“A2/O生物前處理-人工濕地”工藝在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用示范*

(四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

目前，四川省共有4.5萬個(gè)行政村，總數(shù)位列全國第三。散居、分布量大、面積廣、人口眾多且大部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較薄弱是四川農(nóng)村的主要特點(diǎn)[1]。據(jù)住建部最新統(tǒng)計(jì)，四川農(nóng)村生活污水平均處理率只有20%，由于大部分村落基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足，生活污水散排現(xiàn)象仍十分嚴(yán)重，因此農(nóng)村污水處理仍然是當(dāng)前我省農(nóng)村人居環(huán)境整治的最大難點(diǎn)[2]。

為深入實(shí)施污染防治“三大戰(zhàn)役”，補(bǔ)齊農(nóng)村生活污水處理設(shè)施建設(shè)短板，縮小城鄉(xiāng)二元化差距。2018年3月，四川省政府印發(fā)了《四川省農(nóng)村生活污水治理五年實(shí)施方案》，方案提出，從2018年開始，分三階段逐步推進(jìn)全省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施建設(shè)，污水處理保障能力和服務(wù)水平得到全面提升：污水處理率必須從第一階段50%提升到第二階段的90%，截止第三階段末(2022年)實(shí)現(xiàn)全省所有行政村農(nóng)村生活污水處理全覆蓋[1]。同時(shí)還要求各地各部門積極探索符合四川省農(nóng)村特點(diǎn)、可復(fù)制可推廣的農(nóng)村生活污水治理模式，以全面提高農(nóng)村人居環(huán)境質(zhì)量。

由于農(nóng)村各地環(huán)境的特殊性，使其無法按照統(tǒng)一的、規(guī)模化處理的模式推廣，必須因地制宜綜合考慮各方面因素，因此，筆者在大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇了成都平原地區(qū)極具代表性的一處農(nóng)村社區(qū)開展生活污水“A2/O生物前處理-人工濕地”組合工藝的探索與示范。本著“因地制宜，分類治理，應(yīng)集盡集，應(yīng)治盡治”的原則，在綜合考慮了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平、財(cái)政狀況、污水規(guī)模和農(nóng)民需求等多方面因素的情況下，改造并設(shè)計(jì)了該工藝。實(shí)踐證明該工藝投資小、管理維護(hù)簡(jiǎn)便，運(yùn)行半年以來生態(tài)環(huán)境效益明顯，受益群眾反應(yīng)良好，為我省農(nóng)村社區(qū)生活污水治理模式的選擇積累了較成功的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 小區(qū)情況

本項(xiàng)目工程為一集中式農(nóng)村居民社區(qū)，地處四川省成都市都江堰市大觀鎮(zhèn)西南側(cè)，小區(qū)目前有6棟居民樓，共285戶，人口約900人。由于小區(qū)地勢(shì)處于全鎮(zhèn)最低，因此，該鎮(zhèn)是目前唯一未接入市政管網(wǎng)的社區(qū)。小區(qū)共設(shè)有4個(gè)化糞池，生活污水主要包括廚房用水、洗衣和洗浴用水、衛(wèi)生間沖洗廢水等。原污水處理工藝為：化糞池-收集池-好氧池-人工濕地-排入河道。但由于原工藝疏于管理，目前各環(huán)節(jié)均已無法正常運(yùn)行，污水收集池污泥淤積嚴(yán)重；好氧池?zé)o曝氣充氧；人工濕地植物發(fā)育不良，雜草叢生；濕地內(nèi)部管道堵塞，涌水嚴(yán)重，散發(fā)惡臭，蚊蠅滋生；濕地后排水河溝生境破壞，岸坡裸露，垃圾遍布，河道水體輕度黑臭，居民生活受到嚴(yán)重影響，居民對(duì)小區(qū)環(huán)境改造意愿十分強(qiáng)烈。小區(qū)原污水處理工藝參數(shù)和流程分別如表1和圖1所示。

表1小區(qū)原污水處理單元主要參數(shù)

圖1 小區(qū)原污水處理工藝流程

1.2 生活污水水質(zhì)水量調(diào)查

生活污水進(jìn)水和人工濕地出水分別采集于化糞池前端的破損管道和人工濕地出口，水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表2。監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)、出水水質(zhì)差別較小，說明整個(gè)工藝流程并沒有正常發(fā)揮作用；同時(shí)根據(jù)《四川省用水定額》(DB 51/T 2138-2016)，本地農(nóng)村居民生活用水定額為120L/人·d，并結(jié)合該區(qū)村民生活習(xí)慣和建筑給排水設(shè)施水平，污水排放量按用水定額的80%計(jì)，推算該區(qū)最大污水排放量約86.4m3/d。根據(jù)主要污染物的平均排放濃度，推算出小區(qū)主要污染物日排放量情況見表3。根據(jù)對(duì)本小區(qū)水質(zhì)水量的調(diào)查，對(duì)組合工藝設(shè)計(jì)日處理污水規(guī)模為100m3/d。

表2小區(qū)生活污水原進(jìn)出水水質(zhì)情況 單位：mg/L

表3小區(qū)生活污水排放量及主要污染物負(fù)荷

2 污水處理工程改造

2.1 工藝流程改造

由于原工藝的有機(jī)物去除和脫氮除磷效果不佳，因此在原工藝的基礎(chǔ)上增加一個(gè)地埋式“兼氧調(diào)節(jié)池”和曝氣池后端的泥水“回流渠”，目的是在原來工藝流程中增加一個(gè)兼氧和回流過程，從而形成“A2/O”工藝，一是為了提高營養(yǎng)物和有機(jī)物質(zhì)的去除率，二是提高系統(tǒng)整體脫氮除磷的效果。

圖2 新工藝流程結(jié)構(gòu)

增加的“兼氧調(diào)節(jié)池”一方面可穩(wěn)定從污水收集池溢流而來的污水水質(zhì)和水量，另一方面還可促進(jìn)反硝化過程的進(jìn)行，同時(shí)進(jìn)一步沉淀水體中懸浮物。在“A2/O”前處理工藝后再連接潛流式人工濕地，以實(shí)現(xiàn)深度脫氮除磷以及美化農(nóng)村環(huán)境的作用。

2.2 人工濕地改造

2.2.1 濕地床體

床體內(nèi)基質(zhì)填充厚度約100cm，基質(zhì)粒徑級(jí)配從下至上依次為：40mm～50mm 礫石(約30cm厚)；20mm～25mm陶粒(30cm厚)；15mm～20mm 的小礫石(約20cm厚)；10mm～15mm小礫石+20%石英砂(約20cm厚)。距基質(zhì)表面上方10cm 處布設(shè)穿孔布水管，濕地底部及距底部 20cm處分別設(shè)有排空管與出水取樣口，床體垂直布有通氣管(同時(shí)起到溢流作用)。出水取樣口位于尾水池內(nèi)，尾水池出水直接排入周邊小溝渠。

2.2.2 植物配置

在植物配置方面，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂颉⒌匦魏腿宋木坝^條件，優(yōu)先選用了成本低廉、易于管理的本地植物。項(xiàng)目根據(jù)濕地進(jìn)出水水質(zhì)和植物抗污染負(fù)荷能力，首選了有一定觀賞價(jià)值且成活率較高、耐污力較強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)的3種濕地植物，即菖蒲、美人蕉和傘草。根據(jù)濕地管網(wǎng)推流特征，濕地前1/3段種植菖蒲，中部1/3段種植美人蕉，后1/3段種植傘草，種植時(shí)平均株高為30cm～40cm，種植間距均為20cm×20cm。

2.3 排水溝改造

人工濕地的出水直接排入一小河溝，該河溝長約70m，平均水深不足30cm，流速緩慢，河溝水流最終匯入同一灌溉渠道。前期勘察發(fā)現(xiàn)該河溝水質(zhì)污濁，垃圾腐葉漂浮，蚊蠅滋生，水體呈輕度黑臭。因此，河溝的改造首先采取清淤和垃圾打撈措施；其次，岸坡固土植物種植，選取了美人蕉、千蕨菜和梔子花三種“走根”較快且具觀賞性的植物；最后，溝底植物的種植，選擇了金魚藻，以增加水體復(fù)氧能力，重建水下生境。

2.4 組合工藝運(yùn)行方式設(shè)置

小區(qū)所處地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年均氣溫15.2℃，四季分明，夏季最熱為7-8月，平均氣溫約15℃，最高氣溫約28℃；冬季最冷為1-2月，平均氣溫為4.6℃，平均最低氣溫約1℃。 由于溫度對(duì)整個(gè)工藝的影響較大，尤其是水溫對(duì)“A2/O”生物工藝酶促反應(yīng)速率和微生物代謝速率的影響，以及氣溫對(duì)濕地植物生長的影響，因此總體來說夏季的處理效果優(yōu)于冬季。通過前期反復(fù)測(cè)試，本工藝流程分別針對(duì)冬、夏季節(jié)設(shè)置了不同的運(yùn)行方式，以盡可能保證穩(wěn)定的出水效果。

經(jīng)“A2/O”生物工藝處理后的污水，由蠕動(dòng)泵加壓通過穿孔布水管引入濕地。濕地的進(jìn)、出水均由PLC時(shí)控計(jì)及電磁閥進(jìn)行控制。剛種植的濕地植物需經(jīng)一段時(shí)間的緩苗，之后組合工藝中各環(huán)節(jié)按照序批式方式運(yùn)行。

(1)冬季：采取“進(jìn)水-厭氧3h-兼氧4h-好氧5h-人工濕地10h-出水-濕地空床2h-下一個(gè)周期”；

(2)夏季：采取“進(jìn)水-厭氧3h-兼氧4h-好氧3h-人工濕地14h-出水-下一個(gè)周期”。

“A2/O”工藝好氧段采用變頻羅茨風(fēng)機(jī)供氧，根據(jù)DO儀表指數(shù)反饋供氧量；此外，在濕地運(yùn)行中，嘗試采用“進(jìn)水-反應(yīng)-排水-空床”的方式(尤其冬季)，一是使床體飽和浸潤面產(chǎn)生周期性變化，將大氣中的氧吸入地基質(zhì)內(nèi)，以改善濕地內(nèi)的氧環(huán)境，從而強(qiáng)化濕地對(duì)有機(jī)物及氨氮的去除[3]；二是由于冬季濕地植物停止生長甚至枯萎，導(dǎo)致人工濕地的凈化能力降低，因此，設(shè)置生物前處理工藝流程時(shí)間要多于夏季，以彌補(bǔ)低溫濕地功能的不足。

3 組合工藝建設(shè)成效

3.1 組合工藝運(yùn)行效果

本組合工藝工程完成后，前段“A2/O”生物處理工藝即可開始運(yùn)行，經(jīng)過前2個(gè)月的運(yùn)行調(diào)試(包括充氧效率、泥水回流比、回流泵參數(shù)、MLSS濃度比等)，該段工藝出水水質(zhì)較穩(wěn)定；后段人工濕地在植物繁育茂密的第3個(gè)月后出水水質(zhì)較為穩(wěn)定。該組合工藝正常運(yùn)行后，小區(qū)原來存在的主要水環(huán)境問題均得到解決，小區(qū)水體不再散發(fā)惡臭、濕地植物繁茂，排水正常、小區(qū)屋后排水溝水體變得清澈，大大改善了小區(qū)及周邊河溝的生態(tài)環(huán)境，工程運(yùn)行效果明顯。

圖3 組合工藝運(yùn)行后周邊水環(huán)境改善

3.2 水樣水質(zhì)情況

組合工藝正常運(yùn)行后，每月對(duì)進(jìn)、出水進(jìn)行采樣監(jiān)測(cè)，其中出水樣采集2個(gè)：“A2/O”工藝出水(A口)、人工濕地出水(B口)，主要對(duì)pH、CODcr、BOD5、NH3-N、SS、TP 等 6項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行考察，水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表4。

表4水樣水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況 單位：mg/L

通過表4水樣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，將該組合工藝用于農(nóng)村生活污水處理，出水效果明顯。前段“A2/O”生物工藝出水指標(biāo)均達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，其中除NH3-N去除率為66%外，其他幾個(gè)指標(biāo)均達(dá)到了80%的去除率；而后段人工濕地處理則將污染物去除率進(jìn)一步提高，出水基本能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，尤其是BOD5、SS、TP三個(gè)指標(biāo)去除率達(dá)到了90%以上，表明將人工濕地用于“A2/O”生物前處理措施之后能進(jìn)一步有效提高污染物的去除率。對(duì)于脫氮除磷方面，人工濕地的作用也較明顯，NH3-N去除率由66%提高到79%，TP去除率由80%提高到90%。

4 問題及建議

4.1 “A2/O”生物前處理工藝

4.1.1 污泥膨脹

在“A2/O”生物處理工藝中，有可能發(fā)生污泥膨脹的問題，而污泥膨脹分為絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹兩類。當(dāng)水溫較低，且污泥負(fù)荷較高時(shí)，則容易發(fā)生非絲狀菌膨脹，這種情況下細(xì)菌由于吸附了大量的有機(jī)物，使其沉淀壓縮難度增加，但這并不是壞事，因?yàn)楫?dāng)非絲狀菌膨脹時(shí)污泥尚具有較好的生化處理效能，出水質(zhì)量也能保障，但是一旦絲狀菌膨脹發(fā)生，則會(huì)影響出水效果，因此應(yīng)避免絲狀菌膨脹現(xiàn)象的發(fā)生[4]。絲狀菌膨脹現(xiàn)象以污泥鏡和出水水質(zhì)作為判斷依據(jù)，建議可采用投加鐵鹽、鋁鹽等混凝劑的措施來增強(qiáng)污泥沉降性，以保證出水水質(zhì)；亦可在回流渠中投加過氧化氫，以打破絲狀菌結(jié)構(gòu)，快速降低 SVI 值，但以上方法僅只作為臨時(shí)應(yīng)急采用，并不是解決污泥膨脹的根本性辦法。長期有效措施則建議動(dòng)態(tài)監(jiān)控“A2/O”各池中的DO濃度，以確保污泥混菌始終處于交替“缺氧-好氧”狀態(tài)，使有機(jī)物濃度能保持周期性變化，這樣才是防止污泥膨脹的根本措施。

4.1.2 O段(好氧池)曝氣

由于潛流人工濕地內(nèi)的厭氧狀態(tài)是導(dǎo)致脫氮效果差和胞外聚合物積累的重要原因，因此，通過前端好氧池曝氣水體增氧來改善濕地的氧化環(huán)境是提高其脫氮效果的重要措施之一[5]。該方法已在相關(guān)研究中得到印證，Chazarenc等[6]在水平潛流人工濕地中采用了濕地前端曝氣方法，提高了總氮的去除率，同時(shí)減少了堵塞物(主要是有機(jī)物)的積累，使?jié)竦厍岸宋⑸锏臄?shù)量大大增加。但同時(shí)要注意曝氣強(qiáng)度和碳源問題，以防反硝化強(qiáng)度不夠?qū)е孪跛猁}過量積累[7]。

4.2 人工濕地工藝

4.2.1 濕地空床時(shí)間

本項(xiàng)目中冬季增加人工濕地空床時(shí)間主要是為了增強(qiáng)濕地的自然復(fù)氧能力。通過調(diào)控濕地運(yùn)行方式，采取“進(jìn)水-滯留-排水-閑置”的方式運(yùn)行，使人工濕地的復(fù)氧主要包括植物根系泌氧、大氣擴(kuò)散輸氧、排空瞬間濕地飽和浸潤面變化產(chǎn)生負(fù)壓力吸入氧氣，濕地空床期間由于床體與大氣中的氧氣存在濃度梯度而產(chǎn)生的對(duì)流輸氧[8]。有研究表明，適當(dāng)?shù)卦黾涌沾矔r(shí)間能提高人工濕地的復(fù)氧量，提高濕地內(nèi)部微生物的數(shù)量與活性，從而增強(qiáng)對(duì)污染物的去除效果[9]。但目前該類研究較少，因?yàn)榭沾矔r(shí)間會(huì)直接影響植物的生長，因此，目前只是做了初步嘗試，還應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)人工濕地最佳空床時(shí)間的探索，以及空床時(shí)間對(duì)濕地脫氮除磷效果和植物生長指標(biāo)的研究。

4.2.2 基質(zhì)的粒徑及級(jí)配

本項(xiàng)目中人工濕地類型屬于水平潛流，因此在如何減少短流和死區(qū)等方面做了一些探索。由于不同基質(zhì)的吸附性能存在明顯差異，且基質(zhì)的孔隙率、滲透系數(shù)、含水率、化學(xué)成分等也直接影響著人工濕地堵塞情況的發(fā)展[10]。粒徑較大的基質(zhì)，其孔隙大，可以有效地防止堵塞的發(fā)生；粒徑較小的基質(zhì)，其表面積大，有利于增加濕地中微生物的數(shù)量。應(yīng)根據(jù)不同基質(zhì)粒徑下的流體特性，采取合理的基質(zhì)級(jí)配，改善人工濕地內(nèi)流場(chǎng)分布，這樣不但能減少濕地內(nèi)的短流和死區(qū)，也能改善基質(zhì)不同深度上的氧化還原狀態(tài)，以減緩堵塞的發(fā)生。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的基質(zhì)粒徑與級(jí)配，在運(yùn)行了6個(gè)月后效果良好，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

4.2.3 濕地植物

在濕地植物的選擇和配置方面，建議選擇耐污力強(qiáng)和凈化力強(qiáng)的濕地植物。濕地植物的耐污能力、凈化能力、吸收污染物類型等有所不同，要根據(jù)污水類型和污染程度，選擇合適的濕地植物。在本項(xiàng)目中運(yùn)行第4個(gè)月發(fā)現(xiàn)傘草的耐污力較弱，由于前段生物工藝出現(xiàn)過流程調(diào)試，濕地進(jìn)水污染負(fù)荷較高，傘草出現(xiàn)了大片倒伏死亡的情況，因此，后期濕地又補(bǔ)種了再力花和梔子花等走根較快的本地植物。因此，人工濕地建議要選擇抗性強(qiáng)的植物。

一旦前段工藝出現(xiàn)故障，人工濕地植物會(huì)承受較高的污染負(fù)荷，因長期接觸濃度較高的污水，同時(shí)污水容易滋生細(xì)菌，易發(fā)生病蟲害，所以要選擇一些抗逆性強(qiáng)(包括抗病蟲害能力、耐鹽性、耐高溫性以及耐寒性等)的濕地植物，保證生長穩(wěn)定、易于管理，有利于污水凈化。

5 結(jié)論與展望

(1)本項(xiàng)目采用了“A2/O生物前處理-人工濕地”工藝處理農(nóng)村社區(qū)生活污水，效果明顯、流程控制簡(jiǎn)便、運(yùn)維費(fèi)用較低、出水較穩(wěn)定。污水中CODcr、BOD5、NH3-N、SS、TP總的去除率分別能達(dá)到86%、94%、79%、95%、90%。各指標(biāo)出水水質(zhì)基本能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)的一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)。濕地出水可直接回用于農(nóng)田灌溉、畜禽飼養(yǎng)、漁業(yè)養(yǎng)殖等，示范效果明顯。

(2)本組合技術(shù)前期投入主要集中在池體改造、工藝流程改造、人工濕地重構(gòu)等方面，一旦流程確定，通過時(shí)控器和PLC控制，后期可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便。日常運(yùn)維費(fèi)則主要包括電費(fèi)、少量藥劑費(fèi)和人工費(fèi)等。項(xiàng)目的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益較明顯，運(yùn)行后受益群眾反映良好。

(3)目前各地已有一些人工濕地與其它生物工藝相結(jié)合的工程案例，如“好氧+人工濕地”工藝處理屠宰場(chǎng)廢水，“A/O+鋁污泥填料人工濕地”組合工藝處理農(nóng)村生活污水，加強(qiáng)型化糞池/潛流人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水等，均取得了一定的成效[11-13]，然而組合工藝的研究更多的是注重實(shí)效性和應(yīng)用性，而對(duì)后端濕地植物具體的凈化過程并不十分清楚。因此，在未來的研究中，技術(shù)人員應(yīng)重視以下兩個(gè)方面：一是如何實(shí)現(xiàn)組合工藝的長效脫氮除磷以及濕地長期運(yùn)行過程中的污染物去除機(jī)理和去除動(dòng)力模型；二是加強(qiáng)濕地植物在冬季如何保持其原有的去污能力方面的研究，使構(gòu)建的人工濕地盡可能全年保持其原有設(shè)計(jì)凈化能力。