不同有机负荷条件下分层蚯蚓生物滤池对生活污水的处理效果

不同有机负荷条件下分层蚯蚓生物滤池对生活污水的处理效果戴一琦;李银生;李旭东;沈小虎;陆燕;邱江平
【摘要】本文设计了一种新型的分层式蚯蚓生物滤池,采用高低两种有机负荷,研究了该滤池对生活污水的处理效果.实验过程中,水力负荷均保持在1.0 m3·(m2·d)-1.在低有机负荷条件下,系统对COD,NH3-N、SS和TP的平均去除率分别达到85%、73%、69%、92%;在高有机负荷条件下,系统对COD,NH3-N,SS和TP的平均去
除率分别达到86%,70%,67%,91%.各层出水中,污染物浓度逐层下降.文章还对高有机负荷条件下滤池中的蚯蚓种群状况进行了研究,从实验开始到基本达到平衡的两
周时间内,各层中蚯蚓的成体、亚成体、幼体、蚓茧数量呈现一个上升过程直至平衡,与有机物的去除率表现出一定相关性.
【期刊名称】《上海交通大学学报（农业科学版）》
【年(卷),期】2010(028)001
【总页数】7页(P35-40,58)
【关键词】分层蚯蚓生物滤池;高有机负荷;蚯蚓种群密度
【作者】戴一琦;李银生;李旭东;沈小虎;陆燕;邱江平
【作者单位】上海交通大学,农业与生物学院,上海,200240;上海交通大学,农业与生物学院,上海,200240;上海交通大学,农业与生物学院,上海,200240;上海交通大学,农业与生物学院,上海,200240;上海交通大学,农业与生物学院,上海,200240;上海交通大学,农业与生物学院,上海,200240
【正文语种】中文
【中图分类】X171
目前对高效率、低成本、易管理的农村污水处理技术的研究开发已成为相关领域的研究热点[1]。

蚯蚓生物滤池(vermibiofilter,VBF)技术作为一项新的污水处理技术自从1998年被引入中国以来，在我国得到了较快的发展。

这一技术利用蚯蚓吞食有机物质，提高土壤通透性能等特点，在滤池中引入蚯蚓过滤分解层，提高了有机污染物的去除率，克服了普通生物滤池污泥堵塞的缺点[2,3]。

同时兼具一定的脱氮除磷作用。

VBF技术所具有的诸多优点，使其特别适合于分散式有机污水的处理。

本文在前期研究的基础上，提出分层蚯蚓生物滤池的设计理念，对传统蚯蚓生物滤池的原有结构进行改进，对滤池池体进行了分层设计，实现了池体的模块化，进一步强化了池体的通风充氧作用，提高了填料的利用率。

本文对该滤池处理生活污水的能力进行了初步研究。

1 材料与方法
1.1 工艺流程和实验装置
生活污水首先经过一个集水池。

因为直接排入的污水水量都很不稳定，需要经过一个集水池以消除由于进水波动所造成的影响，保证一个稳定的水量。

之后，污水经过一个调节池，实验过程中根据实验要求对池内污水的有机负荷、氮、磷等浓度进行调节。

调节之后的污水作为实验水源由蠕动泵泵入滤池上方进行处理。

工艺流程见图1。

分层蚯蚓生物滤池的池体是由3层相同的滤池模块所构成的，模块的尺寸为长60 cm×宽40 cm×高40 cm，每个模块底部填充5～10 mm石英砂作为承托层，承托层上部是由泥炭和树皮混合组成的蚯蚓活动层，该层为蚯蚓生活提供环境，在最上层铺一层纤维填料起到二次布水的作用，同时也为蚯蚓生存构造一个相对稳定的
环境。

整个填料层厚度为35 cm。

图1 分层蚯蚓生物滤池处理工艺流程Fig.1 Flow diagram of delaminated vermibiofilter system
实验采用的蚓种为赤子爱胜蚓，喜潮湿和阴暗，对生存环境要求较低，该引种被广泛应用于污水，固体垃圾等的污染物的治理中。

赤子爱胜蚓的最适宜生长温度为20～25℃，其活动范围为0～30 cm的土壤层中[4,5]。

初次引入蚯蚓时将每层蚯蚓种群密度控制在3000条·m-2左右。

实验中采用蠕动泵进水以保持水量的持续稳定，用三角堰布水，水力负荷为1.0 m3·(m2·d)-1。

1.2 试验污水
该实验装置搭建在上海交通大学现代农业与生物工程训练中心。

实验用水是该训练中心教学区和办公楼的生活污水，高有机负荷污水是在此基础上加入葡萄糖等有机物人工配制的。

试验期间水质见表1。

1.3 水质指标及测试方法
水质指标及测定方法见表2。

1.4 蚯蚓种群密度测定的方法
实验中，种群密度的测定采用取样计数的方法。

在各层滤池池体的中央和两边各取一个直径10 cm的圆柱体的滤料作为样本，分别对其中的蚯蚓成体、亚成体、幼体和蚓茧进行计数，最后取3组数据的平均值作为测定结果[6]。

表1 试验期间水质Table 1 Influent quality during experiment平均浓度Mean concentration 357.7 2581.6 40.8 4.6 162.3
表2 水质指标及测试方法Table.2 Items and methods of wastewater test序号Serial No.检测方法Method 1 COD 重铬酸盐法Dichromate titratiorl 2 NH3-N 纳氏试剂分光光度法Nessler’s reagent spectrophotometry 3 TP 钼酸铵分光光度法Ammonim molybdate spectrophotomery 4 SS 重量法Gravimetry检
测指标Index
2 结果与讨论
2.1 低有机负荷工况
2.1.1 对CO D的去除效果分层蚯蚓生态滤池对COD的去除效果见图2和图3。

图2是分层蚯蚓生态滤池对COD的去除效果，从图中可知在进水COD浓度变化较大的工况下，分层蚯蚓生物滤池的出水COD始终能保持一个较稳定的范围，且去除率较高。

实验过程中保持水力负荷为1.0 m3·(m2·d)-1，进水 COD 范围为207.4～534.3 mg·L-1。

此工况下，滤池平均出水 COD 为54.0 mg·L-1，平均去除率为85%，最高去除率可达91%。

整体效果好于传统蚯蚓生物滤池。

同时，滤池出水水质稳定，说明系统抗冲击负荷能力强。

图3是分层蚯蚓生态滤池各层对COD的去除效果比较，从图中可以清楚地看出，污水在经过各层模块时COD被逐层去除，自上而下各层平均出水COD 分别为154.7、80.4、54.0 mg·L-1，去除率分别为57%、78%、85%。

这说明，在污水流经池体过程中，各层都对污水中的COD有很好的去除作用，其中第一层的去除作用最明显。

分层蚯蚓生态滤池对于COD的去除机理与传统蚯蚓生物滤池基本相同。

它主要依赖于滤池中的蚯蚓、基质以及大量微生物这个复杂的生态系统中所形成的物理、化学、生物三重协同作用[7]。

在分层蚯蚓生物滤池中。

由于池体的通风作用加强，从而强化了有机物降解过程中的好氧降解作用，提高了污染物的降解率[5]。

图2 低有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池对COD的去除效果Fig.2 COD removal effect in low organic load of delaminated vermibiofilter
图3 低有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池各层对COD的去除效果比较Fig.3 COD removal effect of each layer in low organic load
2.1.2 对N H3-N的去除效果处理前后，分层蚯蚓生态滤池对NH3-N的去除效果
见图4和图5。

图4是分层蚯蚓生态滤池对NH3-N的去除效果，该图显示系统能够非常有效地
对NH3-N进行去除。

实验期间进水NH3-N浓度范围为27.6～50.7 mg·L-1，滤池出水平均 NH3-N 浓度为11.2 mg·L-1，平均去除率基本保持在70%以上，最
高达到82%。

且由图可知出水水质稳定。

图5是分层蚯蚓生态滤池各层对NH3-N去除效果的比较，从图中可以清楚地看出，各层模块对NH3-N去除明显，自上而下各层平均出水NH3-N分别为19.1、16.5、11.2 mg·L-1，去除率分别为 54%、60%、73%。

污水中的NH3-N在各
层中都有一个有效的去除。

分层生物滤池中对NH3-N的去除主要依赖基质的吸附和微生物硝化的作用。

污水中的NH3-N进入系统后即被基质颗粒吸附，由于池体中的好氧环境，基质中的微生物通过亚硝化作用和硝化作用能将NH4+转化为NO2-和NO3-，从而达到去除NH3-N的目的[8-10]。

图4 低有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池对NH3-N的去除效果Fig.4 NH3-N removal effect in low organic load of delaminated vermibiofilter
图5 低有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池各层对NH3-N的去除效果比较Fig.5 NH3-N removal effect of each layer in low organic load
图6 低有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池对TP的去除效果Fig.6 TP removal effect in low organic load of delaminated vermibiofilter
2.1.3 对TP的去除效果滤池对TP的去除效果如图6和图7所示。

图6是分层蚯蚓生态滤池对TP的去除效果。

由图可以看出进水的 TP 浓度范围为2.8～5.9 mg·L-1，变化幅度很大，但是出水TP浓度较稳定，平均TP为1.3 mg·L-1，去除率接近70%，最高去除率达到86%。

图7 低有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池各层对TP的去除效果比较Fig.7 TP
removal effect of each layer in low organic load
图7是分层蚯蚓生态滤池各层对TP的去除效果比较，由图可见TP的浓度也同样
随层数增加而减小。

自上而下各层平均出水TP分别为2.6、2.0、1.3 mg·L-1，去除率分别为 40%、54%、69%。

磷在滤池系统中的去除主要是通过以下几个途径：化学沉淀反应、填料的吸附作用、共沉、离子交换和微生物同化作用，其中化学沉淀反应和填料的吸附作用是最主要的途径。

滤池中填料的理化性质对于磷的去除效果有很大的影响，填料的pH值、氧化还原电位、以及填料中金属离子的含量等都会对磷的去除产生影响。

在分层蚯蚓生物滤池中，由于滤池池体实现的模块化的设计因此可以通过替换或增加一层专门的除磷填料来达到理想的除磷效果，因此摆脱了传统蚯蚓滤池因为照顾到蚯蚓的生存环境而对填料的限制[11,12]。

2.1.4 对SS的去除效果图8是分层蚯蚓生态滤池对SS的去除效果。

由图可以看
出进水的SS的波动范围为137～204 mg·L-1，变化幅度很大，出水SS 浓度较稳定，平均 SS 为13.7 mg·L-1，去除率超过90%，出水从感官上看澄清透明。

图9是分层蚯蚓生态滤池各层SS去除效果的比较，由图可见SS的含量也同样随
层数增加而减小。

自上而下各层平均出水 SS分别为 50.6、18.0、13.7 mg·L-1，去除率分别为 69%、89%、92%。

在蚯蚓生物滤池中，SS的去除除了和普通生物滤池一样依靠填料的截留和吸附等
物理作用外，还存在着蚯蚓对于悬浮颗粒中的有机物的吞食作用，被滤料截留的悬浮颗粒为蚯蚓和微生物提供的很好的食料。

由于这种吞食作用的存在，加速了SS
的降解，对于出水水质的稳定和防止滤池堵塞起到了很好了促进作用。

2.2 高有机负荷工况
图8 低有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池对SS的去除效果Fig.8 SS removal effect in low organic load of delaminated vermibiofilter
图9 低有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池各层对SS的去除效果比较Fig.9 SS removal effect of each layer in low organic load
2.2.1 对CO D的去除效果如图10是高有机负荷条件下分层蚯蚓生物滤池对COD的去除效果，由图可见在高有机负荷条件下，分层蚯蚓生物滤池对COD有很好的去除效果，平均去除率达86%，略高于低负荷条件下的去除率。

由图可以看出，滤池对COD的去除率呈现一个逐渐增长的趋势，经过两周左右趋于稳定，稳定后的去除率始终保持在平均水平以上。

图10 高有机负荷条件下分层蚯蚓生物滤池对COD的去除效果Fig.10 COD removal effect in high organic load of delaminated vermibiofilter
通过图11可以发现，在高有机负荷条件下，分层蚯蚓生态滤池各层出水COD逐层下降。

第一、二、三层各层出水 COD 分别为 1406.12、904.22、363.55 mg·L-1，对于进水的去除率分别为46%、65%、86%。

图11 高有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池各层对COD的去除效果比较Fig.11 COD removal effect of each layer in high organic load
COD去除率的提高可能是由于进水有机物浓度的增加提高了滤池中蚯蚓和微生物的数量，蚯蚓的活动能力得到了增强，从而对COD的去除产生了促进作用。

这通过接下来蚯蚓种群密度的测定可以得到进一步验证。

2.2.2 高有机负荷工况下对N H3-N的去除效果通过图12可以看出，高有机负荷条件下分层蚯蚓生物滤池对NH3-N的平均去除率为69%，低于低有机负荷时的去除率，且呈现一个明显的下降趋势。

通过图13可以看出，在进水NH3-N浓度略低于低有机负荷时，滤池出水NH3-N浓度反而有所上升，一、二、三层各层出水NH3-N浓度分别为21.5、17.8、12.1 mg·L-1，对于进水的去除率分别为 46%、55%、69%。

图12 高有机负荷条件下分层蚯蚓生物滤池对NH3-N的去除效果Fig.12 NH3-N
removal effect in high organic load of delaminated vermibiofilter
图13 高有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池各层对NH3-N的去除效果比较Fig.13 NH3-Nremovaleffectofeachlayerinhighorganicload
对于NH3-N去除率的减小可能是由于有机负荷增加，污水中能够被异养型微生物利用的物质增多，从而异养型微生物数量大量增加，抑制了自养型微生物的生长，而能够进行硝化作用的微生物为自养型微生物，所以导致了硝化作用被削弱，系统对NH3-N的去除率下降。

2.2.3 高有机负荷工况下对TP的去除效果从图14可知，高有机负荷条件对TP的去除影响不大，高有机负荷条件下系统对TP的平均去除率为66%，略低于低有机负荷时的值，且去除率呈现明显的下降趋势，这是由于滤池中的基质对于P的吸
附交换达到了平衡，从而使TP的去除效果明显下降。

图14 高有机负荷条件下分层蚯蚓生物滤池对TP的去除效果Fig.14 TP removal effect in high organic load of delaminated vermibiofilter
图15 高有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池各层对TP的去除效果比较Fig.15 TP removal effect of each layer in high organic load
从图15可知，系统中各层对TP的去除较低有机负荷条件有所减小，一、二、三
层出水TP浓度分别为2.9、2.3、1.6 mg·L-1，去除率分别为40%、53%、66%。

2.2.4 高有机负荷工况下对SS的去除效果从图16可知，系统对SS的去除在高有机负荷条件下与低有机负荷条件下差别不大，高有机负荷条件下系统对SS的平均去除率为91%。

图16 高有机负荷条件下分层蚯蚓生物滤池对SS的去除效果Fig.16 SS removal effect in high organic load of delaminated vermibiofilter
图17 高有机负荷条件下分层蚯蚓生态滤池各层对SS的去除效果比较Fig.17 SS removal effect of each layer in high organic load
从图17可知，一、二、三层出水SS浓度分别为51.9、22.0、14.5 mg·L-1，去除率分别为 68%、86%、91%。

因此，有机负荷对SS的去除率影响不大。

2.3 高有机负荷工况下滤池中蚯蚓种群密度的变化情况
图18 各层池体中蚯蚓成体、亚成体、幼体和蚓卵数量随时间的变化情况(A第一层；B第二层；C第三层)Fig.18 Abundance of adults,sub-adults,juveniles and cocoons of each layer during the experiment(A layer 1;B layer 2;C layer 3)
如图18所示，分别是第一层、第二层、第三层滤池池体中蚯蚓成体、亚成体、幼体和蚓卵数量随时间的变化情况。

从图中可以看到，在进水的有机负荷提高之后，池体中的蚯蚓种群密度有明显地增加，其中以幼体组的增加幅度最为明显，这正与COD的变化趋势相符和，表明由于进水有机负荷的提高，为蚯蚓生长所能提供的有机物增加促进了蚯蚓数量的增加，随着蚯蚓数量的增加，滤池对COD的去除率又进一步提高，因此，COD的去除率在开始的一段时间内逐渐提高，经过两周左右达到一个新的平衡。

第一、二、三层滤池池体中蚯蚓的种群密度呈略微的下降趋势，这可能是由于污水中的有机物逐层减少的缘故。

另外，从图中还可以看出，所测得各生长阶段的蚯蚓种群数量的标准差自上而下呈减小趋势，这可能是由于布水情况不一样所造成的，第一层由于布水不是太均匀导致中间和两边种群密度差别相对较大。

而随着层数递增，布水逐渐均匀，各采样点之间差距减小。

3 结论
分层蚯蚓生物滤池在低、高有机负荷条件下对污水中的 COD、NH3-N、TP、SS 都有较好的去除效果。

滤池中蚯蚓种群密度与污水中有机物含量有一定相关性。

本文的研究结果表明分层蚯蚓生物滤池效果优于常规的生物滤池。

其耐有机负荷冲击的能力也明显高于后者。

而且污水经分层滤池处理后，其氧含量充足，便于后续处
理或循环利用。

因而这种新型滤池显示出来较好的应用前景。

不过一些工艺过程和技术细节还需进一步研究。

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