隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化迅速推進.用水需求量不斷增加，水資源短缺現(xiàn)象日益嚴重。為了緩解水資源短缺和社會經濟發(fā)展之間的矛盾.中水回用的研究受到越來越廣泛的關注。目前污水處理廠的尾水一部分用作湖泊、河流、水庫等天然水系的補充水源，另一部分經深度處理后用作城市的第二水源。我國大部分污水處理廠受工藝水平、技術條件、管理維護等限制，出水氮磷等污染物含量仍然較高，造成地表水體富營養(yǎng)化。因此，亟需對污水處理廠的尾水進行深度處理，以改善地表水環(huán)境。

經污水處理設施處理后的尾水屬于低污染水，氮磷等污染物主要以硝態(tài)氮(NO3--N)及溶解性無機磷形式存在。若對尾水進行深度處理，需要投加碳源進行反硝化生物脫氮，同時還需深度除磷。影響反硝化生物脫氮效果的關鍵因素是碳源種類，乙醇、乙酸、葡萄糖等液體碳源是污水處理廠常用的碳源，這些碳源具有碳釋放速度快、脫氮效率高等優(yōu)點，但液體碳源成本較高（2.0～4.5元/kg）。為了降低處理成本，稻草、鋸木屑等農業(yè)廢棄物近年來常被用作反硝化碳源，與液體碳源相比，農業(yè)廢棄物碳源成本低，更適合應用于農村污水處理。

除磷技術一般多采用化學沉淀絮凝法，鋁類絮凝劑、鐵類絮凝劑及有機高分子絮凝劑是常見的除磷藥劑。化學沉淀絮凝法除磷效果較好，廢水中磷的去除率可達到90%以上，但藥劑價格高達5萬~15萬元/t，并不適合在農村地區(qū)推廣應用。

目前，尾水深度處理多是構建脫氮和除磷兩級系統(tǒng)，而具有同步脫氮除磷功能的單級深度處理系統(tǒng)研究較少?；诖?，本課題組結合生物膜法和吸附法原理，通過裝填長效固體碳源及高效除磷材料，構建了能夠同步脫氮除磷的潛流生物濾池。由于潛流生物濾池將傳統(tǒng)的脫氮除磷兩級系統(tǒng)合并成一級，因此構建費用更低廉、占地面積更小。目前有關潛流生物濾池在野外條件下同步脫氮除磷效果還缺乏研究，因此本研究以廉價的稻草和鋸木屑為反硝化固體碳源、改性膨潤土為除磷材料，構建野外中試潛流生物濾池，通過水質動態(tài)監(jiān)測.探明其對水體氮磷的協(xié)同去除效果，以期為我國建立經濟可行的尾水深度處理工藝提供技術支撐。

1、材料與方法

1.1 潛流生物濾池構建

潛流生物濾池由磚混結構建成，長、寬、高分別為1.30、1.20、0.80m，從底部向上依次布置防堵塞碎石層（0.10m）、除氮材料層（0.25m）和除磷材料層(0.40m)(見圖1)。脫氮材料為稻草和鋸木屑，除磷材料采用前期篩選的Ca(OH)2改性膨潤土，改性膨潤土制作方法詳見文獻。

1.2 處理設置

本試驗共設置3個處理：C1(稻草+改性膨潤土)、C2(鋸木屑+改性膨潤土)和C3(稻草/鋸木屑+改性膨潤土)，其中C3脫氮材料層中稻草和鋸木屑體積比為1:1，3個處理并聯(lián)運行。潛流生物濾池進水為人工模擬廢水，原水取自野外自然水體，添加硝酸鉀和磷酸二氫鉀使廢水NO3--N和磷酸鹽(PO43--P)質量濃度分別為10、1mg/L。進水采用下進上出的方式，通過蠕動泵控制。試驗正式開始前，先將1500g污泥(取自養(yǎng)殖廢水綠狐尾藻處理系統(tǒng))混入到廢水中，平均接種到每個濾池；然后通過蠕動泵動態(tài)進水，待廢水充滿整個濾池后，靜態(tài)培養(yǎng)3d以富集微生物。靜態(tài)培養(yǎng)結束后，每個濾池以10mL/min的進水流速正式運行，共運行58d。

1.3 樣品采集與分析

潛流生物濾池運行初期每天采集進出水樣品，連續(xù)采集7d，之后每3天采集1次水樣。水樣的測定指標包括氨氮(NH4+-N)、亞硝態(tài)氮(NO2--N)、NO3--N、總氮(TN)、PO43--P、總磷(TP)和化學需氧量(COD)。(NH4+-N)、NO2--N和NO3--N測定前，先過0.45μm濾膜，然后在AA3連續(xù)流動分析儀(德國SEAL公司)測定3種形態(tài)氮各自濃度；采用堿性過硫酸鉀法消解水樣，再通過AA3連續(xù)流動分析儀測定TN濃度。采用鉬酸銨分光光度法測定水樣TP和PO43--P濃度；采用重鉻酸鹽法測定水樣COD濃度；pH采用臺式pH計測定。

2、結果與討論

2.1 潛流生物濾池對水體pH的影響

潛流生物濾池對pH的影響見圖2。潛流生物濾池進水平均pH為8.67，呈堿性。C1出水平均pH為7.19，在生態(tài)安全范圍內，C1出水呈現(xiàn)中性的原因有兩方面：(1)稻草在缺氧環(huán)境中纖維素、半纖維素和木質素大量降解，產生糖類，繼而又被轉化成酸，使pH下降；(2)稻草表面生物膜上的反硝化菌和其他細菌通過自身的新陳代謝消耗了一定的堿度，使得出水pH趨于中性，有利于自身的生存。C2出水平均pH為11.77，是由于Ca(OH)2改性的膨潤土釋放出大量OH-，而鋸木屑充當碳源時難以被微生物降解，因此造成出水pH較高。C3出水平均pH為9.93。C3中也加入了一定量稻草，但加入量比C1少，因此被微生物降解利用的碳源較少，出水pH基本在C1、C2之間。

2.2 潛流生物濾池對COD的處理效果

潛流生物濾池對COD的處理效果見圖3。試驗期間進水COD為35～48mg/L。潛流生物濾池運行第1天，C1、C3對COD無明顯的去除效果，出水COD濃度不降反升，可能原因是稻草材料表面含有較多的可溶性有機碳和易脫落的有機顆粒物；C2中加入的除氮材料是鋸木屑，前期釋放出的COD并不明顯。隨著潛流生物濾池持續(xù)運行，COD去除效果逐漸穩(wěn)定，這是由于潛流生物濾池中微生物通過水解氧化、吸附、吸收作用，對污水有機物進行了高效降解。潛流生物濾池運行58d時，C1、C2、C3出水COD分別為15.34、14.96、12.95mg/L，均達到《地表水環(huán)境質量標準》（GB3838―2002）中的Ⅲ類標準（≤20mg/L），這與徐小強等的研究結果相似。

2.3 潛流生物濾池對水體氮素的處理效果

潛流生物濾池對NO3--N和TN的去除效果見圖4所示。C1始終對NO3--N保持高效的去除效果，而C2、C3對NO3--N的去除率波動較大，運行期間3個處理對NO3--N的平均去除率為C1（94.12％）＞C3（72.16％）＞C2（54.76％）。邵留等以稻草為反硝化碳源，對水體中NO3-N去除率也達90%以上，和本研究結果相似，與以乙酸鈉為碳源的深度處理反硝化濾池脫氮效率相當，證明潛流生物濾池可以廉價的農業(yè)廢棄物為碳源進行深度脫氮。C2以鋸木屑為碳源，對NO3--N去除效果較差，是由于鋸木屑主要成分是木質素，木質素是一種難以降解的物質，從而導致其難以被微生物利用。

各處理對TN的平均去除率為C1（56.13%）＞C3（53.71%）＞C2（20.64%）。整個試驗期間，C1對TN去除不穩(wěn)定，最高去除率高達83.54%，最低去除率僅為14.30%；C2、C3對TN的去除效果也處于波動狀態(tài)，且去除率不高。C2、C3對TN的去除效果不佳的原因可能是碳源供給不足，潛流生物濾池中微生物反硝化過程需要碳源，適宜的碳氮比是保證反硝化反應發(fā)生的必要條件。

此外，對3個潛流生物濾池出水NH4+-N和NO2-N濃度進行測定，由此來判斷試驗過程中是否出現(xiàn)NH4+-N和NO2-N的積累，結果見圖5。試驗前期，C2的NH4+-N累積較少，而C1、C3運行前期出現(xiàn)NH4+-N濃度明顯增加，第3天開始出水NH4+-N濃度逐漸降低。前期NH4+-N濃度增加的原因可能是C1、C3中的稻草釋放出大量氮素，造成出水NH4+-N增加，隨后潛流生物濾池中NH4+-N與NO2-N可能發(fā)生厭氧氨氧化，因此造成NH4+-N濃度開始降低。

NO2-N是反硝化過程中的中間產物，NO2--N的積累與反硝化過程中碳源的供給量有很大關系。由圖5可見，添加有鋸木屑的C2、C3均出現(xiàn)了明顯的NO2--N積累，而添加稻草的C1僅在試驗后期出現(xiàn)少量NO2--N積累，該結果與朱輝翔等的研究結果相似。鋸木屑在反硝化過程出現(xiàn)NO2--N大量積累，與鋸木屑釋碳緩慢有關，NO2--N還原成N2所需的自由能要高于NO3--N還原成NOz-N所需的自由能，在碳源不足條件下會優(yōu)先發(fā)生NO3--N還原反應.因此會導致NO2--N積累。

2.4 潛流生物濾池對水體PO43--P和TP的去除

潛流生物濾池對PO43--P和TP的去除效果見圖6。C2在整個運行期間對PO--P保持著穩(wěn)定的高效去除效果；C1、C3在運行期間對PO43--P的去除效果不穩(wěn)定，且總體呈下降趨勢。3個潛流生物濾池出水PO43--P平均去除率為C2(96.96%)>C1(88.52%)>C3(74.18%)。C2的PO43--P去除率高于熊小京等構建的單級除磷濾池（PO43--P去除率為75%~85%)，說明潛流生物濾池中同時裝填脫氮與除磷材料是可行的。

對比3個潛流生物濾池對TP的去除效果，C2對TP的去除效果穩(wěn)定，平均去除率可達到90.69%；C1在運行前期對TP的去除效果較差，這可能與稻草釋放一定有機磷有關；C3在運行前期對TP的去除效果較好，TP去除率可達到90%以上，運行后期對TP的去除率僅達到50%左右。3個潛流生物濾池出水TP平均質量濃度為C2（0.11mg/L）〈C3（0.43mg/L）〈C1（0.85mg/L），TP平均去除率為C2（90.69％）＞C3（61.98％）＞C1（26.86％）。C2出水水質優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）的一級A標準（≤0.5mg/L），可達GB3838-2002中的Ⅳ類標準（≤0.3mg/L）。

潛流生物濾池的除磷機制主要是改性膨潤土中Ca2+及其氧化物與磷素反應形成難溶性化合物，從而使磷得以沉淀去除。鈣與磷結合過程受pH影響，C2出水pH呈堿性，改性膨潤土中Ca2+更易與水體PO43--P結合，因此除磷效果更好。

3、結語

(1)3種不同填料潛流生物濾池中，C1、C2、C3的NO3--N平均去除率分別為94.12%、54.76%、72.16%，TN平均去除率分別為56.13%、20.64%、53.71%；與鋸木屑相比，以稻草為固體碳源的潛流生物濾池脫氮效果更佳。

(2)不同潛流生物濾池PO-P平均去除率為C2（96.96％）＞C1（88.52％）＞C3（74.18％），TP平均去除率為C2（90.69％）＞C3（61.98％）＞C1（26.86%），其中C2出水TP優(yōu)于GB18918-2002的一級A標準，可達GB3838-2002中的Ⅳ類標準；與稻草相比，以鋸木屑為固體碳源的潛流生物濾池除磷效果更佳。

(3)綜合而言，當廢水中以氮污染為主時，可選用稻草＋改性膨潤土組合作為潛流生物濾池脫氮除磷材料；當廢水中以磷污染為主時，可以選用鋸木屑+改性膨潤土組合作為潛流生物濾池脫氮除磷材料。（來源：中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙農業(yè)環(huán)境觀測研究站，中國科學院大學，湖南厚霖生態(tài)環(huán)保有限公司）