厭氧池-集水池-階梯跌水充氧曝氣塔-人工濕地處理農(nóng)村生活污水研究

桂倫 馬吉平 姚健 陳柳萌 徐德勝 陳慶隆

摘要?采用厭氧池-集水池-階梯跌水充氧曝氣塔-人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水，考察了工藝的運(yùn)行效果及各處理單元對(duì)去除污染物的貢獻(xiàn)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該組合工藝對(duì)污染物具有較好的去除效果，且處理效果穩(wěn)定，其對(duì)化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、懸浮物（SS）的平均去除率分別為87.90%、90.70%、93.69%、91.23%。階梯跌水充氧曝氣塔對(duì)COD、NH4+-N、TP的去除貢獻(xiàn)率較大。將階梯跌水充氧曝氣塔與厭氧池、集水池、人工濕地相結(jié)合可以發(fā)揮組合的優(yōu)勢(shì)，并提高出水水質(zhì)和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞?農(nóng)村生活污水;厭氧處理;階梯跌水充氧曝氣塔

中圖分類號(hào)?X703文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?A文章編號(hào)?0517-6611（2018）33-0179-03

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，環(huán)鄱陽(yáng)湖流域農(nóng)村面源污染日益嚴(yán)重，且已成為主要的水體和土壤污染源，危害農(nóng)業(yè)安全，制約了環(huán)鄱陽(yáng)湖流域的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、民生的發(fā)展。根據(jù)2007年《江西省第一次農(nóng)業(yè)污染源普查》的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，環(huán)鄱陽(yáng)湖流域的27縣市化學(xué)需氧量（COD）排放量約占江西省總排放量的21.83%，總磷（TP）為28.56%，總氮（TN）為32.54%，氨氮（NH4+-N）為33.98%。近年來(lái)，環(huán)鄱陽(yáng)湖區(qū)農(nóng)村生活污水的排放量呈上升趨勢(shì)，從2001年的35 799.75萬(wàn)t增加到2007年的37 338.59萬(wàn)t，對(duì)環(huán)境造成很大的影響[1]。因此，確保農(nóng)村污染的達(dá)標(biāo)排放是控制面源污染的源頭，是解決鄱陽(yáng)湖流域的水體污染的最主要、最根本的措施之一。

農(nóng)村生活污水主要表現(xiàn)出2種類型：一是低水量，高濃度;二是高水量，低濃度，水質(zhì)變化大，相對(duì)分散等特點(diǎn)[2]。筆者針對(duì)農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)及江西農(nóng)村丘陵地區(qū)的實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)一套抗沖擊、負(fù)荷強(qiáng)的以生物和生態(tài)處理工藝相結(jié)合的污水處理工藝。該工藝投資小、管理方便、高效低耗，能有效降低污水中的氮、磷含量，在減少我國(guó)農(nóng)村生活污水排放方面具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。

1?材料與方法

1.1?實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置建設(shè)在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧研究所，采用厭氧池-集水池-階梯跌水充氧曝氣塔-人工濕地工藝處理農(nóng)村生活污水。具體流程如圖1所示。

污水首先經(jīng)過(guò)格柵攔截后，進(jìn)入地埋式厭氧折流池，經(jīng)過(guò)充分的厭氧發(fā)酵，溢流到集水池，然后由泵提升進(jìn)入階梯跌水充氧曝氣塔，污水由上而下經(jīng)過(guò)填料和其上的生物膜接觸反應(yīng)，完成有機(jī)物的降解和氨氮的硝化反應(yīng)，使污水得到凈化，部分出水回流至集水池進(jìn)行前置反硝化脫氮，污水經(jīng)過(guò)厭氧、曝氣等處理后，出水流入人工濕地進(jìn)行深度處理。人工濕地為水平潛流型人工濕地，出水在濕地中做從下到上的交替流，與人工濕地中的填料介質(zhì)接觸吸附，進(jìn)行微系統(tǒng)生物處理氨氮、磷等，且濕地表面種植吸附型水生植物，進(jìn)一步吸附去除污染物。

設(shè)計(jì)處理規(guī)模為5 m3/d，各單元的設(shè)計(jì)參數(shù)：

①地埋式厭氧折流池。內(nèi)部設(shè)有折流擋板，規(guī)格為10 m×4 m×2 m，有效容積75 m3，水力停留時(shí)間（HRT）為15 d，磚混結(jié)構(gòu)。

②集水池。規(guī)格為2.0 m×3.5 m×1.5 m，有效容積9 m3，磚混結(jié)構(gòu)。

③該曝氣塔采用無(wú)動(dòng)力階梯式跌水曝氣充氧，塔體為梯形，跌水傾斜角度為45°，尺寸為高7 m，長(zhǎng)8 m，上部寬2.40 m，下部寬10.66 m。該塔設(shè)有9級(jí)階梯單體，池體內(nèi)裝有填料，單池尺寸為8.0 m×0.3 m×0.4 m，底部設(shè)有沉淀池，尺寸為8.0 m×0.6 m×0.8 m。

④人工濕地采用水平潛流型人工濕地，尺寸為6.5 m×2.5 m×1.2 m，沿程分為兩格，中間用隔墻分開，池底坡度為5°，池體中從下到上依次裝填60 cm厚卵石、30 cm厚河沙。試驗(yàn)初期，人工濕地內(nèi)種植水浮蓮和香蒲。

1.2?實(shí)驗(yàn)條件

以江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院內(nèi)生活污水為原水，連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)18個(gè)月，進(jìn)水水質(zhì)如下：

COD 1 634.9 mg/L，NH4+-N 712.05 mg/L，TP 84.18 mg/L，SS 1 448.41 mg/L。

1.3?測(cè)定指標(biāo)和方法

COD：重鉻酸鉀法;NH4+-N：納什試劑分光光度計(jì);TP：鉬酸鹽分光光度法;SS：重量法（GB 11901-89）[3]。

2?結(jié)果與分析

2.1?對(duì)COD的去除效果

由圖2可知，出水COD濃度為159.10～249.60 mg/L，平均為195.95 mg/L，組合工藝對(duì)COD 的平均去除率為87.9%。出水的COD濃度波動(dòng)不大，出水水質(zhì)穩(wěn)定，受進(jìn)水濃度的影響比較小。例如2月份和5月份的進(jìn)水COD濃度最低，但出水與其他月份的相差不大。從出水去除率看，在長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月的運(yùn)行期間，該系統(tǒng)均維持了80%以上的COD去除率。即便進(jìn)入氣溫最低的1—3月，雖然低溫狀態(tài)下微生物普遍生長(zhǎng)緩慢，但是系統(tǒng)仍然保持了較為高效的去除效果，說(shuō)明該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

2.2?對(duì)氨氮的去除效果

由圖3可知，出水NH4+-N濃度為54.30～79.70 mg/L，平均為65.89 mg/L，組合工藝對(duì)NH4+-N的平均去除率為 90.7%。 總體上，NH4+-N的出水濃度比較穩(wěn)定，受進(jìn)水濃度的影響比較小。例如2月NH4+-N進(jìn)水濃度最低，5月NH4+-N進(jìn)水濃度最高，出水的NH4+-N濃度穩(wěn)定在80 mg/L以下，與其他月份的相差不大，說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除，具有一定耐溫度、濃度變化沖擊的能力。

2.3?對(duì)總磷的去除效果

由圖4可知，出水TP濃度為4.4～6.3 mg/L，平均為 5.3 mg/L，組合工藝對(duì)TP的平均去除率為93.69%?？傮w上，TP的出水濃度比較穩(wěn)定，受進(jìn)水的濃度影響比較小。例如2月TP進(jìn)水濃度最低，6月和8月TP進(jìn)水濃度最高，出水的TP濃度穩(wěn)定在6.0 mg/L以下，與1—3月低溫月份的相差不大，說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)TP的去除，具有一定耐溫度、濃度變化沖擊的能力。

2.4?對(duì)懸浮物的去除效果

由圖5可知，出水SS濃度為102.00～153.00 mg/L，平均為 126.11 mg/L，組合工藝對(duì)SS的平均去除率為 91.23%?？傮w上，SS的出水濃度比較穩(wěn)定，受進(jìn)水的濃度影響比較小。例如2月SS進(jìn)水濃度最低，4月進(jìn)水濃度最高，出水的SS濃度穩(wěn)定在150 mg/L左右，與其他的月份相差不大，說(shuō)明該系統(tǒng)對(duì)SS的去除，具有一定耐溫度、濃度變化沖擊的能力。

2.5?組合工藝各處理單元對(duì)去除污染物的貢獻(xiàn)率

由圖6所示，厭氧池對(duì)COD的去除貢獻(xiàn)率最大，為48.45%;曝氣塔次之，為28.89%，集水池為14.68%;人工濕地為8.00%，貢獻(xiàn)率最少。但是各單元降解有機(jī)物的途徑不同。在厭氧池中，主要通過(guò)水解、酸化、甲烷化3個(gè)階段將有機(jī)物分解為小分子溶解性有機(jī)物，再轉(zhuǎn)化為CH4和CO2[4];在階梯跌水曝氣塔中，通過(guò)組合填料上的生物膜將部分可生物降解的小分子有機(jī)物降解為CO2和H2O;集水池通過(guò)回流反硝化，以污染物（COD）為碳源，消耗分解有機(jī)物[5]。在人工濕地中，通過(guò)化學(xué)分解和異養(yǎng)微生物的降解作用及基質(zhì)的截留作用進(jìn)一步去除有機(jī)物。厭氧池和階梯跌水曝氣塔，可以大幅度分解去除污水中的有機(jī)物，減輕了人工濕地的負(fù)荷，減緩了濕地易堵塞的問(wèn)題[6]。

NH4+-N的去除主要由階梯跌水曝氣塔和厭氧池2個(gè)階段貢獻(xiàn)，階梯跌水曝氣塔對(duì)去除NH4+-N的貢獻(xiàn)率最大，為50.98%;厭氧池的貢獻(xiàn)率為24.69%;集水池和人工濕地的貢獻(xiàn)率為12%左右。階梯跌水曝氣塔主要依靠充足的溶解氧，填料中的形成大量活性生物膜，通過(guò)化能自養(yǎng)硝化細(xì)菌，對(duì)氨氮進(jìn)行硝化反應(yīng)，形成硝酸根和亞硝酸根產(chǎn)物，達(dá)到較好的硝化效果。NH4+-N濃度經(jīng)過(guò)厭氧池有所降低，主要通過(guò)厭氧氨氧化反應(yīng)，以氨（NH4+）為電子供體，亞硝酸鹽（NO2-）為電子受體，生產(chǎn)氮?dú)獾纳锓磻?yīng)去除氨氮[7]。

對(duì)TP量的去除貢獻(xiàn)率，階梯跌水曝氣塔最大，占組合工藝除磷量的50.33%;厭氧池和集水池的去除TP的貢獻(xiàn)率為20%左右。階梯跌水曝氣塔在好氧狀態(tài)下，通過(guò)聚磷菌過(guò)量拾取磷，以富磷污泥的形式從系統(tǒng)中排出而去除磷[8]。TP濃度經(jīng)過(guò)厭氧池后有所下降，這應(yīng)該是由于厭氧池HRT長(zhǎng)，通過(guò)沉積污泥吸附，使顆粒性TP發(fā)生沉淀的原因。

對(duì)SS的去除主要集中在厭氧階段和集水池，達(dá)到去除效果的90%以上，其中集水池貢獻(xiàn)率最大，為52.60%。厭氧階段主要通過(guò)微生物分解成小分子溶解物，去除大部分的懸浮物;集水池主要通過(guò)沉淀的方式，去除懸浮物。

綜上所述，厭氧池具有預(yù)處理功能，有效地降低了污染物負(fù)荷，減輕了后續(xù)處理單元的負(fù)擔(dān);階梯跌水曝氣塔主要用于脫氮除磷，并具有一定的去除有機(jī)物功能;集水池主要通過(guò)沉淀去除懸浮物，減輕對(duì)曝氣塔和人工濕地填料的堵塞問(wèn)題;人工濕地具有脫氮除磷和進(jìn)一步去除有機(jī)物的功能。

3?結(jié)論

用厭氧池-集水池-階梯跌水曝氣塔-人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水，對(duì)COD、NH4+-N、TP、SS的平均去除率分別為87.90%、90.70%、93.69%、91.23%，出水穩(wěn)定，受進(jìn)水濃度波動(dòng)影響不大，耐溫度變化，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗負(fù)荷能力。

厭氧池對(duì)去除COD貢獻(xiàn)率最大，具有穩(wěn)定的前處理功能;階梯跌水曝氣塔對(duì)去除NH4+-N、TP的貢獻(xiàn)率最大，對(duì)去除COD的貢獻(xiàn)率相對(duì)較大，對(duì)有機(jī)物的去除效果穩(wěn)定;集水池對(duì)去除SS的貢獻(xiàn)率最大;由于前面3個(gè)階段的有機(jī)物的平均去除率達(dá)到90%左右，人工濕地對(duì)去除COD、NH4+-N、TP、SS的貢獻(xiàn)率相對(duì)較小。

組合工藝出水的水質(zhì)：COD為159.1～209.9 mg/L、NH4+-N為54.3～79.7 mg/L、TP為4.4～5.9 mg/L、SS為102～153 mg/L，達(dá)到《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB5084）二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明該組合工藝，既能有效地達(dá)標(biāo)處理農(nóng)村分散型生活污水，用于農(nóng)田灌溉，又具有低耗能、維護(hù)簡(jiǎn)便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是一種適宜于農(nóng)村生活污水的處理工藝。

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