人工快滲—人工濕地—浮島工藝處理農(nóng)家樂生活污水

孫鵬++崔康平++許為義+++王鄭+++陳鴻漢

摘要：針對湖北省十堰市百二河沿途農(nóng)家樂污水的水質(zhì)特點，從當(dāng)?shù)厮|(zhì)規(guī)劃要求出發(fā)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H設(shè)計基于分散式生活污水處理方式的人工快滲-人工濕地-復(fù)合浮島組合工藝對其進(jìn)行處理?？疾煸摻M合工藝穩(wěn)定運行過程中對化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH+4-N）和總磷（TP）的去除效果及各工藝對水體中污染物的去除貢獻(xiàn)率。結(jié)果表明，該組合工藝對百二河流域周邊農(nóng)家樂生活污水處理效果較好，對COD、NH+4-N、TN、TP 的平均去除率分別為86.2%、88.3%、91.1%、89%，系統(tǒng)的抗沖擊能力較強，出水的COD、NH+4-N濃度、TN濃度、TP濃度達(dá)到GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，是一種較好的組合工藝。這為百二河流域地區(qū)處理農(nóng)家樂生活污水提供了重要的借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：人工快滲；人工濕地；復(fù)合浮島；生活污水；污水處理

中圖分類號：X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0519-03

收稿日期：2016-01-15

基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項（編號：2012ZX07205-002）。

作者簡介：孫鵬（1987—），男，山東海陽人，博士研究生，主要從事水污染控制技術(shù)研究。E-mail：piaofeixue_sp@163.com。

通信作者：崔康平，男，博士，教授，主要從事水體污染控制研究。E-mail：cuikangping@163.com。湖北省十堰市百二河作為丹江口水庫重要的匯水河流，其水質(zhì)是否安全直接威脅到下游作為水源地的百二河水庫及神定河的水質(zhì)。由于該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對落后，居民環(huán)保意識不強，基礎(chǔ)污水處理設(shè)施缺乏，導(dǎo)致百二河沿岸大量農(nóng)家樂生活污水未經(jīng)任何處理直接排入河道，同時，按照南水北調(diào)中線輸水工程的水質(zhì)要求，當(dāng)前該地區(qū)執(zhí)行的污水排放標(biāo)準(zhǔn)與水源區(qū)規(guī)劃目標(biāo)水質(zhì)落差很大，該地區(qū)的水污染控制和水質(zhì)保障形勢非常嚴(yán)峻。因此，采取有效措施開發(fā)一種低成本生態(tài)處理系統(tǒng)治理分散的農(nóng)家樂生活污水對于保障水質(zhì)的安全十分必要。針對該地區(qū)農(nóng)家樂生活污水的特點及單一的生態(tài)處理系統(tǒng)效率不高、抗沖擊性較弱等問題，提出人工快滲-人工濕地-復(fù)合浮島的組合處理工藝。人工濕地和復(fù)合浮島都是目前生態(tài)處理技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點，具有造價低廉、運行費用低、維護(hù)簡單并具有較好的景觀效益等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在不同水體的治理當(dāng)中[1-8]。但是由于生態(tài)處理的效果受到植物生長狀況及氣溫等因素影響較大，因此對進(jìn)水水質(zhì)和水量的要求較高，而人工快滲處理系統(tǒng)（CRI）采用滲透性能良好的天然介質(zhì)作為主要滲濾材料代替天然土層，提高了水力負(fù)荷的同時使系統(tǒng)抗沖擊性更強、更穩(wěn)定[9-10]。因此，將CRI和生態(tài)處理方法結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，形成抗沖擊強、處理費用低、處理效果好的協(xié)同處理新工藝，以期為更廣大地區(qū)的水質(zhì)改善提供實踐經(jīng)驗和技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1試驗工藝設(shè)計及水質(zhì)

本研究采用人工快滲-潛流人工濕地（簡稱SSF）-表面流人工濕地（簡稱FWS）-復(fù)合浮島（簡稱AFB）組合工藝進(jìn)行農(nóng)家樂污水處理。其中，人工快滲設(shè)計尺寸為6座2 m×1 m×2 m的處理池；潛流濕地設(shè)計尺寸為15 m×4 m×1.5 m，表面種植菖蒲、美人蕉；表面流濕地設(shè)計尺寸為15 m×4 m×1 m，水面種植水蔥、再力花、梭魚草等植物；復(fù)合浮島設(shè)計尺寸為15 m×4 m×2.5 m，其上種植菖蒲、美人蕉、千屈菜等，下面懸掛有彈性填料和組合填料；設(shè)計的HRT為 7 d。組合系統(tǒng)中CRI按照濕干比1 ∶ 5交替運行，濕地系統(tǒng)和復(fù)合浮床則是連續(xù)運行。組合工藝流程見圖1。

試驗于2014年4—10月在十堰市百二河流域某地區(qū)沿岸中試基地進(jìn)行。試驗水體收集于百二河沿途農(nóng)家樂生活污水，水質(zhì)水量季節(jié)差異較大。本研究用水的進(jìn)水質(zhì)：化學(xué)需氧量（COD）130～310 mg/L，總氮（TN）、氨態(tài)氮（NH+4-N）、總磷（TP）濃度分別為15.6～28.5、9.8～19.1、1.4～5.2 mg/L。

1.2數(shù)據(jù)采集處理與分析

每月采集各處理單元出水水樣4次，分析其中的COD、NH+4-N濃度、TN濃度、TP濃度等理化指標(biāo)。水質(zhì)指標(biāo)TN、TP、NH+4-N濃度和COD的測定根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版），TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP濃度采用鉬酸銨分光光度法，NH+4-N濃度采用納氏試劑分光光度法，COD采用重鉻酸鉀法。試驗數(shù)據(jù)為“x±s”，采用Excel和SigmaPlot 12.5 軟件進(jìn)行處理分析。

2結(jié)果與分析

2.1水體中COD的變化

系統(tǒng)啟動初期，水質(zhì)波動較大，主要因為處理初期各部分處理單元內(nèi)部微生物種類和數(shù)量不足，而微生物降解是去除污染物的主要方式。經(jīng)過1個月左右的啟動運行，各濾層介質(zhì)中的微生物種類和數(shù)量趨于穩(wěn)定，對污染物的降解作用大大增強，同時也提高了生物膜及介質(zhì)內(nèi)部的生物絮體對污染物的吸附和截留[11]，系統(tǒng)的出水水質(zhì)達(dá)到穩(wěn)定，開始連續(xù)正常運行。每月采集各處理單元出水4次，本次研究采用5月、8月、10月3個具有相對代表性的時間段進(jìn)行各單元出水的水質(zhì)分析。

污水中的COD可以通過微生物降解、植物根際截留、物理吸附等形式去除，其中以微生物降解為主[12-13]。其過程受水溫、溶氧量、微生物種類和數(shù)量等因素影響，發(fā)生厭氧溶解、缺氧降解和好氧降解反應(yīng)。系統(tǒng)進(jìn)水的COD為163～260 mg/L，水質(zhì)差異性較大，是由于農(nóng)家樂經(jīng)營特點決定的。夏天（8月）人流量最大，導(dǎo)致用水量最大，水質(zhì)也最差，COD平均為260 mg/L，5月和10月則相差不大，人流量相差不大，此時氣候處于轉(zhuǎn)折節(jié)點，測得進(jìn)水的COD平均為178、163 mg/L。由圖2可知，出水的COD為21.67～28.33 mg/L，3個季節(jié)的出水均比較穩(wěn)定，達(dá)到GB 388—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。5月的去除率為84%，8月最高，達(dá)到91%，10月最低，為82.6%。可能是由于溫度較低，微生物活性及植物活性均較其余月份低所致。對各處理單元進(jìn)行分析可知，CRI對COD的去除貢獻(xiàn)較大，去除率為51%～57%，潛流濕地去除率為11%～19%，表面流濕地為8%左右，復(fù)合浮床為12%左右。后續(xù)處理單元的植物和浮床生物膜均長勢較好，復(fù)合浮床中填料的設(shè)置顯著增加了系統(tǒng)內(nèi)部微生物的數(shù)量和種類，強化了微生物與植物之間的協(xié)同作用，保證了系統(tǒng)出水的穩(wěn)定性，最終得以達(dá)標(biāo)排放。

2.2水體中氮素的濃度變化

氨氮以游離NH3和NH+4形式存在，是有機氮化物氧化分解的第1步產(chǎn)物，是水體受污染的一個重要標(biāo)志，NH+4-N的去除主要通過揮發(fā)、吸附、植物吸收和微生物硝化作用去除。由圖3可知，系統(tǒng)進(jìn)水的銨態(tài)氮濃度為12.17～17.03 mg/L，最終出水濃度為1.43～1.77 mg/L。出水濃度達(dá)到GB3838—2002《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。去除率最低為5月86.2%，最高為8月91.6%。CRI系統(tǒng)的濕干比為1 ∶ 5，具有較高的富氧效率，在基質(zhì)內(nèi)部落干期硝化細(xì)菌活性高，對銨態(tài)氮具有較高的去除效率，去除率為45%左右。然后進(jìn)入潛流濕地，經(jīng)過濕地內(nèi)部微生物的硝化作用，去除率為22%左右，再經(jīng)過表流濕地，去除率為13%左右，最后經(jīng)過復(fù)合浮床系統(tǒng)達(dá)標(biāo)排放。試驗過程中，氣候和季節(jié)的變化對表面流濕地影響最大，CRI和潛流濕地因其結(jié)構(gòu)關(guān)系受影響較少。

氮素是水生生物必需的營養(yǎng)因素，也是研究認(rèn)為引起水體富營養(yǎng)化的限制性因素之一[14]。污水中總氮主要以有機氮、銨態(tài)氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的形式存在。研究結(jié)果表明，水體中氮素的去除主要靠微生物的硝化-反硝化作用，而污水中參與氮循環(huán)的微生物大量附著在植物根系或者填料位點上，確保了硝化-反硝化的順利進(jìn)行[15-17]。由圖4可知，試驗初期進(jìn)水的總氮濃度為18.83～23.33 mg/L，經(jīng)過CRI、潛流濕地、表面流濕地和復(fù)合浮床的處理，最終出水濃度為1.6～1.9 mg/L，出水水質(zhì)達(dá)到GB3838—2002《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。整個處理過程中，CRI的處理效率最高，處理率為49.7%～55.4%，8月的處理效率高于5月和10月，這是由于5月和10月溫度相對較8月低，微生物活性相對不強，同時，8月是濕地植物生長最旺盛的季節(jié)，植物體對氮素和磷素的吸收也是生態(tài)法處理過程中重要的環(huán)節(jié)，并且發(fā)達(dá)的根系也為微生物提供了豐富的附著位點，使得8月的處理效率最高。污水經(jīng)過CRI處理后進(jìn)入潛流濕地過程中，通過濕地植物的吸收和內(nèi)部硝化菌的硝化-反硝化作用，TN濃度降低了16%左右，后經(jīng)表流濕地和復(fù)合浮島的進(jìn)一步進(jìn)化，最終出水達(dá)標(biāo)排放。

2.3水體中TP的濃度變化

污水中磷常見的存在狀態(tài)有磷酸鹽（H2PO4-、HPO4-、PO43-）、聚磷酸鹽和有機磷，聚磷酸鹽在水中能逐漸水解成磷酸鹽。去除污水總磷主要通過植物吸收、基質(zhì)過濾、吸附、共沉、離子交換和微生物分解來實現(xiàn)。組合工藝對總磷的去除效果見圖5，由圖5可知，系統(tǒng)對總磷的去除率為 87%～92%，進(jìn)水的總磷濃度為2.6～4.5 mg/L，水質(zhì)水量隨季節(jié)波動較大，經(jīng)過各部分工藝處理，最終出水的總磷濃度為 0.34～0.37 mg/L，出水水質(zhì)達(dá)到GB3838—2002《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。其中，CRI系統(tǒng)對總磷的去除率最高，平均為43%，潛流濕地平均去除率為17%，復(fù)合浮島的去除率為20%左右，表面流濕地去除率最低，可能是因為植物的枯枝落葉在水體中腐爛分解，將磷重新釋放回到水體中。

2.4溫度的變化

試驗的組合工藝對污染水體的凈化主要依靠微生物降解完成，而溫度對植物的生長發(fā)育及微生物的新陳代謝有重要影響，溫度的高低直接決定微生物活性的強弱和數(shù)量的多少。因此，在自然狀態(tài)下溫度與系統(tǒng)對污染物的去除率成正相關(guān)。溫度較高時，微生物活性強，濕地植物和浮床植物代謝旺盛，對污水的凈化效果明顯比溫度低時要好。有研究表明，當(dāng)水溫低于 9.2 ℃ 時，浮床植物美人蕉的生長基本處于停滯狀態(tài)[18]。Brdjanovic對微生物與溫度的關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)如果溫度變化時間較長，則系統(tǒng)內(nèi)部的微生物群落就會為適應(yīng)新環(huán)境而進(jìn)行調(diào)整，其群落種類和數(shù)量均會發(fā)生變化[19]。Gao研究發(fā)現(xiàn)，異養(yǎng)細(xì)菌的生物量表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化[20]。由圖6可知，8月溫度最高，此時微生物活性最強，植物處于代謝旺盛季節(jié)，因此處理效率最高。5月比10月平均氣溫稍高一些，同時5月處于轉(zhuǎn)暖時期，而10月則相反，氣溫轉(zhuǎn)涼，因此5月系統(tǒng)的處理效率要優(yōu)于10月。另外，系統(tǒng)運行過程中經(jīng)歷過幾次較強的降雨、降溫過程，經(jīng)過檢測雖然去除率有所下降，但都保持在80%以上的去除率，最終出水效果均達(dá)到Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，說明系統(tǒng)的抗沖擊能力較強。

3結(jié)論

CRI/人工濕地/復(fù)合浮島組合工藝對百二河沿途農(nóng)家樂排放生活污水具有很好的處理效果，對COD、NH+4-N、TN、TP 的平均去除率分別為86.2%、88.3%、91.1%、89%，出水的COD、NH+4-N濃度、TN濃度、TP濃度達(dá)到了GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。組合工藝運行過程中，各工藝對水體中污染物的去除貢獻(xiàn)率不同。其中，CRI的去除率最高，對污染物的去除貢獻(xiàn)最大，潛流濕地和復(fù)合浮島次之，復(fù)合浮島對磷的去除要優(yōu)于潛流濕地，而潛流濕地對氮的去除則優(yōu)于復(fù)合浮島，表面流濕地受到環(huán)境影響較大，去除貢獻(xiàn)率在組合工藝中最低。該組合工藝的抗沖擊能力較強，出水水質(zhì)穩(wěn)定，同時運行維護(hù)費用低，管理方便，達(dá)到了當(dāng)?shù)貙λ|(zhì)的較高要求，為百二河流域及其他地區(qū)處理農(nóng)家樂生活污水提供了重要的借鑒和參考。

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