据统计，中国农村每年产生的生活污水超过80亿t，导致了广大村镇地区水污染问题严重，因此对农村污水的净化和处理已经迫在眉睫^[1]。目前农村污水处理工艺主要有：人工湿地、快速渗滤系统、氧化塘、土壤渗滤系统和生物滴滤池等。国内外大量的研究证实了生物滴滤池去除污水中COD、SS 具有良好的效果，但普通生物滴滤池具有易堵塞、对氮和磷的去除能力有限、稳定性不高、不卫生等缺点，因此近年来学者们致力于研究改进生物滴滤池的工艺并强化其脱氮除磷效果^{[2, 3]}。

张文坤等^[4]对滴滤池的结构做了改进，形成了新型分层生物滴滤池，不仅具有污泥量少、能耗低、供氧充分等优点,而且与普通生物滴滤池相比，分层生物滴滤池还具有启动周期更短、出水稳定性更高、氮磷去除率更高的优点。为了探索该新型分层生物滴滤池的去除氮磷的最佳工艺条件，本试验选取不同的滤料、不同回流比、不同水力负荷3 个因素，较为系统地研究了不同工艺条件下新型分层生物滴滤池去除污水中氮磷的性能。 1 材料与方法 1.1 试验材料和装置

如图 1所示，试验采用自行设计的分层生物滴滤池反应器，反应器为敞开式多孔分层结构,材质为304号不锈钢，尺寸为420 mm×310 mm×2 200 mm。装置共分为6 层，每层设1 个镂空滤料装填容器，使其中滤料可与外界空气充分接触。每个装填容器尺寸为360 mm×270 mm×220 mm，相邻滤料层间距离均为150 mm。

图 1 新型分层生物滴滤池的工艺流程图 Figure 1 Process of multi-layered biological filter

图选项

污水经蠕动泵提升进入复合生物滤池处理系统 顶部，由上而下流经长有丰富生物膜的滤料层，最后 进入滤池底部的缓冲池，缓冲池中的上清液经蠕动泵 提升再次进入滴滤池形成内回流。 1.2 试验水质

试验用水参考我国南方农村生活污水水质指标，以葡萄糖为主要碳源，氯化铵为主要氮源。污水配方为：葡萄糖281.25 mg·L^-1、氯化铵57.25 mg·L^-1、磷酸二氢钾13.25 mg·L^-1、碳酸氢钠75 mg·L^-1、硫酸镁16.5 mg·L^-1、硫酸猛1.5 mg·L^-1、硫酸铁0.1 mg·L^-1。污水的C:N:P控制在100:10:1左右,其中COD的浓度为300 mg·L^-1左右。 1.3 试验方法

试验选用多孔性且具有高效除氮磷性质的炉渣（不完全燃烧的碳灰渣，粒径为20~30 mm）、气块砖（粒径为30 mm 左右）和复合树脂（交错装填的阴离子交换树脂，粒径为0.5 mm，包裹在尼龙布后装填于滤池内）作为滤料^{[5, 6]}分别装填于3 组滤池系统内，每套系统内装填的滤料体积相同，均为128 L。通过改变蠕动泵的流速，控制系统水力负荷在4.0~8.0 m³·m^-2·d^-1之间；通过改变回流蠕动泵的流速，选取1:2、1:1、2:1进行回流比试验。试验分为3 个阶段。表 1 为试验运行方案，装置启动周期在2 周左右，系统稳定后进入运行阶段，运行周期为2013 年1 月—6 月，试验测试方法如表 2 所示。

表 1 试验运行方案 Table 1 The scheme of the experiment

表选项

表 2 指标检测方法 Table 2 Testing methods of different index

表选项

2.1 滤料种类对脱氮除磷性能的影响

图 2（a）为3 种滤料滤池氨氮的进出水浓度值和去除率变化。在进水氨氮浓度为16~21 mg·L^-1条件下，气块砖、炉渣的出水浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准（GB 18918—2002）》一级B 排放标准。3种滤料对氨氮的去除率分别在9.95%~58.83%、28.08%~55.07%、62.06%~90.75%波动，其对氨氮的去除呈现出炉渣>气块砖>复合树脂。本试验中采用的复合树脂为阴离子交换树脂，对于NH₄⁺-N 的去除主要依靠树脂与溶液接触时对溶液中非电解质产生的吸附作用，这种吸附作用弱于气块砖和炉渣对于氨氮的吸附作用^[7]。

图 2 不同滤料各指标进出水浓度及去除率变化 Figure 2 Variation of index concentration and removal precentage in different filter medium

图选项

图 2（b）为3 种滤料滤池TP 的进出水浓度值和去除率变化。如图所示，TP的进水浓度在2.9~4.1 mg·L^-1之间波动，复合树脂、气块砖和炉渣3 种填料的出水浓度分别在1.5~3.1 mg·L^-1、2~2.7 mg·L^-1、0.7~2.1mg·L^-1之间波动，图中可看出只有炉渣滤池出水接近国家一级B排放标准。复合树脂、气块砖和炉渣对应的去除率分别在12.16%~60.58%、18.91%~50.96%、46.06%~81.78%之间波动。炉渣对TP 的去除明显高于另外2 种，这缘于炉渣本身的物理化学结构，炉渣的空隙率大且钙铝含量高，有利于溶液中磷均匀的吸附在基质表面，促进钙铝离子和磷的物理化学反应完全，进而产生Ca-P化合物^[8]。

图 2（c）为3 种滤料滤池TN 的进出水浓度变化曲线，3 种滤料的TN 出水浓度变化趋势上下波动幅度较大，推断其原因，主要受厌氧环境下的反硝化过程影响，由于生物膜存在生长、脱落过程，对于需要厌氧过程去除的氮元素来说，生物膜的增厚会使得污水难以进入生物膜的内部进行充分的厌氧处理，从而导致氮元素处理效果的不稳定^[9]。复合树脂、气块砖、炉渣的去除率分别在11.90%~54.64%、20.39%~58.82%、9.10%~62.15%内波动。

图 2（d）为3 种滤料滤池COD 的进出水浓度变化情况，3 种滤料COD 出水浓度均表现出先降低再趋于平缓的趋势。滴滤池滤料分层的结构提供了较为充足的好氧环境，可以增加污水中溶解氧含量，继而增强好氧微生物对氧气的利用，通过降解作用使COD的变化趋于平缓。如图所示，复合树脂、气块砖、炉渣的去除率分别在38.74%~87.27%、45.90%~87.27%、41.99%~87.27%波动。3种滤料对COD 的去除效果差别不大。 2.2 水力负荷对脱氮除磷性能的影响

图 3 为不同水力负荷条件下各指标的进出水浓度变化情况，由图 3（a）可知，水力负荷为4、6 m³·m^-2·d^-1 和8 m³·m^-2·d^-1 时氨氮出水浓度分别在5.3~1.9mg·L^-1、1.8~5.0 mg·L^-1、4~10.3 mg·L^-1之间波动。对应的去除率分别在65.40%~87.23%、70.66%~91.93%、43.90%~74.32%间波动。可见，4 m³·m^-2·d^-1 和6 m³·m^-2·d^-1为本试验去除NH₄⁺-N 的较佳水力负荷参数。分析认为，一方面是由于随着水力停留时间的缩短，NH4+和硝化细菌膜接触时间过短，硝化反应不完全；另一方面，水力负荷增加导致有机负荷随之也增加，在较高的有机物浓度下，降解有机质的异养菌处于绝对优势，抑制了自养性硝化细菌的增殖和活性^[10]。

图 3 不同水力负荷时各指标进出水浓度变化 Figure 3 Variation of index concentration and removal precentage in different hydraulic loading

图选项

由图 3（b）可知,当进水TP 浓度为3 mg·L-1 时，TP 的出水浓度随着水力负荷的增加而增加。水力负荷4、6 m³·m^-2·d^-1和8 m³·m^-2·d^-1对应的TP去除率分别在48.50%~77.36%、28.77%~59.46%、27.77%~74.68%内波动，呈现出随着水力负荷的增加而降低的特点。理论研究表明，水力负荷越大，污水的停留时间越短，磷素向滤料扩散和向吸附点位靠近的机会就减少，磷的去除率越低^[11]。

图 3（c）中，3 种水力负荷4、6、8 m³·m^-2·d^-1对应的TN 去除率分别在24.89%~76.01%、35.74%~77.03%、25.33%~65.56%内波动，呈现出随着水力负荷的增加而逐渐降低的特点，这可能是由于硝化细菌的世代期较长，而随着水力负荷的增大，生物膜的更新速度加快，不利于硝化细菌的附着和增殖，也不利于反硝化反应的进行^[12]。

图 3（d）中，3 种水力负荷COD 出水浓度也表现出了先降低再趋于平缓的趋势。水力负荷4、6、8 m³·m^-2·d^-1 的平均去除率分别为65.23%、68.80%和64.32%。本试验中最佳水力负荷为6 m³·m^-2·d^-1，这与余浩^[13]的滴滤池水力负荷4~7 m³·m^-2·d^-1对于COD有最好去除效果的结论相一致。 2.3 回流比对脱氮除磷性能的影响

由图 4（a）可知，氨氮的出水浓度在0.5~4 mg·L^-1间波动，与回流比0 相比波动幅度较小，由此得出装置污水的内回流能够提高装置的稳定性，这是因为内回流可以使污水更充分地与滤料接触，使硝化作用更加充分，从而使出水稳定在一定的范围内。回流比0、1:2、1:1、2:1 的NH₄⁺-N 去除率分别在57.83%~91.43%、37.45%~94.51%、67.64%~95.92%、71.27%~95.71%波动，基本表现随着回流比的增加而增加的趋势，回流比1:1 时，NH₄⁺-N 的去除率最高。这是因为回流比的增加会降低污水中COD 的浓度，进而降低COD/N,减少有机物与NH₄⁺-N 对氧的竞争，提高NH₄⁺-N 的去除率^[14]。

图 4 不同回流比各指标进出水浓度变化 Figure 4 Variation of index concentration and removal precentage in different recirculation ratio rate

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图 4（b）中，回流比0、1:2、1:1、2:1 的TP 去除率分别在28.77%~59.46%、27.26%~49.34%、53.00%~72.80%、55.39%~78.23%间波动，最佳除磷效果的回流比为2:1。可以看出回流比对TP的去除没有明显的影响。多项研究证明无机化学反应，诸如磷吸附、沉淀通常是很迅速的过程，因此磷去除率并不会因为污水与介质的接触时间增加，而明显增加^[15]。

图 4（c）中，回流比0、1:2、1:1、2:1 对应的TN 去除率分别在5.13%~48.15%、33.6%~50.76%、29.33%~64.81%、44.33%~74.05%内波动，呈现出TN 的去除是随着回流比的增加而增大的趋势，这一方面是因为回流比的增加会降低COD 的浓度，而COD又是生物脱氮的重要影响因素；另一方面是因为回流比的增加加大了污水中氮元素与滤料的接触时间，使反硝化脱氮的过程更加充分导致的。

从图 4（d）中还可知，回流比对COD 的去除影响不大，回流比0、1:2、1:1、2:1 的COD 去除率分别在54.20%~93.65%、49.78%~86.45%、64.16%~91.81%、60.28%~85.82%内波动，均对COD 有很好的处理效果。回流比1颐1 为本试验最佳回流比，去除率达80%以上。 3 结论

（1）3 种不同滤料分层生物滴滤池对氨氮和TP 的去除有明显影响，但对TN 和COD 去除影响不大。 炉渣对氨氮和TP 的处理效果最好，平均去除率分别 达到74.32%和62.69%；气块砖对TN 和COD 的处理 效果最好，平均去除率达到38.99%和64.84%。

（2）不同水力负荷对各个指标的去除均表现出一 定的影响。TN、TP 的去除率随着水力负荷的增加而 降低，在水力负荷4 m³·m^-2·d^-1的条件下，TN、TP 的处 理效果最好，平均去除率分别达到57.37%和64.18%。在水力负荷为6 m³·m^-2·d^-1时，装置对氨氮和COD 的去除效果最好，平均去除率分别达到80.94%和 68.80%。

（3）回流比对TN 的去除有明显的影响，对其他 指标影响不大，但基本都表现出了去除率随着回流比 增加而增加的趋势。分层滴滤池对氨氮、TP、TN、COD 去除的最佳回流比分别为1:1、2:1、2:1、1:1，平均去除 率分别为87.08%、66.04%、56.02%和80.78%。采用较 高的回流比是滴滤池提高脱氮效果的一条有效途径。