多級AO+人工濕地組合工藝處理生活污水的研究

馬 凱，張國珍*，王宏偉，趙 凱

（1.蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學 甘肅省黃河水環(huán)境重點實驗室，蘭州 730070）

近年來隨著水資源匱乏，地表水和地下水水質(zhì)的不斷惡化，地表水中N、P含量超標，傳統(tǒng)的污水處理工藝，比如單靠氧化溝、A/O工藝、A2O工藝、CASS工藝等的出水已經(jīng)達不到水質(zhì)的排放標準［1］.朱越等［2］采用SBR技術(shù)處理城鎮(zhèn)生活污水，研究發(fā)現(xiàn)在SBR反應(yīng)器中投加20μL/L的復合混凝劑時，出水穩(wěn)定性低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級A標準限值，但混凝劑的投加勢必會導致成本的上升；劉兵等［3］研究氧化溝技術(shù)處理城鎮(zhèn)生活污水，研究發(fā)現(xiàn)單靠氧化溝技術(shù)很難穩(wěn)定達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，張明珍等［4］研究發(fā)現(xiàn)人工濕地技術(shù)在生活污水處理方面有著去除效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢，但主要受限于人工濕地堵塞問題.

多級AO工藝是在傳統(tǒng)的缺氧/好氧工藝上增加了多個串聯(lián)的缺氧池和好氧池［5］，其優(yōu)點就在于處理效果很穩(wěn)定，微生物能夠充分利用污水中的有機物質(zhì)，結(jié)構(gòu)相對簡單，目前應(yīng)用市場很廣泛，在許多國家中都有所使用［6］.影響多級AO工藝污染物去除效果的因素眾多，但其主要影響因素就是低的C/N，以及污泥回流比的大?。?］.為解決碳源不足的問題，出現(xiàn)了分段進水的多級AO工藝，在不同點進水，以確保多級AO每一級反應(yīng)器內(nèi)碳源充足.但依然存在處理效果不佳的問題，為保證出水穩(wěn)定達標，在分段進水多級AO工藝后串聯(lián)人工濕地處理技術(shù).人工濕地是當前污水深度處理的主流工藝之一，與一些傳統(tǒng)的工藝相比較，有著結(jié)構(gòu)簡單，投資運行費用低廉，處理效果好等優(yōu)點，在各個國家作為污水生態(tài)處理技術(shù)而被大量使用［8-9］.并且在污水深度處理、控制水體污染及治理和生態(tài)修復的過程中人工濕地都被大量的使用［10-13］.填料作為人工濕地的重要組成部分，在污染物的去除上起著重要作用，目前人工濕地的填料多以頁巖、石英砂、無煙煤、沸石、陶粒等為主［14］，基質(zhì)填料不僅為植物根系生物膜提供生長，而且污染物質(zhì)也可以通過填料本身的物理化學吸附作用而被去除，尤其是對于水中磷的去除［15］.廢磚塊作為建筑垃圾的主體，不僅影響了環(huán)境，而且阻礙了城市化的進程［16］.絕大多數(shù)建筑磚塊是以黃土、頁巖、煤矸石和粉煤灰等為原料燒制而成，其具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)和較大比表面積，作為濕地填料，具有一定優(yōu)勢.

因此本文結(jié)合現(xiàn)有污水處理工藝，以處理工藝低成本、持久穩(wěn)定運行為前提，實現(xiàn)出水達到更高的排放標準的目的，以多級AO和陶粒、廢磚塊為濕地填料的組合工藝進行污水處理，采用掃描電鏡對廢磚塊填料進行表面形貌及生物膜生長情況的表征，研究該組合工藝穩(wěn)定運行時對污水中CODcr、NH+4-N、TN、TP的去除效果，以期為組合工藝在實際生活污水處理及污水廠提標改造方面提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐.

1 實驗裝置設(shè)計

1.1 實驗裝置

實驗裝置由多級AO系統(tǒng)和人工濕地系統(tǒng)串聯(lián)組成，由PVC板加工制成，如圖1所示，多級AO出水進入二沉池沉淀后，在進入水箱儲存，水箱另一端連接至復合垂直流人工濕地進水管，中間設(shè)有流量控制開關(guān).

圖1 多級AO人工濕地組合工藝圖Fig.1 Multi-level AO and constructed wetland series device diagram

1.1.1 多級AO系統(tǒng)

多級AO尺寸為（長×寬×高）：105 cm×20 cm×40 cm，裝置總的有效容積為67.2 L，形成了三級反應(yīng)器，第一級反應(yīng)器包含厭氧、缺氧、好氧三段，其中第一級厭氧段尺寸（長×寬×高）為15 cm×20 cm×40 cm，缺氧段尺寸（長×寬×高）為10 cm×20 cm×40 cm，好氧段尺寸（長×寬×高）為20 cm×20 cm×40 cm，第二和第三級只包含缺氧段與好氧段，缺氧段尺寸（長×寬×高）均為10 cm×20 cm×40 cm，好氧段尺寸（長×寬×高）均為20 cm×20 cm×40 cm，在A0、A1、A2、A3室均設(shè)有進水管，達到分段進水的目的，為達到混合均勻、曝氣充氧、排泥作用，裝置內(nèi)設(shè)有攪拌器、曝氣系統(tǒng)及排泥系統(tǒng).

1.1.2 人工濕地系統(tǒng)

由復合垂直流和水平流濕地共同組成人工濕地系統(tǒng)，其中復合垂直流濕地系統(tǒng)整體尺寸（長×寬×高）為90 cm×40 cm×85 cm，中間由隔板分為大小相同的下行池和上行池，底部有寬5 cm的空隙，單池尺寸為（長×寬×高）45 cm×40 cm×85 cm，填充基質(zhì)為廢磚塊，基質(zhì)填充高度為下行池700 mm，上行池650 mm，設(shè)有3層基質(zhì)填料，每層高度為20 cm，自下而上粒徑填料粒徑尺寸為10～20 mm、5～10 mm、2～5 mm，垂直流濕地系統(tǒng)表面混植蘆葦和香蒲，密度均為78株/m2.水平流人工濕地系統(tǒng)尺寸為85 cm×40 cm×60 cm，填充基質(zhì)為陶粒與廢磚塊，分三層填充，自下而上分別為20 cm厚的廢磚塊填料，粒徑為10～20 mm，20 cm厚陶粒填料，粒徑為5～10 mm，最上層為10 cm厚的陶粒填料，粒徑為2～5 mm，水平流濕地栽種的植物與垂直流濕地植物相同，植株密度為60株/m2.

1.2 實驗水質(zhì)

實驗用水為蘭州交通大學家屬區(qū)生活污水，原水水質(zhì)如表1所列.

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Raw water quality

1.3 裝置運行參數(shù)

組合工藝于2020年8月8日開始運行，控制多級AO工藝進水流量分配比（A0、A1、A2、A3）：50%：30%：10%：10%，控制水力停留時間、污泥回流比及人工濕地水力負荷分別為8 h、60%與0.15 m/d.

1.4 水樣檢測

裝置的運行方式為連續(xù)進水，對裝置進出水、多級AO各隔室，人工濕地各個取樣口每2天取樣1次，檢測指標包括pH、溶解氧（DO）、CODcr、NH+4-N、TN、TP，水樣測定采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》［17］中所規(guī)定的檢測方法，如表2所列.

表2 水質(zhì)分析指標、方法及儀器Tab.2 Methods and instruments for water quality analysis

1.5 廢磚塊表面形貌分析

使用掃描電子顯微鏡（JSM-6701F型）對人工濕地廢磚塊填料表面拍照分析，如圖2所示.圖2（a）為廢磚塊沒有生物膜生長時50μm下的照片，廢磚塊具有粗糙的表面，明顯的內(nèi)部孔道以及較大的比表面積，圖2（b）為經(jīng)過1個月掛膜成功后，廢磚塊10μm下的照片，可以看到表面有大量生物膜存在.

圖2 廢磚塊粉末掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron micrograph of waste brick powder

2 結(jié)果與討論

2.1 CODcr的去除效果

圖3為多級AO人工濕地組合工藝內(nèi)CODcr的去除效果圖，原水CODcr濃度為267.79 mg/L，組合工藝出水CODcr濃度為7.53 mg/L，總?cè)コ蕿?7.18%.多級AO反應(yīng)器各隔室內(nèi)CODcr濃度分別為133.81、135.46、70.08、60.21、47.29、57.33和51.66 mg/L，去除率分別為50.03%、49.42%、73.83%、77.52%、82.34%、78.59%和80.71%，除A1反應(yīng)器外其他各隔室對有機物都具有一定去除效果，分析認為在好氧隔室（O1、O2、O3）內(nèi)有機物的去除主要靠微生物降解以及細胞合成作用，在缺氧及厭氧隔室（A0、A1、A2、A3）有機物主要通過異養(yǎng)菌的代謝去除，這些異養(yǎng)菌包括聚磷菌、反硝化菌等［18］.由于流量分配及回流作用，進入A1隔室后的CODcr濃度大幅下降（NH+4-N、TN、TP濃度也具有同樣現(xiàn)象）.就多級AO反應(yīng)器而言，有機物大部分是在第一級反應(yīng)器中被去除的，分析原因可能是反應(yīng)器第一級大量異養(yǎng)微生物的作用，進水中提供了大量的有機物質(zhì)，這些異養(yǎng)微生物 充分利用了有機物質(zhì)，大量有機物被去除［19］.

圖3 組合工藝CODcr的去除效果Fig.3 Removal effect of CODcr by combined process

由圖3可得，濕地系統(tǒng)對于污水中CODcr具有很好的去除效果，人工濕地各取樣點CODcr濃度分別為49.19、41.59、34.62、31.61、30.1、30.1、22.57、16.56、16.55、12.04和7.53 mg/L，對應(yīng)去除率分別為15.45%、29.62%、35.74%、38.81%、38.81%、54.12%、66.33%、66.32%、75.52%和84.69%，出水CODcr濃度小于GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅰ類水體CODcr的限值（15 mg/L），表明該系統(tǒng)在生化處理的基礎(chǔ)上有良好的去除效果.人工濕地去除污染物的機理包含了基質(zhì)填料的吸附，微生物的降解以及植物的吸收利用［20］，圖中在濕地系統(tǒng)的前端污染物濃度有一個快速下降的過程，這是因為污水在向下流動的過程中大多數(shù)有機物通過粒徑較小的基質(zhì)（廢磚塊）吸附、植物根系截留和好氧、兼氧及厭氧微生物的降解作用而被高效去除.如圖2所示，廢磚塊多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，有大量的生物膜附著，有利于其對污染物吸附反應(yīng)的進行，能夠更好降解有機物質(zhì)，因此CODcr去除效果很好.

2.2 NH+4-N的去除效果

圖4為多級AO人工濕地組合工藝內(nèi)NH+4-N的去除效果圖，原水NH+4-N濃度為55.27 mg/L，組合工藝出水NH+4-N濃度為1.60 mg/L，總?cè)コ蕿?7.11%.多級AO反應(yīng)器各隔室內(nèi)NH+4-N濃度分別為26.5、31.3、11.4、21.66、9.98、20.55和10.04 mg/L，去除率分別為52.05%、43.37%、79.84%、60.81%、81.94%、62.82%和81.18%，氨氮的去除發(fā)生在多級AO反應(yīng)器的好氧段.由圖4可得NH+4-N濃度呈現(xiàn)波動的趨勢，由于分段進水的作用，在A1、A2、A3隔室內(nèi)NH+4-N濃度升高，同時可得反應(yīng)器級數(shù)越多，NH+4-N的去除效果越好.由圖可知NH+4-N在O1、O2與O3隔室的去除率分別為79.81%、81.94%與81.18%，分析認為NH+4-N的去除較好主要因為亞硝化菌、硝化菌大多為專性無機營養(yǎng)型菌［21］，在較高的溶解氧與較低的有機物濃度下發(fā)揮作用，結(jié)合圖3在O1、O2與O3隔室CODcr濃度為47.29 mg/L至70.08 mg/L，有機物含量較低，硝化作用充分.

圖4 組合工藝NH+4-N的去除效果Fig.4 Removal effect of NH+4-N by combined process

由圖4可得，濕地系統(tǒng)對于污水中NH+4-N具有較好的去除效果，人工濕地各取樣點NH+4-N濃度分別為10、5.78、4.59、4.29、3.84、3.99、3.62、3.10、2.20、1.98和1.60 mg/L，對應(yīng)去除率分別為42.39%、54.28%、57.26%、61.72%、60.23%、63.95%、69.10%、78.08%、80.30%和84.62%，出水低于GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅴ類水質(zhì)標準（2 mg/L）的限值，可見人工濕地系統(tǒng)在污水生化處理的基礎(chǔ)上，具有良好的去除NH+4-N的效果，人工濕地去除NH+4-N的機理依靠了廢磚塊的物理化學吸附，以及植物同化吸收與系統(tǒng)中微生物的硝化作用來完成，尤其是以微生物的硝化作用為主要去除機制［22］，同樣在進水到S1點，NH+4-N的含量有快速下降的過程，表層NH+4-N的去除效果優(yōu)于中下層，分析認為表層溶解氧含量高且植物根系密集可以傳輸氧氣，NH+4-N的去除是個好氧的過程，同時結(jié)合圖3進入人工濕地時有機物濃度為49.19 mg/L，有機物濃度較小，因此硝化反應(yīng)較好，所以表層處理效果優(yōu)異.

2.3 TN的去除效果

圖5為多級AO人工濕地組合工藝內(nèi)TN的去除效果圖，原水TN濃度為68.52 mg/L，組合工藝出水TN濃度為3.47 mg/L，總?cè)コ蕿?4.94%.多級AO反應(yīng)器各隔室內(nèi)TN濃度分別為38.40、36.71、35.50、25.62、24.70、15.27和14.87 mg/L，去除率分別為43.96%、46.44%、48.19%、62.64%、63.95%、77.71%和78.30%，出水低于GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準中規(guī)定的TN限值，反應(yīng)器各隔室對TN均有一定去除效果.TN去除主要是在A0、A2、A3隔室中，由于碳源充足，加上回流等作用，因此通過反硝化菌的作用充分利用污水中的有機物質(zhì)，將硝態(tài)氮還原為N2，逸散在大氣中從而被去除.此外，微生物也會將含N有機物通過細胞合成作用轉(zhuǎn)化成為自身物質(zhì)［23］，使TN含量進一步降低，因此在厭氧與好氧段TN含量也有略微下降.

由圖5可得，人工濕地各取樣點TN濃度分別為14.87、9.12、8.12、7.72、7.62、7.27、6.92、5.47、4.62、3.57和3.47 mg/L，對應(yīng)去除率分別為38.67%、45.39%、48.08%、48.76%、51.11%、53.46%、63.21%、68.93%、75.99%和76.66%，可見人工濕地系統(tǒng)在污水生化處理的基礎(chǔ)上，具有良好的TN去除效果，TN濃度在濕地表層快速下降，中間下降緩慢，在S5至S8后又快速下降，然后基本不變，分析可能是表層植物根系發(fā)達，且聚集著大量微生物，N元素在被截留后在植物與微生物的雙重作用下被去除［24］，在S5點以后水流進入水平流人工濕地，由于填料、植物及微生物作用再度被去除.

圖5 組合工藝TN的去除效果Fig.5 Removal effect of TN by combined process

2.4 TP的去除效果

圖6為多級AO人工濕地組合工藝TP的去除效果圖，原水TP濃度為4.24 mg/L，組合工藝出水TP濃度為0.094 mg/L，總?cè)コ蕿?7.78%.多級AO反應(yīng)器各隔室內(nèi)TP濃度分別為14.05、10.35、3.41、2.91、2.18、1.79和1.21 mg/L，S0、S1出水TP濃度遠高于原水濃度，去除率為負值，S2至出水各取樣點TP去除率分別為19.58%、31.37%、48.54%、57.78%和71.46%，多級AO反應(yīng)器內(nèi)TP去除主要在好氧反應(yīng)器O1內(nèi).聚磷菌在生物除磷過程中其主要作用，在經(jīng)過厭氧隔室A0內(nèi)充分釋磷后，TP濃度上升，達到14.05 mg/L，然后在缺氧反應(yīng)器A1內(nèi)TP濃度下降至10.35 mg/L，在好氧反應(yīng)器O1內(nèi)，有機物濃度為70.08 mg/L，有機物充分，聚磷菌過量吸磷，形成多聚磷酸鹽作為貯存物質(zhì)，同時在細胞分裂繁殖過程中利用大量磷合成核酸［25］，因此O1隔室內(nèi)TP濃度迅速下降，在后面各隔室中TP濃度均有所下降，但是下降緩慢.

由圖6可得，人工濕地各取樣點TP濃度分別為1.10、0.56、0.50、0.48、0.46、0.39、0.36、0.23、0.16、0.14和0.094 mg/L，對應(yīng)去除率分別為48.75%、54.35%、56.23%、58.10%、65.58%、67.45%、78.75%、85.48%、87.73%和91.47%，出水TP濃度低于GB 3838-2002的Ⅱ類水質(zhì)標準限值（0.1 mg/L），可見人工濕地系統(tǒng)具有極好的TP去除效果，TP去除的整體變化同樣存在系統(tǒng)前段濃度下降快，中間與后段下降緩慢，在表層TP濃度迅速降低，說明該段距離內(nèi)廢磚塊的吸附作用，植物及微生物的轉(zhuǎn)化作用較強，在進水初期，基質(zhì)有較充足的吸附和沉淀磷的容量［26］.

圖6 組合工藝TP的去除效果Fig.6 Removal effect of TP by combined process

3 結(jié)論

1）多級AO與人工濕地的組合工藝對生活污水具有較好的處理效果，出水CODcr、NH+4-N、TN、TP均達到了GB 18918-2002的一級A標準，其中CODcr可達到地表水Ⅰ類標準，NH+4-N達到地表水Ⅴ類標準，TP達到地表水Ⅱ類標準.

2）組合工藝在解決污水污染問題上有著較好的效果，以廢磚塊作為人工濕地的填料，在CODcr與TP的去除中有了更好地抗沖擊負荷的能力，提高了人工濕地的污染物去除效果，可以為污水廠提標改造工程提供一定的技術(shù)支撐.

3）以廢磚塊作為人工濕地的填料處理生活污水具有很好的效果，特別是在N、P的去除上，這說明將建筑垃圾-廢磚塊作為人工濕地的填料，可以作為一種解決建筑垃圾的途徑，具有很強的實踐意義和推廣價值.