多介質(zhì)膜復(fù)合人工濕地技術(shù)處理冬季農(nóng)村生活污水

陳 建，汪 軍*，潘成榮

(1.安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司，安徽合肥 230031；2.安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，安徽合肥 230001)

目前，我國(guó)農(nóng)村地區(qū)生活污水處理大多采用生物法[1]，污水處理設(shè)施運(yùn)行受季節(jié)性溫差的影響顯著，特別是冬季低水溫易導(dǎo)致出水水質(zhì)超標(biāo)[2-3]。因?yàn)槎镜退疁厥沟梦鬯幚碓O(shè)施中微生物的活性極大地降低，污水處理效率降低，致使出水水質(zhì)波動(dòng)[4-6]。此外，低水溫環(huán)境下污泥比阻將增加，使得活性污泥的沉降性能降低，從而影響污水處理效果[7]。錢(qián)程等[8]研究表明，當(dāng)水溫低于5.6 ℃時(shí)，活性污泥中的微生物基本處于休眠狀態(tài)，因此微生物對(duì)有機(jī)物的降解以及脫氮除磷均受到較大限制，并且低水溫狀態(tài)下活性污泥中的菌群數(shù)量也會(huì)銳減，進(jìn)一步降低污水處理效果。當(dāng)水溫低于13 ℃時(shí)，微生物處理效果開(kāi)始加速降低；當(dāng)水溫低于4 ℃時(shí)，微生物開(kāi)始死亡，此時(shí)幾乎無(wú)處理效果[9]。綜上所述，冬季低水溫導(dǎo)致污水處理設(shè)施非正常運(yùn)行，污水處理效率降低，出水水質(zhì)波動(dòng)大，對(duì)周邊水環(huán)境產(chǎn)生影響。為防止冬季農(nóng)村地區(qū)因污水處理不達(dá)標(biāo)而引起的水生生態(tài)系統(tǒng)破壞，急需研究適合冬季農(nóng)村地區(qū)生活污水處理的新技術(shù)，提高冬季污水處理效果，為鄉(xiāng)村環(huán)境質(zhì)量的提升貢獻(xiàn)力量。

生物膜法因其生物質(zhì)濃度高、耐受性強(qiáng)、占地面積小、污泥齡長(zhǎng)、出水水質(zhì)好及抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[10-13]。筆者以多種介質(zhì)懸浮填料強(qiáng)化的膜技術(shù)與潛流人工濕地技術(shù)為核心，針對(duì)冬季低溫農(nóng)村生活污水處理需求，應(yīng)用多介質(zhì)懸浮填料與高效納米曝氣等技術(shù)，結(jié)合化學(xué)除磷與管道式紫外消毒等技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了多介質(zhì)膜復(fù)合人工濕地技術(shù)，處理冬季農(nóng)村生活污水，通過(guò)小試試驗(yàn)探討此技術(shù)在冬季低水溫條件下的污水處理效果及機(jī)理，以期為實(shí)際農(nóng)村生活污水處理工程提供數(shù)據(jù)支撐與技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置多介質(zhì)膜復(fù)合人工濕地試驗(yàn)處理裝置室外露天放置，其工藝包括厭氧—缺氧—好氧多介質(zhì)膜—沉淀—管道式紫外消毒—潛流人工濕地，試驗(yàn)裝置間串聯(lián)。缺氧池設(shè)有硝化液回流系統(tǒng)；好氧池分隔3個(gè)反應(yīng)區(qū)，上層為2個(gè)完全分隔的MBBR反應(yīng)區(qū)，下層為不完全分隔的BAF反應(yīng)區(qū)；沉淀池進(jìn)水管設(shè)有聚合氯化鋁(PAC)加藥裝置。為調(diào)控試驗(yàn)裝置水力負(fù)荷，進(jìn)水管道設(shè)置了水量調(diào)節(jié)閥。試驗(yàn)裝置流程圖見(jiàn)圖1。

1.2 裝置及運(yùn)行參數(shù)多介質(zhì)膜復(fù)合人工濕地試驗(yàn)裝置由8 mm厚的聚丙烯(PP)板構(gòu)成。好氧多介質(zhì)膜池底部設(shè)有曝氣盤(pán)及進(jìn)水管。BAF反應(yīng)區(qū)填有粒徑15 mm的石灰石，高度20 cm。上層2個(gè)MBBR反應(yīng)區(qū)分別填有粒徑20 mm的蜂窩狀懸浮填料及粒徑50 mm的球形懸浮填料，填充空間比約25%。潛流人工濕地填充粒徑15 mm的石灰石，混合栽種鳶尾、再力花及美人蕉。污水日處理量500 L，硝化液回流比150%，好氧多介質(zhì)膜池曝氣量2.5～7.5 L/min，PAC(Al2O3含量28%)用量為8.40 g/d。試驗(yàn)裝置水力運(yùn)行方式為重力自流，沉淀池中間設(shè)有折流擋板，出水經(jīng)管道式紫外消毒器消毒后自流至潛流人工濕地。紫外消毒器為一級(jí)出水，潛流人工濕地為二級(jí)出水。試驗(yàn)裝置尺寸及運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)水質(zhì)。多介質(zhì)膜復(fù)合人工濕地裝置試驗(yàn)期間用水為合肥市某村鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)原水。通過(guò)定期取裝置進(jìn)、出水水樣，檢測(cè)水質(zhì)變化，探究其在冬季的處理效果。采樣時(shí)間為09：00，當(dāng)天檢測(cè)完所有水樣。試驗(yàn)時(shí)間為2021年8月至2022年3月。裝置進(jìn)、水質(zhì)指標(biāo)及出水一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)詳見(jiàn)表2。

圖1 多介質(zhì)膜復(fù)合人工濕地技術(shù)工藝流程Fig.1 The process flow of multi-media membrane composite artificial wetland technology

表1 裝置各單元參數(shù)Table 1 Parameters of each unit in the device

表2 裝置進(jìn)、出水水質(zhì)變化Table 2 The changes of water quality in the influent and effluent of the device 單位：mg/L

1.3.2水質(zhì)監(jiān)測(cè)及方法。水溫采用溫度計(jì)測(cè)量；總氮(TN)、總磷(TP)濃度采用過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636—2012/GB 11893—1989)檢測(cè)；NO3--N濃度采用紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)檢測(cè)；NH4+-N濃度采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)檢測(cè)；CODCr濃度采用重鉻酸鹽法(HJ 828—2017)檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨氮去除效果由圖2a可知，隨著水溫的降低，進(jìn)水NH4+-N濃度逐漸升高，出水NH4+-N濃度呈現(xiàn)波動(dòng)升高的狀態(tài)；由圖2b可知，NH4+-N的去除率受進(jìn)水濃度及溫度的共同影響呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的狀態(tài)，其中水溫是主要影響因素。當(dāng)水溫為26 ℃時(shí)，適合硝化菌生長(zhǎng)促進(jìn)硝化反應(yīng)的進(jìn)行[14]，NH4+-N去除率最高。當(dāng)水溫高于16 ℃時(shí)，NH4+-N去除率超過(guò)85.00%。當(dāng)水溫低于12 ℃時(shí)，低水溫抑制了硝化及亞硝化細(xì)菌的活性[15]，導(dǎo)致NH4+-N去除率明顯下降。由圖2a可知，當(dāng)水溫低于12 ℃時(shí)，一級(jí)出水與二級(jí)出水NH4+-N濃度基本相同，潛流人工濕地對(duì)NH4+-N幾乎無(wú)去除效果，主要原因是潛流人工濕地內(nèi)部絕大部分處于厭氧狀態(tài)，硝化能力不足，加之水溫較低，硝化細(xì)菌活性受到抑制，導(dǎo)致潛流人工濕地幾乎喪失NH4+-N去除能力[16]。試驗(yàn)期間進(jìn)水NH4+-N平均濃度為27.63 mg/L，出水NH4+-N平均濃度為9.06 mg/L，出水水質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于安徽省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 34/3527—2019)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，平均去除率達(dá)67.20%。

圖2 不同水溫下NH4+-N的去除效果Fig.2 The removal effect of NH4+-N at different water temperatures

2.2 總氮去除效果由圖3a可知，隨著水溫的降低，出水總氮(TN)濃度逐漸升高；由圖3b可知，TN去除率也隨著水溫的降低呈現(xiàn)波動(dòng)降低的狀態(tài)。由圖4可知，系統(tǒng)進(jìn)水硝態(tài)氮(NO3--N)濃度接近0 mg/L，NO3--N出水濃度隨水溫的降低呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，但出水濃度波動(dòng)較大，主要與進(jìn)水NH4+-N濃度波動(dòng)有關(guān)。冬季水溫較低，反硝化菌不僅增長(zhǎng)速率受到影響，而且其活性也受到抑制，加上試驗(yàn)用水碳氮比較低，可利用的碳源不足，導(dǎo)致反硝化脫氮過(guò)程受限，NO3--N去除率低，NH4+-N硝化轉(zhuǎn)為NO3--N積累，使得出水NO3--N濃度最高時(shí)超過(guò)9.00 mg/L，最終導(dǎo)致TN去除率低[17]。由圖3b可知，當(dāng)水溫高于20 ℃時(shí)，TN去除率較高，此時(shí)水溫適宜硝化菌、反硝化菌生存繁殖；當(dāng)水溫低于12 ℃時(shí)，TN去除率低于42.00%，因?yàn)?2 ℃水溫遠(yuǎn)低于反硝化細(xì)菌適宜生存的溫度，且隨著水溫的降低，反硝化菌的增殖及代謝速率也將降低[18]。該工藝試驗(yàn)期間進(jìn)水TN平均濃度為31.30 mg/L，出水TN平均濃度為18.39 mg/L，出水水質(zhì)優(yōu)于安徽省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 34/3527—2019)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，冬季TN平均去除率可達(dá)41.24%。

圖3 不同水溫下TN的去除效果Fig.3 The removal effect of TN at different water temperatures

圖4 不同水溫下NO3--N進(jìn)出水濃度的變化Fig.4 Variation of NO3--N influent and effluent concentrations at different temperatures

2.3 總磷去除效果由圖5a可知，隨著水溫的降低，進(jìn)水TP濃度呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，但出水TP濃度基本保持在0.50 mg/L左右；由圖5b可知，TP去除率呈現(xiàn)上下波動(dòng)狀態(tài)，水溫的降低基本不影響TP去除率，這主要是因?yàn)樵摴に囃瑫r(shí)采用生物和化學(xué)除磷方法[19]，污水中TP的去除受水溫的影響較小。其中，生物除磷是由厭氧池中聚磷菌釋磷與好氧多介質(zhì)生物膜池聚磷菌吸磷完成，使磷得以去除，但聚磷菌活性會(huì)隨著水溫的降低而降低，出水TP濃度基本不隨水溫的變化而變化，主要是因?yàn)橄到y(tǒng)采用化學(xué)除磷方法[20-21]。當(dāng)水溫過(guò)低時(shí)，生物除磷效果銳減，系統(tǒng)需要投加化學(xué)除磷藥劑維持除磷效果，采用PAC(Al2O3含量28%)8.40 g/d輔助除磷，形成沉淀物以剩余污泥的方式排出，保證了系統(tǒng)在冬季低水溫情況下出水TP濃度穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。試驗(yàn)期間進(jìn)水TP平均濃度為3.43 mg/L，出水TP平均濃度為0.43 mg/L，出水水質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于安徽省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 34/3527—2019)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，平均去除率高達(dá)87.56%。

圖5 不同水溫下TP的去除效果Fig.5 The removal effect of TP at different water temperatures

2.4 CODCr去除效果由圖6a可知，進(jìn)水CODCr濃度在60.00～200.00 mg/L內(nèi)波動(dòng)變化，隨著水溫的逐漸降低，出水CODCr濃度基本維持不變，波動(dòng)幅度較小。由圖6b可知，CODCr去除率隨水溫的下降整體上呈降低趨勢(shì)。農(nóng)村生活污水中的有機(jī)物主要通過(guò)微生物好氧呼吸作用、同化作用以及定期排泥等途徑去除[22]。因?yàn)閼腋☆w粒物可吸附有機(jī)物形成沉淀，定期排泥去除，但僅占有機(jī)物小部分[23]。試驗(yàn)期間，隨著水溫的降低，并未出現(xiàn)剩余污泥增多的現(xiàn)象，因此該系統(tǒng)主要是通過(guò)好氧多介質(zhì)生物膜池中生長(zhǎng)的大量異養(yǎng)型微生物的降解和吸收作用去除有機(jī)物[24]，證實(shí)了其在低溫情況下仍可高效降解有機(jī)物。試驗(yàn)期間系統(tǒng)進(jìn)水CODCr平均濃度為115.25 mg/L，出水CODCr平均濃度為15.50 mg/L，出水水質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于安徽省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 34/3527—2019)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，冬季低水溫情況下CODCr平均去除率可達(dá)86.55%。

圖6 不同水溫下CODCr的去除效果Fig.6 The removal effect of CODCr at different water temperatures

3 結(jié)論

通過(guò)多介質(zhì)膜復(fù)合人工濕地技術(shù)處理冬季低水溫農(nóng)村生活污水，得出以下結(jié)論：此工藝在冬季能有效處理農(nóng)村生活污水，運(yùn)行持久穩(wěn)定，可高效去除污水中的有機(jī)物，且脫氮除磷效果較好，冬季對(duì)TN、NH4+-N、CODCr和TP去除率分別為41.24%、67.20%、86.55%和87.56%，出水水質(zhì)均優(yōu)于安徽省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 34/3527—2019)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

多介質(zhì)膜復(fù)合人工濕地技術(shù)綠色低碳，PAC藥劑費(fèi)損耗約0.03元/t，不需要添加外源性碳源，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。此工藝有效解決了農(nóng)村生活污水冬季出水水質(zhì)波動(dòng)大、處理效率低和生物質(zhì)濃度低等問(wèn)題。此工藝在水溫低于5 ℃條件下出水CODCr平均濃度為15.50 mg/L，好氧多介質(zhì)生物膜中的微生物作用是高效去除有機(jī)物的關(guān)鍵因素，其高效降解有機(jī)物的作用機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。