生态渗滤池对微污染水中COD·氨氮和总磷去除效果研究

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　　摘要 在人工湿地与人工快渗等传统工艺基础上，结合农村地区排污现状和黑臭水体治理要求，提出一种生态渗滤池工艺，研究连续运行21 d对微污染水体中COD、氨氮、总磷的去除效果。结果表明，生态渗滤池可以有效去除微污染水体中的COD、氨氮、总磷，出水可以稳定达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅲ类水标准，COD、氨氮、总磷平均去除率分别达78.35%、87.72%和85.96%。生态渗滤池对有机微污染物质的去除效果从大到小依次为氨氮、总磷、COD。
　　关键词 微污染水;生态渗滤池;COD;氨氮;总磷;去除效果
　　中图分类号 X505文献标识码 A文章编号 0517-6611（2020）02-0075-03
　　doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.021
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　Study on Removal Effect of COD， NH4+-N and TP in Micro-polluted Water by Ecological Percolating Filter
　　LIU Fei1， ZUO Na2， LUO Geng-bin1 et al
　　（1.Shenzhen Oasis Ecological Technology Co. Ltd.， Shenzhen，Guangdong 518055; 2. China Coal Technology & Engineering Group Nanjing Design & Research Institute Co. Ltd.， Nanjing，Jiangsu 210031）
　　Abstract Based on the traditional techniques such as constructed wetland and artificial rapid infiltration， combined with the current situation of sewage in rural areas and the requirements of black and odorous water treatment， an ecological percolating filter（EPF） process was proposed，COD，NH4+-N and TP removal from micro-polluted water by EPF were observed in a continuous running of 21 days. Results showed that EPF could wipe out contamination of COD，NH4+-N and TP effectively and met Grade III of the Environment Quality Standards for Surface（GB 3838-2002）. The removal rates of COD，NH4+-N and TP were 78.35%，87.72% and 85.96%，respectively. The removal efficiency of organic micro-pollutants from EPF was NH4+-N>TP>COD.
　　Key words Micro-polluted water;Ecological percolating filter（EPF）; COD; NH4+-N;Total phosphorus;Removal effect
　　人类的不科学活动造成水资源中有机微污染物质（农药、医药等药物和微塑料）含量不断增加，对人类身体健康和水生态系统产生不利影响[1-3]。饮用水中混入有机微污染物质，可引起有害物质富集，传染病暴发[1]。微污染水体问题已经引起了人们的关注[3]，有效的修复、处理方法主要有物理方法、化学方法和生物方法等。随着微污染物质的范围不断扩大，浓度不断增加，微污染物去除处理工艺也在不断深化，由简单的物理化学处理工艺增加了生物处理工艺、生态处理工艺和强化生物处理工艺[4]。生态修复作为一种具有很大潜力和经济有效的处理方法，越来越受到广泛关注[4]。
　　人工湿地去除污染物主要通过植物吸收，需配合投加菌剂等，整个系统的微生物结构脆弱;人工快渗以河沙为主要滤料，是一种渗滤系统。该研究在人工湿地与人工快渗等传
　　统工艺基础上，结合农村地区排污现状和黑臭水体治理要求，将生态修复与渗滤功能相结合，形成生态渗滤池（ecological percolating filter，EPF）。植物根系作为生物膜附着载体，与各种类型滤料协同作用，系统考察生态渗滤池对微污染水体中COD、氨氮和总磷的去除效果，为微污染水体治理工艺提供理论基础和工程借鉴。
　　1 材料与方法
　　1.1 試验装置
　　该试验装置采用前端处理+生态渗滤池工
　　艺（图1），主要包括Single池、反应沉淀罐、污泥干化槽、生态渗滤池和出水槽等。微污染水经过提篮格栅进入Single池，停留一段时间，泵送至沉淀罐，添加PAC/PAM絮凝沉淀，水体进入生态渗滤池，通过滤池中的植物根系和填料上生物膜作用，降解水体中有机微污染物质，最终由出水槽达标排放。
　　1.2 生态渗滤池
　　生态渗滤池反应器由有机玻璃制成，主要包括适水植物、布水管道和人工滤料（图2）。装置长2 000 mm、宽1 500 mm、高2 000 mm，在装置底端侧壁留有排水口，水通过集水管排出。人工滤料分为4类，主要包含砂石、生态珠等。滤料直径、装填高度见表1。植物选用品种、种植间距见表2。 　　1.3 进水水质
　　该试验进水水质参照《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）和《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）进行人工配水。具体指标分别为pH 6～9、COD 60～109 mg/L、NH4+-N 3.0～5.8 mg/L、TP 0.9～1.6 mg/L、浊度3～8 NTU。
　　1.4 运行参数
　　用清水冲洗生态渗滤池4～5次，使出水水质与进水水质相同。将配制好的微污染水通过离心泵，泵送至滤池，由布水管流出。设计水量为5 m3/d，水力负荷为0.8 m3/（m2·h）。每天运行4个批次，每个批次进水1 h、出水1 h，停留反应4 h。
　　1.5 检测指标及分析方法
　　该试验所测指标为COD、氨氮和总磷。COD采用重铬酸盐法（HJ 828—2017），氨氮采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009），总磷采用钼酸铵分光光度计法（GB 11893—89）。数据分析利用OriginPro 2018C（OriginLab Corporation，USA）软件分析数据。
　　2 结果与分析
　　2.1 生态渗滤池对微污染水中COD的去除效果
　　有机微污染物质部分来源于工厂企业等，直接随污水排出;部分来源于农业用有机物，通过渗透作用进入地下水系统[5]。COD表征水体中好氧性有机物的含量。COD的高低反映了水体中有机微污染物质含量的多少。图3表示生态渗滤池处理对微污染水COD去除情况的影响。从图3可看出，系统运行3 d后即达到稳定状态;平均进水COD为80.81 mg/L，平均出水COD为18.11mg/L，去除率达78.53%。出水标准满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅲ类水标准（20 mg/L）。同时还可以看出进水COD增大，系统运行稳定，去除率为78.35%。
　　生态渗滤池能够快速达到稳定状态，主要有以下原因造成：首先，滤料表面的微孔能够截留吸附有机微污染物质，有利于快速挂膜，Hagemann等[6]研究发现基质表面涂有有机物质可以增强对水溶解物质的滞流;其次，植物根系与滤料紧密结合，产生根际效应，增强生物活性、氧化还原电位等，大大提高水体污染物的降解能力[6-7]。
　　2.2 生态渗滤池对微污染水中氨氮的去除效果
　　氨氮的去除主要有吸附、氨化、硝化、反硝化等。氮元素是植物合成蛋白质的重要元素。试验中选种的植物对有机污染物质具有较强的吸附和吸收能力[8-10]。从图4可以看出，生态渗滤池对氨氮的去除效果显著，3 d内去除率由30%提高至93%，并一直维持在较高水平;氨氮的平均去除率为87.72%;平均进水氨氮为4.37 mg/L，平均出水氨氮为0.54 mg/L。出水标准高于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅲ类水标准（1.0 mg/L）。
　　植物根系能够有效过滤和分解悬浮物，具有较强的污水净化能力和传输氧气、有利于氮硝化等[9]。生态渗滤池的滤料粒径，由上向下逐渐增大，粒径间隙逐渐增大，不仅有利于植物根系的生长，便于微生物挂膜，同时也为微生物高效降解有机微污染物质提供了传质通道。Cui等[9]研究发现高炉矿渣空隙大，能够有效吸附氨氮和磷，并且为植物提供矿质元素。试验中的滤料中含有砂石、生态珠，为植物提供矿质元素的同时，也为微生物的附着和生长提供环境。因此，生态渗滤池系统对氨氮的去除率一直保持较高水平。
　　2.3 生态渗滤池对微污染水中总磷的去除效果
　　磷是造成水体富营养化的主要元素之一。磷的去除对控制水体富氧化至关重要[11]。试验中总磷的去除情况如图5所示。试验平均进水总磷为1.37 mg/L，平均出水总磷为0.19 mg/L，出水标准满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅲ类水标准（0.2 mg/L），总体上，生态渗滤池对微污染水体中总磷去除效率较高，平均为85.96%。
　　聚磷菌是生物除磷的主要菌群，在厌氧和好氧条件下，形成磷酸盐或合成细胞内物质[12-13]。植物通过主动吸收磷元素，合成植物的遗传物质、生物膜骨架、酶等物质。磷是氮素代谢过程中一些重要酶的组分，滤料中微生物和植物根基微生物协同降解氮元素和磷元素。
　　2.4 生態渗滤池对有机污染物去除的机理
　　人工湿地主要通过植物吸收去除污染物，甚至需配合投加菌剂等[14];人工快渗是一种渗滤系统[15]。生态渗滤池利用植物根系作为生物膜附着载体，与各种类型滤料协同作用，作用机制结合了植物根系与渗滤系统，降解有机微污染物质。
　　滤料吸附、吸收和氧化层的粒径为8～20 mm，滤料孔隙上生物膜从外层到内层出现氧气浓度梯度变化的微环境，促进微生物新陈代谢活动，如硝化反硝化同步反应或短程硝化除磷[12]。植物根系生长于滤料周围，吸收根际周围的脱落生物膜和矿质元素，同时根际分泌物促进形成新的生物膜，生物群落结构和代谢活动形成良性循环。
　　3 结论
　　微污染水具有潜在累积风险，对生态环境和人体健康均会产生影响。加强对微污染水体治理的研究具有重要的科学研究意义和实际意义。
　　生态渗滤池对微污染水体中COD、氨氮、总磷的去除效果较好，可以稳定达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的Ⅲ类水标准，平均去除率分别达78.35%、87.72%和85.96%。生态渗滤池工艺可以用于微污染水体的治理方法。
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