生物濾池-水平潛流人工濕地組合工藝對農(nóng)村生活污水處理效果評價
——以上海市某鎮(zhèn)為例

付津宇

(上海守安高達(dá)土壤處理技術(shù)有限公司，上海 200540)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)規(guī)模不斷擴大，同時也產(chǎn)生了大量的生活污水，其造成的環(huán)境污染問題引起了世界各國的高度重視[1]。近年來，我國對重點流域環(huán)境治理的要求不斷加強，人們對環(huán)境保護的訴求也越來越高，為給社會生活和經(jīng)濟發(fā)展?fàn)I造一個良好環(huán)境[2]，截至2015年，國務(wù)院正式印發(fā)《水污染防治行動計劃》等文件，要求2020年全國水環(huán)境質(zhì)量應(yīng)得到階段性改善[3]；到2030年，全國水環(huán)境質(zhì)量基本得到總體改善，水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)功能得到初步恢復(fù)；到21世紀(jì)中葉，水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)得到全面改善，進一步實現(xiàn)良性循環(huán)[4]。因此，無論是對城市生活污水的處理，還是對農(nóng)村生活污水的處理，其功效對我國水環(huán)境的治理和改善都極為重要。

農(nóng)村生活污水主要由廁所污水(如尿液、糞便和沖洗水)、廚房污水和生活洗浴污水等組成[5,6]。相比于城市生活污水有著較為完備的污水處理體系，農(nóng)村生活污水因分布廣泛且分散、總體量較大和污水成分多樣等原因，治理難度較大[7]。農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理隨意排放，可能通過雨水沖刷或者直接排放等途徑進入河流湖泊，從而對環(huán)境景觀和水生生態(tài)系統(tǒng)等產(chǎn)生不利影響[8]。例如，農(nóng)村生活污水中含有的大量氮磷等營養(yǎng)元素，進入河流湖泊后，可能產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化，從而導(dǎo)致藻類爆發(fā)，水質(zhì)惡化，對水生生物產(chǎn)生毒性等。因此，很有必要對農(nóng)村生活污水進行處理。

目前，農(nóng)村污水處理的方法有很多，常用的處理技術(shù)或工藝主要有自然處理技術(shù)(例如：人工濕地處理系統(tǒng)、地下土壤滲濾凈化系統(tǒng)等)和生物處理技術(shù)(活性污泥法、厭氧接觸法、厭氧濾池等)以及多工藝組合處理技術(shù)[9]。本文主要對上海市某鎮(zhèn)3個以生物濾池-水平潛流人工濕地組合工藝的農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)的處理效果進行比較，并根據(jù)本市《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB31/T 1163-2019)進行處理效率評價，以期為后續(xù)相關(guān)農(nóng)村污水處理設(shè)施的建設(shè)數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 污水處理站點及工藝分析

上海市某鎮(zhèn)13個農(nóng)村生活污水處理站點中有11個站點采用了生物濾池(凈化槽)+人工濕地的組合處理工藝。工藝流程圖如圖1所示，生活污水通過管網(wǎng)聚集后，經(jīng)過格柵去除尺寸較大雜質(zhì)，而后進入集水池，由抽水泵提升至生物濾池，在重力的作用下，污水流經(jīng)填料縫隙，并與其表面的生物膜充分接觸，污染物和營養(yǎng)元素被微生物生長所利用或降解；生物濾池出水經(jīng)過中間池沉淀和曝氣后進入水平潛流人工濕地系統(tǒng)，在填料-土壤-植物耦合系統(tǒng)共同作用下進一步去除污染物和營養(yǎng)元素等有機污染物。本文根據(jù)生物濾池填料的不同，選擇分別以聚氨酯綿、卵石和石膏干粉為填料的3個站點為研究對象(圖1)，3個站點對應(yīng)的水平潛流人工濕地系統(tǒng)基本一致。

2.2 水樣和生物濾池填料的采集

水樣和生物濾池填料樣本采集于2020年12月。根據(jù)處理工藝水流方向，分別對進水、生物濾池的出水(中間池)和水平潛流濕地的排水進行采集。在3個站點，利用貝勒管采樣器采集后，置于經(jīng)丙酮和超純水清洗過的2 L棕色玻璃瓶中；直接在生物濾池中隨機采集附著大量生物膜的填料，并置于75%酒精清洗過的塑料袋中。水樣和填料樣本均置于冰盒中保存直至運抵實驗室。

圖1 污水處理站點工藝流程圖及生物濾池填料

2.3 水樣和生物膜樣本理化指標(biāo)檢測

在采集水樣的同時，使用便攜式水質(zhì)分析儀器(HQ 40d，HACH，USA)現(xiàn)場分別測定水中的溫度、pH值、溶解氧(DO)、氧化還原點位(Eh)和電導(dǎo)率等理化指標(biāo)。在實驗室中，利用孔徑為0.45 μm的玻璃纖維濾膜對采集的水樣進行過濾。過濾后，水樣中化學(xué)需氧量(COD)的濃度采用高錳酸鉀氧化法進行測定(HJ 828-2017)；總氮(TN)濃度和溶解性有機碳(DOC)含量利用TOC自動分析儀(TOC-L，Shimadzu，Japan)進行檢測；總磷(TP)濃度采樣鉬酸銨分光光度法進行測定(GB 11893-89)。填料置于含有500 mL超純水的2 L燒杯中，超聲振蕩后，離心(4000 r/min，10 min)收集沉淀，即為生物膜樣本。生物膜經(jīng)過冷凍干燥后，利用TOC自動分析儀檢測其中TOC的含量。過濾后的水樣，倍比稀釋至適宜濃度后，利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS，PerkinElmer NexION 350D，USA)檢測其中金屬含量。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本文所有數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析均使用SPSS 19.0 軟件(SPSS；Chicago；IL，USA)進行分析。理化指標(biāo)的差異分析使用最小差異法檢驗并用單因素方差分析方法分析。P<0.05被認(rèn)為具有顯著性差異。

3 結(jié)果與討論

3.1 水樣中理化指標(biāo)分析

3個站點水樣的溫度、pH值、溶解氧、氧化還原電位和電導(dǎo)率如表1所示。由表可知，每個站點的進水、出水和排水的水溫差異在2 ℃以內(nèi)。3個站點的pH值變化范圍分別為7.76～7.96，8.22～8.64和8.43～8.90，均呈現(xiàn)弱堿性。與上海市《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB31/T 1163-2019)中的pH值變化范圍(6～9)比較可以發(fā)現(xiàn)，無論是進入處理系統(tǒng)的原水還是最終排放到環(huán)境中的水，其pH值變化范圍均在6～9之間，符合排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)現(xiàn)場采樣工作人員對水樣的臭和味的判斷，發(fā)現(xiàn)3個采樣點的進水均有一定的臭味，而經(jīng)過處理的出水和排水，基本無臭味，表明3個處理工藝均起到一定的作用。進水中溶解氧的含量均較低，經(jīng)過生物濾池后，出水中的含量有所增加，這可能與生物濾池交替曝氣以及中間池空氣暴露設(shè)計有關(guān)。而后，經(jīng)過水平潛流人工濕地系統(tǒng)后，排水中的溶解氧含量有所降低，這可能與人工濕地中微生物或者表層植物消耗有關(guān)。此外，與進水相比，出水和排水的氧化還原電位呈現(xiàn)上升的趨勢，而電導(dǎo)率呈現(xiàn)下降的趨勢，表明水中的污染物，如有機物和重金屬等均發(fā)生明顯的變化。

表1 3個站點地理位置、填料類型和部分水質(zhì)指標(biāo)

3個站點水樣中的COD、DOC、TP和TN含量如圖2所示。由圖2可知，1號站點接收的污水污染程度較為嚴(yán)重，其中的COD、TP、TN和DOC含量分別為136.15±0.75 mg/L、8.45±0.03 mg/L、140.6±0.8 mg/L和78.73±1.04 mg/L，均顯著高于其他兩個站點(P<0.05)。由圖2(a)可知，經(jīng)過生物濾池處理后，1號、和2號站點中COD含量顯著降低(P<0.05)，分別降低了33.13%和26.24%。3號站點中COD降低了25.05%，但由于其進水中COD的含量較低，其與出水中的COD含量沒有顯著差異(P>0.05)。這些結(jié)果表明，以聚氨酯綿為填料的生物濾池對污水中COD的去除效果較好。生物濾池處理后的污水經(jīng)過水平潛流人工濕地處理后，COD含量再次降低，1號、2號和3號站點排水中的含量分別為51.92±3.76 mg/L、36.11±0.01 mg/L和10.54±1.51 mg/L，均達(dá)到上海市《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB31/T 1163-2019)中一級B標(biāo)準(zhǔn)的要求(COD含量小于60 mg/L)。同時，與進水相比，3個站點COD含量分別降低了61.87%、40.01%和50.02%，表明生物濾池結(jié)合人工水平潛流濕地能夠很好的去除農(nóng)村生活污水中的有機污染物的含量。DOC含量反映水中溶解性有機碳的含量，其可影響水環(huán)境中污染物(如抗生素和重金屬等)的賦存。由圖2(b)可知，經(jīng)過生物濾池和人工濕地處理后，3個站點的DOC含量均有所降低，其中1號和2號降低最為顯著(P<0.05)，分別降低了66.64%和66.45%。值得注意的是3號僅降低0.08%，且進水、出水和排水中的DOC沒有顯著性差異(P<0.05)，其可能原因是由于進水成分比較復(fù)雜，例如含有不容易被微生物利用的可溶性有機碳，具體原因有待后續(xù)深入研究。

氮磷是造成水環(huán)境污染的重要營養(yǎng)元素，脫氮除磷效果也是污水處理工藝良好與否的重要評判標(biāo)準(zhǔn)[10]。由圖2(c)可知，經(jīng)過生物濾池處理后，3個站點中TP含量分別降低了69.59%、33.96%和65.22%，表明以聚氨酯綿和石膏干粉為填料的生物濾池對污水中的TP去除效果較好。而后，經(jīng)過水平潛流人工濕地處理，排水中的TP含量分別為1.31±0.01 mg/L、1.39±0.01 mg/L和0.33±0.01 mg/L，均達(dá)到本市農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中一級B標(biāo)準(zhǔn)的要求(TP含量不高于2 mg/L)。經(jīng)過水平潛流濕地系統(tǒng)后，污水中TP進一步降低，分別降低了14.97%、14.37%和20.43%，表明生物濾池結(jié)合人工水平潛流濕地可有效去除農(nóng)村生活污水中的TP。在去除污水中TN方面，由圖2(d)可知，經(jīng)過生物濾池處理后，3個站點污水中的TN分別降低了59.48%、66.34%和50.06%，表明3種填料均能有效去除污水中的TN。此外，經(jīng)過水平潛流人工濕地處理后，3個站點污水中的TN去除率均在80%以上，其中1號站點的去除效率高達(dá)85.89%，表明人工濕地能夠很好地補充生物濾池除氮的不足。與上海市《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB31/T 1163-2019)對比可以發(fā)現(xiàn)，三個站點處理后，污水中的TN均達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)(TN含量小于15 mg/L)。

此外，雖然三個站點的脫氮除磷以及COD去除效果都很好，均達(dá)到上海市農(nóng)村生活污水排放的一級B標(biāo)準(zhǔn)，但是由于1號站點進水中的COD、TP和TN顯著高于2號和3號站點，所以從去除總量角度來看，1號站點中的聚氨酯綿填料濾池+水平潛流人工濕地工藝具有更高的處理效率。因此，從處理效率和處理總量角度出發(fā)，在今后的農(nóng)村污水處理設(shè)施建設(shè)中，建議使用1號站點的處理模式。

注：橫坐標(biāo)中1、2和3分別表示三個采樣點；I、E和D分別表示進水，出水和排水；圖上的不同字母表示存在顯著性差異(P<0.05)。

3.2 水樣中重金屬含量分析

目前，關(guān)于農(nóng)村生活污水處理的研究多數(shù)關(guān)注的是脫氮除磷的效果，而對污水中金屬含量的研究還比較少[10]。由于農(nóng)村生活污水來源相對單一，其中金屬含量往往不會超標(biāo)，但是污水中金屬的含量高低能夠促進或者抑制微生物的活性，從而影響處理效率。因此，有必要對污水中的金屬含量進行檢測。本文主要檢測了包括Fe、Ti、Ni、Cu、Zn、As、Cr、Cd和Pb在內(nèi)的9種金屬，其中Cd和Pb的含量低于檢出限，結(jié)果如表2所示。3個站點中，多數(shù)金屬在進水、出水和排水中的含量變化并不顯著，僅1號站點中的Fe和Zn、2號站點中Fe、Ti和Zn以及3號站點中的Fe、Ti、Ni和Zn呈現(xiàn)降低的趨勢。通過與我國地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838- 2002)相比可以得出，農(nóng)村污水中的重金屬均沒有超標(biāo)。此外，與上海長江口濱岸水樣中金屬含量進行比較，可以發(fā)現(xiàn)本研究無論是進水還是排水中金屬含量與長江口水樣中金屬含量相當(dāng)[11]?；凇?.1水樣中理化指標(biāo)分析”中三個站點的良好處理效果可以看出，該污水中的金屬含量對本研究中處理工藝的影響并不明顯。

表2 三個站點進水、出水和排水中金屬含量

3.3 生物膜中TOC含量分析

由上述研究結(jié)果可以看出，生物濾池中填料上生長的微生物對污水中有機污染物的去除效果存在至關(guān)重要的作用。先前眾多研究也表明微生物膜能夠很好的去除污水中氮磷的含量，且處理效果與微生物的生物量以及群里組成密切相關(guān)。因此，本文調(diào)查了3種填料表面微生物的生物量，主要由總有機質(zhì)的含量來表示，如圖3所示。在1號站點聚氨酯綿填料表面的生物膜中，TOC含量高達(dá)26.65%，表明微生物含量較高。因此，聚氨酯綿填料具有較高的處理效率可能與其表面含有大量的微生物相關(guān)。相比而言，2號站點的卵石表面和3號站點的石膏干粉表面TOC的含量分別為2.29%和4.68%，但是二者也具有較好的處理效率，尤其是3號2站點。其原因可能與生物膜中細(xì)菌群落組成相關(guān)，雖然生物量不高，但是可能具有較高豐度的功能細(xì)菌，這部分內(nèi)容有待后續(xù)深入研究。

注：S1、S2和S3分別表示三個采樣站點; 圖上的不同字母表示存在顯著性差異(P<0.05)

4 結(jié)論

本實驗基于生物濾池和水平潛流人工濕地進水、出水和排水中總氮、總磷、 COD、DOC以及重金屬等的含量進行研究，研究結(jié)果表明上海市該鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)能夠有效的對不同地點的污水進行處理，滿足一定的普遍適用性。通過分析該鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)運行控制和治理成效，發(fā)現(xiàn)其采取工藝是可行的，其相關(guān)運行控制參數(shù)設(shè)定合理。采取的工藝不僅能解決現(xiàn)有污水處理廠運行存在的問題，并能確保排放滿足上海市《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級B標(biāo)準(zhǔn)。同時，對比3種處理系統(tǒng)的處理效率和處理總量，建議今后建設(shè)農(nóng)村污水處理系統(tǒng)可根據(jù)1號站點的處理系統(tǒng)進行設(shè)計。此外，我國新農(nóng)村建設(shè)正在開展，農(nóng)村生活污水污染整治和消除黑臭水體工作正在有序進行，上海市該鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水處理工藝的有效實施可為其他城市農(nóng)村生物污水的處理提供技術(shù)參考和數(shù)據(jù)支持[12]。