周超群，吳磊，李先寧，洪月菊，張佳杰

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京 210096）

用于農(nóng)村污水安全灌溉的新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)研究

周超群，吳磊*，李先寧，洪月菊，張佳杰

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,南京 210096）

以常用的農(nóng)村污水處理工藝“厭氧池+好氧生物濾池”為研究對象,通過運(yùn)行參數(shù)的調(diào)控,把該工藝以除磷脫氮達(dá)到一級B排放為目的,轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿急Ａ妆５馁Y源化利用為目的,成為用于農(nóng)村污水安全灌溉的新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明.在進(jìn)水COD濃度為174～384 mg·L-1,NH+4-N濃度為28.45～97.28 mg·L-1,TN濃度為37～141.9 mg·L-1,TP濃度為3.65～14.57 mg·L-1,厭氧池水力停留時(shí)間HRT=4 h,好氧生物濾池水力負(fù)荷HLR=5.4 m3·m-2·d-1時(shí),氮磷無機(jī)化反應(yīng)器的出水NH+4-N濃度為45 mg·L-1左右,PO3-4-P濃度為6.5 mg·L-1左右,COD平均濃度均在60 mg·L-1以下,糞大腸桿菌群＜10 000個(gè)·L-1,均滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005）中可生食蔬菜安全灌溉的水質(zhì)要求。研究表明新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水安全灌溉。

農(nóng)村生活污水；氮磷資源化；氮磷無機(jī)化；安全灌溉

我國是水資源嚴(yán)重短缺的國家,全國正常年份農(nóng)業(yè)缺水量達(dá)300億m3,而近年來全國農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污水超過100億m3［1］。農(nóng)村生活污水性質(zhì)比較穩(wěn)定,基本不含重金屬和有毒物質(zhì),可生化性較好［2］,成為潛在的農(nóng)業(yè)灌溉水源［3］。污水中的氮磷等物質(zhì)對水環(huán)境是一種污染物,而對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是必需的營養(yǎng)物質(zhì),是一種寶貴的資源［4-5］。但是,生活污水直接回灌農(nóng)田,由于懸浮顆粒和有機(jī)物濃度過高,長期使用會造成土壤的板結(jié)和厭氧化,從而導(dǎo)致土壤退化和植物爛根等問題［6-7］。

目前許多地方的農(nóng)村生活污水治理通常是將污水處理達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002）一級B標(biāo)準(zhǔn)后排放,不但工藝復(fù)雜,投資相對較大［8］,而且尾水中可用于農(nóng)作物直接吸收的氮磷含量較低,大幅降低了污水的肥效［9］,不利于污水的回用灌溉。本文提出了一種新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器,不以脫氮除磷為首要目的,而是盡量保留污水中的氮、磷成分,最后回用于農(nóng)業(yè)灌溉。該反應(yīng)器本質(zhì)還是由厭氧池和好氧生物濾池組成的A/O系統(tǒng),A段的主要功能是要去除近50%的COD,以減少后續(xù)O段的負(fù)荷；與傳統(tǒng)以脫氮為目的的A/O系統(tǒng)相比,不設(shè)回流,避免反硝化脫氮浪費(fèi)氮資源。同時(shí)通過縮短A段、O段的反應(yīng)時(shí)間,使厭氧池盡量停留在水解酸化階段,好氧生物濾池盡量停留在碳化、氨化階段,有研究表明［10］氨氮也是易于農(nóng)作物通過根系直接吸收的無機(jī)氮形式,因此沒有必要氧化到硝酸鹽氮?？傊?該反應(yīng)器的研究目標(biāo)就是使農(nóng)村生活污水尾水中盡可能保留易于農(nóng)作物利用的氮、磷形態(tài)和數(shù)量［11-12］,提高農(nóng)作物對肥料的利用效率,同時(shí)COD濃度達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005）中可生食蔬菜安全灌溉的水質(zhì)要求,實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水安全灌溉。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 The sketch map of the testing apparatus

本試驗(yàn)的裝置如圖1所示。厭氧池為有機(jī)玻璃材質(zhì),直徑為300 mm,有效高度為400 mm,有效體積28 L,底部設(shè)錐形排泥區(qū)(高度為100 mm）,上部設(shè)沉淀區(qū)(高度為100 mm）,反應(yīng)器內(nèi)懸掛組合填料,購自宜興市樂克環(huán)保設(shè)備有限公司,規(guī)格為直徑150 mm、長80 mm。組合填料在厭氧池中的具體布設(shè)參數(shù)見表1。

厭氧池和好氧生物濾池之間設(shè)有簡易調(diào)節(jié)池,好氧生物濾池進(jìn)水為調(diào)節(jié)池出水。好氧生物濾池為有機(jī)玻璃材質(zhì),直徑為250 mm,采用噴頭進(jìn)行均勻布水,濾池內(nèi)由下至上依次為集水區(qū)(高度為200 mm）、承托層(高度為200 mm）、填料層(高度為1000 mm）,濾池有效體積為48 L；填料層由上而下每隔200 mm設(shè)1個(gè)取樣口,每隔400 mm設(shè)2個(gè)通風(fēng)口,底部集水區(qū)設(shè)1個(gè)出水口。好氧生物濾池內(nèi)填料為5～8 mm頁巖陶粒,其主要性能如表2。

表2 頁巖陶粒主要性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of ceramsite

1.2 試驗(yàn)用水水質(zhì)及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用水取自安徽省馬鞍山市鄭蒲港新區(qū)姥長新村周邊農(nóng)戶家化糞池污水,主要來源于廁所、衛(wèi)生淋浴污水及部分廚房排水。厭氧池出水取自厭氧池與好氧生物濾池連接管處,好氧生物濾池出水取自好氧生物濾池填料深度為1 m處的取樣口。有研究表明［13］好氧生物濾池填料高度為1 m時(shí),好氧生物濾池具有最好的COD去除和氮磷無機(jī)化效能。試驗(yàn)在2014年8月至10月進(jìn)行,試驗(yàn)期間溫度變化不大(25～35℃）,進(jìn)水水質(zhì)見表3。

表1 厭氧池組合填料布設(shè)參數(shù)Table 1 Layout parameters of combination packing in anaerobic pool

表3 試驗(yàn)用水水質(zhì)Table 3 Quality of raw wastewater

本試驗(yàn)通過改變進(jìn)水流量的方式調(diào)節(jié)厭氧池水力停留時(shí)間(HRT）和好氧生物濾池水力負(fù)荷(HLR）,分別設(shè)置五組水力停留時(shí)間(HRT=3、4、5、6、7 h）和五組水力負(fù)荷(HLR=3.1、3.6、4.2、5.4、7.2 m3·m-2·d-1）。氮磷無機(jī)化反應(yīng)器采用復(fù)合式接種掛膜方法進(jìn)行掛膜啟動。啟動完成時(shí),原水COD濃度為156～300 mg· L-1,厭氧池和好氧生物濾池COD去除率范圍分別為40%～45%和70%～75%。其后每改變一次HRT或HLR,連續(xù)運(yùn)行3 d待裝置穩(wěn)定后進(jìn)行連續(xù)4 d的試驗(yàn)檢測,檢測數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行繪圖。確定新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器厭氧池適宜水力停留時(shí)間和好氧生物濾池適宜水力負(fù)荷后,按適宜運(yùn)行參數(shù)組合對氮磷無機(jī)化反應(yīng)器運(yùn)行5 d以獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.3 試驗(yàn)分析項(xiàng)目與檢測方法

試驗(yàn)主要分析常規(guī)水質(zhì)指標(biāo),包括溫度、CODCr、-N、N-N、N-N、TN、TP和可溶性正磷酸鹽,測定方法見文獻(xiàn)［14］。

1.4 有機(jī)氮、磷無機(jī)化表征方法

在厭氧池內(nèi),主要是厭氧微生物和兼性厭氧微生物通過還原脫氨、水解脫氨和脫水脫氨三種途徑的氨化反應(yīng)對有機(jī)氮化合物進(jìn)行無機(jī)化。氮元素的轉(zhuǎn)化過程主要是微生物的同化消耗,有機(jī)氮向-N的轉(zhuǎn)化。厭氧池出水相較于進(jìn)水,有機(jī)氮濃度減少,氨氮濃度增加,-N和-N的含量基本保持不變。

在好氧生物濾池內(nèi),氮元素的轉(zhuǎn)化過程較復(fù)雜,包括有機(jī)氮的氨化降解、-N經(jīng)亞硝化作用轉(zhuǎn)化為-N以及-N經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為-N。好氧生物濾池出水相較于進(jìn)水,有機(jī)氮濃度減少,氨氮濃度減少,-N和-N的含量增加。

新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器中有機(jī)氮的無機(jī)化程度采用進(jìn)出水中有機(jī)氮的減少百分比來表征.

新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器提供的環(huán)境不適合聚磷菌的生長,同時(shí)未設(shè)回流單元。對該反應(yīng)器厭氧段和好氧段來說,磷元素的轉(zhuǎn)化過程主要是微生物自身同化作用的吸收利用、濾料的吸附截留作用、有機(jī)磷通過微生物的分解作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)態(tài)磷,無機(jī)態(tài)磷的形態(tài)主要是-P。有機(jī)磷的無機(jī)化可用-P與TP的比值來表征.

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧池適宜水力停留時(shí)間的確定

圖2a和圖2b分別表示厭氧池內(nèi)有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N和氨氮增長率在不同水力停留時(shí)間下的變化情況；圖2c和圖2d分別表示厭氧池內(nèi)有機(jī)磷無機(jī)化增長率和COD的去除率在不同水力停留時(shí)間下的變化情況。

由圖2a和圖2d可知,隨著HRT的延長,厭氧池中有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N和COD去除率均呈現(xiàn)逐步增加的趨勢。隨著HRT的延長,微生物與有機(jī)物接觸時(shí)間延長,反應(yīng)更充分,COD去除率逐漸增大,同時(shí)污水與底部污泥和組合填料上生物膜的接觸時(shí)間加長,截留的顆粒態(tài)有機(jī)氮越多,反應(yīng)器的氨化反應(yīng)進(jìn)行得越充分,故有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N也就越大。

圖2 不同水力停留時(shí)間厭氧池氮、磷無機(jī)化效能和COD去除效果Figure 2 ηorg-Nand ΔηPtrends and COD removal efficiency under different HRT

在試驗(yàn)條件下,HRT=3 h時(shí)有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N為11.66%,HRT=4 h時(shí)有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N增大至29.29%(圖2a）。利用SPSS 22對HRT=3 h和HRT=4 h時(shí)的兩組有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N在95%置信區(qū)間進(jìn)行T-檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果P=0.023＜0.05,表明HRT由3 h增大到4 h時(shí),有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N顯著增加；HRT＞4 h后,HRT的增大對有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N影響不顯著(P＞0.05）,有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N變化趨勢趨于平緩。在試驗(yàn)條件下,HRT=3 h時(shí)COD去除率為38.74%,HRT=4 h時(shí)COD去除率增大至44.61%(圖2d）。利用SPSS 22對HRT=3 h和HRT=4 h時(shí)的兩組COD去除率在95%置信區(qū)間進(jìn)行T-檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果P=0.016＜0.05,表明HRT由3 h增大到4 h時(shí),COD去除率顯著增加(P＜0.05）；HRT＞4 h后,HRT的增大對COD去除率影響不顯著(P＞0.05）,COD去除率變化趨勢趨于平緩,HRT=7 h時(shí)COD去除率僅由HRT=4 h時(shí)的44.61%增大至46.19%。隨著HRT的延長,水解酸化池內(nèi)的主要反應(yīng)由顆粒物和膠體物質(zhì)的截留吸附階段過渡到了非溶解態(tài)有機(jī)物轉(zhuǎn)化為溶解態(tài)有機(jī)物以及部分溶解性復(fù)雜有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物的過程,有機(jī)物從形式上和質(zhì)上發(fā)生變化,而在總的數(shù)量上變化較?。?5］,COD去除率變化較小。

由圖2b和2c可知,厭氧池內(nèi)氨氮增長率和有機(jī)磷無機(jī)化增長率ΔηP均隨著HRT的延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。HRT=4 h時(shí)氨氮增長率最大為7.71%,表明厭氧池內(nèi)氨化作用增加的氨氮和微生物同化作用消耗的氨氮相差不大。當(dāng)HRT=7 h時(shí)出水氨氮濃度甚至低于進(jìn)水氨氮濃度,此時(shí)隨著生活污水在厭氧池內(nèi)的停留時(shí)間延長,生物同化作用消耗污水中更多的氨氮［16］。Siegrist等［17］也發(fā)現(xiàn)有厭氧池(無回流）出水氨氮減小的現(xiàn)象。在厭氧池內(nèi),有機(jī)磷經(jīng)微生物的作用會轉(zhuǎn)化為磷酸根,微生物在生長的同時(shí)會利用一部分磷酸根［18］。當(dāng)HRT=4 h時(shí),有機(jī)磷無機(jī)化增長率ΔηP最大為21.39%(圖2c）。

新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器中厭氧池的作用主要是為減輕后續(xù)好氧段處理的有機(jī)負(fù)荷而盡量提高處理過程中無機(jī)態(tài)氮磷的保有量。結(jié)合上面的分析和圖2d中好氧生物濾池對COD去除率的分析,當(dāng)厭氧池HRT≥4 h時(shí),厭氧池COD去除率≥44.61%,此時(shí)已較大程度地發(fā)揮了厭氧池減輕后續(xù)好氧段處理有機(jī)負(fù)荷的作用,可以初步確定厭氧池適宜水力停留時(shí)間應(yīng)不小于4 h。由于在厭氧池中整個(gè)氮元素的轉(zhuǎn)化過程主要是微生物的同化消耗,使有機(jī)氮向NH+4-N的轉(zhuǎn)化在厭氧池中并不適合用有機(jī)氮無機(jī)化率表示無機(jī)態(tài)氮的保有量,而應(yīng)該用氨氮增長率表示。故結(jié)合圖2b和2c的分析,當(dāng)厭氧池HRT=4 h時(shí),厭氧池氨氮增長率、有機(jī)磷無機(jī)化增長率ΔηP均為最大,使厭氧池處理過程中無機(jī)態(tài)氮磷的保有量得到了最大程度的提高。綜上所述,確定厭氧池適宜HRT=4 h,此時(shí)厭氧池充分發(fā)揮了其在新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器中的作用。

2.2 好氧生物濾池適宜水力負(fù)荷的確定

圖3a和圖3b分別表示好氧生物濾池內(nèi)有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N和氨氮減少百分?jǐn)?shù)在不同水力負(fù)荷下的變化情況。圖3c和圖3d分別表示好氧生物濾池內(nèi)有機(jī)磷無機(jī)化增長率和COD的去除率在不同水力負(fù)荷下的變化情況。

由圖3a可知,隨著HLR的增加,好氧生物濾池中有機(jī)氮無機(jī)化增長率ηorg-N呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。當(dāng)HLR較小時(shí),填料表層的微生物與水中的有機(jī)氮有較長的接觸時(shí)間,可以轉(zhuǎn)化較多的有機(jī)氮,與此同時(shí),濾池內(nèi)濾速較小,水流的擾動較小,顆粒態(tài)有機(jī)氮［19］在填料上的吸附、截留效果較好。當(dāng)HLR不斷增大,微生物與水流中有機(jī)氮的接觸時(shí)間逐漸縮短,加之水流對填料的沖刷影響,使得ηorg-N降低。

圖3 不同水力負(fù)荷好氧生物濾池氮、磷無機(jī)化效能和COD去除效果Figure 3 ηorg-Nand ΔηPtrends and COD removal efficiency under different HLR

由圖3b可知,隨著HLR的增大,好氧生物濾池的氨氮減少百分率呈現(xiàn)先減小后趨于穩(wěn)定的變化趨勢,由48.71%減小至29.42%。在好氧生物濾池內(nèi)硝化作用是氨氮減少的主要原因,硝化細(xì)菌與碳化異養(yǎng)菌競爭DO和生存空間等,硝化細(xì)菌是嚴(yán)格好氧菌,對生長環(huán)境要求苛刻［20］,世代周期長,增長速度慢。當(dāng)HLR較小時(shí),有機(jī)負(fù)荷也較小,有機(jī)物成為限制異養(yǎng)菌生長的條件,生活污水與生物膜有充足的接觸時(shí)間,有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行；HLR的增大導(dǎo)致有機(jī)負(fù)荷的增大,此時(shí)濾池內(nèi)碳化異養(yǎng)菌的生長繁殖速度加快,在競爭中逐步占據(jù)優(yōu)勢,對硝化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用［21］,對氨氮的轉(zhuǎn)化能力降低。

由圖3c和圖3d可知,隨著HLR的增大,好氧生物濾池中有機(jī)磷無機(jī)化增長率ΔηP和COD去除率均呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)HLR較小時(shí),污水在濾池內(nèi)的停留時(shí)間較長,磷與填料表面生物膜的接觸時(shí)間較長,微生物自身同化作用消耗的PO3-4-P較多,由于經(jīng)過了氮磷無機(jī)化反應(yīng)器處理后PO3-4-P占TP比例較大,此時(shí)出水TP濃度受PO3-4-P影響較大,幾乎不受有機(jī)氮濃度影響,故ΔηP較?。浑S著水力負(fù)荷的增大,水體中磷與生物膜的接觸時(shí)間縮短,微生物同化消耗量減少,從而出水中保留了較高的PO3-4-P含量,HLR繼續(xù)增大,水流對填料表面生物膜的沖刷作用增強(qiáng),使得部分截留的物質(zhì)或者填料表層老化的生物膜被沖刷下來,致使出水中TP濃度增大,ΔηP減小。與此同時(shí),當(dāng)HLR較小時(shí),雖然污水在濾池中的停留時(shí)間較長,有機(jī)物能夠與陶粒表面生物膜充分接觸反應(yīng),但此時(shí)填料表面生物膜受水力沖刷較弱,生物膜不斷增厚卻不能及時(shí)得到更新,不僅阻礙了污水和生物膜之間有機(jī)物和氧的傳遞,也使得生物膜容易被堵塞［22］；隨著水力負(fù)荷的增大,進(jìn)入濾池的有機(jī)負(fù)荷增大,微生物可利用的營養(yǎng)物增多,增殖速度加快,降解性能提升,且污水與生物膜之間的傳質(zhì)速度加快,使污水中的DO及有機(jī)物更易擴(kuò)散到生物膜內(nèi)［23］；HLR繼續(xù)增大,使填料表面生物膜受水力沖刷增強(qiáng),污水與生物膜接觸時(shí)間變短,COD去除率降低。故當(dāng)HLR=5.4 m3·m-2·d-1時(shí),有機(jī)磷無機(jī)化增長率ΔηP和COD去除率分別達(dá)到最大值14.97%和78.26%。

本研究需要好氧生物濾池具有較好的氮磷無機(jī)化效能和COD去除效果,并且該處理單元要在保證出水COD濃度滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005）的基礎(chǔ)上,盡可能保留易于農(nóng)作物利用的氮、磷形態(tài)和數(shù)量。

由圖2可知，在面包中添加3種改性淀粉后，面包的水分含量隨著改性淀粉添加量的增加而增高，當(dāng)改性淀粉添加量為3.0%時(shí)，面包的含水量最高；隨這改性淀粉添加量的增大，面包的水分含量逐漸降低?？赡苁歉男缘矸圩陨磔^高的黏度，促使面團(tuán)中面筋的網(wǎng)絡(luò)間隙中填滿了改性淀粉的顆粒，阻止了水分自由流動，從而增大了面包的含水量。同時(shí)，需要注意，當(dāng)改性淀粉添加量過高時(shí)，阻止面團(tuán)中蛋白質(zhì)顆粒溶脹于水中，從而妨礙到面團(tuán)形成面筋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致面包持水特性的降低。

圖4 適宜運(yùn)行參數(shù)下氮磷無機(jī)化反應(yīng)器效能Figure 4 Short-range nitrogen and phosphorus inorganic reactor′s performance under optimum operating parameters

綜上所述,由圖3可知,當(dāng)HLR＞5.4 m3·m-2·d-1時(shí),好氧生物濾池的出水COD濃度大于60 mg·L-1,不能滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005）對可生食蔬菜灌溉水質(zhì)的要求；當(dāng)HLR≤5.4 m3·m-2·d-1時(shí),好氧生物濾池的出水COD濃度均小于60 mg·L-1,且當(dāng)HLR=5.4 m3·m-2·d-1時(shí)好氧生物濾池的COD去除率和有機(jī)磷無機(jī)化增長率ΔηP均達(dá)到最大值,氨氮減少百分率較小,因此確定好氧生物濾池適宜HLR取值為5.4 m3·m-2·d-1。

2.3 適宜運(yùn)行參數(shù)組合下新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器效能

在厭氧池HRT=4 h,好氧生物濾池HLR=5.4 m3· m-2·d-1的適宜運(yùn)行條件下,新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器效能如圖4所示。圖4a和圖4b分別表示新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器的有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N和氨氮減少百分率在適宜運(yùn)行參數(shù)下的變化情況。圖4c和圖4d分別表示新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器的有機(jī)磷無機(jī)化增長率和COD的去除率在適宜運(yùn)行參數(shù)下的變化情況。

由圖4a和圖4b可知,在適宜運(yùn)行參數(shù)下,新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器的有機(jī)氮無機(jī)化率ηorg-N達(dá)到32%左右,氨氮減少百分?jǐn)?shù)在29%左右,出水氨氮濃度在45 mg·L-1左右。由圖4c可知,在適宜運(yùn)行參數(shù)下,新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器的有機(jī)磷無機(jī)化增長率ΔηP達(dá)到26%左右,出水有機(jī)磷的無機(jī)化率ηP達(dá)到96%左右,此時(shí)PO3-4-P濃度為6.5 mg·L-1左右。由圖4(d）可知,在適宜運(yùn)行參數(shù)下,新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器的COD去除率達(dá)到81%左右,出水COD濃度均在60 mg·L-1以下。試驗(yàn)結(jié)果表明,在適宜運(yùn)行參數(shù)下,新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器出水氨氮和PO3-4-P濃度分別約為45 mg·L-1和6.5 mg·L-1,遠(yuǎn)高于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002）一級B標(biāo)準(zhǔn)中氨氮和TP的排放濃度,可為后續(xù)安全灌溉利用提供無機(jī)氮、磷肥；同時(shí),新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器出水中COD濃度均在60 mg·L-1以下,滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005）用于可生食蔬菜安全灌溉的水質(zhì)要求,可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水安全灌溉。

2.4 新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器出水的衛(wèi)生學(xué)分析

考慮到污水灌溉后,部分病原微生物可能殘留在灌溉作物表面,食用或接觸后可能對人體產(chǎn)生健康風(fēng)險(xiǎn),故在上述研究的基礎(chǔ)上,以糞大腸桿菌群為指示,對新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器出水水質(zhì)進(jìn)行公共衛(wèi)生學(xué)分析。有研究表明,單獨(dú)的厭氧反應(yīng)器在高負(fù)荷條件(水力停留時(shí)間較低）下運(yùn)行時(shí),對病原菌的去除效果相對穩(wěn)定,但對糞大腸桿菌的去除率較低,僅為75%左右［24］,一級生物濾池對污水中糞大腸菌群去除率為95%左右,二級生物濾池的去除率可以達(dá)到99.99%［25］。新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器由一個(gè)填充有組合填料的厭氧反應(yīng)器和好氧生物濾池串聯(lián)而成,對污水中糞大腸桿菌群有較好的處理效果。

實(shí)測數(shù)據(jù)表明.在厭氧池HRT=4 h,好氧生物濾池HLR=5.4 m3·m-2·d-1的運(yùn)行條件下,新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器進(jìn)水糞大腸桿菌群數(shù)為1.6～6.1×105個(gè)·L-1,經(jīng)過新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器處理后出水糞大腸桿菌群數(shù)＜10 000個(gè)·L-1,去除率在99%左右,出水糞大腸桿菌群數(shù)指標(biāo)滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005）用于可生食蔬菜安全灌溉的水質(zhì)要求。

3 結(jié)論

(1）綜合考慮厭氧池在新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器中的作用,確定厭氧池適宜HRT=4 h。

(2）考慮到好氧生物濾池要在保證出水COD濃度滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005）中可生食蔬菜灌溉的基礎(chǔ)上,為盡可能保留易于農(nóng)作物利用的氮、磷形態(tài)和含量,確定好氧生物濾池適宜HLR= 5.4 m3·m-2·d-1。

(3）在厭氧池HRT=4 h,好氧生物濾池HLR=5.4 m3·m-2·d-1的條件下,新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器的出水氨氮和PO3-4-P濃度遠(yuǎn)高于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002）一級B標(biāo)準(zhǔn)中的排放濃度,可為后續(xù)安全灌溉利用提供無機(jī)氮、磷肥；同時(shí)出水COD和糞大腸桿菌群濃度,均滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005）中可生食蔬菜安全灌溉的水質(zhì)要求,可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水安全灌溉。

［1］鞠宇平.村鎮(zhèn)污水治理存在的問題與對策［J］.水工業(yè)市場,2012(9）. 11-16.

JU Yu-ping.Problems and countermeasures of rural sewage treatment［J］.Water-Industry Market,2012(9）.11-16.

［2］郭迎慶,黃翔峰,張玉先,等.太湖地區(qū)農(nóng)村生活污水示范工程處理工藝的選擇［J］.中國給水排水,2009,25(4）.6-9.

GUO Ying-qing,HUANG Xiang-feng,ZHANG Yu-xian,et al.Selection of treatment process for rural domestic sewage demonstration project inTaihuLakeRegion［J］.ChinaWater&Wastewater,2009,25(4）.6-9.

［3］Samia K,Abdelkarim C,Yassin H,et al.The effect of long-term soil irrigation by wastewater on organic matter,polycyclic aromatic hydrocarbons,and heavy metals evolution.The case study of Zaouit Sousse (Tunisia）［J］.Arabian Journal of Geosciences,2013,6(11）.4337-4346.

［4］Khelil M N,Rejeb S,Henchi B,et al.Effects of irrigation water quality and nitrogen rate on the recovery of N-15 fertilizer by sorghum in field study［J］.Communications in Soil Science and Plant Analysis,2013, 44(18）.2647-2655.

［5］Gong L,Jun L,Yang Q,et al.Biomass characteristics and simultaneous nitrification-denitrification under long sludge retention time in an integrated reactor treating rural domestic sewage［J］.Bioresource Technology,2012,119.277-284.

［6］Mojid M A,Wyseure G.Implications of municipal wastewater irrigation on soil health from a study in Bangladesh［J］.Soil Use and Management, 2013,29(3）.384-396.

［7］Mukherjee V,Das A,Akhand A,et al.Toxicity and profitability of rice cultivation under wastewater irrigation.The case of the East Calcutta Wetlands［J］.Ecological Economics,2013,93.292-300.

［8］馬琳,賀鋒.我國農(nóng)村生活污水組合處理技術(shù)研究進(jìn)展［J］.水處理技術(shù),2014,40(10）.1-5.

MA Lin,HE Feng.Research progress of rural domestic wastewater treatment technology in China［J］.Technology of Water Treatment,2014,40 (10）.1-5.

［9］侯懷恩,王子強(qiáng),趙風(fēng)蘭.農(nóng)村生活污水適度處理與資源化利用［J］.地域研究與開發(fā),2012,31(6）.119-122.

HOU Huai-en,WANG Zi-qiang,ZHAO Feng-lan.Moderate treatment and resourcing utilization of rural moderate water［J］.Areal Research and Development,2012,31(6）.119-122.

［10］孫成斌.什么形態(tài)的氮容易被作物吸收［J］.化學(xué)教育,2002,23(5）.3-4.

SUN Cheng-bin.What form of nitrogen is easily absorbed by crops［J］.Journal of Chemical Education,2002,23(5）.3-4.

［11］妙穎,楊勝科,黃瑞華.氮素在土壤-作物中遷移轉(zhuǎn)化的試驗(yàn)研究［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué),2009,35(4）.89-91.

MIAO Ying,YANG Sheng-ke,HUANG Rui-hua.Study on migration and transformation of nitrogen in soil-crop system［J］.Environmental Protection Science,2009,35(4）.89-91.

［12］安迪,楊令,王冠達(dá),等.磷在土壤中的固定機(jī)制和磷肥的高效利用［J］.化工進(jìn)展,2013,32(8）.1967-1973.

AN Di,YANG Ling,WANG Guan-da,et al.Mechanisms of phosphorus fixation in soils and efficient utilization of phosphate fertilizer［J］.Chemical Industry and Engineering Progress,2013,32(8）.1967-1973.

［13］林海梅.農(nóng)村生活污水再生與資源化利用技術(shù)研究［D］.南京.東南大學(xué),2013.

LIN Hai-mei.Study on renewable resource utilization technology of the rural domestic sewage［D］.Nanjing.Southeast University,2013.

［14］國家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.4版.北京.中國環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

State Environmental Protection Administration.Methods for monitoring and analysis of water and wastewater［M］.4th Edition.Beijing.China Environmental Science Press,2002.

［15］Jiang S,Chen Y,Zhou Q.Effect of sodium dodecyl sulfate on waste activate sludge hydrolysis and acidification［J］.Chemical Engineering Journal,2007,132.311-317.

［16］劉軍,郭茜,瞿永彬.厭氧水解生物法處理城市污水的研究［J］.給水排水,2000(7）.10-13.

LIU Jun,GUO Xi,QU Yong-bin.Study on anaerobic hydrolysis biological treatment of urban wastewater［J］.Water&Wastewater Engineering,2000(7）.10-13.

［17］Siegrist H,Reithaar S,Koch G,et al.Nitrogen loss in a nitrifying rotating contactor treating ammonium-rich wastewater without organic carbon［J］.Water Science and Technology,1998,38(8/9）.241-248.

［18］韓潤平,楊貫羽,李宏魁.生態(tài)濾池污水處理過程中磷形態(tài)轉(zhuǎn)化與平衡［J］.河南科學(xué),2006,24(4）.593-595.

HAN Run-ping,YANG Guan-yu,LI Hong-kui.Change of forms and balance of phosphorus in eco-filter system for sewage treatment［J］.Henan Science,2006,24(4）.593-595.

［19］韓潤平,鄒衛(wèi)華,石杰,等.生態(tài)濾池污水處理過程中氮形態(tài)變化及平衡研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版）,2005,37(4）.75-79.

HAN Run-ping,ZOU Wei-hua,SHI Jie,et al.Change of forms and balance of phosphorus in eco-filter system for sewage treatment［J］.Journal of Zhengzhou University(Natural Science Edition）,2005,37 (4）.75-79.

［20］李洋.磁絮凝分離-生物滴濾組合工藝處理小城鎮(zhèn)污水研究［D］.哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

LI Yang.Domestic wastewater treatment by combined processes of magnetic flocculation separation-trickling filter［D］.Harbin.Harbin Institute of Technology,2014.

［21］董啟榮.新型生物濾池處理生活污水的試驗(yàn)研究［D］.北京.中國地質(zhì)大學(xué),2010.

DONG Qi-rong.Study on wastewater treatment by new-designed biofilter［D］.Beijing.China University of Geosciences,2010.

［22］劉學(xué)紅.水解-脈沖活性生物濾池處理農(nóng)村生活污水技術(shù)研究［D］.南京.東南大學(xué),2006.

LIU Xue-hong.Study on the technology about the treatment of rural domestic wastewater by hydrolysis/pulse and active trickling filter［D］. Nanjing.Southeast University,2006.

［23］李江雯.混凝濾布過濾-生物濾池組合工藝處理小城鎮(zhèn)生活污水研究［D］.哈爾濱.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

LI Jiang-wen.Treatment of domestic wastewater by combined processes of coagulation cloth media filtration-biofilter［D］.Harbin.Harbin Institute of Technology,2013.

［24］趙丙良.糞尿廢水的單獨(dú)厭氧處理試驗(yàn)研究［D］.西安.西安建筑科技大學(xué),2011.

ZHAO Bing-liang.Experimental study on anaerobic treatment of manure wastewater［D］.Xi′an.Xi′an University of Architecture and Technology,2011.

［25］陳藝娟,方少波,楊湘霞,等.生物濾池對生活污水中細(xì)菌總數(shù)及糞大腸菌群的去除效果分析［J］.華南預(yù)防醫(yī)學(xué),2002,28(4）.58-59.

CHEN Yi-juan,FANG Shao-bo,YANG Xiang-xia,et al.Analysis of removal efficiency of total bacteria and fecal coliform bacteria in biological wastewater by biological filter［J］.South China J Prev Med, 2002,28(4）.58-59.

A novel nitrogen and phosphorus inorganic reactor to process rural sewage for safe irrigation

ZHOU Chao-qun,WU Lei*,LI Xian-ning,HONG Yue-ju,ZHANG Jia-jie
(School of Energy and Environment,Southeast University,Nanjing 210096,China）

In this paper,a novel nitrogen and phosphorus inorganic reactor is designed to remove organic pollutants but to keep the nutrients such as nitrogen and phosphorus in tailwater,for safe irrigation.It works by adjusting the operation parameters of the anaerobic tank and aerobic biofilter combination,which is popular in rural sewage treatment projects because its discharge meets the first level B standard.The experimental data show that its average concentration of COD was under 60 mg·L-1and the average number of effluent fecal coliform colonies were under 10 000 per litre after rural sewage(influent COD 174～384 mg·L-1,NH+4-N concentration 28.45～97.28 mg·L-1,TN concentration 37～141.9 mg·L-1,TP concentration 3.65～14.57 mg·L-1）had been processed with an optimal HRT=4 h in the anaerobic tank and aerobic biological filter and an optimal HLR=5.4 m3·m-2·d-1in the novel reactor.The processed rural sewage quality met the requirements for direct irrigation of edible vegetables within the national standards for irrigation water quality(GB 5084—2005）.Our results indicate that a novel nitrogen and phosphorus inorganic reactor can be used to realize the safe irrigation using rural domestic sewage.

rural sewage;nitrogen and phosphorus resources;inorganic nitrogen;inorganic phosphorus;safe irrigation

X703.1

A

1672-2043(2017）07-1443-08

10.11654/jaes.2017-0231

周超群,吳磊,李先寧,等.用于農(nóng)村污水安全灌溉的新型氮磷無機(jī)化反應(yīng)器的實(shí)驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(7）.1443-1450.

ZHOU Chao-qun,WU Lei,LI Xian-ning,et al.A novel nitrogen and phosphorus inorganic reactor to process rural sewage for safe irrigation［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1443-1450.

2017-02-27

周超群(1990—）,男,湖北漢川人,碩士研究生,從事水污染控制研究。E-mail:834088092@qq.com

*通信作者：吳磊E-mail:wulei@seu.edu.cn

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAJ10B12-02）

Project supported：TheNational KeyTechnologyResearchandDevelopment Programof theMinistryof Scienceand Technology ofChina(2013BAJ10B12-02）