生物生態(tài)耦合技術(shù)處理農(nóng)村生活污水的應(yīng)用研究

劉文濤，吳 磊，呂錫武，李先寧，盛 翼

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

·控制技術(shù)·

生物生態(tài)耦合技術(shù)處理農(nóng)村生活污水的應(yīng)用研究

劉文濤，吳 磊，呂錫武，李先寧，盛 翼

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

在對“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”生物生態(tài)耦合技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理進行實證研究的基礎(chǔ)上，進一步探討了生物與生態(tài)處理單元各自的主要去除對象和效率，為生物生態(tài)技術(shù)的合理耦合提供了依據(jù)。結(jié)果表明:在進水 COD、TN、TP 質(zhì)量濃度波動范圍為 51.20 ～211.12，28.29 ～122.12，1.26 ～5.97 mg/L 時，出水平均質(zhì)量濃度為15.80，5.51，0.34 mg/L，出水水質(zhì)達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。污水中COD、TN、TP的78%，85%，50%的去除是在生物處理單元完成的，而TP的達標(biāo)排放還需要生態(tài)處理單元的參與。整個處理技術(shù)效果良好，運行費用低，適合在條件允許的農(nóng)村地區(qū)推廣使用。

跌水充氧接觸氧化池;水耕蔬菜型人工濕地;農(nóng)村生活污水

中國農(nóng)村人口多達8億，每年產(chǎn)生生活污水達80多億t，據(jù)2005年建設(shè)部對全國部分農(nóng)村的調(diào)查顯示，96%的農(nóng)村沒有污水處理及收集系統(tǒng)，80%的村莊垃圾堆放在路邊甚至水池、泄洪槽及水塘邊，這嚴(yán)重危害飲用水源安全和影響居民身體健康［1，2］。有研究表明，中國農(nóng)村生活污水處理率不足25%，其他75%以上的污水不經(jīng)任何處理就近排入河道，使河道、湖泊等受到嚴(yán)重污染，農(nóng)村污水排放已嚴(yán)重破壞了農(nóng)村的生態(tài)平衡，導(dǎo)致目前農(nóng)村河流普遍遭到污染，還嚴(yán)重威脅到地下水質(zhì)量［3］。

受經(jīng)濟條件限制，農(nóng)村污水處理技術(shù)應(yīng)具備低建設(shè)運行成本、低土地占用、低維護性、高穩(wěn)定與高處理效率的要求。為此，東南大學(xué)提出了一系列生物生態(tài)耦合技術(shù)，如“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”、“水解/脈沖滴濾池/人工濕地工藝”等［4，5］。本試驗在對“厭氧池 +跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理和跌水充氧效果進行實證研究的基礎(chǔ)上，進一步探討了生物與生態(tài)處理單元各自的主要去除對象和效率，為生物生態(tài)技術(shù)的合理耦合提供了依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 工藝流程

“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”生物生態(tài)耦合農(nóng)村污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 “厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”工藝流程

生活污水由管網(wǎng)收集，進入?yún)捬醭?，然后由一臺小型潛污泵提升到高位布水區(qū)，經(jīng)三角堰布水裝置進入跌水充氧生物接觸氧化池，經(jīng)五級跌水單池反應(yīng)后，由出水槽進入到后續(xù)水耕蔬菜濕地凈化系統(tǒng)進行深度處理。

1.2 試驗裝置概況

該裝置位于宜興市周鐵鎮(zhèn)葛瀆自然村，根據(jù)實地考察，取設(shè)計流量為10 m3/d，厭氧池設(shè)計停留時間為30 h，設(shè)計容積為12.5 m3。有效水深取1.5 m，厭氧池平面有效尺寸取3.46 m ×2.4 m，沿水流方向分2格，第3格為水泵吸水坑。

接觸氧化池采取五級跌水，設(shè)5個單池，總填料體積為0.42 m3，池內(nèi)裝填填料，池中設(shè)隔板，水流從隔板一側(cè)流入，穿過隔板底部，從另一側(cè)流出。停留時間1 h，每個單池填料體積均為0.084 m3，填料高度 0.5 m。截面積 0.168 m2，凈截面尺寸 0.53 m ×0.32 m。池底設(shè)泥斗，泥斗高0.15 m。第五號池出水部分進入生態(tài)凈化系統(tǒng)，部分回流到厭氧池。前兩級跌水高度為0.7 m，第三級為0.6 m，后兩級為0.5 m。前三級單池設(shè)兩層跌水擋板;后兩級設(shè)一層跌水擋板，采用一階跌水擋板樣式。

接觸氧化池中填料材料為毛氈，間隔15 cm垂直懸掛，池中隔板和跌水擋板均為PVC板材。單池兩側(cè)的防水擋板使用PVC板材，用螺栓分別固定于垂直的兩面水泥壁上。

水耕蔬菜型人工濕地面積3m×10m=30m2，水力負(fù)荷為0.2 m3/(m2·d)，采用推流式反應(yīng)器，分兩級，中間用隔墻隔開，東西方向坡度3‰。夏季種植空心菜，冬季種植水芹，既能對曝氣裝置的出水進行深度處理，又具有一定的經(jīng)濟收益。

1.3 試驗原水

試驗以宜興市周鐵鎮(zhèn)葛瀆自然村生活污水為原水，污水水量及濃度隨著每日早晚以及冬夏季節(jié)的不同而產(chǎn)生波動。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 原水水質(zhì)

1.4 分析項目及測定方法

該裝置自2011年5月建設(shè)完工并進入調(diào)試運行，從7月份開始定期對進出水水質(zhì)進行監(jiān)測，具體監(jiān)測項目及方法見表2。

表2 水質(zhì)指標(biāo)分析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 COD的去除效果

由圖2可以看出，進水的COD濃度有較大的波動，因為取樣時間是從6月中旬開始，一直持續(xù)到9月份，時間跨度比較大，再加上農(nóng)村污水特有的排放規(guī)律，排放的污水中有機物的濃度變化比較大，進水COD的質(zhì)量濃度平均為112.45 mg/L，水耕蔬菜型人工濕地的出水質(zhì)量濃度在8～18 mg/L之間，平均質(zhì)量濃度為15.80 mg/L，平均去除率為86.43%，出水水質(zhì)達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 生物生態(tài)耦合工藝對COD的去除效果

圖3是水耕蔬菜型人工濕地前面的生物處理單元的去除效果，主要包括厭氧池和跌水充氧接觸氧化池，在厭氧池中異養(yǎng)微生物通過厭氧發(fā)酵將污水中不溶性有機物和大分子溶解性有機物分解為CH4和CO2，在跌水充氧接觸氧化池中組合填料上的好氧微生物將部分可生物降解的小分子有機物降解為CO2和H2O，從圖3可以看出，出水COD質(zhì)量濃度在20～86 mg/L之間，平均為37.36 mg/L，平均去除率為66.6%。此外，可以從圖3中明顯看到去除率呈上升趨勢，主要原因是在裝置運行的初期，跌水充氧接觸氧化池中填料的掛膜效果還不是很好，隨著時間的推移，可以明顯看到填料表面生物膜厚度的增加，去除率也隨之升高。

圖3 “厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對COD的去除效果

2.2 對TN的去除效果

由圖4可以看出，組合工藝對TN的去除率保持在一個較高的水平，到后期TN的去除率趨于平緩，說明裝置運行穩(wěn)定，對TN保持較好的去除效果。去除率在78% ～98%之間，平均為92%，出水TN質(zhì)量濃度在2～10 mg/L之間，平均為5.51 mg/L，出水水質(zhì)達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 生物生態(tài)耦合工藝對TN的去除效果

厭氧池和跌水充氧接觸氧化池組成的生物處理單元，實際上是一個A/0系統(tǒng)，因此對TN的去除效果也是隨著時間的推移變得越來越好，由圖5可以看出，“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對TN的去除率在43% ～90%之間波動，跨度比較大，但平均去除率為78%，維持在一個較高的水平?？梢钥闯?，在前期TN的去除率維持在一個較低的水平，后來慢慢增加并趨于穩(wěn)定，主要原因是裝置剛開始運行時，填料剛開始進行掛膜，接觸氧化池內(nèi)的硝化細(xì)菌數(shù)量還不多，隨著裝置的運行，硝化細(xì)菌的數(shù)量增多并趨于一個穩(wěn)定的狀態(tài)［6］。

圖5 “厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對TN的去除效果

2.3 對TP的去除效果

由圖6和圖7可以看出，整個裝置出水TP質(zhì)量濃度在0.21～0.45 mg/L之間，平均出水質(zhì)量濃度為0.34 mg/L，對TP保持較高的去除率，去除率在70% ～94%之間，平均去除率為87%?？梢杂蓤D7看出，“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對TP的去除率在后期維持在一個相對穩(wěn)定的階段，去除率都在50%以上，但出水TP濃度還是不能達標(biāo)，必須依靠后續(xù)的濕地處理才能達標(biāo)。這是因為生活污水中的磷分為溶解性磷和不溶性磷兩種，其中溶解性磷分為有機磷和無機磷，有機磷可以通過微生物的分解作用被去除，一部分被自身利用，一部分轉(zhuǎn)化為無機磷，而后通過植物根系的吸收以及聚磷菌的過量攝磷釋磷作用被去除，不溶性磷則是通過濕地中植物根系的吸附截流作用被去除［9，10］。整個生物生態(tài)耦合工藝是一脈相承的，只有它們共同作用才能達到期望的除磷效果。

圖6 生物生態(tài)耦合工藝對TP的去除效果

2.4 生物和生態(tài)處理單元對COD、TN和TP的去除貢獻率

由圖8可以看出，生態(tài)單元即水耕蔬菜型人工濕地對COD去除的貢獻率僅為22%，造成這種結(jié)果可能是由于進水的COD濃度本身就不高，污水中的有機物在經(jīng)過厭氧池和跌水充氧接觸氧化池降解后，其中易被生物利用的成分基本消耗，進入濕地中的COD都是一些難降解的有機物，以及接觸氧化池出水中攜帶的少量生物殘體，在人工濕地中通過異養(yǎng)微生物的降解作用及基質(zhì)截留作用進一步去除有機物?？梢钥闯鰠捬醭睾徒佑|氧化池可以大幅度地減少污水中的有機物，這有效減少了濕地的負(fù)擔(dān)。

圖8 生物與生態(tài)處理單元對COD、TN和TP去除的貢獻率

由圖8可以看出，生物單元即“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對TN的貢獻率保持在85%，具有較高的貢獻率，這主要因為跌水充氧接觸氧化池對_N保持較高的去除率，平均去除率可達到95%，因為在跌水曝氣充氧的條件下，填料上的硝化細(xì)菌很容易進行硝化作用，再加上一定的回流進入?yún)捬醭剡M行反硝化除氮［4］，所以“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”可以去除大多數(shù)氮源，進入濕地的污水含有少量的_N，利于濕地中微生物的反硝化脫氮作用的進行，所以整個組合工藝能夠?qū)N保持較高的去除率。

由圖6和圖7可知，僅僅依靠生物單元的處理，出水TP是不能達標(biāo)的，還必須加上后續(xù)的生態(tài)單元，所以說生態(tài)單元在整個工藝中的作用是無法代替的，從圖8可以看出，生態(tài)單元的貢獻率達到28%，它對TP的出水水質(zhì)起到把關(guān)的作用［7，8］。

3 結(jié)果與討論

(1)“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”生物生態(tài)耦合技術(shù)對COD、TN和TP的去除率分別達到86.43%，92%和87%。出水水質(zhì)達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)的一級A標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”生物生態(tài)耦合技術(shù)中，生物處理單元的貢獻要大于生態(tài)處理單元，污水中COD、TN、TP的78%，85%，50%的去除是靠生物處理單元完成的。但是缺少了生態(tài)處理單元，TP就不能達到一級A的標(biāo)準(zhǔn)排放，磷的深度去除，還必須依靠濕地植物的自身代謝和根系的吸附作用，進一步去除不溶性磷和無機磷。

［1］ 彭舉威，汪誠文，付宏祥，等.我國農(nóng)村水污染現(xiàn)狀及治理措施［J］.中國資源綜合利用，2010(28):44-45.

［2］ 彭舉威，汪誠文，付宏祥，等.分散農(nóng)村污水處理模式分析［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2010(1):28-30.

［3］ 鄭彥強，盧會霞，許偉，等.地下滲濾系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水的研究［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2010(10):2632-2636.

［4］ 吳磊，呂錫武，李先寧，等.厭氧/跌水充氧接觸氧化/人工濕地處理農(nóng)村污水［J］.中國給水排水，2007，23(3):57-59.

［5］ 吳磊，呂錫武，吳浩汀，等.水解/脈沖滴濾池/人工濕地工藝處理農(nóng)村生活污水［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2007，37(5):878-882.

［6］ 王永才，陳衛(wèi)，鄭曉英，等.生物接觸氧化法的同步硝化反硝化影響因素研究［J］.中國給水排水，2011(27):22-25.

［7］ SPAQNI A，MARSILI L S.Nitrogen removal via nitrite in a sequencing batch reactor treating sanitary landfill leachate ［J］.Bioresour Technol，2009，100(2):609-614.

［8］ 王曉娟，張榮社.人工濕地微生物硝化和反硝化強度對比研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2006，26(2):225-229.

［9］ NATHALIE V，F(xiàn)ABIEN M.Treatment of domestic wastewater by an hydroponic NFT system ［J］.Chemosphere，2003(50):121-129.

［10］ 熊飛，李文朝，潘繼征，等.人工濕地脫氮除磷的效果與機理研究進展［J］.濕地科學(xué)，2005，3(3):228-233.

Study on the Process Combined with Bio-ecological Technology for Rural Sewage Treatment

LIU Wen-tao，WU Lei，LU Xi-wu，LI Xian-ning，SHENG Yi
(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210096，China)

The effects of the removal of the combined process device with anaerobic process，water-dropping aerating bio-contact oxidation process and aquatic-planted constructed wetlands on some kinds of contaminations were experimentally studied.The device was continuously monitored and the effects of the removal of the combined process on COD，TN and TP were analyzed according to the results.The average effluent concentrations of COD，TN and TP were 15.80 mg/L，5.51 mg/L and 0.34 mg/L，respectively，meanwhile the influent concentrations were in the range of 51.20～211.12 mg/L，28.29～122.12 mg/L and 1.26～5.97 mg/L，respectively.All these indexes were in accord with the pollutant discharging standard.The biological process presented the average removal ratios of COD，TN and TP while the operation period were 78%，85%and 50% ，respectively，however the ecological process was necessary for the removal of TP.Finally，experiments demonstrated that the process could be applied to treat rural wastewater，and reduced the operation cost.

water-dropping aerating bio-contact oxidation process;aquatic-planted constructed wetlands;rural sewage

X52

A

1674-6732(2012)-01-0046-04

10，3969/j.issn.1674-6732.2012.01.012

2011-11-28;

2012-01-08

國家水體污染控制與治理重大專項項目(2009ZX07101-009-04)。

劉文濤(1987—)，男，碩士，從事環(huán)境科學(xué)研究。

(本欄目編輯 周立平)