摘要：研究了不同结构生态滤池处理城镇污水的效果。复合床生态滤池采用初沉池出水作为进水，用中颗粒填料和粗颗粒填料作为惰性填料层，在不同水力负荷下(HLR)，CODCr、NH4+-N 去除率分别达74%~85％、30%~90％，出水浊度低。出水中NH4+-N质量浓度下降，NO3--N质量浓度显著增加。氮的转化受HLR影响较大。中颗粒填料较粗颗粒填料的处理效果好，惰性层在硝化方面起着重要作用。进出水中碱度差与硝酸根质量浓度差、氨氮质量浓度差均呈显著相关性。介绍了生态滤池内的物质流、食物链及生态滤池的工作原理。
关键词：生态滤池；蚯蚓；城市污水；氮转化
中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2005）03-0309-04
生物滤池是从土壤自净和污水灌溉，经原始的间歇砂滤池发展起来的人工生物处理技术。现已从低负荷发展到高负荷，突破了传统采用的滤料，扩大了应用范围。生物滤池的运行受气温变化的影响较小，耐冲击负荷，工作较稳定和管理容易，而且运行费用低[1]。该法的缺点是处理负荷低、易堵塞、敞口运行易生蚊蝇，限制了此法的推广。
1995年法国农业科学院土壤动物生态学家Marcel Bouche建立了世界上第一个蚯蚓生物滤池。随后在上海进行了中试研究，滤池中投入锯末和蚯蚓，床层厚度50 cm。居民生活污水经隔栅和沉砂后，直接进入滤池。滤池出水清澈，除氮磷质量浓度较高外其它指标可达到相当于中国的一级排放标准[2]。但该装置中植物填料层偏厚，水力负荷超过1 m3·m-2·d-1时就积水，后来采用植物性填料和细颗粒惰性填料组成复合滤床，水力负荷可超过2 m3·m-2·d-1，出水水质稳定[3]。
蚯蚓生物滤池，又称生态滤池(MEEF)，既可高效、低能耗地去除污水中的污染物质，又减少剩余污泥的产生，是一种全新概念的污水处理工艺。MEEF集物理过滤、吸附、好氧分解和厌氧生物处理以及污泥堆肥处理等功能于一身。蚯蚓在滤床中起分解和利用污水和污泥中的有机物和营养物质、清通滤床堵塞以及促进含氮物质的硝化与反硝化作用[4, 5]。滤床内少量增殖的蚯蚓可作为农牧业饲料，而产生的蚯蚓粪中含有较丰富的有机物和氮、磷、钾等营养成分，可作为微生物的食料或作为高效农肥和土壤改良剂使用[4]。本文研究了中颗粒填料和粗颗粒填料分别作为复合床生态滤池的惰性填料层的运行结果。
1 材料和方法
1.1 生态滤池的结构
试验装置的尺寸为1.0 m×1. 0 m×1.6 m，由滤池上部的布水区、中部的生态滤床和下部的排水区三部分组成。两个MMEEF的上部均为植物性填料(MDP)层(10 cm)，下部滤床为25 cm的惰性填料层，其中一个用中颗粒惰性填料(M-1)，另一个用粗颗粒惰性填料层(M-2)。均投放相同数量的蚯蚓，采用旋转布水器进水。
1.2 试验条件
采用国内人工饲养的爱胜蚯蚓(Eisenia foetida)作为接种蚯蚓进行驯化。试验在上海某城市污水处理厂进行。驯化蚯蚓和微生物为主体构成的生态滤池对城市污水进行处理试验。生态滤池进水水质（初沉池出水）参见文献[3]，滤池出水直接排放。
现场运行，控制一定的水力负荷(HLR)，在某一HLR稳定运行后取进水样和出水样进行水质测定。
1.3 测试方法
测试项目有pH、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD5)、悬浮物(SS)、总氮(TN)、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、总磷(TP)、磷酸根(PO43--P)和碱度(Alk)．水质指标的测试方法见文献[4]。
2 结果
2.1 生态滤池运行结果
水力负荷高时，生态滤池的透水速率低于进入速率（表1），滤池表面积水，易产生厌氧环境，破坏生态滤池的正常运行，因此应控制水力负荷。当惰性颗粒填料粒径变大时，滤床的透水性能提高，水力负荷可以超过2.0 m3·m-2·d-1。在某一水力负荷稳定运行，取水样进行测定，1 d取一次样，连续测定2 d，取其平均值进行处理比较。
2.2 悬浮物SS
在水力负荷为2.0 m3·m-2·d-1，进出水SS的质量浓度列于表2。
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表2 进出水SS比较
Table 2 Comparison of the SS
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编号 |
进水 |
M-1 |
M-2 |
|
ρ(SS)/(mg·L-1) |
85.6 |
1.5 |
5.1 |
|
|
|
由表2可见，复合生态滤池出水悬浮物质量浓度低，达到污水处理厂的一级排放标准，因此实验流程中不需设二沉池。M-2采用粗颗粒填料，对SS的截留作用变差，出水SS质量浓度相对较高。
3 讨论
3.1 M-1与M-2的比较
在蚯蚓和微生物的协同作用下，MEEF对COD、NH4+-N有较高的去除率，与采用细颗粒惰性填料相当；而对TN、TP的去除率较低，低于细颗粒填料．原因可能是细颗粒填料的表面积大，对SS截留作用和吸附能力强，使得污染物在滤池内停留时间延长，生物转化的时间增大。
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表1 不同水力负荷下生态滤池的运行结果
Table 1 Results of MMEEF at different HLR mg·L-1
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编号 |
水温
/℃ |
HLR
/(m3·m-2·d-1) |
pH值 |
|
ρ(COD) |
|
ρ(TN) |
|
ρ(NH4+-N) |
|
进水 |
M-1 |
M-2 |
进水 |
M-1 |
M-2 |
进水 |
M-1 |
M-2 |
进水 |
M-1 |
M-2 |
|
1 |
30 |
1.8 |
7.35 |
6.71 |
7.01 |
228 |
31 |
36 |
55.6 |
46.2 |
45.9 |
34.9 |
3.4 |
15 |
|
2 |
30 |
2.2 |
7.32 |
6.88 |
7.18 |
280 |
51.9 |
60.5 |
52.1 |
45.2 |
44.3 |
30.7 |
8.7 |
17.5 |
|
3 |
29 |
2.9 |
7.63 |
7.05 |
7.22 |
104 |
22.6 |
26.2 |
30.1 |
23.3 |
25.6 |
12.6 |
4.1 |
7.4 |
|
4 |
29 |
2.5 |
7.22 |
6.91 |
6.92 |
143 |
26.7 |
30.2 |
48.1 |
36.2 |
38.2 |
27.2 |
10.5 |
14.2 |
|
5 |
29 |
2 |
7.11 |
6.77 |
6.84 |
191 |
17.1 |
35.3 |
50.2 |
38.2 |
40.1 |
37.1 |
6.6 |
12.3 |
|
6 |
29 |
1.9 |
7.14 |
6.87 |
7.01 |
245 |
24.7 |
32.9 |
48.2 |
32.1 |
33.2 |
30.4 |
13.9 |
18.7 |
|
7 |
30 |
2.1 |
7.09 |
6.85 |
7.07 |
280 |
58.4 |
64.7 |
74.3 |
53.5 |
56.3 |
40.1 |
27.2 |
33.6 |
|
8 |
29 |
2 |
7.21 |
6.51 |
6.67 |
261 |
45.1 |
61.1 |
62.7 |
41.1 |
47.3 |
43.1 |
10.6 |
16.8 |
|
9 |
28 |
2 |
7.25 |
6.52 |
6.65 |
278 |
57.6 |
84.1 |
64.5 |
44.4 |
47.1 |
43.1 |
10.8 |
19.7 |
|
10 |
28 |
2.1 |
7.01 |
6.81 |
6.92 |
143 |
36.9 |
39.8 |
37.3 |
31.3 |
32.6 |
22.7 |
13.3 |
14.3 |
|
11 |
27 |
2 |
7.02 |
6.72 |
6.79 |
278 |
56.4 |
62.6 |
59.2 |
48.4 |
50.8 |
37.1 |
21.1 |
24.7 |
|
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续表1
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编号 |
NO2--N |
|
NO3--N |
|
TP |
|
PO43--P |
|
Alk |
|
Tur/度 |
|
进水 |
M-1 |
M-2 |
进水 |
M-1 |
M-2 |
进水 |
M-1 |
M-2 |
进水 |
M-1 |
M-2 |
进水 |
M-1 |
M-2 |
进水 |
M-1 |
M-2 |
|
1 |
0 |
0.2 |
0.8 |
0.2 |
26.8 |
15.5 |
4.39 |
3.29 |
3.56 |
3.57 |
3.24 |
3.45 |
160 |
32.7 |
47.5 |
17.1 |
0.2 |
0.5 |
|
2 |
0 |
1 |
1.3 |
0.2 |
18.6 |
9.5 |
4.14 |
3.51 |
3.56 |
3.73 |
3.45 |
3.46 |
164 |
52.4 |
66.1 |
19.7 |
0.8 |
1.9 |
|
3 |
0 |
0.1 |
0.2 |
0.3 |
11.7 |
8.7 |
2.22 |
1.41 |
1.71 |
1.67 |
1.37 |
1.56 |
126 |
70.1 |
88.7 |
10 |
0.1 |
1.1 |
|
4 |
0 |
0.6 |
1.2 |
0.2 |
15.4 |
8.2 |
3.56 |
2.75 |
2.96 |
2.76 |
2.71 |
2.84 |
135 |
68.4 |
73.2 |
15 |
0.4 |
0.6 |
|
5 |
0 |
0.5 |
1.3 |
0.1 |
18.7 |
14.8 |
3.57 |
3.28 |
3.39 |
2.75 |
3.19 |
3.24 |
149 |
55.6 |
72.1 |
13 |
0.1 |
0.4 |
|
6 |
0 |
0.1 |
1 |
0.1 |
11.4 |
5.9 |
4.92 |
4.24 |
4.48 |
3.84 |
4.07 |
4.18 |
113 |
84.6 |
97.7 |
25.2 |
0.8 |
1.1 |
|
7 |
0 |
0.3 |
1 |
0.1 |
7.2 |
2.4 |
4.72 |
4.31 |
4.47 |
3.41 |
4.14 |
4.26 |
151 |
109 |
126 |
19.3 |
1 |
2.1 |
|
8 |
0 |
0.1 |
0.4 |
0 |
20.9 |
14.8 |
5.38 |
3.24 |
3.28 |
3.31 |
3.01 |
3.07 |
163 |
45.3 |
75.1 |
22 |
0.5 |
1 |
|
9 |
0 |
0.2 |
0.3 |
0 |
19.9 |
15.4 |
5.77 |
2.68 |
2.99 |
4.27 |
2.54 |
2.75 |
170 |
60.2 |
83.1 |
22 |
1.4 |
2.3 |
|
10 |
0 |
0.1 |
0.2 |
0 |
8.6 |
8.2 |
5.42 |
2.89 |
2.95 |
3.93 |
2.62 |
2.72 |
136 |
93.7 |
95.2 |
13 |
1.6 |
1.7 |
|
11 |
0 |
0.2 |
0.4 |
0 |
13.4 |
12.9 |
5.77 |
3.34 |
4.31 |
4.49 |
3.27 |
4.14 |
155 |
93.1 |
99.9 |
21 |
2.5 |
2.8 |
|
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由于采用了中颗粒填料和粗颗粒填料，HLR要高于细颗粒填料，实验中最高达到了2.9 m3·m-2·d-1，运行了一周，说明MMEEF能承受的HLR波动。在不同的HLR下，出水中M-1的pH值、COD、NH4+-N、TN、TP、NO2--N、Tur和碱度低于M-2，而NO3—N
质量浓度明显高于M-2。出水清，Tur小，不需设二沉池。
采用中颗粒惰性填料比采用粗颗粒填料，出水中NH4+-N质量浓度降低幅度大，硝酸根质量浓度增加幅度大，但亚硝酸根质量浓度低于M-2。可能是粗颗粒填料表面生物量小，吸附氮化合物的量小，亚硝化菌将部分NH4+-N转化为后NO2--N，来不及被硝化菌作用就离开滤池。
3.2 MEEF过程中氮转化与水质参数的关系
3.2.1 水力负荷
水力负荷对滤池的处理效果影响很大。当水力负荷过高时，生态滤床表面会积水，若不及时处理，会造成局部滤层发黑，出现厌氧状态，而蚯蚓需在有氧环境中生长，同时厌氧环境减弱了微生物对有机物的降解速率，出水水质变差。正常运行时，水力负荷变小，停留时间将增加，NH4+-N的去除率水力停留时间线性正相关[3]。
3.2.2 氮转化与酸碱度的关系
酸度也是影响氮转化的重要因素。微生物活动的适宜pH范围为6~8，而城市污水的pH值通常在7~8以下，因此试验过程中，pH仅轻微变化，对氮的转化影响不大。
NH4+-N发生硝化时需要一定的碱度，碱度不足将影响到硝化作用的发生。试验中低水力负荷时氨的硝化量不大，水力负荷高时出水中的NO3--N质量浓度较高。只要污水的pH值适宜，碱度的变化对氮的其它转化无影响。
比较M-1与M-2发现，前者出水中pH, 值小于后者，NH4+-N也低于后者，而NO3--N质量浓度显著高于后者。两种MMEEF的差别仅在于惰性填料层的粒径有差异，因此也说明惰性填料层在NH4+-N的硝化方面起着重要作用，该结论与不同厚度的细颗粒填料作为生态滤池的惰性层得到的结论一致[3]。
从表1中也可看出，出水中氨氮质量浓度较低时，硝酸根氮质量浓度明显增加，碱度降低幅度较大，出水pH值下降较明显．这是因为发生硝化作用时产生H+，消耗碱度引起的．图1为进出水碱度差与硝酸根质量浓度差的相关图，其相关系数R=0.863。进水出水碱度差与氨氮质量浓度差也有一定的相关性(图1)，相关系数R=0.815。当样本数为22，显著性水平分别为0.01，0.05时，相关系数的临界值分别为0.423, 0.537，说明图1、图2中变量关系是显著相关的，这一点与采用细颗粒填料的MMEEF结论一致[3]。
氨氮经过同化作用和硝化作用去除，同时有机氮的氨化作用产生部分氨氮，因此进出水碱度差与氨氮质量浓度差的相关系数较硝酸根质量浓度差与碱度差的相关系数小。
3.3 MEEF中的物质流和能量流
3.3.1 物质流
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图3 MEEF中的总物质流
Fig. 3 Total mass flow path in MEEF
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EEF中总的物质流见图3。污水中的有机物和氮、磷等营养物（包括溶解态和悬浮态及填料中浸出的有机物）经微生物和蚯蚓的作用，变为其他形式的物质，最后经出水排出或以污泥的形式定期清除．污水中的重金属被滤料和微生物吸附和经食物链传递，再经生物放大作用，转入蚓体和蚓粪。
蚯蚓吞食作用会将污水中的颗粒物、部分微生物所固持的能量用于自身的生长和繁殖。
3.3.2 MEEF中物质平衡和能量流动
图4是生MEEF中的食物链污水中的有机物经生物作用，部分转化为生物体，部分则以呼吸产生CO2的形式释放到大气中。微生物将污水中的有机物降解氧化，并得到能量，
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图1 进出水碱度差与硝酸根质量浓度差的相关性
Fig. 1 The correlation between alkalinity differences in
the influent and the effluent and nitrate concentration
图2 进出水碱度差与氨氮质量浓度差相关性
Fig. 2 The correlation between the difference of alkalinity and
ammonia nitrogen in the influent and the effluent
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图4 MEEF中的食物链
Fig. 4 Food-web in MEEF |
用于增长和繁殖。自养型硝化菌从硝化反应中获得能量。原生动物和后生动物通过摄食生物膜及游离的颗粒物得到能量。蚯蚓则吞食颗粒物并在体内代谢得到所需要的能量。MEEF完全靠污水中的营养物和滤池中的DO提供生态系统所需的能量，以维持系统的动态平衡和发挥滤池的作用。
3.4 蚯蚓的作用
生态滤池中的蚯蚓是人工引入的，主要分布在滤床上层，以蚯蚓为代表的“巨型”动物在该系统中集多种功能于一身：1）作为该生态系统食物网的重要环节将城市污水作为基本生长营养源，对污水和污泥进行分解和吸收；2）对滤床起清扫和疏通作用，防止滤床出现厌氧和堵塞现象；3）蚯蚓粪便可以滤除污染物，提高污水处理效率；4）通过生态食物网清除蚊蝇及其卵蛹，改善滤池的卫生条件[5]。蚯蚓的存在可富集环境中的重金属元素，并促进环境中有机碳与有机氮的矿化[6, 7]。产生的蚓粪有一定的磷富集能力，提高了滤池的除磷效果。蚓粪的表面积较大，可作为微生物食料。蚓粪能促进污水中氮的形态转化（硝化和反硝化作用），提高滤池的脱氮能力[8]。
4 结论
复合床生态滤池采用初沉池出水作为进水，用中颗粒填料和粗颗粒填料作为惰性填料层，在不同水力负荷下，CODCr、NH4+-N去除率分别达74%~ 85%、30%~90%，出水浊度低。出水中NH4+-N质量浓度下降，NO3--N质量浓度显著增加。氮的转化受HLR影响较大。中颗粒填料较粗颗粒填料的处理效果好，惰性层在硝化方面起着重要作用。进出水中碱度差与硝酸根质量浓度差、氨氮质量浓度差均呈显著相关性。
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Research on microbial-earthworm ecofilter system
for sewage treatment with different structure
HAN Run-ping1, LIU Chen-xiang1, SHI Jie1, YANG Jian2, LU Yong-sen2, LIU Hong-min1
1. Department of Chemistry, Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, China;
2. School of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: Double layer Microbial-Earthworm Ecofilter System (MMEEF) with combination of microbe and earthworm is a artificial ecosystem to degrade pollutants for municipal sewage treatment. When the influent water was from primary settling tank, the removal rates for CODCr and NH4+-N are 70%~85％ and 30%~90％at different HLR, respectively. The turbidity is lowest in the effluent. The quality of the effluent was better when inert layer was composed of the middle inert material than the bigger inert material. Transformations of nitrogen were affected by many factors, especial HLR in the experimental conditions. The levels of nitrate were significantly increased while the levels of the ammonia nitrogen were decreased in the effluent. There is significantly linear correlation between the rising level of NO3--N and the difference of alkalinity (Alk). The layer of inert particles plays an important role in ammonium nitrification. The mechanisms of MMEEF, also with the mass flow path and the food web, were offered.
Key words: MEEF; municipal sewage treatment; earthworms; nitrogen transformations
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