处理污水后陶粒作为栽培基质的试验

　生态与农村环境学报　２０１２，２８（５）：６０５－６０８ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｃｏｌｏｇｙａｎｄＲｕｒａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ处理污水后陶粒作为栽培基质的试验桂和荣１，２，彭位华１，何文丽３　（１宿州学院地球科学与工程学院，安徽宿州　２３４０００；２安徽理工大学地球与环境学院，安徽淮南　２３２００１；３中矿国际工程设计研究院有限公司，北京　１０００１３）摘要：以秸秆粉煤灰陶粒（比表面积为７９２５ｍ２·ｇ－１）作为曝气生物滤池（ＢＡＦ）载体填料，处理城市污水和餐饮废水，其ＣＯＤ、ＮＨ３Ｎ和ＴＰ去除率分别为９０３３％、７７４４％、８２４１％和８６５０％、６８９８％、８０３０％。对处理污水后陶粒的农用资源化可行性进行评估，考察陶粒不同施用量对小白菜（Ｂｒａｓｓｉｃａｃｈｉｎｅｎｓｉｓ）种子萌发、生长状况和产量的影响。结果表明，处理污水后陶粒的性能指标达到ＧＢ８１７２—８７《城镇垃圾农用标准》；陶粒质量分数为２０％时小白菜种子发芽率最高，且萌发较快，在５ｄ时达到１００％；随陶粒施用量增加，小白菜长势更好，产量大致呈增加趋势，陶粒质量分数为８０％时增产率最高，为３５２５１％。但陶粒施用量越高，栽培基质抗干旱能力越差，陶粒质量分数为２０％和４０％处理具有较好的土壤保湿效果。关键词：秸秆；粉煤灰；陶粒；水处理；滤料；资源化中图分类号：Ｘ７０５；ＴＵ９９２３；ＴＥ９９２３　　文献标志码：Ａ　　文章编号：１６７３－４８３１（２０１２）０５－０６０５－０４ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＳｔｕｄｙｏｎＵｓｅｄＣｅｒａｍｓｉｔｅＦｒｏｍＷａｓｔｅｗａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔａｓＣｕｌｔｕｒｅＳｕｂｓｔｒａｔｅ．ＧＵＩＨｅｒｏｎｇ１，２，ＰＥＮＧＷｅｉｈｕａ１，ＨＥＷｅｎｌｉ３（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥａｒｔｈＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｕｚｈｏｕＣｏｌｌｅｇｅ，Ｓｕｚｈｏｕ２３４０００，Ｃｈｉｎａ；２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥａｒｔｈａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ２３２００１，Ｃｈｉｎａ；３．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｅｒａｍｓｉｔｅ（ＳＳＡ＝７９２５ｍ２·ｇ－１）ｍａｄｅｆｒｏｍｆｌｙａｓｈａｎｄｗｈｅａｔｓｔｒａｗｉｓｏｆｔｅｎｕｓｅｄａｓｆｉｌｌｉｎｇｉｎｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｅｒａｔｅｄｆｉｌｔｅｒ（ＢＡＦ）ｆｏｒｔｒｅａｔｉｎｇｍｕｎｉｃｉｐａｌｓｅｗａｇｅａｎｄｒｅｓｔａｕｒａｎｔｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ｅｎａｂｌｉｎｇＢＡＦｔｏｒｅｍｏｖｅ９０３３％，７７４４％，８２４１％ａｎｄ８６５０％，６８９８％，８０３０％ｏｆＣＯＤ，ＮＨ３Ｎ，ａｎｄＴＰｆｒｏｍｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｗａｓｔｅｗａｔｅｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｈｏｗｔｈｅｕｓｅｄｃｅｒａｍｓｉｔｅｆｒｏｍｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｂｅｒｅｃｙｃｌｅｄａｓｒｅｓｏｕｒｃｅｆｏｒａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｕｓｅｗａｓｏｎｃｅｕｎｄｅｒｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙ，ｗｈｉｃｈｗａｓａｉｍｅｄａｔｅｘｐｌｏｒｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｏｆｉｔｓｕｓｅｏｎｓｅｅｄｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ，ｇｒｏｗｔｈ，ｄｒｏｕｇｈｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｙｉｅｌｄｏｆＢｒａｓｓｉｃａｃｈｉｎｅｎｓｉｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｕｂｓｔａｎｃｅｍｅｅｔｓｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｆｏｒｕｓｅｏｆｕｒｂａｎｗａｓｔｅｓｉｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ（ＧＢ８１７２－８７）．Ｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆ２０％ｃｅｒａｍｓｉｔｅｉｎｔｈｅｃｕｌｔｕｒｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｗａｓｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔ，ｒｅａｃｈｉｎｇ１００％ｗｉｔｈｉｎｆｉｖｅｄａｙｓ，ｉｎｓｅｅｄｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｒａｔｅ．Ｔｈｅｐｌａｎｔｇｒｅｗｂｅｔｔｅｒｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｃｏｎｔｅｎｔｏｆｃｅｒａｍｓｉｔｅｉｎｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ，ａｎｄｉｔｓｙｉｅｌｄｓｈｏｗｅｄａｒｉｓｉｎｇｔｒｅｎｄ，ｔｏｏ．Ｉｔｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙａｓｈｉｇｈａｓ３５２５１％，ｗｈｅｎｃｅｒａｍｓｉｔｅｒｅａｃｈｅｄ８０％ｉｎｔｈｅｃｕｌｔｕｒｅｓｕｂｓｔｒａｔｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｒｏｕｇｈｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｗａｓｎｅｇａｔｉｖｅｌｙｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｔｅｎｔｏｆｃｅｒａｍｓｉｔｅ，ａｎｄｔｈｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｓｗｉｔｈ２０％ａｎｄ４０％ｏｆｃｅｒａｍｓｉｔｅｗｅｒｅｍｏｒｅｃａｐａｂｌｅｏｆｐｒｅｓｅｒｖｉｎｇｓｏｉｌｍｏｉｓｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒａｗ；ｆｌｙａｓｈ；ｃｅｒａｍｓｉｔｅ；ｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ；ｆｉｌｔｅｒｍａｔｅｒｉａｌ；ｒｅｃｙｃｌｉｎｇ收稿日期：２０１１－１２－３１基金项目：安徽省高等学校自然科学研究重点项目（ＫＪ２０１０Ａ３１４）　　国内外研究表明，粉煤灰具有较强的吸附能力，可用于废水处理［１－５］。近年来，免烧粉煤灰陶粒制备及其在水处理领域的应用研究取得一定成果［６－８］；同时，也有一些学者开展了利用农作物秸秆处理废水的研究［９－１２］。已有研究为秸秆粉煤灰陶粒的制备及其应用于城市污水处理提供了可能。作物秸秆中的植物纤维具有阻裂、增强和增韧作用［１３］，可以应用于硬性复合性材料制备。笔者尝试将秸秆作为粉煤灰陶粒的原料之一，辅以外加药剂，经多重工序制得陶粒。以制备的秸秆粉煤灰陶粒作为曝气生物滤池（ＢＡＦ）载体填料，处理城市污水和高浓度含油餐饮废水，并对其作为有机肥料或土壤改良剂的可行性进行评估。通过小白菜（Ｂｒａｓｓｉｃａｃｈｉｎｅｎｓｉｓ）种子萌发试验和盆栽试验，考察栽培基质中不同施用量陶粒对种子萌发、作物生长状况和产量的影响，以期为提高粉煤灰、秸秆和水资源的利用率提供参考。１　材料与方法１１　试验材料选用经二次粉碎后的小麦秸秆，ｍ（秸秆）∶ｍ（粉煤灰）＝１∶９，外加药剂为：ｗ（石灰）＝８％、ｗ（硅酸钠水溶液）＝２％、ｗ（硫酸钙）＝２５％、ｗ（水·６０６　　·　生　态　与　农　村　环　境　学　报第２８卷泥）＝３％，经混合、成球、陈化和养护工序制备得到比表面积为７９２５ｍ２·ｇ－１的陶粒。土壤栽培基质取自淮南普通农田耕层（１５ｃｍ深度）。小白菜种子由郑州市宏丰种业生产。１２　水处理装置ＢＡＦ装置由有机玻璃制成，内径２８ｃｍ，高１１０ｃｍ，总有效容积３０Ｌ，上部为出水堰，底部设穿孔管进行鼓风供气，曝气量由空气流量计控制，试验装置如图１所示。图１　曝气生物滤池试验装置示意Ｆｉｇ．１　ＳｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＢＡＦｄｅｖｉｃｅ装置挂膜成功后（１０ｄ），进入水处理运行阶段，试验在室温（１８～２１℃）下进行，通过调整进水流量和曝气量，控制试验装置Ｖ（气）∶Ｖ（水）＝４∶１［１４－１７］，先后处理城市污水和餐饮废水，水样分别取自淮南市龙王沟市政排水沟渠学院路段和某餐馆，水样进、出水主要指标及处理情况见表１。１３　种子萌发和盆栽试验将处理污水后陶粒与农田土壤按不同质量配比充分混合后作为栽培基质，共设置陶粒质量分数为０、２０％、４０％、６０％、８０％和１００％６种配比。将不同配比的栽培基质分装在６个塑料花盆内。每个花盆内均匀放置１１颗小白菜种子（随机选择），埋土深度基本一致。试验在自然环境下进行，定期浇水，每天定时观察并记录萌发种子数，每５ｄ拍照记录１次各试验组的生长状况。１４　指标测定水处理运行阶段结束后，将陶粒从ＢＡＦ试验装置中取出，自然晾干后，测定其有机质、ＴＮ、ＴＰ、ＴＫ含量和含水量等指标，试验样品按土样测定方法处理，每组试验设３个平行样。有机质、ＴＮ、ＴＰ和ＴＫ含量测定分别采用重铬酸钾氧化稀释热法、扩散法、碱熔原子发色光度法和碱熔光度法（ＴＵ１９０１）；ｐＨ测定采用ｐＨ计法；含水量测定采用重量法。同时测定原粉煤灰中相应指标。水处理前后陶粒中重金属Ｈｇ、Ａｓ、Ｃｄ、Ｃｒ和Ｐｂ按土样测定方法处理：Ｈｇ和Ａｓ含量采用原子荧光法（ＡＦＳＬｕｍｉｎａ３３００）测定，Ｃｄ、Ｃｒ和Ｐｂ含量采用原子吸收法（ＴＡＳ９８６）测定。表１　进、出水主要水质指标及去除率Ｔａｂｌｅ１　Ｑｕａｌｉｔｙｉｎｄｉｃｅｓｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔａｎｄｅｆｆｌｕｅｎｔａｎｄｐｏｌｌｕｔａｎｔｒｅｍｏｖａｌｒａｔｅｓ水样进、出水ρ／（ｍｇ·Ｌ－１）ＣＯＤＮＨ３ＮＴＰ平均去除率／％ＣＯＤＮＨ３ＮＴＰ城市污水进水６３９３～２３１７０１１３５～１７９９０６０～２４８９０３３７７４４８２４１出水６２５～２０６５２８２～４２７０１７～０３９餐饮废水进水１０４６４０～１３９５５６１８５２～２６４３１７８～２８３８６５０６８９８８０３０出水１５３９１～１７２０３５８２～７９６０３８～０５４２　结果与讨论２１　处理污水后陶粒的理化指标由表２可知，与原粉煤灰相比，处理污水后陶粒中有机质、ＴＮ、ＴＰ和ＴＫ含量均大幅度提高，这一方面是因为小麦秸秆的加入提高了陶粒中有机质、Ｎ、Ｐ和Ｋ含量；另一方面，陶粒作为ＢＡＦ的载体填料在处理城市生活污水和餐饮废水过程中吸附和富集了污水中的营养物质，而且处理污水后陶粒表面附着有大量微生物，这也是陶粒中营养物质含量提高的一个重要原因。处理污水后陶粒主要指标均达到ＧＢ８１７２—８７《城镇垃圾农用标准》，可以进行资源化利用。由表３可知，处理污水后陶粒中Ｈｇ、Ａｓ、Ｃｄ、Ｃｒ和Ｐｂ含量与污水处理前相比均有所增加，这表明陶粒对污水中重金属具有吸纳和富集作用。污水处理前后陶粒中５种重金属含量均符合ＧＢ８１７２—８７《城镇垃圾农用标准》。总之，处理污水后陶粒中有机质、ＴＮ、ＴＰ、ＴＫ、含水量、ｐＨ和重金属含量均符合ＧＢ８１７２—８７《城　第５期　桂和荣等：处理污水后陶粒作为栽培基质的试验·６０７　　·镇垃圾农用标准》，因此可以开展农用资源化试验研究。表２　处理污水后陶粒部分理化指标Ｔａｂｌｅ２　Ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｅｒａｍｓｉｔｅａｆｔｅｒｔｈｅｕｓｅｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ物料ｗ／％有机质ＴＮＴＰＴＫＨ２ＯｐＨ值原粉煤灰０６６０００１７００００８３００１５０３０５５１０１０陶粒１０３８０６１０３４１０６３３１５８１３ＧＢ８１７２—８７≥１０≥０５≥０３≥１０２５～３５６５～８５表３　处理污水前后陶粒和栽培试验用土壤重金属含量Ｔａｂｌｅ３　Ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｃｅｒａｍｓｉｔｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｔｈｅｕｓｅｉｎｗａｓｔｅｗａｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ａｎｄｉｎｓｏｉｌｕｓｅｄｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｍｇ·ｋｇ－１物料ＨｇＡｓＣｄＣｒＰｂ土壤００５２５１８３５７６００５８４６０８０９１３５８２９８处理污水前陶粒０１６９６１７１９３７１７３１５１０４３９１７６０５８１０处理污水后陶粒１７７７５２３２２６５２８８３０２３３８２４９８６６１８９ＧＢ８１７２—８７≤５≤３０≤３≤３００≤１００２２　种子萌发和盆栽试验结果２２１　对种子萌发的影响由图２可知，随培养时间延长，各处理萌发种子数逐渐增多，试验第５天，陶粒质量分数为０、２０％和１００％处理较先达到最高发芽率，其中陶粒质量分数为２０％处理发芽率最高，为１００％。图２　陶粒不同施用量处理种子发芽率随时间的变化Ｆｉｇ．２　Ｔｅｍｐｏｒａｌｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｓｅｅｄｇｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｒａｔｅｉｎｖａｒｉｏｕｓｃｅｒａｍｓｉｔｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ以混合栽培基质中处理污水后陶粒的质量分数为横坐标，以种子发芽率为纵坐标作图，得到种子发芽率随陶粒施用量的变化趋势见图３。由图３可知，陶粒质量