生物生態(tài)集成技術(shù)去除村鎮(zhèn)生活污水TP 研究

李金中，李學(xué)菊

(天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061)

近年來，農(nóng)村人口的快速增長和農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設(shè)速度的加快，使農(nóng)村水資源和水生態(tài)環(huán)境面臨著越來越大的壓力［1-2］。由于水資源嚴(yán)重短缺，農(nóng)業(yè)大量引污灌溉，河流水體污染嚴(yán)重，水質(zhì)惡化;而且農(nóng)村人口居住分散，地域面積廣，排水系統(tǒng)及生活污水凈化系統(tǒng)不完善，生活污水未經(jīng)處理直接排放，嚴(yán)重污染了環(huán)境。

農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的研發(fā)在我國尚屬起步和探索階段，主要有厭氧沼氣池技術(shù)、土地滲濾技術(shù)、固定化微生物技術(shù)、人工濕地技術(shù)。厭氧沼氣池技術(shù)將污水處理與生物質(zhì)能源回用有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了污水資源化［3］，但出水仍難以達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。土壤滲濾系統(tǒng)具有處理效果好、投資低的優(yōu)點(diǎn)［4］，但也存在占地面積大、冬季不能運(yùn)行、長期運(yùn)行易堵塞等不足。固定化微生物技術(shù)具有微生物密度高、產(chǎn)物易分離、處理設(shè)備小型化等特點(diǎn)［5-7］，但其技術(shù)的主要缺點(diǎn)是對(duì)N、P 去除效果較差，出水與地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)仍有一定的差距。人工濕地具有負(fù)荷率高、占地面積小、效果可靠、耐受沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)［8-13］，但在處理生活污水時(shí)必須采取有效措施或預(yù)處理方法防止污染物對(duì)濕地內(nèi)部的堵塞。綜上所述，現(xiàn)有污水處理技術(shù)用于農(nóng)村生活污水處理，在運(yùn)行和管理方面尚存在諸多問題［14-15］，難以適應(yīng)農(nóng)村生活污水處理的要求。

鑒于此，筆者針對(duì)農(nóng)村生活污水水質(zhì)特征、排放特點(diǎn)和處理要求，將物理沉降、固定化微生物、太陽能增氧和人工濕地等多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化集成，構(gòu)建出一個(gè)鏈?zhǔn)缴锷鷳B(tài)凈化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)村鎮(zhèn)生活污水的高效低耗處理，并在天津薊縣劉相營村建立了示范工程，通過對(duì)示范工程近1a 的監(jiān)測，分析該凈化系統(tǒng)對(duì)生活污水中TP 的去除效果。

1 材料與方法

生物生態(tài)凈化系統(tǒng)由沉砂過濾池、固定化微生物濾池、太陽能增氧池和人工濕地4 個(gè)功能單元組成，在空間布局上采用串聯(lián)方式連接:沉砂過濾池位于系統(tǒng)的最前端，固定化微生物濾池安排在物化預(yù)處理區(qū)下游，太陽能增氧池位于微生物強(qiáng)化區(qū)下游，人工濕地安排在系統(tǒng)的最末端。污水依次流經(jīng)沉砂過濾池、固定化微生物池、太陽能增氧池和人工濕地，4 個(gè)功能單元既保持在空間上的相對(duì)獨(dú)立性，功能上又相互聯(lián)系、互為補(bǔ)充、形成一體化、功能化、園藝景觀化、自然生態(tài)化的生物通道，既充分發(fā)揮各單項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢，又形成了優(yōu)勢互補(bǔ)，發(fā)揮多技術(shù)的協(xié)同凈化的作用。

沉砂攔污池由3 個(gè)相互連通的密封沉淀池組成，夾帶泥沙、漂浮物及糞便的生活污水由第1 池依此順流至第3 池。第1 池主要截留粗顆粒泥沙、漂浮物及含蟲卵較多的糞便，松散的糞塊因發(fā)酵膨脹而浮升，與污水中漂浮物一起漂浮截留于池體上部，比重大的泥沙在重力作用下沉于池底，寄生蟲比重大也自然沉降于池底。第2 池起進(jìn)一步沉淀分離作用，與第1 池相比，第2 池的漂浮物和淤泥數(shù)量減少，廢水處于比較靜止?fàn)顟B(tài)，有利于細(xì)小懸浮顆粒物的繼續(xù)分離。第3 池主要起儲(chǔ)存清液的作用。經(jīng)前2 池處理后的廢水進(jìn)入第3 池，基本上已經(jīng)不含寄生蟲卵和漂浮物及懸浮物，達(dá)到了固液分離的要求，中層清液進(jìn)入下一級(jí)處理單元。

固定化微生物池是裝有填料的生物反應(yīng)器，在濾料表面有以生物膜形態(tài)生長的微生物群體，在濾料空隙中則截留了大量懸浮生長的微生物，廢水通過濾料層時(shí)，通過厭氧微生物將高分子有機(jī)物降解為低分子有機(jī)物、有機(jī)氮降解為無機(jī)氮、有機(jī)磷降解為無機(jī)磷等，以提高后續(xù)濕地處理系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效率。同時(shí)固定化微生物池的厭氧環(huán)境將蛋白性有機(jī)物發(fā)酵分解成氨，具有殺滅寄生蟲卵及病菌的作用。

生活污水經(jīng)固定化微生物池處理后，水中溶解氧濃度進(jìn)一步降低，處于嚴(yán)重虧氧狀態(tài)，不利于后續(xù)濕地處理系統(tǒng)中好氧微生物的分解。太陽能增氧池的主要作用是以太陽能為動(dòng)力，通過人工措施增加污水中溶解氧濃度，為后續(xù)濕地處理工藝中好氧微生物提供氧源。太陽能增氧裝置主要構(gòu)件包括太陽能板、蓄電池、曝氣機(jī)及與之連接的曝氣管，太陽能板連接蓄電池，蓄電池連接曝氣機(jī)，曝氣機(jī)連接伸入水中的曝氣管。

人工濕地結(jié)構(gòu)采用波式流人工濕地，其處理單元由人工基質(zhì)、水生植物和附著在基質(zhì)及植物根區(qū)的微生物組成，是一種獨(dú)特的“基質(zhì)-植物-微生物”生態(tài)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，植物扎根于基質(zhì)床的表層，植物根系和填料為微生物提供附著的載體［16］，同時(shí)植物根系為微生物提供氧源，在靠近根區(qū)的填料層形成好氧區(qū)，而在遠(yuǎn)離根區(qū)的填料層形成厭氧或兼氧區(qū)，水體以波浪式流經(jīng)填料表層和底層時(shí)，反復(fù)經(jīng)過好氧、厭氧以及硝化和反硝化的過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)有機(jī)污染物和氮磷的高效去除［17-19］。與自然濕地相比，波式流人工濕地在相同面積條件下處理能力大幅度提高，能夠克服天然濕地比較脆弱的缺點(diǎn)，具有負(fù)荷率高、占地面積小、效果可靠、耐沖擊負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn)，而且水流在填料表層以下流動(dòng)，不易滋生蚊蠅。濕地表面可種植水質(zhì)凈化能力強(qiáng)、景觀效果好的水生植物，在凈化水質(zhì)的同時(shí)，起到良好的景觀效果。

2 示范工程

示范工程位于天津市薊縣穿芳峪鄉(xiāng)劉相營村，收水范圍包括劉相營、大辛莊、小辛莊、姚白莊等4個(gè)村莊，匯水區(qū)面積2.25 km2，人口4 010 人。污水處理規(guī)模為4000 m3/d，主要包括生活污水、分散養(yǎng)殖廢水和初期雨水。示范工程于2009 年12 月開始建設(shè)，2010 年9 月26 日開始進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測。共設(shè)置了5 個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中沉砂攔污池進(jìn)水口(1 號(hào))、沉砂攔污池出水口(2 號(hào))、固定化微生物池出水口(3 號(hào))、太陽能增氧池出水口(4 號(hào))、人工濕地出水口(5 號(hào))各設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。工藝流程及監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置見圖1。

監(jiān)測頻率為每周取樣1 次，TP 分析方法采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法，儀器為UV-7504c 紫外分光光度計(jì)(上海生產(chǎn))。

圖1 工藝流程及監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置示意圖

根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)污染物濃度，分別計(jì)算各處理單元對(duì)TP 的去除率以及整個(gè)處理工藝對(duì)TP 的去除率。去除率的計(jì)算公式為

式中:P 為TP 去除率，%;ρ進(jìn)水、ρ出水分別為進(jìn)、出水口處的TP 質(zhì)量濃度，mg/L。

3 結(jié)果與分析

各處理單元出水TP 質(zhì)量濃度變化如圖2 所示。

圖2 各處理單元進(jìn)、出水TP 質(zhì)量濃度變化

由圖2 可以看出，示范工程的進(jìn)水TP 質(zhì)量濃度較高且變化幅度較大，在1.74 ～15.72 mg/L 之間波動(dòng)。2011 年6 月18 日TP 質(zhì)量濃度較高的主要原因是取樣前該區(qū)域有小強(qiáng)度降雨，積蓄在村內(nèi)坑洼內(nèi)的糞便浸泡水隨雨水進(jìn)入村內(nèi)溝渠中，并隨之進(jìn)入污水處理示范工程，而糞便浸泡水中TP 質(zhì)量濃度極高，造成該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)水溝渠中TP 質(zhì)量濃度較高。示范工程出水TP 質(zhì)量濃度相對(duì)低，且水質(zhì)較為穩(wěn)定，說明集成工藝系統(tǒng)對(duì)生活污水中磷具有較高的去除效果，系統(tǒng)最終出水穩(wěn)定在0.04 ～0.24 mg/L 之間，穩(wěn)定達(dá)到地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

從TP 濃度的沿程變化趨勢來看，在濕地內(nèi)TP質(zhì)量濃度的下降幅度大，而在沉砂攔污池、固定化微生物池和太陽能曝氣池中TP 質(zhì)量濃度雖然有不同程度的下降，但下降幅度相對(duì)較小，說明對(duì)TP 起最終去除作用的主要是濕地單元，而其他單元對(duì)TP的去除主要是起輔助作用。沉砂池、固定化微生物池和太陽能曝氣池雖然對(duì)TP 的最終去除量較小，但在系統(tǒng)中所起的作用也是不可或缺的。沉砂池內(nèi)TP 質(zhì)量濃度略有降低，其主要原因是P 吸附于懸浮顆粒上，說明沉砂攔污池除具有固液分離作用外，對(duì)TP 也有一定的去除效果。

而固定化微生物池主要是利用兼氧、厭氧性微生物對(duì)水體中P 進(jìn)行不完全分解，這種不完全降解對(duì)提高后續(xù)濕地單元對(duì)污水中的P 去除是極其有利和必要的。固定化微生物池中小部分P 通過微生物積累、沉降作用得以去除，因此表現(xiàn)出該單元內(nèi)TP 質(zhì)量濃度仍有小幅度下降。

人工濕地對(duì)P 的去除途徑主要有3 種方式:①植物吸收作用，P 是植物體生長所需的重要營養(yǎng)元素，植物通過根系吸收水體中的P，并通過同化作用轉(zhuǎn)化為自身的營養(yǎng)物質(zhì)，最終通過植物的收割將P 帶出水體［20-21］;②物理化學(xué)作用，人工濕地填料中含有大量的Ca、Fe、Al 等礦物成分，這些元素在微生物分解下逐步釋放，并與P 結(jié)合形成Ca-P、Fe-P 和Al-P 沉淀，通過物理沉淀作用將P 從水體中去除［22］;③通過微生物作用，P 是組成微生物細(xì)胞膜的重要組成部分，微生物繁殖過程中利用水體中的P 進(jìn)行增殖，最終以淤泥形式進(jìn)行沉積［23-25］。從濕地內(nèi)部TP的變化來看，對(duì)TP 降低最大的是濕地前部。

示范工程各處理單元對(duì)TP 去除率的變化見圖3。

圖3 各處理單元TP 去除率的變化

由圖3 可以看出，示范工程對(duì)TP 的總?cè)コ蔬_(dá)到95.4% ～99.59%。各單元對(duì)TP 的去除率中以濕地單元最大，達(dá)到93.63% ～99.44%，太陽能曝氣單元對(duì)TP 的去除率達(dá)到0.55% ～25.4%，固定化微生物池對(duì)TP 的去除率達(dá)到2.46% ～23.07%，沉砂攔污池對(duì)TP 的去除率達(dá)到2.88% ～35.63%。

此外，根據(jù)對(duì)COD 和TP 濃度同步監(jiān)測結(jié)果表明，集成工藝對(duì)COD 的去除率可達(dá)到84.53% ～96.74%，對(duì)TN 的去除率達(dá)到88.03% ～97.98%。示范工程利用地勢差形成自流，利用太陽能增氧，污水處理過程中不需消耗電能。水處理規(guī)模為4 000 m3/d，冬季可正常運(yùn)行，處理成本低于0.15 元/m3，主要為設(shè)備折舊和植物維護(hù)費(fèi)用。

4 結(jié) 論

通過示范工程1 a 的水質(zhì)監(jiān)測，可以得出以下結(jié)論:

a. 生物生態(tài)集成技術(shù)在生活污水處理應(yīng)用中具有投資與運(yùn)行費(fèi)用低、處理效果好、TP 去除能力強(qiáng)、景觀效果好、運(yùn)行維護(hù)管理方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。

b. 生物生態(tài)集成技術(shù)對(duì)TP 具有極好的去除效果，去除率達(dá)到95.4% ～99.59%，出水TP 濃度達(dá)到地表水Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，截污減排效果明顯。

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