粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂生物濾池處理農(nóng)村生活污水效果研究

王艷芹，付龍?jiān)?，楊光，袁長(zhǎng)波，姚利，羅加法

(1．山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟(jì)南 250100；2．山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；3．新西蘭皇家農(nóng)業(yè)科學(xué)院，新西蘭 3240 )

粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂生物濾池處理農(nóng)村生活污水效果研究

王艷芹1,2，付龍?jiān)?,2，楊光1，袁長(zhǎng)波1，姚利1,2，羅加法3

(1．山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟(jì)南 250100；2．山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；3．新西蘭皇家農(nóng)業(yè)科學(xué)院，新西蘭 3240 )

農(nóng)村生活污水；砂生物濾池；粉煤灰分子篩；化學(xué)需氧量;氨氮;總氮;總磷

近年來(lái)，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)收入和生活水平的不斷提高，山東省農(nóng)村生活用水量和生活污水排放量急劇增加[1]。大量污水隨意排放，不僅污染了環(huán)境，還危害農(nóng)民的身體健康[2，3]，并造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。根據(jù)“山東省農(nóng)村環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀調(diào)查表”統(tǒng)計(jì)，山東省(不含青島市)農(nóng)村生活污水年產(chǎn)生量為12.2811×108t，年人均產(chǎn)生量為19.72 t，而處理率僅為16.62%。農(nóng)村生活污水與城市生活污水不同，具有如下特點(diǎn)：污水濃度偏高，基本上不含重金屬和有毒有害物質(zhì)[4]，含一定量氮磷[5]，污水排放量較城市少但水量變化系數(shù)較大。

多年來(lái)，很多學(xué)者針對(duì)農(nóng)村生活污水進(jìn)行了大量研究，工藝也多種多樣。House等[6]利用人工濕地技術(shù)，使生活污水回用于農(nóng)田灌溉和景觀水體，取得了良好的效果。張文藝等[7]研究表明，人工植物浮島濕地一年四季對(duì)農(nóng)村生活污水均有較好的處理效果，出水指標(biāo)可達(dá)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8978—1996)》一級(jí)B 排放要求。孫楠等[8]研究了凹凸棒土-穩(wěn)定塘模式處理嚴(yán)寒地區(qū)農(nóng)村生活污水，出水能滿足國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。吳迪等[9]研究表明，兩級(jí)回流連續(xù)曝氣生物膜工藝處理農(nóng)村生活污水效果較好。潘碌亭等[10]對(duì)接觸氧化-強(qiáng)化混凝工藝處理崇明農(nóng)村生活污水特性進(jìn)行了研究，出水可達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918—2002)》一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

近幾年國(guó)家也加大了對(duì)農(nóng)村環(huán)境整治的力度，建設(shè)了村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施，農(nóng)村環(huán)境有了很大的改善，就目前山東省農(nóng)村生活污水處理工藝而言，人工濕地、地埋式一體化及穩(wěn)定塘均有應(yīng)用，技術(shù)相對(duì)較為成熟。但這3 種工藝都有其一定的適用性[11]。山東是水資源缺乏地區(qū)，水資源總量嚴(yán)重不足，全省多年平均淡水資源總量為303×108m3，僅占全國(guó)水資源總量的1.1%，人均占有水資源量?jī)H334 m3(按2000年末統(tǒng)計(jì)人口數(shù))，不到全國(guó)人均占有量的1/6，位居全國(guó)各省(市、自治區(qū))倒數(shù)第三位。而目前已經(jīng)推廣的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)對(duì)氨氮和磷的去除效果差，出水不能達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)山東省農(nóng)村生活污水情況，山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所開發(fā)粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂生物濾池生活污水處理工藝，并在國(guó)家科技部和山東省科技廳先后資助下，對(duì)該工藝技術(shù)進(jìn)行熟化、創(chuàng)新，在山東省章丘市樂(lè)家村進(jìn)行了應(yīng)用，考察了其凈化處理效果，探討了在“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)過(guò)程中的推廣。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)地點(diǎn)與工程

粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂生物濾池生活污水處理工程(圖1)建于山東省章丘市普集鎮(zhèn)樂(lè)家村村旁，占地面積 300 m2，由集水池、沉淀池、調(diào)節(jié)池、粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂濾池和植物凈化池組成。集水池、沉淀池和調(diào)節(jié)池內(nèi)部有效容積分別為 2.0、6.0、16.0 m3，且3個(gè)池體連通。調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)置進(jìn)水泵，用時(shí)間控制間歇進(jìn)水。粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂濾池面積 200 m2，填料厚度 80 cm。植物凈化池面積 75 m2。

圖1樂(lè)家村生活污水處理工程

為保證該工程在冬季能夠正常運(yùn)行，集水池、沉淀池、調(diào)節(jié)池和植物凈化池上方設(shè)置陽(yáng)光板溫棚保溫，沉淀池上面鋪設(shè)了40 cm厚土層，土層上面種植草坪，池體四周加設(shè)10 cm厚苯板保溫。濾層有效砂粒徑為0.30～1.50 mm，不均勻系數(shù)小于4.0，粉煤灰分子篩是以粉煤灰為原料，采用改進(jìn)的水熱合成法研制的具有高氨氮吸附性能的新型分子篩，粉煤灰分子篩與黃砂濾料的投加質(zhì)量配比為1∶50。工程布水層和底層都鋪有10 cm厚、直徑為2～3 cm 的卵石。布水管介于上層卵石之間，采用DN32的PVC 管，底部每隔60 cm 打有φ10 mm 的孔以便布水均勻。植物凈化池種植蘆葦，一側(cè)上部進(jìn)水，出水從另一側(cè)底部排出，蘆葦購(gòu)自苗圃市場(chǎng)。

1.2進(jìn)水水質(zhì)

進(jìn)水為樂(lè)家村生活污水，樂(lè)家村現(xiàn)有120戶，400人，人均水資源量為424 m3，人均日用水量為40～50 L，村民產(chǎn)生的生活污水通過(guò)管道收集，污水產(chǎn)生量為16～20 t/d。工程進(jìn)水水力負(fù)荷為0.08 m3/(m2·d)。進(jìn)水組成和水質(zhì)指標(biāo)見表1和表2。

表1 試驗(yàn)期間進(jìn)水組成

表2 試驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

1.3測(cè)定項(xiàng)目及方法

工程運(yùn)行期間，每20 d取一次水樣，每次取300 mL。水質(zhì)于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，每個(gè)測(cè)定指標(biāo)重復(fù)3次。試驗(yàn)期間環(huán)境溫度和進(jìn)出水溫度為測(cè)定所得。試驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間為2015年3月20日—2016年2月20日。

2 結(jié)果與分析

2.1有機(jī)物的去除效果

試驗(yàn)期間，生活污水處理工程運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)水、沉淀池出水、濾池出水和植物池出水的化學(xué)需氧量(COD)體積質(zhì)量隨時(shí)間變化如圖2a所示。從圖中可以看出，工程進(jìn)水COD值波動(dòng)較大，夏季因用水量大COD值偏低，其他季節(jié)較高。在工程運(yùn)行一年期間，進(jìn)水COD平均濃度為390.18 mg/L，濾池出水COD能達(dá)到50 mg/L以下，最終植物凈化池出水平均值為15.29 mg/L，出水COD能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。從圖3各構(gòu)筑物去除效果來(lái)看，整個(gè)示范工程對(duì)COD的總?cè)コ蕿?6.08%，沉淀池、濾池和植物凈化池對(duì)COD的平均去除率分別為23.24%、87.91%和57.77%。

在該示范工程中，生活污水經(jīng)沉淀池后，污水中一些洗菜或洗衣服帶來(lái)的泥砂及一些大的懸浮物就會(huì)被去除，在降解部分有機(jī)物的同時(shí)，避免了對(duì)后續(xù)粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂生物濾池的堵塞。粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂生物濾池對(duì)生活污水中有機(jī)物的高效去除主要是依靠砂粒的物理截留作用和砂粒表面形成的生物膜的接觸絮凝、生物氧化作用[12]，還依靠植物凈化池中植物根系對(duì)污染物的攔截吸附作用[13]。

2.2氨氮的去除效果

2.3總氮和總磷的去除效果

如圖2c、2d和圖3所示，工程運(yùn)行期間，廢水進(jìn)水總氮(TN)和總磷(TP)的平均值分別為35.23 mg/L和3.04 mg/L。經(jīng)系統(tǒng)各構(gòu)筑物處理后，最終出水平均值分別為5.74 mg/L和0.34 mg/L，出水都能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，工程總?cè)コ史謩e為83.71%和88.82%。從各構(gòu)筑物處理效果來(lái)看，沉淀池出水總氮(TN)和總磷(TP)的平均值分別為31.32 mg/L和2.57 mg/L，去除率分別為11.10%和15.46%。濾池出水總氮(TN)和總磷(TP)的平均值分別為6.58 mg/L和0.40 mg/L，去除率分別為78.99%和84.44%。植物凈化池出水為最終出水，對(duì)總氮(TN)和總磷(TP)的去除率分別為12.77%和15.00%。

圖2試驗(yàn)期間工程進(jìn)出水各污染物濃度變化

圖3 試驗(yàn)期間工程各污染物去除率

有研究表明，總氮(TN)的去除主要依靠微生物的硝化反硝化作用[17]，氮的最終去除主要是依靠微生物的反硝化作用使其轉(zhuǎn)化為氣體逸出系統(tǒng)[18]。本工程砂層上面土層厚度40 cm，土層上種植三葉草，砂粒間可形成好氧、兼氧微環(huán)境，提高對(duì)總氮的去除效果。另外，還依靠粉煤灰分子篩的吸附作用及蘆葦?shù)奈兆饔?，是微生物、填料和植物共同作用的結(jié)果。生活污水中的磷主要來(lái)自于洗滌劑和食物殘余等，主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)存在。粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂生物濾池對(duì)磷的去除主要包括基質(zhì)的高效吸附、絡(luò)合和沉淀作用[19，20]以及后續(xù)植物的吸收作用。

2.4環(huán)境溫度對(duì)工程效果的影響

該工程冬季比非冬季對(duì)污染物去除效果稍有降低，分析是因?yàn)榧氐炔捎藐?yáng)光板保溫，濾池也采取了覆土和四周保溫的措施，出水經(jīng)過(guò)植物凈化池，而植物凈化池也采用了陽(yáng)光板保溫，這些保溫措施能使進(jìn)出水保持較高溫度。2016年1月23日是試驗(yàn)期間最冷的一天，也是章丘市近幾年同期氣溫最低的一天，最高氣溫-10℃，最低氣溫-18℃，在這種惡劣天氣下，工程仍能正常運(yùn)行，進(jìn)出水溫度達(dá)到10℃以上，可見工程具有很好的抗凍性能，在冬季也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 冬季工程進(jìn)出水溫度變化

圖5 冬季和非冬季污染物去除效果

2.5工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

樂(lè)家村生活污水工程建設(shè)總費(fèi)用10.6萬(wàn)元，每天處理水量16～20 t，按照20 t設(shè)計(jì)，則工程建設(shè)成本5 300元/噸水。

工程運(yùn)行成本：水泵耗電1.8 kWh/d，電費(fèi)按0.56元/kWh計(jì)算，每天電費(fèi)1.0元；人工為兼職，每月補(bǔ)助100元，每天3.33元；分子篩每2年添加一次，花費(fèi)1 200元，每天1.64元，則污水處理工程每天運(yùn)行費(fèi)用1.0+3.33+1.64=5.97元，每天運(yùn)行成本5.97元/20噸=0.30元/噸水。

3 討論

(1)粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂生物濾池農(nóng)村生活污水示范工程在運(yùn)行過(guò)程中需嚴(yán)格控制進(jìn)水負(fù)荷為0.08 m3/(m2·d)，在此負(fù)荷下運(yùn)行，砂生物濾池不會(huì)堵塞，也不用反沖洗系統(tǒng)。若負(fù)荷過(guò)大會(huì)導(dǎo)致砂生物濾池堵塞，污水外溢，若負(fù)荷過(guò)小可能會(huì)導(dǎo)致污水處理效果差。

(2)該試驗(yàn)點(diǎn)在山東，冬季氣溫較低，最低為-10℃以下，若不采取保溫措施，冬季池體將會(huì)被凍壞。考慮到農(nóng)村污水處理的實(shí)際情況，為保證該工程冬季正常運(yùn)行，采用了設(shè)置陽(yáng)光板溫棚保溫，砂濾池上面鋪設(shè)40 cm厚土層，池體四周加設(shè)10 cm厚苯板保溫等保溫措施。

(3)當(dāng)前中國(guó)農(nóng)村富裕程度還不夠，生活污水處理工程的運(yùn)行費(fèi)用決定了工程的使用率，若運(yùn)行費(fèi)用太高，農(nóng)民無(wú)法承擔(dān)。該示范工程在運(yùn)行過(guò)程中，僅需進(jìn)水泵的運(yùn)行電費(fèi)及人工管理費(fèi)，運(yùn)行費(fèi)用較低，適于在廣大農(nóng)村推廣使用。

4 結(jié)論

(1)粉煤灰分子篩強(qiáng)化砂生物濾池農(nóng)村生活污水處理工程建設(shè)及運(yùn)行成本低，每天處理廢水僅為0.30元/噸水，維護(hù)使用方便，適于在農(nóng)村推廣使用。

(3)該工程采用了覆土、苯板及陽(yáng)光板多種保溫措施，冬季進(jìn)出水溫度在10℃以上，保證了工程的正常穩(wěn)定運(yùn)行。

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ResearchonTreatmentEffectsofRuralDomesticWastewaterwithFlyAshZeoliticEnhancedSandBiofilter

Wang Yanqin1,2，F(xiàn)u Longyun1，Yang Guang1，Yuan Changbo1，Yao Li1,2，Luo Jiafa3

(1.InstituteofAgriculturalResourceandEnvironment，ShandongAcademyofAgriculturalSciences，Jinan250100,China；2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofAgriculturalNon-PointSourcePollutionControlandPrevention，Jinan250100,China；3.NewZealandRoyalAcademyofAgriculturalSciences,NewZealand3240)

Rural domestic wastewater；Sand biofilter；Fly ash zeolitic；Chemical oxygen demand; Ammonia nitrogen; Total nitrogen; Total phosphorus

X505

A

1001-4942(2017)10-0070-06

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.10.015

2017-05-10

山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目“山東省集約蔬菜區(qū)有機(jī)廢棄物沼氣利用技術(shù)研究與示范”；山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GSF117012)；山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程(CXGC2016B13)；“海外泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)

王艷芹(1978—)，女，碩士，副研究員，主要從事村鎮(zhèn)環(huán)境整治技術(shù)研究。E-mail：wangyanqin2003@126.com

付龍?jiān)?1983—)，男，博士，助理研究員，主要從事微生物方面的技術(shù)研究。E-mail：fulongyun2013@163.com