不同悬浮填料处理化粪池尾水的差异性及影响分析

张新喜，程 晨，胡小兵，秦 川，黄 涛

(1.安徽工业大学建筑工程学院，安徽马鞍山 243032；2.生物膜法水质净化及利用技术教育部工程研究中心，安徽马鞍山 243032)

化粪池能够沉降悬浮物质、防止堵塞污水管道、杀死细菌病毒、阻止病原菌扩散、降解大分子有机物，但对污水中的有机物去除效率低[1-2]。笔者在调研中也发现，化粪池尾水中污染物的含量依然较高，是受纳城市污水处理厂的主要污染源，不经处理排放会对环境产生较大的影响。

生物接触氧化法是一种高效的水处理工艺，具有占地面积小、高效节能、无需排泥的优点[3-4]，在污水处理中得到了广泛的应用[5]。对化粪池尾水采用生物接触氧化法进一步处理，能降低化粪池尾水的污染物浓度，减轻下一级处理环节的负荷。有研究发现，采用生物膜法对化粪池尾水进行处理，对COD、SS具有较好的处理效果，平均去除率分别达到89%和54%，但是脱氮效果较差[6]。生物接触氧化法采用悬浮填料，无需固定，曝气扰动达到全池流化效果[5]，有利于传质。有学者采用悬浮填料处理医院综合污水，其对COD的去除率为89%，对NH3-N的去除率为61%，具有较好的水质处理效果[7]。不同悬浮填料的密度、在废水中的流化状态不同，处理效果不同。

目前对悬浮填料处理化粪池尾水效果差异性及影响的研究还较少。为了探究不同悬浮填料处理化粪池尾水效果的差异及对后续处理流程的影响，选取不同悬浮填料对化粪池尾水进行处理，分析其去除效果差异性、出水有机负荷及C/N值变化，为后续的人工湿地(高脱N、低负荷承载力)处理提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验填料与装置

选取污水处理中典型的三种悬浮填料进行试验，每种类型再选取两类常用规格，探究结构相同的悬浮填料在相同填充率下的处理效果，以及结构相同、规格不同的填料的处理效果差异，分析主要的影响因素。选取六种填料的主要性能如表1所示。

表1 生物填料主要性能参数Tab.1 Main Performance Parameters of Selected Bio-Packings

序批式生物膜反应器(SBBR)为6组规格相同的有机玻璃柱，单组装置如图1所示。反应器内径为150 mm，液位高为1 050 mm，反应器内填料堆积体积为反应器的50%，有效容积为18.55 L。

图1 试验装置图Fig.1 Experimental Apparatus

1.2 试验运行管理

试验用水取自安徽工业大学芝麻山庄教师公寓4月～6月化粪池处出水，水质指标如表2所示。水中含有少量的悬浮物质，每次试验不过滤，直接加入SBBR反应柱，试验采用空压机供气，控制反应器内溶解氧含量为3～5 mg/L。试验污泥取自马鞍山某污水处理厂好氧区，MLSS浓度为4 000 mg/L。

表2 进水水质指标Tab.2 Water Quality Index of Influent

1.3 检测分析方法

CODCr、NH3-N、TP的测定参照国家环保总局发布的标准方法；溶解氧、温度采用便携式溶解氧测定仪(雷磁JPBJ-608)测定；pH值采用数显pH计(雷磁pHS-25)测定。

1.4 填料容积负荷率

CODCr容积负荷率[g CODCr/(m3生物填料·d)]是指在保证水处理达到要求的前提下，每m3生物填料在1 d内所能接受的CODCr量，本研究中如式(1)。

(1)

其中：Q—污水流量，m3/d；

S0—污水中有机污染物(CODCr)的浓度，g/L；

V—SBBR反应器生物填料的总体积，m3；

T—污水在反应器内一个周期的时间，h；

V水—反应器实际进水水量，L；

V填料—填料在反应器内不含孔隙的实体积，L；

M—Q/V。

2 结果与讨论

2.1 填料容积负荷率

六种填料的有效容积负荷如表3所示，其大小排列顺序为：悬浮填料K3<蛇皮丝球形悬浮填料Ⅰ<悬浮填料K1<多面空心球Ⅱ<多面空心球Ⅰ<蛇皮丝球形悬浮填料Ⅱ。

表3 填料容积负荷率Tab.3 Volumetric Loading Rate of Packings

2.2 出水处理效果

2.2.1 CODCr去除效果

不同填料对CODCr的去除效果如图2和表4所示，去除率均值为63.15%。各填料抗进水水质波动能力强，CODCr出水效果稳定，出水浓度维持在100 mg/L内。其中填料K3和多面空心球Ⅰ的去除率分别为69.05%和67.26%，出水水质好；蛇皮丝悬浮球Ⅱ、蛇皮丝悬浮球Ⅰ和多面空心球Ⅱ的去除率分别为64.64%、61.95%和61.05%，出水水质一般；填料K1的去除率为56.79%，出水水质相对较差。说明不同结构、不同规格的悬浮填料水处理效果差别较大。

悬浮填料K1和多面空心球Ⅱ的容积负荷较小，但出水水质较差，可能与运行状态有关。蛇皮丝球形填料的比表面积最大，但其单位体积大，在填充容积固定的情况下，K型填料的堆积密度依次大于多面空心球填料和蛇皮丝悬浮球填料，蛇皮丝悬浮球填料的总有效面积最小，即按照总面积分析来说，水处理效果依次为K型填料>多面空心球填料>蛇皮丝悬浮球填料。其中填料K1和多面空心球Ⅱ的水处理效果较差，不满足以上的面积规律，要结合填料的流化程度和填料表面的微生物种类探究其存在处理效果差异的原因。

图2 不同填料进出水CODCr的变化Fig.2 Variation of CODCr in Inlet and Outlet of Different Packings

图3 不同填料进出水NH3-N的变化Fig.3 Variation of NH3-N in Inlet and Outlet of Different Packings

2.2.2 NH3-N去除效果

NH3-N生化处理的结果如图3和表4所示，发现进水NH3-N较高时(>60 mg/L)处理效果明显不佳，水质负荷浓度过大，硝化反硝化性能受影响[8]。试验前期悬浮填料对NH3-N的处理效果不佳，后期处理效果较好，其中填料K3和多面空心球Ⅰ的去除率分别为44.00%和35.66%，出水水质较好；蛇皮丝悬浮球Ⅱ、多面空心球Ⅱ以及K1的去除率分别为31.65%、31.51%和30.15%，出水水质一般；蛇皮丝悬浮球Ⅰ的去除率为22.74%，出水水质最差。

在NH3-N处理中，填料的结构并不能决定其对化粪池尾水的处理效果。各填料的处理效果与其所承受的容积负荷无相关性，需要进一步结合运行状态及微生物分布来分析其差异存在的原因。

2.2.3 TP去除效果

图4和表4为6种悬浮填料对尾水中磷的去除效果，由图4可知，TP的进出水趋势存在一致性，说明所有悬浮填料对TP去除的稳定性差，处理效果一般，平均去除率为33.51%。各填料根据去除率由高到低依次为蛇皮丝悬浮球Ⅱ(35.33%)>K1填料(34.58%)蛇皮丝悬浮球Ⅰ(34.13%)>多面空心球Ⅰ(33.38%)>多面空心球Ⅱ(33.35%)>K3填料(29.28%)，可知6种填料对TP的处理效果均不佳，出水差异性小。单结构反应器对磷的去除是通过聚磷菌的厌氧释磷、好氧吸磷以及富磷污泥的外排来实现的[9]；悬浮填料膜量少，生物膜脱落慢，是磷处理效果不佳的可能原因。

图4 不同填料进出水TP的变化Fig.4 Variation of TP in Inlet and Outlet of Different Packings

综上分析如表4所示，CODCr出水效果较好的是K3填料和多面空心球填料Ⅰ，出水较差的是K1填料和多面空心球填料Ⅱ；NH3-N出水效果较好的是K3填料和多面空心球填料Ⅰ，出水较差的是蛇皮丝悬浮球填料Ⅰ；6种填料对TP的处理效果较一致，除磷效果不佳。可见在相同试验条件下，悬浮填料K3承受的容积负荷最小，对水质具有较好的承受能力，去除效果最好；蛇皮丝悬浮球Ⅰ、蛇皮丝悬浮球Ⅱ、K1及多面空心球Ⅱ对CODCr和NH3-N的去除率不及单位容积负荷较大的多面空心球Ⅰ。

表4 填料出水水质Tab.4 Quality of Treated Water

2.2.4 微生物生长情况

镜检结果如图5所示，六种填料表面都较好地生长累枝虫，说明悬浮填料对化粪池尾水具有一定的处理效果；多面空心球和蛇皮丝悬浮球填料表面楯纤虫生长较多，但单蛇皮丝球形填料表面出现了少量线虫，这是水质指标不好的标志，分析原因可能是由于蛇皮丝球形填料内部流化程度差，老化生物膜无法脱落导致。在K3填料和蛇皮丝球形填料上均发现丝状菌，但K3填料内部仅有少量丝状菌，有利于脱氮，而蛇皮丝球形填料表面含有大量丝状菌，说明蛇皮丝球形填料表面生物膜更新程度较差，结合流化程度分析，原因一致。

图5 填料表面的微生物种类(a)～(c)累枝虫；(d)楯纤虫；(e)丝状菌；(f)线虫Fig.5 Microorganism Species on Surface of Packings (a)～(c) Weary; (d) Fiber; (e) Filamentous Bacterium; (f) Nematode

2.3 填料流化程度对去除效果的影响

填料的流化程度主要与填料的结构规格及曝气量相关。在本试验条件下，六种填料挂膜后流化由易到难依次为K1填料>K3填料>多面空心球Ⅰ>多面空心球Ⅱ>蛇皮丝悬浮球填料Ⅰ>蛇皮丝悬浮球填料Ⅱ。

如图6(a)所示，K型填料中，K3填料流化程度适中，对CODCr和NH3-N的去除率分别达到69.05%和44.00%，填料内环空孔附着圆形气泡，填料在反应器内扰动，内孔气泡状态稳定。内孔膜分布均匀，少量膜堆积，外表面可摩擦接触面较大，膜更新较快，活性高。如图6(b)所示，K1填料流化程度较剧烈，对CODCr和NH3-N的去除率仅达到56.79%和30.15%，水流冲刷力度大，生物膜不稳定，膜量少；在微生物镜检中，K1填料表面累枝虫少见，其他类型微生物的数量种类较其他填料少，处理效果较差。

图6 两种K型填料的挂膜效果图 (a)K3；(b)K1Fig.6 Biofilm Culturing Effect of Two K-Type Packings (a) K3; (b) K1

多面空心球Ⅰ呈半流化状态，对CODCr和NH3-N的去除率分别为67.26%和35.66%，去除效果仅差于K3填料。多面空心球Ⅱ几乎不流化，对CODCr和NH3-N的去除率分别为61.05%和31.65%。多面空心球Ⅱ与多面空心球Ⅰ结构相同但处理效果差异性较大，如图7(a)所示，多面空心球Ⅱ内部无气泡附着，其扇叶状表面，即非摩擦接触面处有大量老化生物膜，呈絮状附着，当积累到一定程度时随扰动水流脱落，膜更新较慢；多面空心球Ⅰ流化程度较好，如图7(b)所示，老化生物膜脱落较快，表面无絮状积累。

图7 两种多面空心球填料的挂膜效果图(a)多面空心球Ⅱ；(b)多面空心球ⅠFig.7 Biofilm Culturing Effect of Two Multi-Plane-Hollow-Sphere Packings (a) Multi-Plane-Hollow-Sphere Ⅱ; (b) Multi-Plane-Hollow-Sphere Ⅰ

蛇皮丝悬浮球填料流化程度差，填料间缺乏摩擦运动，填料表面生物膜厚重，球内表面积累大量老化生物膜，无法脱落更新，导致线虫繁殖，水处理效果变差。蛇皮丝悬浮球填料Ⅰ对CODCr和NH3-N的去除率分别为61.95%和23.22%，蛇皮丝悬浮球填料Ⅱ对CODCr和NH3-N的去除率分别为64.69%和31.51%，除多面空心球Ⅱ外去除效果最差。

因此，流化程度对于悬浮填料的水处理效果起到重要的影响作用，流化程度适宜的填料的出水效果比流化缓慢或过于剧烈的填料要好。合理调节填料的填充率、曝气量能够改善填料的水质处理效果[10]，因此可通过调整曝气量提高填料的生化处理效果，也可以通过开发新型填料结构，在适宜溶解氧的条件下达到理想的流化程度。

2.4 出水对后续处理的影响

化粪池尾水为高NH3-N污水，污染物浓度高于市政管网内汇集的其他污水，是受纳污水处理厂的主要污染源。本试验所取的化粪池尾水，NH3-N均值可达72.94 mg/L，CODCr均值达314.92 mg/L，其C/N比值为4～5，填料处理后NH3-N均值为49.09 mg/L，CODCr均值为115.08 mg/L，其C/N比值降低至2～3，降低了氮的含量，但同时也大大降低了C/N比值。后续若进入城市污水厂处理，处理过程中需要大量投加C源，造成处理成本的增加；若不投加C源，不利于后续生化脱氮，会造成脱氮效果差，出水排放不达标。

人工湿地是一种绿色环保的处理方式，处理过程能耗低，同时脱氮效果好，但其可承受的有机污染负荷低，不能直接处理高负荷的化粪池尾水。

因此经悬浮填料反应器处理后的化粪池尾水，笔者不建议进入污水厂处理，而建议进入人工湿地进行处理。采用人工湿地的处理方式，不仅可以去除较多的NH3-N，同时可在C/N比值较小的基础上，大幅度降低化粪池尾水的污染负荷，适合人工湿地系统的负荷承载力，节能环保。

3 结论

(1)选取六种悬浮填料，对化粪池尾水进行生化试验对比研究，发现CODCr出水较好的是K3填料和多面空心球填料Ⅰ，出水较差的是K1填料和多面空心球填料Ⅱ；NH3-N出水效果较好的是K3填料和多面空心球填料Ⅰ，出水较差的是蛇皮丝悬浮球填料Ⅰ；六种填料的TP出水效果相近，处理效果不佳。

(2)悬浮填料对化粪池尾水生化处理的过程中，应合理控制溶解氧范围，确保适宜的流化程度。流化程度过于剧烈，会导致膜量更新过快，不利于生物膜生长和微生物附着；流化程度过弱，会导致悬浮填料间老化生物膜难以脱落，丝状菌和线虫大量繁殖，使得化粪池尾水处理效果不佳。

(3)单个填料的比表面积对于污染去除效果的影响无法直接评价，要计算在适宜填充比下的总面积，面积大的处理效果相对较好。同时考虑反应器内的流化程度等多方面因素的影响，在相同流化程度的条件下，总面积大的填料生化处理效果较好。

(4)经悬浮填料处理后的化粪池尾水，C/N比值下降，建议采用人工湿地的处理方式，无需外加C源的基础上脱氮效果好，节能环保。