劉雪妮，何連生，姜登嶺，袁震，楊兆華，孟睿，蔣進元

1.華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063000 2.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境工程設計研究中心，北京 100012

生物滴濾池處理農村廢水的研究進展

劉雪妮1,2，何連生2*，姜登嶺1，袁震2，楊兆華1,2，孟睿2，蔣進元2

1.華北理工大學建筑工程學院，河北 唐山 063000 2.中國環(huán)境科學研究院環(huán)境工程設計研究中心，北京 100012

生物滴濾池存在脫氮除磷效果較差、濾料易堵塞、有異味等缺點。針對不同農村地區(qū)不同水質的廢水，為達到出水標準，提高運行效率，國內外很多學者對生物滴濾池進行了改進研究。滴濾池的結構設計可從降低進水有機負荷、增加含氧量和脫氮除磷分段進行等方面改進；布水方式可從減小進水水滴體積、均勻布水、適當提高布水高度等方面改進；濾料的選擇可根據(jù)廢水的特點選擇組合濾料實現(xiàn)優(yōu)勢互補；生物膜的培養(yǎng)可采用人工接種掛膜和自然掛膜相結合的方式來縮短培養(yǎng)時間；適當提高回流比，可提高氮去除率，一般回流比設為60%～80%。生物滴濾池的不斷改進使其在農村廢水處理中更有優(yōu)勢。

生物滴濾池；結構設計；濾料；掛膜；回流比

農村廢水是指農村居民在生活和生產(chǎn)過程中形成的廢水。受條件、習慣和季節(jié)氣候等因素的影響，從宏觀來看農村居民用水水量很大，但作為村莊或農戶個體而言，污水的排放一般集中在白天的某個時段,夜間排放量很小，晝夜排放量變化明顯。農村廢水主要污染物為COD、氮和磷，有機污染物濃度低于城市污水。我國農村廢水水量和水質波動性大，排水管網(wǎng)不完善，村鎮(zhèn)經(jīng)濟水平較低，缺乏專業(yè)的污水處理人員。針對這些現(xiàn)狀，農村廢水處理選擇的工藝應滿足抗沖擊負荷能力強、可就近獨自處理、建設和運行費用低、操作管理簡便等要求[1]。生物滴濾池因其處理工藝簡單有效，抗沖擊負荷，工藝材料環(huán)保廉價，不需要大型曝氣設備，處理過程中無廢氣廢水產(chǎn)生，較少的污泥產(chǎn)量等優(yōu)點被廣泛應用于農村廢水處理中。但該技術存在頂部濾料易堵塞、有異味、處理負荷較低、易招蚊蟲等缺點。筆者綜述了生物滴濾池的應用和研究進展，分析了影響處理效果的因素，提出了改進方式，以期為生物滴濾池的改進和在農村廢水處理中的推廣提供借鑒。

1 生物滴濾池簡介

生物滴濾池構造包括布水器、濾料、進水再循環(huán)泵和覆蓋物4個部分[2-3]。廢水通過布水器進入濾池，長期滴在濾料表面，因此濾料表面會形成生物膜[4-5]；附著生物膜的濾料形成了由廢水、空氣和生物膜組成的三相流體系，廢水由生物膜表面向下流，與生物膜進行固、液相的物質交換；空氣在自然通風或鼓風曝氣的作用下流動，在氧的參與下，廢水中的有機物被微生物分解得到凈化。傳統(tǒng)的生物滴濾池供氧方式為自然通風；掛膜方式一般采用自然掛膜；濾料以石塊為主，粒徑為25～100 mm，形狀不規(guī)則；濾料層高度為1～2 m。

2 生物滴濾池的研究進展

生物滴濾池出現(xiàn)于20世紀50年代，當時設計參數(shù)不明確，沒有完善的設計標準[6-7]。20世紀60年代，陶氏化學公司開始研究模塊化濾料，之后越來越多的研究者開始探究生物滴濾池污水處理工藝[8-9]，并在20世紀60—70年代取得了大量的研究成果。20世紀70年代美國國家環(huán)境保護局正式定義了生物滴濾池[10]。

近年，生物滴濾池不斷發(fā)展優(yōu)化，日本研發(fā)了成本低、體積小、操作簡便的淹沒式生物滴濾池。一些學者研發(fā)了較為實用的組合工藝，如生物滴濾池與人工濕地的組合、生物復合滴濾池-地下滲濾工藝組合、多級生物滴濾池的組合、臭氧-生物滴濾池組合等，生物滴濾池作為組合工藝中的一部分取得了很好的效果，這使其在水處理工藝中更有優(yōu)勢。此外，對生物膜的模擬也應用在了生物滴濾池上，早期的生物膜模型大都建立在假設生物膜表面均勻、光滑的一維動力學模型，近年，大量的試驗促進了半二維及三維生物膜模型的產(chǎn)生。三維生物膜模型主要是對微生物結構和不同種群微生物相互關系的模擬，相關參數(shù)較多且不易測定。伴隨著先進觀測和檢測技術的發(fā)展，三維生物膜模型將是生物膜理論研究的有力工具[11]。影響生物滴濾池處理效果的因素有結構設計、進水負荷、布水方式、濾料、供氧方式、掛膜方式、回流比和溫度等，因此許多學者對其進行了改造或優(yōu)化。

2.1 結構設計

為提高出水水質，國內外學者對生物滴濾池結構改進進行了大量研究，如表1所示。

表1 生物滴濾池的結構改進

生物滴濾池的結構設計影響處理效果。由表1可知，從降低有機負荷、增加含氧量、除碳和脫氮分段進行、增設回流結構等方面對生物滴濾池進行結構改進，對處理效果都有一定提高。研究表明，生物滴濾池凈水能力取決于濾池中微生物的活性[18-19]，說明生物滴濾池截留了原水中的活性微生物，由上向下微生物種群存在明顯差別，高度的設計會影響其對污染物的去除率。生物滴濾池結構的改進途徑可以從選擇合適的濾池高度、增加氧氣與生物膜的接觸、配置合適的進水負荷、好氧與厭氧分段進行、降低進水污染物濃度等方面考慮。

2.2 進水負荷

生物滴濾池進水負荷是影響其處理能力的重要指標之一。進水負荷通過改變?yōu)V池內的底物濃度以及溶解氧與微生物的接觸方式來影響生物膜的生長。一些學者在選擇合適的進水負荷方面做了很多研究：李桂榮等[20]對生物滴濾池的不同進水負荷進行了研究，結果表明，當進水體積負荷為20 L/h，進水COD負荷為1.638～2.047 g/(L·d)時，綜合去除效果最佳，對COD的去除率為80%～83.2%，對氨氮的去除率為72.7%～80.3%，對TN的去除率為80%～83.2%，對TP的去除率為49.1%～52.3%；余珍[21]在對傳統(tǒng)生物滴濾池進行改造后，發(fā)現(xiàn)當進水體積負荷為25 L/d，進水COD負荷小于0.9 g/(L·d)時，COD去除率為55%～70%，TN去除率為55%～65%，TP去除率為51%～80%。

生物滴濾池的進水體積負荷與廢水的停留時間成反比，最佳進水體積負荷需根據(jù)濾池的結構通過試驗測得。提高濾池的進水有機負荷，濾池內微生物群落增多，活性不斷提高，其去除率增大，微生物抗沖擊負荷能力較強；當有機負荷超出微生物的分解能力時，去除率隨之下降。生物滴濾池的最佳進水有機負荷為0.3～0.9 kg/(m3·d)(以COD計)，且負荷高低與滴濾池的設計結構和溫度有關。因此，進水負荷應根據(jù)滴濾池的結構和水溫進行研究，選擇最佳負荷。

2.3 布水方式

生物滴濾池的布水方式是影響污水能否在滴濾池中均勻分布的因素。傳統(tǒng)生物滴濾池的布水采用在其上方由布水器分散成滴狀噴灑在濾料上。張?zhí)鹛鸬萚22]對進水做霧化處理，其去除效果明顯高于同等條件下的滴滲布水。許多研究者采用豐字形布水器來實現(xiàn)均勻布水。陳蒙亮[23]參考化工蒸餾塔布水系統(tǒng)，使用V型溢流布水器，該布水器具有抗堵、抗腐蝕、可處理含固體的污水、操作可靠、操作彈性和處理量較大等特點。吳磊等[24]研究了跌水充氧接觸氧化技術，利用污水提升泵提升污水，分級跌落，形成水幕及水滴自然充氧，將勢能轉化為動能，大幅削減了能耗，研究表明，既經(jīng)濟又有效的跌水高度為0.5 m。

布水方式的改進途徑可從減小水滴的體積、均勻布水、提高布水高度等方面考慮，以達到增加與氧氣的接觸面積，增加好氧微生物的活性的目的。

2.4 濾料

濾料是生物滴濾池處理廢水技術的核心。選用的濾料需滿足比表面積大、持水時間長、吸附性能好、化學穩(wěn)定性好、機械性能好、可以去除氮磷及成本低等條件。生物滴濾池的濾料種類很多，常用的有沸石(天然和人工)、石英砂、陶粒系列、活性炭、頁巖、礫石、火山巖、珍珠巖、硅藻土、稀土瓷砂、有機高分子濾料(如聚丙乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯等)、生化環(huán)、拉西環(huán)和鮑爾環(huán)等[25]。一些常見濾料的物理性能及優(yōu)缺點見表2。

表2 常見濾料的性能比較

王萍等[26]把煤矸石作為原料制備了陶粒濾料，粒徑為1.6～2.5 mm，孔隙率為58.29%，研究發(fā)現(xiàn)，陶粒掛膜快、微生物適應性好、耐反沖洗，COD平均去除率保持在80%以上，氨氮去除率為60%以上。Guo等[27-31]研究了黏土、珍珠巖、火山巖、沸石及其他輕質礦物材料制作的濾料，研究表明，污水處理效果較理想的濾料是價廉易得、多孔不規(guī)則、環(huán)境友好的礦物濾料。袁震[32]研究了沸石、陶粒、頁巖、火山巖和石英砂5種濾料對氮、磷的吸附效果，結果表明，濾料對氮、磷的綜合吸附效果為沸石>火山巖>陶粒>頁巖>石英砂。沸石、黏土、火山巖、陶粒等礦物濾料使用較為廣泛，處理效果較好。

單一濾料在實際應用中會存在一些不足。近年來，有學者對組合濾料做了相關研究，實現(xiàn)多種濾料的優(yōu)勢組合。劉穎等[33]研究了斜發(fā)沸石+焦炭、斜發(fā)沸石+蘭炭2種不同組合濾料的去除效果，結果表明：斜發(fā)沸石+焦炭組合濾料對COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分別為83.3%、86.52%、23.93%和60.48%；斜發(fā)沸石+蘭炭組合濾料對COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分別為77.31%、86.6%、31.87%和47.51%；斜發(fā)沸石+焦炭組合濾料的處理效果更好。杜永祥[34]用陶粒-沸石-活性炭組合濾料處理受污染地表水體，出水COD小于2 mg/L，氨氮濃度在0.15 mg/L以下。此外，沸石-陶粒、陶粒-爐渣等組合濾料和一些改性濾料也有一定的應用。多種濾料的組合能夠實現(xiàn)優(yōu)勢互補，對污染物的去除有明顯的優(yōu)勢。濾料粒徑對處理效果也有影響。Kent等[35]研究發(fā)現(xiàn)，不同粒徑的濾料對廢水的處理效果不同，小粒徑(2～3 mm)有利于提高脫氮效果和綜合去除效果，但易堵塞。

為提高生物滴濾池的出水水質，國內外學者在高性能濾料的研制及改性濾料等方面開展了大量研究。如日本研究者運用貝殼作濾料，貝殼具有天然的多孔表面，且含有豐富的CaCO3，是微生物附著和生長的理想濾料，脫氮除磷效果較好[36]；龍騰銳等[37]發(fā)明了一種酶促生物濾料，解決了傳統(tǒng)生物濾料存在的掛膜慢、效率低、易堵塞、損耗大、再生難、價格貴等缺點，提高了廢水處理工藝的效率。濾料發(fā)展的趨勢是開發(fā)可專門設計的尺寸、表面性質、體密度，并以天然材料為主要成分的人工合成無機濾料，克服微生物與高分子濾料之間相容性較差的問題，如輕質陶粒。

在運行參數(shù)相同的條件下，生物滴濾池中的濾料對微生物群落結構多樣性和代謝功能的影響較小。在生物滴濾池中，濾料的選擇要考慮機械性能、質量、比表面積和價格等因素。濾料的機械性能和質量決定了濾池的建造面積和高度；比表面積決定了廢水和生物膜間的接觸面積；濾料的價格直接影響經(jīng)濟成本。在污水處理的實際應用中,濾料的選擇應根據(jù)當?shù)貜U水的特點，結合濾料的性能，選擇最優(yōu)的濾料或濾料組合。

2.5 供氧方式

傳統(tǒng)生物滴濾池采用自然通風供氧。供氧主要受濾池自然拔風和風速的影響，而自然拔風的推動力則是池內溫度與氣溫之差及濾池的高度[38]。當水溫和氣溫相近時,空氣流動可能停滯，結果在濾池的部分區(qū)域氧分壓會減少。當含有高濃度有機物的廢水進入濾池時，供氧條件有可能成為影響其工作的主要因素，因此較低的空氣流速會使濾池的效率降低。為避免這些問題,可以對濾池進行曝氣來強制通風，曝氣則會帶來能耗問題。許多研究者通過改進結構設計來增加含氧量。余珍等[39]采用分層的模塊結構，層與層之間和各層四周都有空隙，可以充分和空氣接觸，因此能較好地提供滴濾池內微生物生長所需要的氧氣,改進后的生物滴濾池可有效去除餐飲廢水中的COD、氨氮、TN和TP。李先寧等[40]采用濺水充氧滴濾池裝置，專門設有濺水區(qū)滿足濾池內生物對氧的需求，同時濾池內部通過自然拔風管拔風，進一步提高了充氧效果，實現(xiàn)節(jié)能條件下的好氧生物處理。

增加含氧量可提高好氧微生物的活性。一般通過曝氣的形式來充氧，會帶來能耗問題。農村廢水的處理，能耗是必須要考慮的因素。因此，可通過改進生物滴濾池的結構來提高含氧量，也可選擇在風速較大的位置建設生物滴濾池。

2.6 掛膜方式

掛膜是指膜狀微生物的培養(yǎng)和馴化過程。生物掛膜的方法主要分為接種掛膜和自然掛膜[41-43]。接種掛膜是指在濾池中接種一定量的活性污泥，污水從較低流量連續(xù)運行到設計流量，對COD的去除率達65%,對氨氮的平均去除率為65%，對TN和TP的去除率均達到20%左右，且出水水質穩(wěn)定，可認為掛膜成功[44]。傳統(tǒng)生物滴濾池采用自然掛膜的方式，當氣溫較低時，硝化細菌的生長受到抑制，可采用接種掛膜或二者結合的方式掛膜。傅金祥等[45]研究了2種不同掛膜方式的處理效果，結果表明：接種掛膜下COD去除率為90.36%，氨氮去除率為70.14%；自然掛膜下COD去除率為87.69%，氨氮去除率為34.67%；接種掛膜下生物膜生長情況好于自然掛膜。張菊萍等[46]對比了自然掛膜和接種掛膜的處理效果，結果表明：自然掛膜狀態(tài)下啟動6周后氨氮去除率僅為20%左右；接種掛膜狀態(tài)下整個掛膜啟動過程僅需17 d，氨氮的去除率穩(wěn)定在60%以上。接種掛膜與自然掛膜相比，縮短了掛膜周期，且凈水水質也較好。釆用自然掛膜有利于異養(yǎng)菌的生長，生物膜具有更強的抗沖擊負荷能力；采用接種掛膜有利于自養(yǎng)硝化菌的生長，更加適用于培養(yǎng)自養(yǎng)硝化菌生物膜。

接種掛膜相對自然掛膜，縮短了掛膜周期，更具有實際應用意義。很多研究者在試驗及應用過程中，采用接種掛膜或二者結合的方式來縮短生物膜的培養(yǎng)周期。

2.7 回流比

回流比是影響生物滴濾池處理效果的因素，對出水水質有明顯的影響。美國國家環(huán)境保護局研究回流對生物滴濾池脫氮的影響發(fā)現(xiàn)：適當增大回流比有利于硝化反應，當回流比為100%時，氨氮去除率為50%；當回流比為200%時，氨氮去除率為67%[47]。崔婷婷[48]研究發(fā)現(xiàn)：TN、TP的去除率隨回流比的增加而增加，最佳回流比為2∶1，TN平均去除率為56.02%，TP平均去除率為66.04%；對氨氮、COD去除的最佳回流比為1∶1，氨氮平均去除率為87.08%，COD平均去除率為80.78%。

回流比主要影響氨氮和TN的去除。出水硝酸鹽濃度為0時的回流比為臨界回流比，當回流比小于該值時，增加回流比，氨氮進一步轉化為硝態(tài)氮，去除率隨之增加；當回流比大于該值時，超出微生物的處理負荷，同時過大回流比帶入的溶解氧破壞了缺氧環(huán)境，抑制了反硝化細菌的活性，TN去除率不再增加反而下降。適當增加回流比是生物滴濾池提高脫氮效果的有效途徑，一般回流比為60%～80%時，對各類水質指標的去除率均較高，但最佳回流比還需根據(jù)生物滴濾池的結構試驗測得。

2.8 溫度

溫度的變化對生物滴濾池各檢測指標都有一定的影響。厭氧微生物對溫度更為敏感，一般適宜溫度為30～40 ℃。胡和平等[49]在研究溫度對反硝化效果的影響時發(fā)現(xiàn)：40 ℃時，反硝化速度最快，達到最佳反硝化效果；當溫度升高到45 ℃時，整個系統(tǒng)的反硝化效果開始下降。趙美[50]在研究低溫對生物滴濾池處理效果的影響時，通過調節(jié)運行參數(shù)，設定5、8、10、12和15～20 ℃ 5個溫度段，考察COD、氨氮、TN及TP的去除效果，結果表明，水溫降低對COD、氨氮、TN及TP的去除效果都有影響，尤其對氨氮和TN的影響顯著。竇娜莎[51]在14.5、18.6和23.2 ℃ 3個溫度下，研究了生物滴濾池中微生物群落結構、總細菌菌群密度和硝化細菌菌群密度隨溫度的變化情況，結果表明，溫度降低時，微生物多樣性急劇下降，且細菌總量和硝化細菌菌群密度均下降，在18.6 ℃條件下綜合去除率最高。

溫度對氨氮、TN的去除影響很大，但當溫度達到硝化細菌的適宜溫度(20～35 ℃)后，將不再成為去除氨氮的限制因素。受溫度的影響，生物滴濾池在北方寒冷的冬季運行效果較差，可通過減少通氣量，對池壁采取保溫措施等來減少熱量的散失。

3 結論

(1)生物滴濾池結構設計可從降低進水有機負荷、增加含氧量、設置最佳進水負荷和脫氮除磷分段進行等方面加以改進。

(2)配置最佳進水負荷可提高滴濾池的處理效果，根據(jù)滴濾池結構的設計及溫度，可通過試驗得到最佳進水負荷。

(3)布水方式可通過減小進水水滴的體積，改進布水器及提高布水高度等方面加以改進。

(4)濾料的選擇可根據(jù)廢水的特點，選擇合適的濾料進行組合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。開發(fā)新型的以天然材料為主要成分的人工合成濾料是未來的發(fā)展趨勢。

(5)曝氣在人工增氧的同時也增加了能耗，因此，可通過改進滴濾池的結構讓其自行充氧。

(6)人工接種掛膜的時間周期優(yōu)于自然掛膜，可采用二者結合的方式來縮短生物膜的培養(yǎng)時間。

(7)適當提高回流比是滴濾池提高去除效果的有效途徑。綜合各項水質指標的去除率，一般回流比設為60%～80%。

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Research progress of treatment of rural wastewater by bio-trickling filter

LIU Xueni1,2, HE Liansheng2, JIANG Dengling1, YUAN Zhen2, YANG Zhaohua1,2, MENG Rui2, JIANG Jinyuan2

1.College of Architectural Engineering Institute, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China2.Environmental Engineering Design and Research Centre, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China

Biological trickling filter (BTF) has the disadvantages of low removal efficiency of nitrogen and phosphorus, easy clogging of the filter, and bad smells. In order to achieve the effluent standards and improve the operational efficiency for different wastewater quality in rural areas, improvement researches have been made by domestic and foreign scholars. The structure of BTF can be improved by reducing the filter influent organic concentration, increasing the oxygen content, and removing nitrogen and phosphorus in different stages, etc. Water distribution can be improved by reducing the volume of water droplets, distributing water uniformly, and raising the water distribution height suitably. Different sorts of filter materials can be combined to have complementary advantages according to the characteristics of the wastewater. Through combining artificial inoculation film-forming with natural biofilm, biofilm can be adopted in the shorter time. Increase of the reflux ratio can improve the removal efficiency, with optimum reflux ratio is 60%-80%. The continuous improvement of the BFT makes it more advantageous in the treatment of wastewater in the rural areas.

biological trickling filter; structure design; filter material; forming film; reflux ratio

2016-07-08

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAJ21B08)

劉雪妮(1990—)，女，碩士，主要從事水處理研究，liuxueni90@126.com

*責任作者：何連生(1976—)，男，教授級高級工程師，博士，長期從事水污染治理，heliansheng08@126.com

X703.1

1674-991X(2017)02-0194-07

10.3969/j.issn.1674-991X.2017.02.029

劉雪妮，何連生，姜登嶺,等.生物滴濾池處理農村廢水的研究進展[J].環(huán)境工程技術學報,2017,7(2):194-200.

LIU X N,HE L S,JIANG D L,et al.Research progress of treatment of rural wastewater by bio-trickling filter[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2017,7(2):194-200.