UASB-噴灑式生態(tài)濾池組合工藝處理農(nóng)村生活污水

吳 松, 陳 華, 劉春曉, 汪銀梅, 衡強強, 李澤兵

（1．江蘇方正環(huán)保集團有限公司， 江蘇 徐州 221002；2．徐州工程學院環(huán)境工程學院， 江蘇 徐州 221111；3．江蘇蓮洋港環(huán)?？萍加邢薰?， 江蘇 徐州 221003）

0 引言

隨著農(nóng)村社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、 人們生活水平的提高、畜禽養(yǎng)殖業(yè)的興起，我國農(nóng)村水環(huán)境污染也日趨嚴重，富營養(yǎng)化水體隨處可見[1]。 我國農(nóng)村人口居住分散， 污水收集管線不方便布設(shè)且污水處理廠建設(shè)成本較高， 所以廣大農(nóng)村地區(qū)缺乏生活污水處理裝置[2]；而在農(nóng)村也因為經(jīng)濟、技術(shù)的缺乏，即使建立的生活污水處理站也是在“曬太陽”，使得農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的污染問題得不到很好的解決[3]。 為此，農(nóng)村地區(qū)很多溝渠、 池塘和水庫等均出現(xiàn)了不同程度的富營養(yǎng)化，甚至黑臭問題[4]。 2019 年中央一號文件從國家層面確立了振興農(nóng)村的戰(zhàn)略， 必須從建設(shè)生態(tài)宜居的新農(nóng)村開始，農(nóng)村污水處理成為首要難題。

目前農(nóng)村生活污水處理工藝主要包括生物接觸氧化法、穩(wěn)定塘法、膜生物反應器法等。 基于廣大農(nóng)村的現(xiàn)實問題，開發(fā)處理效果好、能耗低、運維簡單的工藝成為農(nóng)村生活污水處理的關(guān)鍵[5]。很多省份頒布的農(nóng)村污水治理工藝中鼓勵優(yōu)先使用生態(tài)工程技術(shù)方法，因為該技術(shù)方法具有效果好、能耗低、生態(tài)環(huán)境效果好等優(yōu)點，同時也符合生態(tài)自凈的原理。使得生態(tài)工程技術(shù)在廣大農(nóng)村得到了大量的應用和實踐，如：人工濕地、穩(wěn)定塘、生態(tài)濾池等[6]。隨著生態(tài)工程技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)的普遍使用， 卻也出現(xiàn)了一些困境，即單一的生態(tài)工程技術(shù)方法容易出現(xiàn)堵塞、發(fā)臭和害蟲滋生等問題，隨后會出現(xiàn)處理效果低下、蚊蠅滋生和散發(fā)惡臭等問題，成為農(nóng)村地區(qū)的“死區(qū)”[7]。

大量的研究和實踐證明， 農(nóng)村生活污水來源廣泛，成分豐富，但水質(zhì)變化非常大，進水中帶有大量的雜質(zhì)， 如果直接進入生態(tài)工程構(gòu)筑物中常常會引起堵塞而導致死角、短流，使生態(tài)工程技術(shù)凈化作用下降[8]。 另外，生態(tài)工程技術(shù)是通過自然復氧和水生植物光合作用復氧，這種復氧方法效果偏低，生態(tài)工程構(gòu)筑物內(nèi)往往會出現(xiàn)缺氧和厭氧環(huán)境，不僅發(fā)臭，而且會導致水生植物枯死或瘋長等現(xiàn)象[9]。課題組在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上提出， 采用生態(tài)處理工程技術(shù)處理農(nóng)村生活污水的關(guān)鍵， 必須先對農(nóng)村生活污水進行預處理，減少進入生態(tài)工程構(gòu)筑物的懸浮物、水質(zhì)波動，并提高水體的可生化性，使生態(tài)工程構(gòu)筑物與預處理構(gòu)筑物協(xié)同工作， 保證污水可持續(xù)凈化的同時，實現(xiàn)生態(tài)工程構(gòu)筑物的良性發(fā)展。 利用UASB-噴灑式生態(tài)濾池組合工藝處理農(nóng)村生活污水， 實驗的目的： ①研究組合式工藝處理農(nóng)村生活污水的效果和特征； ②UASB 和噴灑式生態(tài)濾池內(nèi)不同水流方向上指示性微生物特性；③探討UASB-噴灑式生態(tài)濾池組合工藝污染物去除機理， 為農(nóng)村生活污水設(shè)計和治理提供借鑒。

1 材料與方法

1．1 組合工藝流程

組合式工藝流程見圖1。

圖1 農(nóng)村生活污水工藝流程

其基本原理： 生活污水首先在調(diào)節(jié)池中進行水質(zhì)水量的均質(zhì)；然后，調(diào)節(jié)池上清液在提升泵的作用下進入UASB 池， 池中的懸浮污泥層對污水中的顆粒物、膠體進行沉降和截留，厭氧微生物對難降解有機物進行礦化分解，并產(chǎn)生沼氣（以甲烷和二氧化碳為主）； 最后，UASB 池出水在重力流的作用下通過旋轉(zhuǎn)布水器進入生態(tài)濾池，完成充氧和布水作用，生態(tài)濾池基質(zhì)分為3 層，上層為無煙煤（25 cm），中層為絲竹填料（25 cm），下層為火山巖（45 cm），基質(zhì)內(nèi)種植美人蕉， 植物相互的間距為15 cm， 利用微生物、植物等聯(lián)合作用實現(xiàn)污染物的深度凈化，生態(tài)濾池排放進行簡單沉降后排放。 組合式工藝流程圖中各構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)見表1[10-12]。

表1 組合式工藝流程圖中各構(gòu)筑物設(shè)計參數(shù)

1．2 原水水質(zhì)和出水水質(zhì)

試驗原水來自江西省南昌市安義縣某農(nóng)村家庭的生活污水和廚房污水，原水水質(zhì)和《江西省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標準》（2019 年7 月實施）一級標準（出水標準）見表2。

表2 試驗水質(zhì) mg·L-1

1．3 試驗方法

生活污水在調(diào)節(jié)池中進行均質(zhì)和初步沉淀，優(yōu)化UASB 池進水水質(zhì)， 降低UASB 池進水濁度和懸浮物；UASB 出水DO 質(zhì)量濃度為0．4 ～0．7 mg/L，利用自然培養(yǎng)馴化形成的污泥層對污水中的污染物進行去除和攔截；UASB 池出水進入生態(tài)濾池前采用旋轉(zhuǎn)布水方式進行充氧和均勻布水， 利用高差使水流從UASB 池跌入到生態(tài)濾池表面， 布水高度80 cm，生態(tài)濾池表面DO 質(zhì)量濃度為1．6 ～2．7 mg/L。本工程從2018 年3 月開始運行調(diào)試，啟動和穩(wěn)定運行4 個月， 正式試驗時間為2018 年8 月～2019 年2月，工程穩(wěn)定運行開始監(jiān)測，頻率為1 周一次，共設(shè)置了4 個采樣點， 分別為進水端、 調(diào)節(jié)池出水口、UASB 池出水口和生態(tài)濾池出水口。

1．4 分析方法

COD 采用重鉻酸鉀法測定，NH4+-N 采用納氏試劑紫外分光光度法測定，SS 按照標準重量法(GB 11901—1989)測定[13]。 TN 和TP 均由哈希多指標分析儀（哈希dr2800，美國）測定；DO 采用溶解氧儀(Oxi3210，WTW，德國)測定。 指示性微生物分析采用可攝像顯微鏡進行（Axio Scope．A1），其具體做法是：將生物膜生長情況的基質(zhì)手工剝離其表面生物膜，溶解于蒸餾水中， 滴加于載玻片上進行觀察其中的菌膠團、原生動物和微型后生動物等特性。

2 結(jié)果與討論

2．1 組合工藝對COD 的去除效果

組合工藝對COD 的去除效果見圖2。

圖2 組合工藝各單元對COD 的去除效果

由圖2 可知，組合工藝運行穩(wěn)定，進水COD 質(zhì)量濃度為105．8 ～229．4 mg/L（平均值為188．1 mg/L），調(diào)節(jié)池出水COD 質(zhì)量濃度為99．9 ～223．9 mg/L （平均值為181．8 mg/L），UASB 池出水COD 質(zhì)量濃度為64．2 ～153．1 mg/L（平均值為108．7 mg/L），生態(tài)濾池出水COD 質(zhì)量濃度為22．9 ～57．6 mg/L （平均值為40 mg/L），出水穩(wěn)定達到了《江西省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標準》（2019 年7 月實施）一級標準， 整個工藝對COD 的平均去除率達到78．5%（69．2%～86．5%）。 試驗結(jié)果表明：組合工藝對有機物有較好的降解效果， 雖然進水COD 水質(zhì)波動較大，但COD 出水水質(zhì)較為平穩(wěn)。 從試驗數(shù)據(jù)可以看出，COD 的去除主要發(fā)生在UASB 池和生態(tài)濾池中，UASB 池中利用厭氧污泥層的攔截作用和生物降解作用， 將高分子有機物轉(zhuǎn)化為低分子有機物或轉(zhuǎn)化為沼氣等物質(zhì)； 而生態(tài)濾池依靠調(diào)節(jié)池、UASB池等預處理構(gòu)筑物的緩沖、調(diào)節(jié)和降解的作用，面對進水水質(zhì)的波動，能有效抗擊沖擊負荷，保障出水水質(zhì)穩(wěn)定。 其中調(diào)節(jié)池、UASB 池和生態(tài)濾池的去除率分別為3．53%，38．35%和36．65%，COD 的去除主要發(fā)生在UASB 池和生態(tài)濾池中。

2．2 組合工藝對NH4+-N 和TN 的去除效果

組合工藝對NH4+-N 和TN 的去除效果見圖3。

圖3 組合工藝對NH4+-N 和TN 的去除效果

由圖3 可知， 進水TN 質(zhì)量濃度為17．8 ～32．5 mg/L，生態(tài)濾池出水TN 質(zhì)量濃度為2．07 ～9．77 mg/L，TN 去除率56．45%～93．15%（平均值為73．71%）；另外，進水NH4+-N 質(zhì)量濃度為13．3 ～26．4 mg/L，出水NH4+-N 質(zhì)量濃度為0．83 ～5．87 mg/L，NH4+-N 去除率68．94% ～96．78%（平均 值80．66%）。 出水TN，NH4+-N 濃度低于《江西省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標準》（2019 年7 月實施） 一級標準，分析了NO3--N，NO2--N 濃度變化規(guī)律，進水ρ（NO3--N） ≤0．52 mg/L，ρ （NO2--N） ≤0．23 mg/L， 出水ρ(NO3--N)≤2．11 mg/L，ρ（NO2--N）≤1．54 mg/L。 并沒有出現(xiàn)NO3--N 和NO2--N 大量積累問題。

TN 去除主要經(jīng)歷硝化和反硝化過程，調(diào)節(jié)池和UASB 池內(nèi)發(fā)生的氮素化合物去除的效果偏低，主要通過微生物同化吸收和污泥吸附以及沉降等作用實現(xiàn)TN 的部分降低；TN 主要在生態(tài)濾池內(nèi)實現(xiàn)去除，植物吸收作用、微生物膜的氧化分解、固相反硝化作用和吸附作用等等， 旋轉(zhuǎn)布水作用強化水體充氧效果， 強化了無煙煤濾層內(nèi)植物和硝化細菌的生長效果； 絲竹填料層內(nèi)主要發(fā)生反硝化作用， 實現(xiàn)NO3-N，NO2--N 的去除； 火山巖濾層主要完成氮素化合物的深度吸附和攔截作用。

2．3 組合工藝對TP 的去除效果

組合工藝對TP 的去除效果和沿程變化見圖4。

圖4 組合工藝對TP 的去除效果

由圖4 可知，組合工藝穩(wěn)定運行階段，進水TP質(zhì)量濃度為2．54 ～4．49 mg/L， 出水TP 質(zhì)量濃度為0．44 ～0．98 mg/L，TP 去除率68．59%～86．82%，平均去除率達到79．06%。 分析認為：生態(tài)濾池系統(tǒng)是TP去除的主要構(gòu)筑物， 而調(diào)節(jié)池和UASB 池去除效果相當有限。 生態(tài)濾池內(nèi)水生植物的吸收、 微生物同化、 無煙煤和火山巖的吸附以及絮凝沉降作用等都是TP 去除的主要原因。

2．4 組合工藝對SS 的去除效果

組合工藝對SS 的去除效果和沿程變化見圖5。

圖5 組合工藝各單元對SS 的去除效果

由圖5 可知，裝置在穩(wěn)定運行階段，進水SS 質(zhì)量濃度為66．9 ～139．4 mg/L， 調(diào)節(jié)池出水SS 質(zhì)量濃度為55．6 ～112．3 mg/L，UASB 出水SS 質(zhì)量濃度為33．2 ～63．4 mg/L， 生態(tài)濾池出水SS 質(zhì)量濃度為6．5～15．2 mg/L， 調(diào)節(jié)池、UASB 池和生態(tài)濾池等3 個單元對SS 的平均去除率19．26%，33．39%和36．39%。從試驗數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，SS 的去除主要發(fā)生在UASB池和生態(tài)濾池，調(diào)節(jié)池對SS 的去除能力較弱，主要通過長時間的沉降作用而實現(xiàn)的，UASB 池對SS 的去除包括污泥層的攔截和污泥的吸附作用， 生態(tài)濾池對SS 的去除主要包括過濾、吸附和沉降作用。

2．5 指示性微生物表征

本組合工藝穩(wěn)定運行之后， 對UASB 內(nèi)污泥層進行分析， 發(fā)現(xiàn)在UASB 內(nèi)的污泥層中發(fā)現(xiàn)有大量的顆粒污泥，直徑大約為0．05 ～0．4 cm 左右，聚集在UASB 池內(nèi)的中下部，呈明顯的黑色，具有很好的過濾、攔截等作用。

生態(tài)濾池表層無煙煤內(nèi)的生物膜較多， 對其表面微生物膜進行分析后發(fā)現(xiàn)， 發(fā)現(xiàn)有少量的鐘蟲和輪蟲（見圖6）屬于寡污帶常見的指示性微生物，說明生態(tài)濾池生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，出水水質(zhì)良好。在一些無煙煤截留孔隙的污泥內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有大量的掃除性微生物（紅斑瓢體蟲、線蟲等），生態(tài)濾池具有過濾功能，無煙煤之間的孔隙中容易產(chǎn)生很多的污染物和顆粒物，長時間運行后容易產(chǎn)生擁堵，掃除性微生物具有指示堵塞和自動清除等作用，保證生態(tài)濾池正常運行的同時，獲得自我完善和自我更新的“本能”。

圖6 指示性微生物

3 討論

針對農(nóng)村生活污水污染特點， 并基于農(nóng)村區(qū)域現(xiàn)狀，采用UASB+生態(tài)濾池組合工藝處理農(nóng)村生活污水符合生態(tài)凈化原理和污染河流自凈原理， 是一種強化的污水自凈過程， 在不同反應器中根據(jù)水質(zhì)特點，培養(yǎng)不同微生物種群，達到污染物凈化的目的。

農(nóng)村生活污水經(jīng)過調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量并初步沉淀后。首先經(jīng)過UASB 池進行厭氧生物處理，使污水在厭氧條件下實現(xiàn)自我凈化，符合污水凈化過程，屬于預處理工藝段； 此過程類似于污染河流的排污口處，污染較重，溶解氧少，以厭氧菌降解和礦化為主，將污染物轉(zhuǎn)化為低分子有機物、二氧化碳、甲烷等，同時輔于一定的沉降作用、稀釋作用等物理化學作用[14]。 UASB 池類似于污染河流的缺氧段，所以試驗過程中仍然有一定的惡臭氣體產(chǎn)生[15]。

經(jīng)過調(diào)節(jié)池和UASB 池作用后， 污水中的有機物、氮、磷等污染物都有一定的下降，而且其中的溶解氧也下降到一定水平， 故而通過重力勢能作用將UASB 出水均勻的噴灑在生態(tài)濾池表面，實現(xiàn)充氧和均勻布水作用， 在完全自然條件的生態(tài)濾池內(nèi)實現(xiàn)深度凈化和污染物攔截等；生態(tài)濾池類似于一個強化的快速滲濾系統(tǒng)， 不同的是采用了多層天然濾料作為水生植物生長基質(zhì)， 實現(xiàn)了基質(zhì)凈化和植物凈化的耦合過程[16]。此過程類似于污染河流的β，α 和寡污帶以及清潔帶， 以兼性菌、 好氧菌和水生植物的凈化為主，將污水中的污染物吸附、攔截和降解掉[17]。

4 結(jié)論

（1）采用UASB+生態(tài)濾池組合工藝處理農(nóng)村生活污水是可行的，其中COD，TN 和SS 出水達到《江西省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標準》（2019 年7 月實施）一級標準，出水水質(zhì)透明度非常高，出水濁度很低。

（2）組合工藝對COD，TN，TP，SS 的去除率分別為69．2%～86．5%，56．45%～93．15%，68．59%～86．82%和83．51%～93%；

（3）組合工藝處理對農(nóng)村生活污水是一種運行費用少、無需維護的方法，適合在廣大農(nóng)村推廣應用。