入3～4 mL 硅烷偶联剂，充分混匀，得到碳源。

1.3 实验和测定

用200 mL 去离子水浸泡约4.0 g 碳源于锥形瓶中进行碳释放试验。按照1，3，8 和20 h 间隔采集水样，后每24 h 采集一次。测定水中溶解COD、TN、TP。测定了溶液中残余磷的浓度。每天固定时间从每个系统的入口和出口采集水样。现场测定pH、温度和溶解氧（DO）浓度，用0.45 μm 滤膜过滤后测定COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN 和TP。

2 结果与讨论

2.1 pH、溶解氧（DO）和温度的变化

试验期间测定pH、DO 和温度。两种系统（添加碳源和不添加碳源）的温度（24.8～26.2℃）无显著差异（p＞0.05）。pH 值介于6.8～8.0 之间，表明碳源添加对pH 值的影响有限。然而两种体系的DO 浓度差异显著（p＜0.05），说明碳源的添加可以影响系统中DO 的浓度。

2.2 碳源的释碳性能

为了探究碳源添加后系统的性能，我们测定了在碳源释放后，两种系统中COD、TP 和TN 的浓度。结果如图2 所示，添加碳源的系统早期释碳能力极强，COD 浓度最大可达到19 mg/g，随后迅速减弱。100 h 后，添加碳源的系统碳释放能力趋于稳定，COD 浓度的平均值为5 mg/g。以上结果可能是因为对芦苇原材料进行了碱预处理，芦苇原料中的木质素部分被去除，导致纤维素和半纤维素大量暴露在水中，有利于碳水化合物的释放。与COD 相比，添加碳源的系统中TP 和TN 变化较小，与未添加碳源的系统中TP 和TN 浓度差异性不大（p>0.05）。然而以往研究中所使用的碳源是富氮玉米秸秆，将其应用于人工湿地的实际应用中会产生高浓度的TN 废水[6]。以上结果说明本文所用碳源优于富氮玉米秸秆，利于人工湿地的实际应用。

图2 添加碳源系统中COD、TN、TP 的释放量

2.3 碳源对生态浮床去除COD 和N 的影响

为了研究本试验中碳源对生态浮床去除COD和N 的影响，我们检测了进出水COD 和N 的浓度。结果显示添加碳源的系统其进水时的COD 浓度在8～30 mg/L 范围内，出水时COD 浓度在3.5～12.4 mg/L 范围内，平均COD 去除率为30%。系统运行前10天，出水中COD 的浓度一直高于进水COD 浓度，在系统运行第6 天达到最大，为71.2 mg/L，然而随着碳源的释放，有机物逐渐减少。除此之外，系统中微生物例如反硝化细菌等的增殖对有机质的消耗增加，使得添加碳源的系统中出水的COD 浓度逐渐降低。以上结果说明碳源的添加有利于生态浮床对COD 的去除。

两种系统中进水的TN 浓度在7～11 mg/L 范围内。在系统运行期间内，未添加碳源的系统中出水的TN浓度约为8 mg/L，前期平均去除率约为25.0%。而在添加碳源的系统中，出水TN 浓度一直下降，最小至1 mg/L，后保持在2.8 mg/L 以下。而且添加碳源的系统对TN的去除率呈上升趋势，平均去除率最大可达90%（一天时间）。相比之下，未添加碳源的系统平均只能去除17.0%的TN（出水TN 浓度从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 浓度可达到《中国地表水环境质量标准》中的IV 级（≤1.5 mg/L），以上结果说明碳源的添加可以显著增强生态浮床对污水中TN 的去除效果。

为了评价碳源添加对氨氮（NH4+-N）去除的影响，我们对两种系统中进出水NH4+-N 浓度做了检测。两种系统的进水NH4+-N 浓度在0.2～0.6 mg/L 之间。在整个试验期间，未添加碳源的系统中出水NH4+-N 浓度在0.1～0.5 mg/L 范围内，其平均去除率为35%。而在添碳源的系统中，出水NH4+-N 浓度迅速上升，并在8 个小时达到峰值（0.7 mg/L）。添加碳源后系统出水NH4+-N浓度过高可能是由于碳源中沉积了植物的组成成分，例如蛋白质。然而随着试验的进行，碳源不断释放，NH4+-N 逐渐减少，出水NH4+-N 浓度逐渐低于进水浓度。添加碳源系统的平均NH4+-N 去除率（28%）与试验17 天时未添加碳源的系统的NH4+-N 去除率相同。与未添加碳源的系统相比，添加碳源的系统的NH4+-N 去除效率较低，这可能是因为随着试验的进行，添加碳源的系统中来自于碳源释放的有机物的降解消耗了一部分氧气，从而降低了系统中氧气的浓度，抑制了硝化细菌的硝化作用，导致NH4+-N 去除率降低。

我们对碳源添加对硝氮（NO3--N）去除的影响也做了评估。进水NO3--N 浓度的变化几乎与TN 同步，其范围在8～11 mg/L 之间。在添加碳源的系统中，系统出水NO3--N 浓度迅速下降，这可能是因为碳源衍生的有机物通过为反硝化菌提供足够的电子供体改善了反硝化过程。系统运行1 天多后，在添加碳源的系统中出水NO3--N 浓度增加，与未添加碳源的几乎相同，表明碳源释放的有机物已经无法满足微生物进行反硝化作用，从而导致NO3--N 浓度的增加。

进一步，我们对碳源添加对亚硝氮（NO2--N）去除的影响也做了评估。在整个试验期间，两种系统中进水NO2--N 浓度一直低于0.05 mg/L，未添加碳源的系统中的出水NO2--N 浓度在0.2～0.4 mg/L 的范围内变化。由于进水NH4+-N 浓度较低，在未添加碳源的系统中发现了少量NO2--N 积累。在添加碳源的系统中，添加碳源后其出水NO2--N 浓度迅速上升，在试验进行到第6 天时达到最大（2.4 mg/L），然后迅速下降至0.18 mg/L。试验第6 天时NO2--N 浓度的增加可能是由于碳源利用不足导致NO3--N 的不完全反硝化，进而导致了NO2--N 的积累。而添加碳源系统中第6 天其出水COD 浓度最高（71.2 mg/L），也很好地证实了这一点。系统运行一段时间后，添加碳源系统中的出水NO2--N 浓度低于0.1 mg/L，这可能是因为此时有机质浓度较高，为微生物提供了足够的可利用的基质，从而使其能够进行充分的反硝化作用，进而减少了NO2--N 的积累。

3 结 论

利用生态浮床添加碳源后对废水进行处理，通过碳源提供有机质从而提高了脱氮效果。其添加碳源的系统中平均碳释放量为5 mg/g，与未添加碳源的系统相比，其总氮和总磷的平均去除率提高并超过了一半。添加碳源强化后的生态浮床可作为湿地植物废弃物生物量深度处理污水处理厂出水的一种有效途径，为湿地植物强化生态浮床处理低C/N 污水（如污水处理厂出水）提供了一种合适的方法。