人工濕地對(duì)農(nóng)村污水處理的工程監(jiān)測(cè)研究

唐寧遠(yuǎn)，沈 亮，付崢嶸，陳 鑫，黎 源，張 帆

（1.株洲華晟環(huán)保技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412007；2.湖南大辰環(huán)保股份有限公司，湖南 株洲 412007；3.湖南泰華科技檢測(cè)有限公司，湖南 株洲 412007；4.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；5.湖南智謀規(guī)劃工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

當(dāng)前，各級(jí)政府正在積極推進(jìn)“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略，農(nóng)村生活污水污染問(wèn)題已成為美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的難點(diǎn)之一。廚房、洗滌、沐浴和沖廁用水是農(nóng)村生活污水主要來(lái)源，具有排放不均勻，水量變化系數(shù)較大，廢水中有機(jī)物、氮和磷含量比較高，不含其他有毒有害物質(zhì)，可生化性較好等特點(diǎn)。我國(guó)農(nóng)村生活污水常用的處理技術(shù)包括厭氧、好氧生物處理技術(shù)、自然生態(tài)處理技術(shù)[1-4]。單一的厭氧、好氧生物處理和生態(tài)處理技術(shù)往往存在一些缺陷，難以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行并達(dá)到日益嚴(yán)格的排放要求。其中，厭氧和好氧生物處理可較好去除農(nóng)村生活污水中的有機(jī)物，但存在氮、磷去除能力較差，容易引發(fā)農(nóng)村水體的富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題；生態(tài)處理技術(shù)雖能較好地脫氮除磷，但存在占地面積大和運(yùn)行不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。將厭氧和好氧生物處理與生態(tài)處理技術(shù)結(jié)合在一起的組合工藝具有占地較少、能耗低、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是解決上述問(wèn)題的一種優(yōu)選工藝。

何占飛[5]、古騰[6]、聶發(fā)輝[7]和熊仁等[8]分別報(bào)道了人工濕地不同的組合工藝對(duì)配置的農(nóng)村生活污水處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果顯示組合工藝能較好地去除污水中的有機(jī)物、氮和磷，但是國(guó)內(nèi)對(duì)組合工藝在農(nóng)村實(shí)際應(yīng)用缺乏長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)評(píng)估研究，不利于該技術(shù)在農(nóng)村的推廣應(yīng)用。農(nóng)村生活污水污染物種類多、水質(zhì)多變，且組合工藝運(yùn)行效果受氣候及環(huán)境影響較大[2,6]。但是，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道基于監(jiān)測(cè)的組合工藝設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行綜合評(píng)估，而這對(duì)解決農(nóng)村生活污水污染問(wèn)題具有重要的指導(dǎo)意義。本研究將以某農(nóng)村人口集中區(qū)的“隔油/厭氧/ 微動(dòng)力A2O（anaerobicanoxic-oxic，厭氧-缺氧-好氧脫氮除磷工藝）一體化設(shè)備/人工濕地”生物生態(tài)組合工藝現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施為例，對(duì)其性能進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)研究，充分評(píng)估其污染物處理效果，分析可能的潛在限制因素，以期為農(nóng)村生活污水處理提供借鑒，更好地服務(wù)中南地區(qū)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)。

1 人工濕地組合工藝應(yīng)用及監(jiān)測(cè)

1.1 人工濕地組合工藝設(shè)計(jì)

項(xiàng)目位于湖南省某市城鄉(xiāng)結(jié)合部農(nóng)村人口集中區(qū)，污水處理設(shè)施用于處理來(lái)自村委會(huì)及村人口集中區(qū)的生活污水，設(shè)計(jì)處理能力為50 m3/d。設(shè)施出水間接排入敏感水體，出水水質(zhì)應(yīng)穩(wěn)定且達(dá)到《湖南省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 43/1665—2019）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求[9]。方案設(shè)計(jì)階段對(duì)比了農(nóng)村生活污水處理組合工藝的主要特征，如表1 所示。農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、技術(shù)水平低于城市，污水處理設(shè)施要求降低日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。通過(guò)對(duì)組合工藝處理效果、穩(wěn)定性和能耗等角度的綜合考慮，選擇厭氧+好氧+生態(tài)系統(tǒng)的組合工藝。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘，本項(xiàng)目采用提籃格柵/隔油池/厭氧酸化池/微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備/潛流人工濕地組合工藝，組合工藝流程如圖1 所示。因?yàn)檗r(nóng)村生活污水中混雜餐廚垃圾和紙屑等有機(jī)固體廢物，增設(shè)提籃格柵和隔油設(shè)備，去除污水中大顆粒漂浮物、懸浮物及動(dòng)植物油脂，以保證后續(xù)生物生態(tài)處理單元的正常運(yùn)行。該工藝有效整合厭氧水解酸化、微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備，設(shè)備各生化單元內(nèi)均裝彈性填料，通過(guò)泥膜耦合系統(tǒng)高效處理污水中的有機(jī)物、氮和磷；設(shè)備間歇運(yùn)行，間隔時(shí)間為1 h，采用太陽(yáng)能和市電雙模供電系統(tǒng)，能耗較低。后續(xù)人工濕地能強(qiáng)化有機(jī)物、氮和磷去除，既降低了濕地基質(zhì)堵塞風(fēng)險(xiǎn)，又穩(wěn)定提高了出水水質(zhì)。

1.2 組合工藝主要構(gòu)筑物和設(shè)備參數(shù)

考慮到提高組合工藝設(shè)施在冬季的處理效果和穩(wěn)定出水水質(zhì)，同時(shí)融入農(nóng)村良好生態(tài)景觀環(huán)境，隔油池、厭氧池、一體化A2O 設(shè)備均埋在地下。提籃格柵為不銹鋼材質(zhì)，柵孔孔徑為3 mm，隔油和一體化A2O 設(shè)備采用碳鋼防腐材質(zhì)，厭氧池為玻璃鋼材質(zhì)。上述設(shè)備均設(shè)有0.50 m×0.50 m 的人孔，便于后期的維護(hù)管理。組合工藝設(shè)施各處理單元的工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 組合工藝設(shè)施各處理單元工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of each treatment unit of the combined process facilities

潛流人工濕地為磚和砼梁結(jié)構(gòu)，為了防止?jié)B漏對(duì)地下水的污染，濕地床底、四周磚墻均鋪設(shè)了防滲膜，濕地基質(zhì)從下至上依次為厚為0.50 m 卵石（Ф20～50 mm）、厚為1.2 m 碎磚塊（Ф10～30 mm）、厚為0.3 m 重質(zhì)陶粒（Ф5～10 mm），濕地植物為美人蕉，種植密度為25 株/m2。沿濕地長(zhǎng)度方向設(shè)置擋墻將濕地均分為4 個(gè)分室，廢水沿長(zhǎng)度側(cè)向進(jìn)入第一個(gè)分室，第一個(gè)分室自上而下入滲，經(jīng)擋墻底部開孔向上流入第2 個(gè)分室，如此交替，形成折流和上下流耦合波形流動(dòng)進(jìn)入濕地出水端，在人工濕地出水端設(shè)置集水槽，集水槽底部布設(shè)穿孔集水管與出水管連接，出水管可上下移動(dòng)調(diào)節(jié)以控制濕地床內(nèi)水位。

1.3 組合工藝運(yùn)行與監(jiān)測(cè)

項(xiàng)目于2020 年9 月正式完工即開始運(yùn)行調(diào)試，11 月初正式運(yùn)行，進(jìn)水監(jiān)測(cè)時(shí)段為11 月初至2021年8 月底的大半年時(shí)間，監(jiān)測(cè)頻率為1 次/周，其中2021 年2 月份春節(jié)期間兩周沒(méi)有監(jiān)測(cè)。工藝流程中共設(shè)置5 個(gè)監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)，分別位于進(jìn)水提升井、隔油池、厭氧調(diào)節(jié)池、一體化A2O 設(shè)備內(nèi)和濕地出水端。

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)水質(zhì)指標(biāo)包括：懸浮物（suspended solid，SS）、化學(xué)需氧量（chenmical oxygen demand，COD）、氨氮（NH3-Nitrogen，NH3-N）、總氮（total nitrogen，TN）和總磷（TP，total phosphorus），水質(zhì)分析方法參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其中SS 采用稱量法，COD 采用重鉻酸鉀法，NH3-N 采用納氏試劑分光光度法，TN 采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP 采用鉬酸銨分光光度法[10]。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 污染物的去除效果

組合工藝設(shè)施經(jīng)調(diào)試且穩(wěn)定運(yùn)行后，委托具有污水水質(zhì)檢測(cè)資質(zhì)的第三方水質(zhì)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)出水進(jìn)行了5 次取樣檢測(cè)，結(jié)果如表3 所示。表3 結(jié)果顯示出水水質(zhì)均滿足DB 43/1665—2019 一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

表3 組合工藝設(shè)施的進(jìn)、出水水質(zhì)Table 3 Inlet and outlet water quality of the combined process facilities

為詳細(xì)監(jiān)測(cè)組合工藝設(shè)施的性能，如1.3 節(jié)所示對(duì)組合工藝設(shè)施中各處理單元內(nèi)水質(zhì)進(jìn)行了38 次取樣分析，各污染物濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果在2.2～2.6 節(jié)中討論。

2.2 SS 去除效果

運(yùn)行期間組合工藝設(shè)施對(duì)SS 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見(jiàn)圖2。

從圖2 中可以看出，在監(jiān)測(cè)期間，進(jìn)水中SS 質(zhì)量濃度的變化范圍為112.4～198.1 mg/L，平均質(zhì)量濃度為144.2 mg/L 人工濕地出水SS 質(zhì)量濃度的變化范圍為4.7～11.3 mg/L；平均質(zhì)量濃度為7.8 mg/L；組合工藝設(shè)施對(duì)SS 平均去除率為94.7%，達(dá)到DB 43/1665—2019 一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，這表明組合設(shè)施能有效且穩(wěn)定去除污水中的SS。其中隔油池、厭氧池、微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備和人工濕地的去除率分別為12.7%,26.5%,45.6%和12.1%。隔油池水力停留時(shí)間較短，主要通過(guò)沉降去除廢水中大顆粒污染物；厭氧池則利用大顆粒有機(jī)物的水解酸化成可溶性物質(zhì)，同時(shí)較長(zhǎng)的水力停留時(shí)間也提高了沉降效果，這些使厭氧池出水中SS 降低；微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備為泥膜耦合系統(tǒng)，提高了污泥的沉降性能，極大降低了出水SS，廢水中的大部分SS 在微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備中被去除；人工濕地中基質(zhì)對(duì)進(jìn)水中小顆粒物有較好的過(guò)濾作用，進(jìn)一步降低了污水中SS 濃度。監(jiān)測(cè)期間，組合工藝設(shè)施出水中SS 濃度較低且穩(wěn)定，季節(jié)性變化和沖擊負(fù)荷對(duì)組合設(shè)施SS 去除性能沒(méi)有影響。

2.3 COD 去除效果

運(yùn)行期間組合工藝設(shè)施對(duì)COD 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見(jiàn)圖3。

由圖3 可知，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)水中COD 質(zhì)量濃度的變化范圍為140.4～243.2 mg/L，平均質(zhì)量濃度為182.5 mg/L；人工濕地出水COD 質(zhì)量濃度的變化范圍為3.3～23.7 mg/L，平均質(zhì)量濃度為13.3 mg/L；組合工藝設(shè)施對(duì)COD 的平均去除率為92.9%，滿足且優(yōu)于DB 43/1665—2019 一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)水中COD 濃度存在一定波動(dòng)，出水中COD 濃度比較平穩(wěn)，這表明組合工藝設(shè)施能穩(wěn)定有效去除廢水中的COD，這些歸因于隔油池、厭氧池、微動(dòng)力A2O一體化設(shè)備和人工濕地生物生態(tài)組合工藝設(shè)施對(duì)進(jìn)水中COD 有著緩沖、調(diào)節(jié)和降解的作用，能有效抗擊沖擊負(fù)荷，穩(wěn)定出水水質(zhì)。其中隔油池、厭氧池、A2O 一體化設(shè)備和人工濕地的去除率分別為13.1%,28.2%,37.0%,14.6%，組合工藝設(shè)施中微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備對(duì)COD 去除貢獻(xiàn)要明顯高于其他處理單元，歸因于泥膜耦合系統(tǒng)能高效去除進(jìn)水中的COD[11]。監(jiān)測(cè)期間，季節(jié)性變化對(duì)組合工藝設(shè)施COD 去除存在一定的影響，圖3 顯示，冬季組合工藝設(shè)施出水中COD 濃度高于其他季節(jié)，歸因于低溫氣候下，微生物活性降低，因而降低了組合設(shè)施對(duì)COD 的降解能力，導(dǎo)致出水中COD 濃度上升。

2.4 NH3-N 去除效果

運(yùn)行期間組合工藝設(shè)施對(duì)NH3-N 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見(jiàn)圖4。由圖4 可知，在組合工藝設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)水中NH3-N 質(zhì)量濃度的變化范圍為14.0～24.6 mg/L；平均質(zhì)量濃度為18.4 mg/L，人工濕地出水NH3-N 質(zhì)量濃度的變化范圍為1.8～8.6 mg/L，平均質(zhì)量濃度為5.3 mg.L-1；組合工藝設(shè)施對(duì)NH3-N 平均去除率為70.5%，達(dá)到DB 43/1665—2019 一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。其中隔油池的去除率僅為4.7%，主要依靠吸附在顆粒物上的少量NH3-N 而得到沉降去除。而厭氧反應(yīng)池的去除率為-17.4%，在厭氧池內(nèi)污水中有機(jī)氮通過(guò)水解、氨化作用轉(zhuǎn)化為NH3-N，導(dǎo)致了厭氧池出水中NH3-N增加。微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備的去除率為65.2%，人工濕地的去除率為17.9%。組合工藝設(shè)施對(duì)NH3-N具有較好的去除效果，這主要是依靠微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備的泥膜耦合系統(tǒng)中微生物的硝化作用，同時(shí)，在人工濕地中交替出現(xiàn)的好氧環(huán)境中，基質(zhì)膜上微生物的硝化作用及植物根系吸收則進(jìn)一步強(qiáng)化了對(duì)進(jìn)水中NH3-N 的去除。監(jiān)測(cè)期間，季節(jié)性變化影響了組合工藝設(shè)施對(duì)NH3-N 的去除，在冬季低溫環(huán)境下，組合設(shè)施出水中NH3-N 濃度高于其他季節(jié)，歸因于低溫氣候下微生物硝化活性降低，影響了組合工藝設(shè)施對(duì)NH3-N 的去除效果。

2.5 TN 去除效果

運(yùn)行期間組合工藝設(shè)施對(duì)TN 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見(jiàn)圖5。

由圖5 可知，在組合工藝設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)水中TN 質(zhì)量濃度的變化范圍為28.4～41.2 mg/L，平均質(zhì)量濃度為34.2 mg/L；人工濕地出水TN 質(zhì)量濃度的變化范圍為6.9～19.4 mg/L，平均質(zhì)量濃度為12.0 mg/L；組合設(shè)施對(duì)TN 平均去除率為64.8%，出水水質(zhì)比較穩(wěn)定，達(dá)到DB 43/1665—2019 一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。其中隔油池的去除率僅為6.5%，歸因于污水中顆粒態(tài)有機(jī)氮或吸附在顆粒物上NH3-N 的沉降。厭氧池的去除率為4.8%，在厭氧環(huán)境下，微生物增值的吸收對(duì)氮的去除非常有限。微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備的去除率為40.4%，人工濕地的去除率為13.2%，A2O 一體化設(shè)備對(duì)廢水中氮的去除發(fā)揮了主導(dǎo)作用。而人工濕地則依靠不斷交替好氧、缺氧環(huán)境中基質(zhì)膜上微生物的硝化和反硝化作用及植物根際的吸收作用，強(qiáng)化了廢水中TN的去除，桂雙林等[12]在厭氧/生物滴濾塔/人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水的研究中也報(bào)道了類似現(xiàn)象。監(jiān)測(cè)期間，季節(jié)性變化影響了組合設(shè)施對(duì)TN 的去除，圖5 顯示，在冬季低溫環(huán)境下，組合設(shè)施出水中的TN 濃度高于其他季節(jié)，這是因?yàn)榈蜏貧夂蛳挛⑸锵趸⒎聪趸钚越档?，植物?duì)氮素吸收能力也降低導(dǎo)致的。

2.6 TP 去除效果

運(yùn)行期間組合工藝設(shè)施對(duì)TP 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見(jiàn)圖6。

由圖6 可知，在組合工藝設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)水中TP 質(zhì)量濃度變化范圍為1.4～3.5 mg/L，平均質(zhì)量濃度為2.4 mg/L；人工濕地出水TP 質(zhì)量濃度的變化范圍為0.1～0.7 mg/L，平均質(zhì)量濃度為0.4 mg/L，達(dá)到DB 43/1665—2019 一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。組合工藝設(shè)施對(duì)TP 平均去除率為84.7%。其中，人工濕地對(duì)TP去除的貢獻(xiàn)最大，達(dá)到39.1%，而A2O 一體化設(shè)備只貢獻(xiàn)了24.8%，厭氧池貢獻(xiàn)了8.4%，隔油池貢獻(xiàn)了12.4%。主要原因是由于濕地介質(zhì)中采用了碎磚粒，可較好地吸附去除進(jìn)入濕地中的磷，此外，濕地中植物根系可在濕地介質(zhì)中形成好氧環(huán)境，利于介質(zhì)對(duì)磷的吸附和沉淀，同時(shí)植物也可以吸收部分磷[8,13]。微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備對(duì)磷的處理效果弱于人工濕地，歸因于A2O 一體化設(shè)備中裝設(shè)了彈性填料，形成了泥膜耦合環(huán)境，排泥量較少，且泥齡較長(zhǎng)，難以通過(guò)排泥去除污水中的磷，導(dǎo)致A2O 一體化設(shè)備除磷效果不佳，楊衛(wèi)等[14]在倒置A2O 一體化裝置的運(yùn)行中報(bào)道了類似結(jié)論。而隔油設(shè)備主要通過(guò)沉降去除了進(jìn)水中顆粒態(tài)的磷。監(jiān)測(cè)期間，組合工藝設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定，沖擊負(fù)荷對(duì)設(shè)施的TP 去除幾乎沒(méi)有影響，組合工藝設(shè)施具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力。冬季組合設(shè)施出水中TP 濃度高于夏季，可能歸因于低溫環(huán)境下，微生物活性降低，因而降低了微生物過(guò)量吸磷、增值排泥除磷效果，導(dǎo)致冬季低溫環(huán)境下組合設(shè)施出水中TP 濃度高于夏季。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)人工濕地組合工藝設(shè)施處理農(nóng)村生活污水效果的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，可得到以下結(jié)論：

1）采用隔油/厭氧/微動(dòng)力A2O 一體化設(shè)備/潛流人工濕地組合工藝設(shè)施處理農(nóng)村生活污水，組合工藝設(shè)施對(duì)SS、COD、NH3-N、TN 和TP 的平均去除率分別達(dá)94.7%,92.9%,70.5%,64.8%,84.7%，出水水質(zhì)達(dá)到DB 43/1665—2019 一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

2）組合工藝設(shè)施各處理單元中，A2O 一體化設(shè)備對(duì)SS、COD、NH3-N、TN 的去除貢獻(xiàn)率最大，而人工濕地對(duì)TP 的貢獻(xiàn)率最大。

3）除SS 外，其他污染物的去除均受到季節(jié)變化的影響，夏季處理效果好于冬季處理效果。

4）組合工藝設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)農(nóng)村生活污水具有良好的凈化處理效果，具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力，適合在農(nóng)村地區(qū)推廣應(yīng)用。