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摘要：采用生物膜滴滤池的方法，对低浓度养殖废水进行净化研究。分别选用PVC毛刷、沸石和火山岩作为填料。在11月份，温度逐渐下降情况下，研究滴滤池对COD、TN、TP和氨氮的去除效果。结果表明，3种处理COD的平均去除率分别为41.08%、85.38%和84.26%；TN的平均去除率分别为47.54%、52.41%和59.64%；TP的平均去除率分别为67.50%、50.16%和56.50%；氨氮的平均去除率分别为46.63%、79.40%和88.29%。温度变化对于不同处理的去除率均有一定的影响，除TN外，其他指标总体上呈下降趋势。3种材料在材料成本、人工操作和去除效果上各有优劣，因此，选用何种材料，需要针对去除需求进行合理选择。
关键词：生物膜；滴滤池；低浓度；污水
中图分类号： X703 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）01-0223-04
养猪业是我国农村产业发展中的重要支柱，也为农业经济带来一定的提升帮助，但同时也给我国农村的自然生态环境造成了严重的污染，并且这样的污染在农村地区有着愈演愈烈之勢[1]。我国每年畜禽废水排放的COD量已经超过生活和工业污水COD排放的总和，因畜禽粪便流失的氮、磷也已经超过每年因化肥流失造成的损失[2]。因此，对于畜禽养殖废水的处理，一直是农业环境研究的重点。
养猪场的废水颗粒悬浮物、COD、BOD、总氮、总磷和氨氮的含量都比较高，有一定的处理难度，目前国内成型的猪场废水处理大概有以下几种方法：（1）A2/O工艺。在一个处理系统中同时具有厌氧、缺氧、好氧3大区域，能够在去除总氮的同时去除总磷和降解有机物，具有工艺简单、总水力停留时间短、运行费用低、处理效率好等优点[3-5]。（2）SBR法。采用限制性曝气，按照一定的顺序进行好氧、厌氧交替组，达到脱氮去磷的目的。SBR法目前应用比较成熟，从20世纪70年代开始，SBR法就已经在国外得到广泛的研究和应用[6-7]。（3）UASB工艺。即上流式厌氧污泥床反应装备，是一种处理污水的厌氧生物方法，又叫升流式厌氧污泥床，污水自下而上通过UASB。反应器底部有1个高浓度、高活性的污泥床，污水中的大部分有机污染物在此间经过厌氧发酵降解为甲烷和二氧化碳。UASB负荷能力很大，适用于高浓度有机废水的处理。运行良好的UASB有很高的有机污染物去除率，不需要搅拌，能适应较大幅度的负荷冲击、温度和pH值变化[8-10]。（4）还田模式。很多小型分散养猪场都是采用这种处理方式。这样既可以处理粪污，又可以将其当作有用的营养物质输入农田。通过土壤微生物的作用，粪尿中的有机物质被分解为稳定的腐殖质和多种有益促进植物生长的因子，有机氮变为无机氮，氮气回放到大气中，有机磷变为无机磷，为农作物提供可生长利用的磷元素[11]。（5）生物净化。污水经过厌氧处理后，再通过生物净化处理法进行处理，通过稳定塘、氧化塘、人工湿地、生态沟或生物槽等组合，通过水生植物、藻类、水和底泥中微生物等协作作用去除污水中的COD和N、P[12-14]。
以上方法都各有优势，但共同的缺点是一次性投入大、占地面积大。根据已有研究[15]，冲圈水的COD一般约为 800 mg/L，如果能做到粪尿分离，其浓度会更低。如此低浓度的废水可以通过简单的方法直接降低污染因子，以达标排放。本研究设计1种生物膜滴滤池，可以专门用来处理冲圈水，具有投入小、占地面积小等优点，但滴滤池中填充材料有多种选择，本研究选择常用的PVC毛刷、沸石、火山岩这3种材料进行比较，分析不同填充材料的滴滤池对污水处理效果。
1 材料与方法
1.1 滴滤池的原理
滴滤池是由填料附着的生物膜构成的三相体系，这3项分别是液相的污水、气相的空气、固相的生物膜。污水由水泵抽送入顶端的布水器进入，顺着填料表面向底部流出，空气在自然通风或者强制通风下自下而上进出。生物膜随着微生物的新陈代谢最外层的膜会老化脱落，所以一般工业用的滴滤池会有反冲洗装置，图1为生物膜示意图。
装满填料的生物滴滤池，在顶端的分散布水器作用下，其中的滤料均匀吸收自上而下的污水。进入滴滤池的污水自上而下从滤料中经过，水膜状均匀布散在填料表面。填料的作用是为微生物提供附着条件，随后可以吸收污水中的有机质新陈代谢。本研究的生物滴滤池主要研究了3种填料滴滤池对低浓度猪场废水的处理效果，确定最佳运行参数，有效地进一步降低化粪池出水污染物浓度。
1.2 生物滴滤池实验装置
采用PVC-U给水管（管径=200 mm），每套装置总高度（H）为3 500 mm，通过安装防溢接头设置9个取样点、3个通风口、1个出水口和1个喷淋布水装置。模拟装置共设3层，每层滤料总高度为900 mm，间隔300 mm设置1个取样点。（取样点管径=20 mm，通风口管径=40 mm）（图2）。
1.3 试验方法
1.3.1 试验处理 选用3种材料装填进行对比试验，分别是：a.毛刷（刷毛长度1 cm，人工合成PVC材质）；b.沸石（粒径5～10 mm）；c.火山岩（粒径5～10 mm），用不同材料按图2所示，将PVC柱填满，制作成滴滤池。待运行稳定后，每5天取1次样，共取5次。
1.3.2 试验污水配置 本试验所用进水为新鲜猪粪与自来水配制而成，配置后COD为800 mg/L，TN为25.5 mg/L，TP为12.8 mg/L，氨氮为13.8 mg/L。每日进水总量为50 L，每日流量控制方案为进料20 min，停止100 min，进水速率即进水12.5 L/h。在不同有机负荷下对生物滴滤池净化猪粪水效果的影响进行研究，以筛选出最佳填料，监测指标为TN、TP、氨氮和COD。
1.3.3 挂膜启动 一般的生物膜的培养有自然挂膜法、活性污泥挂膜法和优势菌挂膜法3种[16]。本试验采用的是活性污泥挂膜法结合自然挂膜法，在运行之前分别在3类滴滤池内加入等量的沼渣，随后采用设计的进水流量。其中进水加入了一些营养物质，配方见表1。 1.4 检测项目和方法
本试验主要的监测项目为CODCr、TN、TP、氨氮，各项目的测定方法见表2。
2 结果与分析
此试验在11月份进行，完整运行1个月时间，5次取样日均温度分别为15.4、12.3、11.8、10.6、7.8 ℃，呈逐渐下降趋势。
2.1 滴滤池的COD处理效果研究
如图3所示，COD的去除效果柱形图表示不同处理进出水浓度，点线图表示不同处理的去除率。
去除率=（进水浓度-出水浓度）/进水浓度×100%。计算得到，毛刷填料滴滤池、沸石填料滴滤池和火山岩填料滴滤池的平均去除率分别为41.08%、85.38%、84.26%。发现毛刷填料滴滤池去除效率最低，沸石和火山岩填料去除效果较好，且没有明显差异。这是由于毛刷填料与其他2种区别较大，毛刷滴滤池内部空隙大，空气较为充足，虽然生物膜量大，但由于空隙较大，污水的相对接触面较小，生物膜的作用被弱化；沸石和火山岩由于颗粒小，在池内空隙小，空气含量少，虽然生物膜量较少，但具有较强的過滤效果，且由于有较大的比表面积，也有较强的生物作用。因此，如果只以毛刷为载体进行微生物附着会导致COD几乎没有去除能力。沸石和火山岩填料结构性质相近，有较大的表面积和过滤能力，在适宜温度条件下微生物附着能力和颗粒物截留能力方面都有相似的表现。
沸石填料是一种极性物质，是极性非常强的吸附剂，对极性分子和不饱和分子有机物有着很强的吸附性，对非极性分子中极化率大的分子也有较高的选择吸附性。而火山岩表面带有正电荷，有利于微生物固着生长，亲水性强，可以附着大量的生物膜且速度快。两者的优势在目前实际表现看来还没有明显的区别，还有待后续试验对比验证。
2.2 滴滤池的TN处理效果研究
如图4所示，毛刷填料滴滤池a、沸石填料滴滤池b和火山岩填料滴滤池c的平均去除率分别为47.54%、52.41%和59.64%。三者在前4次取样去除率差异不明显，到第5次差异明显。毛刷处理明显下降，而其他2个处理明显上升，生物膜法去N，也是反硝化和硝化过程的作用。总体上毛刷的处理能力最差，火山岩的处理能力最高。但其间的差距不如COD的去除率明显，甚至在前4次取样都没有明显差异。因为3种滴滤池脱氮的作用不仅仅是生物膜，其内部空间的密度、空隙、挂膜量、空气量和比表面积等都有很大的区别。而脱氮的作用受到多个因素的制约或促进，其机理相对复杂，最终3种处理初期没有表现出较大的区别，至于第5次取样差距较大，可能是由于气温降低导致毛刷的生物膜作用减弱所致。因为相对而言，对于毛刷填料，作用最大的是生物膜，且内部受到外部温度影响较大。
2.3 滴滤池的TP处理效果研究
如图5所示，毛刷填料滴滤池a、沸石填料滴滤池b和火山岩填料滴滤池c的去除率分别为67.50%、50.16%和 56.50%。
生物膜对磷的吸收能力取决于曝气率、DO和温度[17-18]，由于温度条件相同的情况下，溶解氧决定着磷的去除率。去除率仍然和池内部的空隙有着明显的关系，由于较大的空隙率空气含量较高，曝气率和DO相对较高，因此空隙率最高的毛刷去除率最高，其次是火山岩填料，直径约为沸石的1倍，去除率为56.50%，但与沸石（50.16%）的差距已不明显。
2.4 滴滤池的氨氮处理效果研究
如图6所示，毛刷填料滴滤池a、沸石填料滴滤池b和火山岩填料滴滤池c的平均去除率分别为46.63%、79.40%和88.29%。毛刷的去除率最低，火山岩最高，且毛刷填料的去除率下降趋势明显，从最初的66.79%一直降到最后的 26.59%，一方面是因为毛刷填料空隙大，受温度影响较大，温度的下降对硝化细菌的硝化作用影响明显；另一方，由于较高的曝气率和DO，反硝化作用较低。沸石和火山岩受到温度影响相对较小，硝化和反硝化作用相对稳定，加上较强的过滤作用，氨氮的去除率相对较高。火山岩效果优于沸石，可能是由于两者的物理特性导致。
3 结论
毛刷填料滴滤池、沸石填料滴滤池和火山岩填料滴滤池对COD的去除率分别为41.08%、85.38%和84.26%；对TN的去除率分别为47.54%、52.41%和59.64%；对TP的去除率分别为67.50%、50.16%和56.50%；对氨氮的去除率分别为46.63%、79.40%和88.29%。
温度变化对于不同处理的去除率均有一定的影响，除了沸石和火山岩去除TN外，温度下降都导致去除能力下降。至于沸石和火山岩对TN去除率随温度下降反而上升，还有待于进一步试验验证。
毛刷材料质量小，容易操作和冲洗，且对TP有较好的去除效果，但对于TN和氨氮的去除效果较差；沸石和火山岩有着相似的处理能力，质量大，清洗和人工组装工作量较大，对于COD、TN和氨氮有较好的去除效果。因此，选用何种材料，需要针对去除需求进行合理选择。
参考文献：
[1]黄红英，常志州，叶小梅，等. 区域畜禽粪便产生量估算及其农田承载预警分析——以江苏为例[J]. 江苏农业学报，2013，29（4）：777-783.
[2]王 刚，闻 韵，海热提，等. UASB处理高浓度畜禽养殖废水启动及产气性能研究[J]. 环境科学与技术，2015，38（1）：95-99.
[3]Zhao W T，Huang X，Lee D J. Enhanced treatment of coke plat wastewater using an anaerobice-anoxic-oxic membrane bioreactor system[J]. Separation and Purification Technology，2009，66（2）：279-286. [4]李咏梅，顾国维，赵建夫. 厌氧酸化-缺氧-好氧生物膜法处理焦化废水的研究[J]. 上海环境科学，2000，9（增刊1）：63-66.
[5]王喜全，胡筱敏，马英群. 焦化废水中氨氮及COD降解技术[J]. 环境工程，2011，29（1）：26-28.
[6]Herzburn P A，Irvine R L，Malinowski K C. Biological treatment of hazardous waste in sequencing batch reactors[J]. Water Pollut Control Red，1985，57（12）：1163-1167.
[7]Ketchum L H，Irine R L，Liao P C. Ficst cost analysis of sequencing batch reactor[J]. Water Pollut Cotrol Fed，1979，51（2）：288-297.
[8]Lew B，Tarre S，Belavski M，et al. UASB reactor for domestic wastewater treatment at low temperatures：a comparison between a classical UASB and hybrid UASB-filter reactor[J]. Water Science and Technology，2004，49：295-301.
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关键词：生物膜；滴滤池；低浓度；污水
中图分类号： X703 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）01-0223-04
养猪业是我国农村产业发展中的重要支柱，也为农业经济带来一定的提升帮助，但同时也给我国农村的自然生态环境造成了严重的污染，并且这样的污染在农村地区有着愈演愈烈之勢[1]。我国每年畜禽废水排放的COD量已经超过生活和工业污水COD排放的总和，因畜禽粪便流失的氮、磷也已经超过每年因化肥流失造成的损失[2]。因此，对于畜禽养殖废水的处理，一直是农业环境研究的重点。
养猪场的废水颗粒悬浮物、COD、BOD、总氮、总磷和氨氮的含量都比较高，有一定的处理难度，目前国内成型的猪场废水处理大概有以下几种方法：（1）A2/O工艺。在一个处理系统中同时具有厌氧、缺氧、好氧3大区域，能够在去除总氮的同时去除总磷和降解有机物，具有工艺简单、总水力停留时间短、运行费用低、处理效率好等优点[3-5]。（2）SBR法。采用限制性曝气，按照一定的顺序进行好氧、厌氧交替组，达到脱氮去磷的目的。SBR法目前应用比较成熟，从20世纪70年代开始，SBR法就已经在国外得到广泛的研究和应用[6-7]。（3）UASB工艺。即上流式厌氧污泥床反应装备，是一种处理污水的厌氧生物方法，又叫升流式厌氧污泥床，污水自下而上通过UASB。反应器底部有1个高浓度、高活性的污泥床，污水中的大部分有机污染物在此间经过厌氧发酵降解为甲烷和二氧化碳。UASB负荷能力很大，适用于高浓度有机废水的处理。运行良好的UASB有很高的有机污染物去除率，不需要搅拌，能适应较大幅度的负荷冲击、温度和pH值变化[8-10]。（4）还田模式。很多小型分散养猪场都是采用这种处理方式。这样既可以处理粪污，又可以将其当作有用的营养物质输入农田。通过土壤微生物的作用，粪尿中的有机物质被分解为稳定的腐殖质和多种有益促进植物生长的因子，有机氮变为无机氮，氮气回放到大气中，有机磷变为无机磷，为农作物提供可生长利用的磷元素[11]。（5）生物净化。污水经过厌氧处理后，再通过生物净化处理法进行处理，通过稳定塘、氧化塘、人工湿地、生态沟或生物槽等组合，通过水生植物、藻类、水和底泥中微生物等协作作用去除污水中的COD和N、P[12-14]。
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1 材料与方法
1.1 滴滤池的原理
滴滤池是由填料附着的生物膜构成的三相体系，这3项分别是液相的污水、气相的空气、固相的生物膜。污水由水泵抽送入顶端的布水器进入，顺着填料表面向底部流出，空气在自然通风或者强制通风下自下而上进出。生物膜随着微生物的新陈代谢最外层的膜会老化脱落，所以一般工业用的滴滤池会有反冲洗装置，图1为生物膜示意图。
装满填料的生物滴滤池，在顶端的分散布水器作用下，其中的滤料均匀吸收自上而下的污水。进入滴滤池的污水自上而下从滤料中经过，水膜状均匀布散在填料表面。填料的作用是为微生物提供附着条件，随后可以吸收污水中的有机质新陈代谢。本研究的生物滴滤池主要研究了3种填料滴滤池对低浓度猪场废水的处理效果，确定最佳运行参数，有效地进一步降低化粪池出水污染物浓度。
1.2 生物滴滤池实验装置
采用PVC-U给水管（管径=200 mm），每套装置总高度（H）为3 500 mm，通过安装防溢接头设置9个取样点、3个通风口、1个出水口和1个喷淋布水装置。模拟装置共设3层，每层滤料总高度为900 mm，间隔300 mm设置1个取样点。（取样点管径=20 mm，通风口管径=40 mm）（图2）。
1.3 试验方法
1.3.1 试验处理 选用3种材料装填进行对比试验，分别是：a.毛刷（刷毛长度1 cm，人工合成PVC材质）；b.沸石（粒径5～10 mm）；c.火山岩（粒径5～10 mm），用不同材料按图2所示，将PVC柱填满，制作成滴滤池。待运行稳定后，每5天取1次样，共取5次。
1.3.2 试验污水配置 本试验所用进水为新鲜猪粪与自来水配制而成，配置后COD为800 mg/L，TN为25.5 mg/L，TP为12.8 mg/L，氨氮为13.8 mg/L。每日进水总量为50 L，每日流量控制方案为进料20 min，停止100 min，进水速率即进水12.5 L/h。在不同有机负荷下对生物滴滤池净化猪粪水效果的影响进行研究，以筛选出最佳填料，监测指标为TN、TP、氨氮和COD。
1.3.3 挂膜启动 一般的生物膜的培养有自然挂膜法、活性污泥挂膜法和优势菌挂膜法3种[16]。本试验采用的是活性污泥挂膜法结合自然挂膜法，在运行之前分别在3类滴滤池内加入等量的沼渣，随后采用设计的进水流量。其中进水加入了一些营养物质，配方见表1。 1.4 检测项目和方法
本试验主要的监测项目为CODCr、TN、TP、氨氮，各项目的测定方法见表2。
2 结果与分析
此试验在11月份进行，完整运行1个月时间，5次取样日均温度分别为15.4、12.3、11.8、10.6、7.8 ℃，呈逐渐下降趋势。
2.1 滴滤池的COD处理效果研究
如图3所示，COD的去除效果柱形图表示不同处理进出水浓度，点线图表示不同处理的去除率。
去除率=（进水浓度-出水浓度）/进水浓度×100%。计算得到，毛刷填料滴滤池、沸石填料滴滤池和火山岩填料滴滤池的平均去除率分别为41.08%、85.38%、84.26%。发现毛刷填料滴滤池去除效率最低，沸石和火山岩填料去除效果较好，且没有明显差异。这是由于毛刷填料与其他2种区别较大，毛刷滴滤池内部空隙大，空气较为充足，虽然生物膜量大，但由于空隙较大，污水的相对接触面较小，生物膜的作用被弱化；沸石和火山岩由于颗粒小，在池内空隙小，空气含量少，虽然生物膜量较少，但具有较强的過滤效果，且由于有较大的比表面积，也有较强的生物作用。因此，如果只以毛刷为载体进行微生物附着会导致COD几乎没有去除能力。沸石和火山岩填料结构性质相近，有较大的表面积和过滤能力，在适宜温度条件下微生物附着能力和颗粒物截留能力方面都有相似的表现。
沸石填料是一种极性物质，是极性非常强的吸附剂，对极性分子和不饱和分子有机物有着很强的吸附性，对非极性分子中极化率大的分子也有较高的选择吸附性。而火山岩表面带有正电荷，有利于微生物固着生长，亲水性强，可以附着大量的生物膜且速度快。两者的优势在目前实际表现看来还没有明显的区别，还有待后续试验对比验证。
2.2 滴滤池的TN处理效果研究
如图4所示，毛刷填料滴滤池a、沸石填料滴滤池b和火山岩填料滴滤池c的平均去除率分别为47.54%、52.41%和59.64%。三者在前4次取样去除率差异不明显，到第5次差异明显。毛刷处理明显下降，而其他2个处理明显上升，生物膜法去N，也是反硝化和硝化过程的作用。总体上毛刷的处理能力最差，火山岩的处理能力最高。但其间的差距不如COD的去除率明显，甚至在前4次取样都没有明显差异。因为3种滴滤池脱氮的作用不仅仅是生物膜，其内部空间的密度、空隙、挂膜量、空气量和比表面积等都有很大的区别。而脱氮的作用受到多个因素的制约或促进，其机理相对复杂，最终3种处理初期没有表现出较大的区别，至于第5次取样差距较大，可能是由于气温降低导致毛刷的生物膜作用减弱所致。因为相对而言，对于毛刷填料，作用最大的是生物膜，且内部受到外部温度影响较大。
2.3 滴滤池的TP处理效果研究
如图5所示，毛刷填料滴滤池a、沸石填料滴滤池b和火山岩填料滴滤池c的去除率分别为67.50%、50.16%和 56.50%。
生物膜对磷的吸收能力取决于曝气率、DO和温度[17-18]，由于温度条件相同的情况下，溶解氧决定着磷的去除率。去除率仍然和池内部的空隙有着明显的关系，由于较大的空隙率空气含量较高，曝气率和DO相对较高，因此空隙率最高的毛刷去除率最高，其次是火山岩填料，直径约为沸石的1倍，去除率为56.50%，但与沸石（50.16%）的差距已不明显。
2.4 滴滤池的氨氮处理效果研究
如图6所示，毛刷填料滴滤池a、沸石填料滴滤池b和火山岩填料滴滤池c的平均去除率分别为46.63%、79.40%和88.29%。毛刷的去除率最低，火山岩最高，且毛刷填料的去除率下降趋势明显，从最初的66.79%一直降到最后的 26.59%，一方面是因为毛刷填料空隙大，受温度影响较大，温度的下降对硝化细菌的硝化作用影响明显；另一方，由于较高的曝气率和DO，反硝化作用较低。沸石和火山岩受到温度影响相对较小，硝化和反硝化作用相对稳定，加上较强的过滤作用，氨氮的去除率相对较高。火山岩效果优于沸石，可能是由于两者的物理特性导致。
3 结论
毛刷填料滴滤池、沸石填料滴滤池和火山岩填料滴滤池对COD的去除率分别为41.08%、85.38%和84.26%；对TN的去除率分别为47.54%、52.41%和59.64%；对TP的去除率分别为67.50%、50.16%和56.50%；对氨氮的去除率分别为46.63%、79.40%和88.29%。
温度变化对于不同处理的去除率均有一定的影响，除了沸石和火山岩去除TN外，温度下降都导致去除能力下降。至于沸石和火山岩对TN去除率随温度下降反而上升，还有待于进一步试验验证。
毛刷材料质量小，容易操作和冲洗，且对TP有较好的去除效果，但对于TN和氨氮的去除效果较差；沸石和火山岩有着相似的处理能力，质量大，清洗和人工组装工作量较大，对于COD、TN和氨氮有较好的去除效果。因此，选用何种材料，需要针对去除需求进行合理选择。
参考文献：
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