基于生物-生態(tài)耦合工藝的農(nóng)村生活污水處理研究

施　暢，張　靜，劉　春，李再興，吳　根, 楊景亮

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊　050018；2.河北省污染防治生物技術(shù)重點實驗室，河北石家莊　050018)

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基于生物-生態(tài)耦合工藝的農(nóng)村生活污水處理研究

施暢1,2，張靜1,2，劉春1,2，李再興1,2，吳根1,2, 楊景亮1,2

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018；2.河北省污染防治生物技術(shù)重點實驗室，河北石家莊050018)

摘要：開發(fā)低投資、低能耗、低維護(hù)的生活污水處理工藝是解決農(nóng)村污水處理問題的關(guān)鍵。采用無動力升流式厭氧生物濾池(UAF)與潛流式人工濕地(SFW)耦合工藝處理農(nóng)村生活污水，考察了耦合工藝在不同水力停留時間(HRT)下對生活污水的處理效果，并通過增加SFW內(nèi)的植株密度改善脫氮除磷效果。結(jié)果表明：UAF與SFW耦合工藝無動力消耗，免維護(hù)，適合農(nóng)村地區(qū)的生活污水處理，對氮、磷的去除主要依靠SFW階段完成，通過增加蘆葦?shù)闹仓昝芏瓤梢悦黠@增強SFW內(nèi)生物的脫氮除磷能力，并保證UAF與SFW耦合工藝的處理性能穩(wěn)定在較高水平。在t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d的條件下，UAF與SFW耦合工藝出水COD、氨氮、總氮、總磷的平均質(zhì)量濃度分別為44.07，4.25，13.36和0.44 mg/L，達(dá)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)。

關(guān)鍵詞：水污染防治工程；農(nóng)村生活污水；厭氧生物濾池；人工濕地；脫氮除磷

施暢，張靜，劉春，等.基于生物-生態(tài)耦合工藝的農(nóng)村生活污水處理研究[J].河北科技大學(xué)學(xué)報,2016,37(1):102-108.

農(nóng)村地區(qū)居民在生活過程中產(chǎn)生的污水，是農(nóng)村污水的主要來源[1]，其中有機物和氮、磷含量較高，生化性一般比較好[2]。但由于生活污水產(chǎn)生量少、分散、遠(yuǎn)離排污管網(wǎng)，一般不作任何處理就直接排入河流湖泊，這是造成水體污染的重大隱患[3-5]。常規(guī)的生化處理工藝，由于投資和運行費用高，且操作復(fù)雜，在農(nóng)村地區(qū)難以推廣應(yīng)用[6]。因此，研究開發(fā)投資少、運行費用低、操作簡單的生活污水處理工藝，對農(nóng)村地區(qū)生活污水的處理顯得尤為重要[7-8]。

近年來，生物-生態(tài)耦合工藝在農(nóng)村生活污水處理中日益受到關(guān)注。冉全等[9]采用“厭氧+跌水充氧接觸氧化+生態(tài)塘+人工濕地”生物-生態(tài)耦合工藝處理農(nóng)村生活污水，其對生活污水中 COD、氨氮、總氮、總磷的去除率分別可達(dá)62%，96%，84%和87%；劉文濤等[10]采用“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)耦合工藝處理農(nóng)村生活污水，出水各指標(biāo)均能穩(wěn)定達(dá)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)；李金忠等[11-12]采用“沉砂攔污池+固定微生物濾池+太陽能增氧池+人工濕地”生物-生態(tài)耦合工藝處理農(nóng)村生活污水，耦合工藝對COD的去除率達(dá)到84.53%~96.74%，對總氮的去除率達(dá)到90.08%~98.68%，對總磷的去除率達(dá)到95.4%~99.6%。以上生物-生態(tài)耦合工藝均具有較好的處理效果，但工藝環(huán)節(jié)相對較復(fù)雜。

上流式厭氧濾池(UAF)是一種簡易的厭氧污水處理裝置，可以對生活污水中的COD進(jìn)行有效去除，但厭氧處理對氮、磷的去除能力有限[13]。潛流式人工濕地(SFW)是自20世紀(jì)70年代以來迅速發(fā)展起來的污水處理工藝，應(yīng)用日益普遍[14-16]，具有低投資、低耗能、低處理成本、易管理等特點[17]，尤其在氮、磷去除方面具有一定的優(yōu)勢，其投資運行費用僅為常規(guī)二級污水處理廠的1/10~1/2[18]?！癠AF+SFW”生物-生態(tài)耦合工藝投資少、運行成本低、易于操作且無動力消耗，可實現(xiàn)對農(nóng)村生活污水的無動力處理，能夠?qū)ι钗鬯械奈廴疚镞M(jìn)行有效去除，同時UAF對進(jìn)水懸浮物的過濾去除作用能夠解決后續(xù)SFW處理堵塞的問題[19]。本研究選擇地埋式“UAF+SFW”生物-生態(tài)耦合工藝，利用UAF去除生活污水中的COD，利用SFW去除生活污水中的氮、磷，并進(jìn)一步去除COD。研究考察了耦合工藝在不同水力停留時間(HRT)下對生活污水的處理效果，并通過對耦合工藝的調(diào)整和改進(jìn)，實現(xiàn)處理后出水達(dá)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)。

1材料與方法

1.1　實驗裝置

“UAF+SFW”生物-生態(tài)耦合工藝實驗裝置如圖1所示。UAF內(nèi)徑為0.3 m，有效容積為80 L，選用直徑為80 mm的聚丙烯懸浮球組合填料，球內(nèi)填充聚氨酯多孔填料，多孔填料平均孔徑為0.5~1.0 mm，填料床層高度為0.9 m，填充率(以多孔填料體積計)約為20%。SFW長為1.2 m，寬為0.6 m，高為1 m，填料床層高度為0.95 m，自下而上依次為直徑30～40 mm的礫石層0.15 m、直徑4～8 mm的石英砂層0.50 m和土壤(選自河北科技大學(xué)新校區(qū)景觀林)層0.30 m，床層整體平均孔隙率約為0.4。移植河北科技大學(xué)景觀湖內(nèi)植株高度為0.6~0.8 m的蘆葦作為濕地植物，種植于土壤層，種植深度為0.15～0.20 m，種植密度為12株/m2。

圖1　實驗裝置示意圖Fig.1　Experimental apparatus

1.2　實驗過程

系統(tǒng)運行時間為2014年4月—10月，進(jìn)水均取自河北科技大學(xué)校園生活污水，COD質(zhì)量濃度為250~410 mg/L，氨氮質(zhì)量濃度為30~40 mg/L，總氮質(zhì)量濃度為40~75 mg/L，總磷質(zhì)量濃度為5~7 mg/L，其水質(zhì)指標(biāo)與農(nóng)村生活污水基本相同[20]。

UAF采用直接啟動的方法接種厭氧污泥與生活污水混合，靜態(tài)接觸2 d，隨后在t(HRT)=24 h條件下連續(xù)進(jìn)水，待出水水質(zhì)趨于穩(wěn)定，則啟動完成，進(jìn)入穩(wěn)定運行階段。當(dāng)UAF出水COD質(zhì)量濃度穩(wěn)定在100 mg/L時，其出水連續(xù)進(jìn)入SFW進(jìn)行處理?！癠AF+SFW”耦合工藝運行條件如表1所示。對UAF和SFW處理過程中的進(jìn)、出水的COD、氨氮、總氮和總磷等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測，以反映耦合工藝的處理性能。其中，UAF運行中檢測頻率是1天1次，SFW運行中檢測頻率是2天1次。

表1　“UAF+SFW”耦合工藝各階段運行條件

注：表中1，2，3，4分別表示UAF或SFW工藝中的不同階段。

1.3　分析方法

COD、氨氮、總磷均采用國標(biāo)法測定[21]?？偟捎肨OC分析儀(TOC-VCPN，日本島津公司提供)測定。

2結(jié)果與討論

2.1　“ UAF+SFW”耦合工藝對COD的去除效果

UAF對COD的去除效果隨HRT的變化情況見圖2。UAF進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度范圍為251.90~401.73 mg/L。t(HRT)=24 h時，出水COD的平均質(zhì)量濃度為61.95 mg/L，平均去除率為80.88%，平均去除負(fù)荷為0.26 kg/(m3·d)。為提高UAF的處理能力，縮短t(HRT)至18 h，此時UAF出水COD的平均質(zhì)量濃度為99.85 mg/L，平均去除率為67.51%，平均去除負(fù)荷為0.28 kg/(m3·d)。進(jìn)一步縮短t(HRT)至12 h，UAF出水COD的平均質(zhì)量濃度為133.84 mg/L，平均去除率為58.53%，平均去除負(fù)荷為0.38 kg/(m3·d)?？梢?，縮短t(HRT)可以增加COD去除負(fù)荷，提高處理能力，但出水COD的質(zhì)量濃度也隨之升高，不利于SFW工藝的后續(xù)處理。因此，在t(HRT)UAF為18 h、出水COD的質(zhì)量濃度約為100 mg/L時，UAF出水進(jìn)入SFW進(jìn)行處理。

圖2　不同HRT下UAF對COD的去除效果Fig.2　COD removal in the UAF at different HRTs

SFW對COD的去除效果隨HRT的變化情況如圖3所示。SFW進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度范圍為93.04~117.75 mg/L。t(HRT)=2 d時，SFW出水COD的平均質(zhì)量濃度為54.88 mg/L，平均去除率為45.57%，未達(dá)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)。在t(HRT)=3 d時，出水COD的平均質(zhì)量濃度為46.84 mg/L，平均去除率為55.13%，可穩(wěn)定達(dá)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)。以上結(jié)果表明，在t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d時，“UAF+SFW”耦合工藝處理生活污水，出水COD的質(zhì)量濃度可達(dá)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)。

圖3　不同HRT下SFW對COD的去除效果Fig.3　COD removal in the SFW at different HRTs

2.2　“UAF+SFW”耦合工藝對氨氮和總氮的去除效果

UAF進(jìn)水氨氮的平均質(zhì)量濃度為31.34 mg/L，出水氨氮的平均質(zhì)量濃度升高至34.93 mg/L，可見UAF對氨氮基本沒有去除，且由于厭氧條件下有機氮水解生成氨氮，導(dǎo)致出水中氨氮的質(zhì)量濃度升高，因此“UAF+SFW”耦合工藝中氨氮的去除主要依靠SFW階段完成。SFW對氨氮的去除效果隨HRT的變化情況如圖4所示。SFW進(jìn)水氨氮的質(zhì)量濃度為30.59~39.03 mg/L，t(HRT)=2 d時，出水氨氮的平均質(zhì)量濃度為15.01 mg/L，平均去除率為56.6%；t(HRT)=3 d時，出水氨氮的平均質(zhì)量濃度為11.08 mg/L，平均去除率增加至69.25%，此時出水氨氮的質(zhì)量濃度未達(dá)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)。延長t(HRT)至4 d時，出水氨氮的平均質(zhì)量濃度為10.91 mg/L，平均去除率為69.79%；t(HRT)=5 d時，出水氨氮平均質(zhì)量濃度為10.43 mg/L，平均去除率為70.54%?？梢姡趖(HRT)>3 d后，SFW對氨氮的去除率基本穩(wěn)定在70%左右，延長HRT對改善氨氮的去除效果沒有明顯作用。

圖4　不同HRT下SFW對氨氮的去除效果Fig.4　Ammonia nitrogen removal in the SFW at different HRTs

SFW對總氮的去除效果隨HRT的變化情況如圖5所示。進(jìn)水總氮的質(zhì)量濃度為41.29~49.87 mg/L。t(HRT)=2 d時，出水總氮的平均質(zhì)量濃度為21.33 mg/L，平均去除率為53.07%；t(HRT)=3 d時，出水總氮的平均質(zhì)量濃度為17.54 mg/L，平均去除率為61.01%，總氮出水的質(zhì)量濃度未達(dá)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)。延長t(HRT)至4 d時，出水總氮的平均質(zhì)量濃度為17.22 mg/L，平均去除率為62.35%；t(HRT)=5 d時，出水總氮的平均質(zhì)量濃度為16.94 mg/L，平均去除率為62.61%。同樣，在t(HRT)>3 d后，延長HRT無法明顯改善SFW對總氮的處理效果。

圖5　不同HRT下SFW對總氮的去除效果Fig.5　Total nitrogen(TN) removal in the SFW at different HRTs

t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d時，“UAF+SFW”耦合工藝對生活污水中COD的處理效果可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但對氨氮和總氮的去除效果無法達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)—級A標(biāo)準(zhǔn)，且延長HRT沒有明顯改善對氨氮和總氮的去除效果。因此，需要調(diào)整SFW的工藝，提高其生物脫氮能力，以滿足氨氮和總氮的去除要求。

2.3　“UAF+SFW”耦合工藝對磷的去除效果分析

UAF進(jìn)水總磷的平均質(zhì)量濃度為6.19 mg/L，出水總磷的平均質(zhì)量濃度為6.13 mg/L，可見UAF對總磷基本沒有去除，因此,總磷的去除也需要依靠“UAF+SFW”耦合工藝中的SFW來完成。SFW對總磷的去除效果隨HRT的變化情況如圖6所示。進(jìn)水總磷的質(zhì)量濃度為4.90~6.93 mg/L。t(HRT)=2 d時，出水總磷的平均質(zhì)量濃度為2 mg/L，平均去除率為67.4%；t(HRT)=3 d時，出水總磷的平均質(zhì)量濃度為1.65 mg/L，平均去除率為72.51%，出水總磷的質(zhì)量濃度未達(dá)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)。延長t(HRT)至4 d時，出水總磷的平均質(zhì)量濃度為1.77 mg/L，平均去除率為71.49%；t(HRT)=5 d時，出水總磷的平均質(zhì)量濃度為1.75 mg/L，平均去除率為71.21%。同樣，延長HRT無法改善SFW對總磷的處理性能，在t(HRT)>3 d后總磷去除率基本穩(wěn)定在71%左右，出水總磷的質(zhì)量濃度基本維持在1.7 mg/L。

圖6　不同HRT下SFW對總磷的去除效果Fig.6　Total phosphorus removal in the SFW at different HRTs

以上結(jié)果表明，現(xiàn)有運行條件下“UAF+SFW”耦合工藝脫氮除磷能力有限，難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)要求。SFW是氮、磷去除的主要工藝環(huán)節(jié)，SFW內(nèi)植物吸收、微生物代謝以及基質(zhì)吸附等作用均對氮、磷去除有貢獻(xiàn)[22-23]，而植物生長吸收及其對系統(tǒng)內(nèi)微生物生長環(huán)境的影響是氮、磷去除的重要影響因素[24]。因此，可以通過強化SFW內(nèi)濕地植物的生物作用來改善氮、磷的去除效果，其中增加植株密度是簡易可行的方法。

2.4　UAF與SFW生物-生態(tài)耦合工藝調(diào)整后處理效果分析

為了強化SFW對氮、磷的生物去除效果，在SFW內(nèi)進(jìn)一步移植蘆葦，增加蘆葦?shù)闹仓昝芏戎?4株/m2。在t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d的運行條件下，植株密度為24株/m2時，“UAF+SFW”耦合工藝對生活污水的處理效果如圖7所示。

圖7　植株密度為24株/m2時“UAF+SFW”耦合工藝處理性能Fig.7　Treatment performance of UAF+SFW coupling process at plant density of 24 line/m2

由圖7 a)可知，耦合工藝COD進(jìn)水的質(zhì)量濃度為292.74~324.21 mg/L，UAF出水COD平均質(zhì)量濃度為111.88 mg/L，此階段對COD的平均去除率為63.34%。SFW進(jìn)水(UAF出水) COD質(zhì)量濃度為98.67~136.16 mg/L，SFW出水COD平均質(zhì)量濃度為44.07 mg/L，耦合工藝對COD的平均去除率為85.55%。由圖7 b)可知，耦合工藝氨氮的進(jìn)水質(zhì)量濃度為35.32~38.26 mg/L，出水氨氮平均質(zhì)量濃度為4.25 mg/L，平均去除率為88.48%；由圖7 c)可知，耦合工藝進(jìn)水總氮的質(zhì)量濃度為60.5~73.9 mg/L，出水總氮的平均質(zhì)量濃度為13.36 mg/L，平均去除率為80.08%。由圖7 d)可知，耦合工藝總磷的進(jìn)水質(zhì)量濃度為5.15~6.02 mg/L，出水總磷的平均質(zhì)量濃度為0.44 mg/L，平均去除率為92.11%。

可見，增加SFW內(nèi)蘆葦?shù)闹仓昝芏戎?4株/m2后，“UAF+SFW”耦合工藝對COD、氨氮、總氮、總磷的去除效果均有改善，特別是SFW內(nèi)的脫氮除磷效果有明顯提高，“UAF+SFW”耦合工藝出水各指標(biāo)均可滿足《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)。

3結(jié)論

1)“UAF+SFW”生物-生態(tài)耦合工藝操作簡單且無動力消耗，適合對農(nóng)村生活污水的處理。

2)在t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d，植株密度為24株/m2的條件下，“UAF+SFW”生物-生態(tài)耦合工藝對生活污水中COD、氨氮、總氮、總磷的去除率分別為85.55%，88.48%，80.08%和92.11%；最終出水中COD、氨氮、總氮、總磷的質(zhì)量濃度分別為44.07，4.25，13.36和0.44 mg/L，均可達(dá)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)。

3)“UAF+SFW”生物-生態(tài)耦合工藝脫氮除磷主要由SFW工藝完成，通過增加植物的植株密度可以明顯增強SFW內(nèi)的脫氮除磷能力。

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Research on rural sewage treatment using biological-ecological coupling process

SHI Chang1,2, ZHANG Jing1,2, LIU Chun1,2, LI Zaixing1,2, WU Gen1,2, YANG Jingliang1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Abstract:Developing low-investment, low-energy consumption and low-maintenance sewage treatment process is important for sewage treatment in rural areas. An upflow anaerobic filter (UAF) without energy consumption and a subsurface flow wetland (SFW) are utilized as a biological-ecological coupling process to treat rural domestic sewage. The effect of the coupling process on treatment performance of domestic sewage under different hydraulic retention time (HRT) is investigated. The removal of nitrogen and phosphorus in the SFW is improved by increasing plant density. The results show that the coupling process of UAF and SFW has no power consumption and is maintenance-free, suitable for rural sewage treatment; the removal of nitrogen and phosphorus mainly happens in the SFW phase; increasing the density of reed plants in the SFW can obviously enhance the capacity to remove nitrogen and phosphorus, and ensure that the efficient performance of the coupling process of UAF and SFW is stabilized in a high level. When the HRTs of UAF and SFW are 18 h and 3 d, respectively, the concentrations of COD, ammonia nitrogen, total nitrogen and total phosphorus in the final effluent treated by UAF and SFW process are 44.07, 4.25, 13.36 and 0.44 mg/L, respectively, meeting the requirement of first grade class A in Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB 18918-2002).

Keywords:water pollution control engineering; rural domestic sewage; anaerobic biological filter; artificial wetland; removal of nitrogen and phosphorus

通訊作者：劉春教授。E-mail：liuchun@hebust.edu.cn

作者簡介：施暢(1990—)，女，河北保定人，碩士研究生，主要從事廢水處理技術(shù)方面的研究。

基金項目：“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃項目(2013BAJ10B09-3)

收稿日期：2015-02-13；修回日期：2015-04-29；責(zé)任編輯：王海云

中圖分類號：X52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbkd.2016yx01017

文章編號：1008-1542(2016)01-0102-07