生物滞留池处理污水厂尾水中粪大肠菌群的试验研究

2021-11-03周卫东

环境科技 2021年5期

周卫东，李芳，李磊，方程，关辉，吴涛，王飞

（1.南京水务集团有限公司，江苏南京 210000；2.江苏金陵环境股份有限公司，江苏南京 210000；3.南京城南污水处理有限公司，江苏南京 210039；4.东南大学土木工程学院，江苏南京 211189）

0 引言

为达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[1]中的粪大肠菌群指标要求，目前我国城市污水厂大多采用氯消毒的方法对尾水进行消毒，在尾水氯消毒过程中，氯会和水中的残留有机物反应生成一些有害环境和人体的消毒副产物[2]。尾水消毒后直接排放或者作为再生水利用后进入到自然水体中，产生的氯消毒副产物会对受纳水体中的生物和人类健康造成直接或间接危害[3]。因此，研究污水厂尾水氯消毒的替代方案具有重要的实践意义。近年来，国内外研究学者对污水厂尾水消毒技术进行了大量研究。刘喜坤等[4]通过研究紫外线联合二氧化氯的消毒效果，发现二氧化氯消毒克服了紫外线消毒不能提供持续消毒能力的缺陷，增强了系统的消毒能力。王俭龙[5]在研究膜生物反应器（MBR）消毒工艺时，发现臭氧与次氯酸钠组合的消毒方法可以大幅降低三卤甲烷（THMs）生成量，有效氯投加量为4 mg/L 时，生成的THMs 质量浓度减小至14.11 μg/L，THMs 生成量比次氯酸钠单独消毒过程降低了37.19%。一些新兴消毒技术也在不断涌现并付诸应用，如纳米光催化消毒、超声消毒、微波消毒、电场法消毒、电离辐射消毒、膜法消毒等[6-10]，新兴消毒技术大大扩充了消毒工艺的选择范围，但在实际应用中普遍存在技术难度高、成本高、能耗高、处理能力较低等问题[11]。

生物滞留池是一种仿自然生态的雨水径流控制设施，通过植物、填料和微生物的共同作用，来削减洪峰、过滤裹挟杂质、净化径流水质和补充地下水[12]。目前生物滞留池的研究主要集中在系统结构、植物选配、填料组成及配比、水文效应、污染物去除等方面，关于生物滞留池处理污水厂尾水中粪大肠菌群的研究仍然不足。如李磊等[13]研究了水力负荷对生物滞留池处理污水厂尾水中氮、磷的去除效果；郑杨等[14]研究了夏季不同降雨间隔对生物滞留池的脱氮效果；邓延慧等[15]开展了不同水力条件下生物滞留池处理化粪池出水水质的研究。因此，本文以污水厂尾水中粪大肠菌群为研究对象，研究不同运行条件下生物滞留池对污水厂尾水中粪大肠菌群的去除效果，为实现污水厂尾水的绿色、低碳、可持续消毒提供理论指导和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验装置

构建3 组生物滞留池试验装置，所用材料为5 mm 钢板、透明PC 板以及PVC 管，每组生物滞留池长、宽、高分别为2，1，1 m，有效容积为1.6 m3，底部预留20 cm 过水空间，在上行池左侧75 cm 高度处设置溢流口，由蠕动泵定时将集水桶中的污水泵入装置中。生物滞留池试验装置见图1。

图1 生物滞留池装置示意

3 组生物滞留池分别为A1，A2，A3。根据《海绵城市设计标准》，结合生物滞留池设计建设相关研究成果及应用案例，将A1，A2，A3 这3 组生物滞留池分别填充粒径为0.5 ～1，1 ～2，3 ～5 mm 的无烟煤填料，并将水力停留时间设计为1，2，3 d 3 个梯度。A1，A2，A3 生物滞留池均种植美人蕉。

1.2 仪器设备

恒温培养箱：37±1℃；恒温培养箱：44.5±0.5 ℃；高压蒸汽灭菌器：121 ℃，101.3 kPa；冰箱：0 ～4 ℃；移液管：1±0.01，10±0.1 mL；试管：Φ15 mm×150 mm；采样瓶：250 mL。

1.3 粪大肠菌群测定方法

粪大肠菌群测定方法执行HJ 755—2015《水质总大肠菌群和粪大肠菌群的测定纸片快速法》[16]，由于本方法检出限为20 MPN/L，对于低于检出限以下的检测值，本文均以10 MPN/L 代替。

1.4 装置运行

装置构建完成后，在试验初期持续通入经二沉池处理后的污水，保持基质润湿，促进美人蕉生长和基质挂膜，此期间不记录水量和水质。挂膜成功后，将试验分为3 个阶段，7 ～9月为夏季高温试验阶段，10 ～11月为秋季中温试验阶段，12月～次年1月为冬季低温试验阶段。试验期间，根据水力停留时间每周平均取样2 ～4 次。

为保证生物滞留池进水浓度相对稳定，在每组试验开始前，通过潜水泵将二沉池出水输送到集水桶中，试验开始时，通过蠕动泵将集水桶中污水稳定输送到生物滞留池中。

2 结果与讨论

2.1 进水浓度对出水粪大肠菌群数的影响

经二沉池处理后的污水中粪大肠菌群数日际变化较大，导致生物滞留池进水中粪大肠菌群数存在显著波动，故根据实测数据，将生物滞留池进水中粪大肠菌群数分为3 个梯度，分别为3 000 ～5 000，7 000～10 000，20 000 ～50 000 MPN/L。为研究进水浓度对粪大肠菌群数的影响，选择水力停留时间最短（HRT=1 d）、无烟煤填料粒径最普遍（1 ～2 mm）的工况作为试验条件，结果见图2。

图2 进水浓度对出水粪大肠菌群数的影响

由图2 可以看出，在HRT=1 d、填料粒径为1 ～2 mm 条件下，随着进入到生物滞留池中粪大肠菌群数的增加，生物滞留池出水中的粪大肠菌群数也在不断增加，但粪大肠菌群平均去除率均保持在99%以上。即使进入到生物滞留池中的粪大肠菌群数较高（20 000 ～50 000 MPN/L），但出水中的粪大肠菌群数仅为120 MPN/L，符合GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 排放标准，这是因为生物滞留池填料对粪大肠菌群具有明显的吸附截留作用。由此可以得到，在水力停留时间最短（HRT=1 d）、无烟煤填料粒径最普遍（1 ～2 mm）的试验条件下，生物滞留池出水粪大肠菌群数受进水粪大肠菌群数的影响较小，出水中粪大肠菌群数均能达到一级A 排放标准（GB 18918—2002）。

2.2 填料粒径对出水粪大肠菌群数的影响

为研究无烟煤填料粒径对出水粪大肠菌群数的影响，选择尾水中粪大肠菌群数最高（20 000 ～50 000 MPN/L）、水力停留时间最长（HRT = 3 d）的工况作为试验条件，结果见图3。

图3 填料粒径对出水粪大肠菌群数的影响

由图3 可以看出，当尾水中粪大肠菌群数为20 000 ～50 000 MPN/L，HRT=3 d 时，虽然无烟煤填料粒径发生变化，但经生物滞留池处理后的出水中粪大肠菌群数均低于50 MPN/L，平均去除率均高于99.8%，均能达到一级A 排放标准（GB 18918—2002），这是因为尾水中仍大量存在微观悬浮物，粪大肠菌群主要附着在悬浮物表面，通过填料的过滤、吸附、截留作用，绝大部分粪大肠菌群在生物滞留池中得到有效去除。试验说明在尾水粪大肠菌群数较高的情况下，保证较高的水力停留时间，能够实现粪大肠菌群较高的去除率。当无烟煤填料粒径为0.5 ～1 mm 时，出水中粪大肠菌群数为40 MPN/L；当无烟煤填料粒径分别为1 ～2 mm 和3 ～5 mm 时，出水中粪大肠菌群数未发生变化，均为50 MPN/L，说明当无烟煤填料粒径为0.5 ～1 mm 时，生物滞留池对粪大肠菌群的去除效果最好。分析认为，在试验条件下，无烟煤填料粒径越小，填料孔隙率越小，对粪大肠菌群的截留和吸附作用越明显。

2.3 水力停留时间对出水粪大肠菌群数的影响

为研究水力停留时间对出水粪大肠菌群数的影响，选择尾水中粪大肠菌群数最高（20 000 ～50 000 MPN/L）、无烟煤填料粒径为0.5 ～1 mm 的工况作为试验条件，结果见图4。由图4 可以看出，当尾水中粪大肠菌群数为20 000 ～50 000 MPN/L、无烟煤填料粒径为0.5 ～1 mm 时，虽然水力停留时间发生改变，但经生物滞留池处理后的出水中粪大肠菌群数均低于70 MPN/L，平均去除率均高于99.8%，均能达到一级A 排放标准（GB 18918—2002）。随着水力停留时间的增加，出水中粪大肠菌群数出现不同变化。当HRT 为2 d 时，出水中粪大肠菌群数达到最高值，为70 MPN/L；当HRT为3 d 时，出水中粪大肠菌群数达到最小值，为40 MPN/L。这是因为当HRT=1 d 时，粪大肠菌群的去除主要是通过生物滞留池的过滤和吸附作用；当HRT=2 d 时，由于进水中粪大肠菌群数较高，超过了生物滞留池的处理负荷，导致出水中粪大肠菌群数略微上升；当HRT=3 d 时，粪大肠菌群的容积负荷降低，粪大肠菌群在生物滞留池内能够被进一步过滤和吸附。此外，美人蕉根部对粪大肠菌群的吸附固定也起到一定作用。说明当尾水中粪大肠菌群数较高、无烟煤填料粒径为0.5 ～1 mm 时，控制HRT为3d，能够实现粪大肠菌群较好的去除效果。

图4 HRT 对粪大肠菌群数的影响

2.4 温度对出水粪大肠菌群数的影响

试验使用水银温度计测量生物滞留池水温，测量时间为每日10：00，测量A1，A2，A3 生物滞留池的出水粪大肠菌群数，取3 组生物滞留池出水粪大肠菌群数的平均值作为该温度下的测定值。温度对生物滞留池进出水中粪大肠菌群数的影响见表1。

表1 温度对生物滞留池进出水中粪大肠菌群的影响

由表1 可知，随着温度升高，进水粪大肠菌群数也在不断升高，这是因为二沉池出水通过潜水泵被打入集水桶中，集水桶中由于环境温度相对偏高，导致桶中粪大肠菌群快速繁殖。此外，夏季高温也会促进污水厂污水中粪大肠菌群的大量繁殖。分析得出，温度与进水粪大肠菌群数具有强相关性（r=0.91，p=0.001），温度越高，进水粪大肠菌群数越高；而温度与出水粪大肠菌群数并无显著相关性（r = 0.54，p =0.166），说明温度与出水粪大肠菌群数的关系不明显。