曝氣生物活化濾池-人工快濾-人工氧化塘組合技術(shù)處理農(nóng)村高濃度廢水的研究

梁文壽，唐名富，余 謙

(1.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004；2.廣西環(huán)境治理工程技術(shù)研究中心，廣西 桂林 541004；3.廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國農(nóng)村每年產(chǎn)生的生活污水達(dá)80多億噸[1]，農(nóng)村生活污水的無序排放是造成農(nóng)村水體污染的一個重要原因，改善農(nóng)村水環(huán)境必須著手處理農(nóng)村生活污水[2]。近年來農(nóng)村污水排放量在污水總排放量中的比例越來越大[3-5]。農(nóng)村生活污水主要來源于以下六類[6]：以人類尿液為主的污水，家畜類糞便的污水，廢棄垃圾腐化產(chǎn)生的污水，廚房洗滌用，淋浴水，洗衣水等。

目前大部分污水處理技術(shù)適合于縣城以及中心城鎮(zhèn)的水量規(guī)模，不適合小城鎮(zhèn)以及農(nóng)戶集中居住地區(qū)的污水處理[7]；鑒于農(nóng)村廢水水量、水質(zhì)不穩(wěn)定，開發(fā)出一種能夠適應(yīng)各種水質(zhì)及水量變化且運(yùn)行簡單、投資成本和運(yùn)行成本都較低的農(nóng)村高濃度廢水處理技術(shù)的研究，有廣泛的應(yīng)用前景。

人工快速滲濾是我國科研人員通過借鑒污水快速滲濾與人工構(gòu)造濕地等處理工藝的優(yōu)點(diǎn)而自主研發(fā)出來的一種新型土地處理技術(shù)[8]。目前國外對人工快速滲濾技術(shù)研究不多，Merlin G和Mann AT等國外學(xué)者對人工快速滲濾系統(tǒng)的生物學(xué)和除污機(jī)理做了探討[9-10]。

人工快濾系統(tǒng)(Constructed Rapid Infiltration，簡稱CRI)，即采用滲透性較好的砂石及其他填充料代替天然土層營建新型土地污水處理技術(shù)。針對人工快速滲濾系統(tǒng)對總氮的去除尚不理想，學(xué)者們對其進(jìn)行了進(jìn)一步的研究[11-16]，如不同滲濾介質(zhì)組成、人工快慮深度、硝化反硝化時間、力負(fù)荷周期的推薦值、干段和濕段的時間變化等。人工快濾系統(tǒng)去除有機(jī)物的能力遠(yuǎn)強(qiáng)于人工濕地等土地處理技術(shù)，可有效去除BOD、COD、TN等污染物，因此，人工快濾多用于農(nóng)村污水、廢水深度處理等領(lǐng)域[17-18]。

人工氧化塘又稱人工穩(wěn)定塘，是人工適當(dāng)修整或人工修建的設(shè)有圍堤和防滲層的污水池塘，主要依靠自然生物凈化功能，該技術(shù)較適合應(yīng)用于南方地區(qū)[19-21]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)工藝

為了提高廢水各污染物的處理效率，本研究在常規(guī)的人工快濾基礎(chǔ)上，在前端增加曝氣的工藝和生物掛膜，在末端增加人工氧化塘的工藝，設(shè)計(jì)“曝氣生物活化濾池-人工快濾-人工氧化塘”試驗(yàn)處理工藝，采用農(nóng)村高濃度廢水水樣進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用兩段進(jìn)水方式，通過液位高壓差使廢水自行流動，一段進(jìn)水方式為下進(jìn)水、上出水，水箱規(guī)格為1.0 m×1.0 m×1.5 m，內(nèi)置填料約占總體積的35%，儲水量約為0.8 m3，廢水處理方式為曝氣加生物掛膜；二段進(jìn)水方式為上進(jìn)水、下出水，水箱規(guī)格為1.0 m×1.0 m×1.2 m，內(nèi)置填料約占總體積的85%，最底層為鵝卵石作為承托層，中間為改性浮石吸附材料。人工氧化塘規(guī)格為1.5 m×3.0 m×0.5 m，氧化塘由鵝卵石、河沙、改性浮石、黏土、藻類及水生植物組成。

經(jīng)過多次試驗(yàn)，本試驗(yàn)直接采用前期獲得的最佳試驗(yàn)方案：進(jìn)水流量約為0.4 m3/h，廢水停留時間約2.8 h，一段廢水處理量與曝氣量為1∶1，二段廢水處理水力負(fù)荷約為1 m/d，每天持續(xù)運(yùn)行8 h，連續(xù)運(yùn)行12 d，每天分別對一段出水、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水樣，監(jiān)測出水水質(zhì)。

1.2 監(jiān)測項(xiàng)目及監(jiān)測方法

本試驗(yàn)監(jiān)測項(xiàng)目為pH值、BOD、CODcr、TN、SS等，監(jiān)測方法見表1。

表1 污染物指標(biāo)監(jiān)測方法Table 1 Monitoring method of pollutant index

2 結(jié)果與分析

2.1 BOD去除效果分析

試驗(yàn)方式為連續(xù)進(jìn)水，每天持續(xù)運(yùn)行8 h，連續(xù)運(yùn)行12 d，每天分別對一段、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水樣，出水的BOD因子監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 BOD出水濃度和去除率Table 2 BOD effluent concentration and removal rate

由表2可見，第1天的一段、二段和人工氧化塘出水的BOD濃度較低，總?cè)コ蕿?3.52%，為12 d連續(xù)試驗(yàn)的最高去除率，第2天至第6天BOD總?cè)コ示徛档?，?天總?cè)コ蕿?1.43%，為最低的去除率，第7～9天BOD總?cè)コ示徛仙?～12天的BOD總?cè)コ瘦^為穩(wěn)定，均約為92%，說明本試驗(yàn)BOD在第9天達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，其總?cè)コ蕿?2%。由于前期填料的生物膜尚未完全生長起來，BOD去除主要是各種填料的吸附作用，在第6天出現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象，致使污染物穿透，后來穿透現(xiàn)象隨著生物膜生長而減輕，處理效果回升，人工氧化塘也是前期去除率高，第6天穩(wěn)定，本試驗(yàn)系統(tǒng)BOD總?cè)コ室仓鸩椒€(wěn)定。

2.2 CODcr去除效果分析

試驗(yàn)方式為連續(xù)進(jìn)水，每天持續(xù)運(yùn)行8 h，連續(xù)運(yùn)行12 d，每天分別對一段、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水樣，出水的CODcr因子監(jiān)測結(jié)果見表3。

表3 CODcr出水濃度和去除率Table 3 CODcr effluent concentration and removal rate

由表3可見，第1天的一段、二段和人工氧化塘出水的CODcr濃度較低，總?cè)コ蕿?2.01%，為12d連續(xù)試驗(yàn)的最高去除率，第2天至第5天CODcr總?cè)コ示徛档?，?天總?cè)コ蕿?8.12%，為最低的去除率，第6～9天CODcr總?cè)コ示徛仙?，?～12天的CODcr總?cè)コ瘦^為穩(wěn)定，均約為89.80%，說明本試驗(yàn)CODcr在第9天達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，其總?cè)コ蕿?9.80%。由于前期CODcr首先被填料和系統(tǒng)內(nèi)生物膜進(jìn)行截留吸附，此時填料的生物膜尚未完全生長起來，而本系統(tǒng)真正對CODcr進(jìn)行降解去除的是填料內(nèi)生存的微生物，第9天填料的生物膜穩(wěn)定后，CODcr的總?cè)コЧ糙呌诜€(wěn)定，說明系統(tǒng)內(nèi)微生物豐富且具有較高的活性。

2.3 TN去除效果分析

試驗(yàn)方式為連續(xù)進(jìn)水，每天持續(xù)運(yùn)行8 h，連續(xù)運(yùn)行12 d，每天分別對一段、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水樣，出水的TN因子監(jiān)測結(jié)果見表4。

表4 TN出水濃度和去除率Table 4 TN effluent concentration and removal rate

由表4可見，塘出水的TN濃度較低，總?cè)コ蕿?2.02%，為12 d連續(xù)試驗(yàn)的最高去除率，第2天至第5天TN總?cè)コ示徛档?，?天總?cè)コ蕿?8.12%，為最低的去除率，第7～9天TN總?cè)コ示徛仙?，?～12天的TN總?cè)コ瘦^為穩(wěn)定，均約為80.20%，說明本試驗(yàn)TN在第9天達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行，其總?cè)コ蕿?0.20%。帶正電荷的氨氮離子被帶負(fù)電荷的濾料顆粒和微生物吸附，好氧條件下，被吸附的氨氮在硝化細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，在厭氧條件下，硝態(tài)氮在反硝化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化成氣態(tài)氮進(jìn)行脫氮，由于前期填料的生物膜尚未完全生長起來，TN去除主要是各種填料的吸附作用，在第6天出現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象，致使污染物穿透，后來穿透現(xiàn)象隨著生物膜生長而減輕，處理效果回升，并趨于穩(wěn)定。

2.4 SS去除效果分析

試驗(yàn)方式為連續(xù)進(jìn)水，每天持續(xù)運(yùn)行8 h，連續(xù)運(yùn)行12 d，每天分別對一段、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水樣，出水的SS因子監(jiān)測結(jié)果見表5。

表5 SS出水濃度和去除率Table 5 SS effluent concentration and removal rate

由表5可見，第1天的一段、二段和人工氧化塘出水的SS濃度較低，總?cè)コ蕿?4.45%，為12 d連續(xù)試驗(yàn)的最高去除率，第2天至第7天SS總?cè)コ示徛档?，?天至第12天SS總?cè)コ驶痉€(wěn)定，其總?cè)コ始s為80.40%。說明SS前期去除主要是各種填料的吸附作用，在第7天出現(xiàn)吸附飽和現(xiàn)象，其后主要依據(jù)微生物吸附和人工氧化塘沉淀及吸附等。人工氧化塘的鵝卵石、河沙、改性浮石的吸附機(jī)制主要有化學(xué)吸附、物理吸附、離子交換吸附及過濾截留，其中占主導(dǎo)地位的是離子交換吸附、化學(xué)吸附和物理吸附，特別是沸石內(nèi)部通道固定且大小均勻，能吸附小于沸石直徑物質(zhì)，沸石對離子、分子的吸附具有一定的選擇性，其SS具有較強(qiáng)的吸附性。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

農(nóng)村高濃度污水的BOD、CODcr、TN和SS濃度在167.64～172.10 mg/L、348.88～354.35 mg/L、65.23～66.51 mg/L、87.91～89.20 mg/L的濃度范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)采取“曝氣生物活化濾池-人工快濾-人工氧化塘”一體化處理工藝，廢水停留時間約為2.8 h，一段廢水處理量與曝氣量約為1∶1時，處理后BOD、CODcr、TN和SS等污染物總?cè)コ史謩e為92.00%、89.80%、82.20%和80.40%，出水水質(zhì)可穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)要求，處理后水質(zhì)優(yōu)于普通人工快濾系統(tǒng)處理后的水質(zhì)。

由于試驗(yàn)時間短，工藝的穩(wěn)定性、人工快慮填料的壽命以及堵塞等問題有待于進(jìn)一步試驗(yàn)或者應(yīng)用驗(yàn)證。