A/O-改良人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水研究

甘雁飛，周正兵，徐 波

（中交上海航道局有限公司，上海 200002）

近年來，隨著國(guó)家鄉(xiāng)村振興政策的大力推行，農(nóng)村生活污水處理成為當(dāng)前比較重要的一項(xiàng)工作。農(nóng)村生活污水主要包括衛(wèi)生間污水和餐廚污水，污水中含有大量有機(jī)污染物、無機(jī)污染物、病原微生物等，污染物濃度較高，氮磷去除難度大。農(nóng)村生活污水隨處亂排現(xiàn)象非常嚴(yán)重，極易產(chǎn)生農(nóng)村環(huán)境污染問題〔1-2〕。

目前，用于農(nóng)村生活污水處理的工藝一般有MBR、MBBR、穩(wěn)定塘、A/O、人工濕地等。其中A/O工藝能夠高效脫氮除磷，人工濕地工藝維護(hù)簡(jiǎn)單，2類工藝運(yùn)行費(fèi)用均較低〔3-4〕，其組合工藝已逐步用于農(nóng)村生活污水處理〔5〕。但傳統(tǒng)人工濕地常見填料為礫石、卵石、沸石等，存在基質(zhì)吸附不穩(wěn)定、易堵塞、溶解氧和碳源不足等問題，對(duì)氮磷去除效果有限〔6〕。硫鐵礦（主要成分為FeS2）中含有鐵元素和硫元素，能夠發(fā)生自養(yǎng)反硝化反應(yīng)以強(qiáng)化濕地反硝化脫氮效果，而鐵碳填料能夠改變微生物群落結(jié)構(gòu)組成，激活和提高微生物活性，也有利于提高濕地對(duì)氮磷的去除效果〔7-9〕?；诖?，筆者以江蘇省泰州市某自然村農(nóng)村生活污水為處理對(duì)象，采用硫鐵礦/顆粒碳復(fù)合基質(zhì)作為人工濕地填料，構(gòu)建改良型人工濕地，研究A/O-改良人工濕地組合工藝對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果，以期為其他農(nóng)村生活污水處理項(xiàng)目提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目介紹

江蘇省泰州市擬實(shí)現(xiàn)村莊生活污水治理全域覆蓋。泰州市海陵區(qū)某自然村有居民共計(jì)80 戶，約320 人。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)，該村部分居民家中安裝了磚砌式化糞池，而大部分居民家中未安裝化糞池，污水直排河道。對(duì)該村排放的生活污水抽樣檢測(cè)，其含有黑色懸浮物，表觀渾濁，帶有刺激性氣味，污水pH=6.92～7.37，COD、NH3-N、TN、TP 分 別 為（177.5～198.7）、（25.1～29.7）、（62.9～73.2）、（2.82～3.29）mg/L。

為解決該村污水散排問題，采取每戶均安裝1個(gè)隔油池和化糞池對(duì)日常生活污水進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理之后的污水通過高密度聚乙烯（HDPE）管網(wǎng)集中收集至處理站點(diǎn)統(tǒng)一處理的措施。根據(jù)設(shè)計(jì)文件，按照每人每天60 L 的用水量計(jì)算，需采用處理量為20 t/d 的污水處理系統(tǒng)進(jìn)行該自然村的污水處理，其出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)〔10〕。

1.2 工藝流程

該自然村生活污水處理工藝流程如圖1 所示。將村民家中衛(wèi)生間污水經(jīng)過一體化化糞池進(jìn)行厭氧水解預(yù)處理，提升污水可生化性〔11〕，廚房餐廚污水經(jīng)過一體化隔油池進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的出水通過管網(wǎng)集中輸送至格柵井（尺寸為3.2 m×2.0 m×2.0 m）。在格柵井內(nèi)大顆粒污染物和其他懸浮物、漂浮物被截留，防止其在廢水后續(xù)處理中對(duì)水泵和設(shè)備造成損壞。格柵井出水進(jìn)入調(diào)節(jié)池（尺寸為2.5 m×1.1 m×2.0 m），對(duì)水質(zhì)和水量進(jìn)行調(diào)節(jié)，之后再通過浮球液位控制水泵自動(dòng)啟停將污水提升至A/O-改良人工濕地組合工藝系統(tǒng)進(jìn)行集中處理，并通過自然掛膜法掛膜培養(yǎng)微生物。經(jīng)系統(tǒng)處理，出水達(dá)標(biāo)后就近排放至河道。

圖1 農(nóng)村生活污水處理工藝流程Fig.1 Rural domestic sewage treatment process

1.3 A/O-改良人工濕地組合工藝主要構(gòu)筑物

A/O-改良人工濕地組合工藝處理能力為20 t/d，依次由厭氧池、好氧池、二沉池和人工濕地等構(gòu)筑物組成，具體見圖2。

圖2 A/O-改良人工濕地組合工藝Fig.2 Schematic diagram of A/O-improved constructed wetland combined process

（1）厭氧池（A 池）。采用玻璃鋼材質(zhì)，尺寸為2.0 m×1.9 m×1.9 m，有效深度為1.7 m。池中布置有組合填料，便于微生物附著。在厭氧環(huán)境下，微生物將大分子有機(jī)物分解成小分子有機(jī)物，并充分釋磷。

（2）好氧池（O 池）。采用玻璃鋼材質(zhì)，尺寸為2.0 m×1.9 m×1.9 m，有效深度為1.7 m。池中布置有懸浮填料，底部布置有微孔曝氣裝置。在好氧條件下，懸浮填料與污水充分混合接觸，使得污泥活性增大，氨氮經(jīng)硝化反應(yīng)生成硝酸鹽，同時(shí)完成系統(tǒng)內(nèi)磷的吸收。

（3）二沉池。采用玻璃鋼材質(zhì)，由好氧池輸出的固液混合物進(jìn)入二沉池后進(jìn)行固液分離，上清液進(jìn)入人工濕地，部分污泥回流至厭氧池，剩余污泥從池底排出，實(shí)現(xiàn)生物除磷。

（4）人工濕地（上升垂直潛流人工濕地）。采用鋼混結(jié)構(gòu)，尺寸為4.2 m×1.9 m×1.6 m，有效深度為1.4 m。濕地從下往上依次設(shè)有均勻布水器，卵石基質(zhì)填料20 cm，硫鐵礦/顆粒碳復(fù)合基質(zhì)填料60 cm，沸石基質(zhì)填料40 cm，瓜子片基質(zhì)填料20 cm，頂部瓜子片內(nèi)種植鳶尾植物。廢水經(jīng)人工濕地處理后其污染物含量進(jìn)一步降低，確保出水達(dá)標(biāo)排放。

2 結(jié)果與討論

該組合工藝系統(tǒng)自2021 年6 月1 日開始調(diào)試，連 續(xù) 運(yùn) 行 至2021 年9 月29 日，共 計(jì)120 d，每 間 隔15 d 對(duì)進(jìn)水、A/O 出水和濕地出水分別取樣檢測(cè)其COD、NH3-N、TN 和TP，分析污水處理效果〔12〕。

2.1 COD 去除效果

農(nóng)村生活污水可生化性較強(qiáng)，污水首先經(jīng)過厭氧池進(jìn)行消化預(yù)處理，然后進(jìn)入好氧池通過懸浮填料上負(fù)載的大量好氧微生物吸收和代謝，去除大量有機(jī)物，再進(jìn)入改良人工濕地，通過硫鐵礦/顆粒碳復(fù)合基質(zhì)填料的吸附、截留以及鳶尾植物和負(fù)載微生物的吸收作用，進(jìn)一步去除剩余有機(jī)物，確保出水COD 能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放〔13〕。

考察了A/O-改良人工濕地組合工藝連續(xù)運(yùn)行120 d 對(duì)農(nóng)村生活污水COD 的沿程去除效果，結(jié)果見圖3。

圖3 COD 去除效果Fig.3 COD removal effect

由圖3 可知，進(jìn)水COD 為177.5～198.7 mg/L，平均188.5 mg/L，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，在進(jìn)水COD 波動(dòng)的情況下，A/O-改良人工濕地組合工藝對(duì)COD 總?cè)コ氏戎饾u上升，至運(yùn)行第105 天后保持穩(wěn)定，達(dá)83%左右，說明該工藝抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。其中A/O 工藝、改良人工濕地工藝在120 d 考察周期結(jié)束時(shí)對(duì)COD 的去除率分別能達(dá)到66%和49%左右，并且A/O 工藝和組合工藝對(duì)COD 的去除呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)，這說明COD 的去除主要是以A/O 工藝為主，以改良人工濕地工藝為輔。此外，由圖3 還可以看出，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至第75 天時(shí)，改良人工濕地出水COD 降至49.1 mg/L，已經(jīng)達(dá)到GB 18918—2002 的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)（COD≤50 mg/L），此后COD 隨時(shí)間延長(zhǎng)繼續(xù)下降，直至運(yùn)行到第105 天后開始趨于穩(wěn)定，此時(shí)改良人工濕地出水COD 為30.1 mg/L。

2.2 NH3-N 去除效果

考察A/O-改良人工濕地組合工藝連續(xù)運(yùn)行120 d 對(duì)農(nóng)村生活污水NH3-N 的沿程去除效果，結(jié)果見圖4。

圖4 NH3-N 去除效果Fig.4 NH3-N removal effect

由圖4 可知，進(jìn)水NH3-N 為25.1～29.7 mg/L，平均28.3 mg/L，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，NH3-N 總?cè)コ氏让黠@上升，至第60 天后上升趨勢(shì)變得較為平緩，在120 d 考察周期結(jié)束時(shí)NH3-N 總?cè)コ蔬_(dá)到86%左右。A/O 工藝對(duì)NH3-N 的去除情況與組合工藝對(duì)NH3-N 的去除情況相似，也呈現(xiàn)出隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)NH3-N 去除率逐漸上升的趨勢(shì)，運(yùn)行至第120 天時(shí)對(duì)NH3-N 的去除率達(dá)到81% 左右，此時(shí)A/O 工藝出水NH3-N 為5.5 mg/L。改良人工濕地工藝對(duì)NH3-N 去除率在30%左右上下波動(dòng)，運(yùn)行至第120 天時(shí)為29%左右，此時(shí)出水NH3-N 為3.9 mg/L。A/O 工藝和組合工藝對(duì)NH3-N 的去除呈現(xiàn)相似趨勢(shì)，說明NH3-N 的去除主要是以A/O 工藝為主，以改良人工濕地工藝為輔。當(dāng)運(yùn)行至第60 天時(shí)，A/O-改良人工濕地組合工藝出水NH3-N 趨于穩(wěn)定，均值為4.8 mg/L，達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)〔NH3-N≤5（8）mg/L〕。

A/O 工藝系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，好氧池內(nèi)懸浮填料通過聚集微生物提高了硝化微生物濃度，硝化作用越來越顯著〔14〕，所以能夠去除大部分NH3-N，但無法直接達(dá)到GB 18918—2002 的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。A/O 出水進(jìn)入改良人工濕地，濕地內(nèi)部設(shè)有鳶尾植物，其植物根系附近存在微型好氧區(qū)能夠進(jìn)行硝化反應(yīng)，對(duì)NH3-N 進(jìn)行深度去除，使出水NH3-N 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放〔15〕。

2.3 TN 去除效果

考察A/O-改良人工濕地組合工藝連續(xù)運(yùn)行120 d對(duì)農(nóng)村生活污水TN 的沿程去除效果，結(jié)果見圖5。

圖5 TN 去除效果Fig.5 TN removal effect

由圖5 可知，進(jìn) 水TN 為62.9～73.2 mg/L，平均67.4 mg/L，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，在進(jìn)水TN 波動(dòng)的情況下，A/O-改良人工濕地組合工藝對(duì)TN 的總?cè)コ氏戎饾u上升，運(yùn)行至第75 天后達(dá)到83%，此后保持穩(wěn)定，這說明該工藝抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。運(yùn)行過程中，A/O 工藝對(duì)TN 的去除率呈緩慢上升趨勢(shì)，運(yùn)行至第105 天后TN 去除率保持穩(wěn)定，達(dá)到17%。改良人工濕地工藝對(duì)TN 的去除情況和組合工藝對(duì)TN 去除情況較為類似，TN 去除率最高達(dá)80%，這說明TN 的去除主要是以改良人工濕地工藝為主，以A/O 工藝為輔。當(dāng)運(yùn)行至第75 天時(shí)，改良人工濕地出水TN 趨于穩(wěn)定，為11.8 mg/L，達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)（TN≤15 mg/L）。

A/O 工藝未設(shè)硝化液內(nèi)回流，其主要是利用厭氧池內(nèi)存在的少量硝酸鹽和進(jìn)水中部分有機(jī)碳源進(jìn)行反硝化反應(yīng)來脫氮。好氧池硝化反應(yīng)產(chǎn)生的硝酸鹽幾乎全部進(jìn)入改良人工濕地，濕地內(nèi)部存在大量可作為電子供體的硫元素和鐵離子，無需投加碳源即可發(fā)生自養(yǎng)反硝化脫氮反應(yīng)，同時(shí)由于鐵碳能夠改變微生物群落結(jié)構(gòu)組成，可進(jìn)一步強(qiáng)化脫氮效果。此外，濕地還存在鳶尾植物根系的吸收、填料基質(zhì)的吸附等作用，共同保障了最終出水TN 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放〔16-17〕。

2.4 TP 去除效果

考察A/O-改良人工濕地組合工藝連續(xù)運(yùn)行120 d 對(duì)農(nóng)村生活污水TP 的沿程去除效果，結(jié)果見圖6。

圖6 TP 去除效果Fig.6 TP removal effect

由圖6 可 知，進(jìn) 水TP 為2.82～3.29 mg/L，平 均3.04 mg/L，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，組合工藝對(duì)TP 的總?cè)コ氏让黠@上升，至第75 天達(dá)86%，之后保持穩(wěn)定。A/O 工藝和改良人工濕地工藝對(duì)TP 的去除均與組合工藝對(duì)TP 的去除趨勢(shì)相似，且二者對(duì)TP的最高去除率分別為51%和71%，這說明A/O 工藝和改良人工濕地工藝對(duì)TP 的去除均有較大作用，但改良人工濕地工藝對(duì)TP 的去除貢獻(xiàn)更大。由圖6還可知，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至第75 天時(shí)，系統(tǒng)出水TP 穩(wěn)定至0.48 mg/L 左右，達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)（TP≤0.5 mg/L）。

A/O 工藝厭氧池內(nèi)部布置有組合填料，能為聚磷菌提供良好的生長(zhǎng)載體，將磷充分釋放，然后在好氧條件下發(fā)揮好氧吸磷作用，合成聚磷酸鹽從而將磷轉(zhuǎn)移至污泥中，通過排放含磷剩余污泥達(dá)到部分除磷的效果，但其出水依然無法滿足GB 18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。A/O 出水進(jìn)入改良人工濕地后，濕地內(nèi)硫鐵礦能夠產(chǎn)生游離態(tài)鐵離子，游離態(tài)鐵離子與磷酸鹽形成磷酸鐵沉淀，顆粒碳和其他填料基質(zhì)能夠吸附除磷，鳶尾根系能夠吸收除磷，最終使得出水TP 能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。需要注意的是，為防止植物吸收的磷再度釋放到水體中，需要對(duì)種植植物進(jìn)行定期收割〔18〕。

3 效益分析

3.1 建設(shè)費(fèi)用

A/O-改良人工濕地組合工藝系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用主要包括隔油池、化糞池、管網(wǎng)、A/O 設(shè)備和人工濕地的建設(shè)成本。其中居民每戶安裝1 個(gè)隔油池和化糞池，隔油池建設(shè)費(fèi)用約為120 元/個(gè)，化糞池建設(shè)費(fèi)用約為1 800 元/個(gè)，以80 戶計(jì)算，費(fèi)用約為153 600元；管網(wǎng)建設(shè)長(zhǎng)度為400 m，單價(jià)約為400 元/m，費(fèi)用約為160 000 元；A/O 設(shè)備建設(shè)費(fèi)用約12 000 元/座，人工濕地建設(shè)費(fèi)用約8 100 元/座。以上得出總建設(shè)費(fèi)用約為333 700 元。

3.2 運(yùn)行費(fèi)用

該工藝系統(tǒng)無需投加藥劑，運(yùn)行費(fèi)用主要包括運(yùn)行電費(fèi)和日常運(yùn)維人員工資。按照平均每周1 次的頻率對(duì)該工藝的進(jìn)水流量和運(yùn)行電耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出平均電耗為0.44 kW·h/m3，按照當(dāng)?shù)仉娰M(fèi)繳納標(biāo)準(zhǔn)0.53 元/（kW·h）計(jì)算，則運(yùn)行電費(fèi)為0.23 元/m3。研究表明，一般人工濕地工藝處理城鎮(zhèn)生活污水和農(nóng)村生活污水的平均運(yùn)行電費(fèi)分別為0.27、0.29 元/m3〔19〕，很明顯A/O-改良人工濕地組合工藝系統(tǒng)運(yùn)行電費(fèi)更低。另外，日常運(yùn)維人員費(fèi)用約為0.6 元/m3。綜上所述，運(yùn)行總費(fèi)用約為0.83 元/m3。

3.3 社會(huì)效益

A/O-改良人工濕地組合工藝的投入運(yùn)行，徹底解決了農(nóng)村生活污水隨處亂排現(xiàn)象的發(fā)生，營(yíng)造了良好的人文居住環(huán)境，且經(jīng)過處理的污水就近排放至河道，不會(huì)再造成環(huán)境污染，具有良好的環(huán)境效益。

4 結(jié)論

（1）2021 年6 月1 日 至2021 年9 月29 日 共120 d的連續(xù)運(yùn)行結(jié)果表明，A/O-改良人工濕地組合工藝抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果良好，出水COD、NH3-N、TN、TP 均可穩(wěn)定達(dá)到GB18918—2002 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

（2）該工藝系統(tǒng)總建設(shè)費(fèi)用約為333 700 元，前期一次性建設(shè)成本較高，但設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用約為0.83元/m3，運(yùn)行費(fèi)用較低，同時(shí)其可有效解決農(nóng)村生活污水亂排問題，社會(huì)效益顯著。