厭氧-人工濕地組合工藝在農(nóng)村生活污水應(yīng)用研究

陳 堯 胡潤夏 倪金雷 湯文艷

（1.杭州國尼環(huán)?？萍加邢薰荆憬?杭州 310000；2.湖南四環(huán)環(huán)保科技有限公司昆明分公司，云南 昆明 650000；3.浙江中藍(lán)環(huán)境科技有限公司，浙江 杭州 325088；4.湖南子宏生態(tài)科技股份有限公司，湖南 長沙 410100）

0 引言

農(nóng)村生活污水沒有經(jīng)過合理處理，會(huì)直接影響農(nóng)村環(huán)境、村民生活質(zhì)量和衛(wèi)生狀況[1]。農(nóng)村生活污水處理工藝作為農(nóng)村污水治理的核心內(nèi)容，被廣泛研究。

目前，根據(jù)作用機(jī)理，將農(nóng)村生活污水處理工藝分為3 類：1）生物工藝。代表厭氧工藝、AO 工藝、MBR 工藝。2）生態(tài)工藝。代表人工濕地、穩(wěn)定塘、土地自然消納。3）生物-生態(tài)組合工藝。代表厭氧-人工濕地、AO-人工濕地、MBR-人工濕地[2-3]。生物工藝占地面積小，有機(jī)物處理效果好，當(dāng)不增加化學(xué)除磷時(shí)除磷效果一般，且機(jī)械設(shè)備多，能耗高，運(yùn)行維護(hù)過程復(fù)雜。生態(tài)工藝各污染指標(biāo)的去除效果都比較好，但是占地面積較大。生物-生態(tài)組合工藝是結(jié)合了生物和生態(tài)2 種工藝的優(yōu)點(diǎn)，在保證各項(xiàng)污染指標(biāo)去除的同時(shí)，減少占地面積，降低能耗并且提高了污水處理系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷。生物-生態(tài)組合污水處理工藝中厭氧-人工濕地被廣泛運(yùn)用，取得良好的效果。對(duì)厭氧-人工濕地實(shí)際工程調(diào)研案例數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)一步對(duì)該組合工藝進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 調(diào)研區(qū)域

2014 年浙江全省開展“五水共治”工作，全省各地農(nóng)村開展污水處理工作，截至2023 年浙江省全省農(nóng)村生活污水治理行政村覆蓋率達(dá)到85%以上。調(diào)研數(shù)據(jù)來自于浙江2014—2015 年完成的53 個(gè)厭氧-人工濕地農(nóng)村污水案例水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2 工藝介紹

農(nóng)村污水通過收集進(jìn)入?yún)捬?人工濕地污水處理系統(tǒng)，先通過格柵撇去大塊漂浮物，污水自流進(jìn)入?yún)捬醭剡M(jìn)行水解酸化，在厭氧池末端再通過水泵將污水提升至人工濕地表面進(jìn)行布水，污水被均勻分布在濕地表面，在重力作用下，在濕地填料中向下滲透，最后通過濕地底部集水系統(tǒng)收集，排放至厭氧-人工濕地處理系統(tǒng)外部。

厭氧-人工濕地污水處理系統(tǒng)中厭氧部分主要起水解酸化作用，將污水中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的不溶性或溶解性高分子有機(jī)物經(jīng)過水解和酸化，轉(zhuǎn)化為低分子的有機(jī)物。這些有機(jī)物適合在人工濕地中被進(jìn)一步降解處理。厭氧-人工濕地污水處理工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 厭氧-人工濕地污水處理工藝流程圖

人工濕地是通過模擬自然濕地的結(jié)構(gòu)和功能，將低污染水投配到由填料（含土壤、集配粒料）與水生植物、動(dòng)物、微生物構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)中，通過物理、化學(xué)和生物等協(xié)同作用使水質(zhì)得以改善的水處理工藝[4-5]。人工濕地根據(jù)填料和處理水在濕地中的位置關(guān)系，可分為表面流人工濕地和潛流型人工濕地，其中潛流型人工濕地根據(jù)水在濕地填料中的走向，分為水平潛流型人工濕地和垂直潛流型人工濕地。不同人工濕地之間工藝對(duì)比見表1。人工濕地設(shè)計(jì)參數(shù)基于氣候分區(qū)，浙江省位于夏熱冬冷區(qū)，表1 為該區(qū)人工濕地參數(shù)。

表1 人工濕地工藝對(duì)比表

垂直潛流人工濕地在水力負(fù)荷、污染物消減負(fù)荷上均優(yōu)于其他2 種濕地。調(diào)研案例中人工濕地均為垂直潛流人工濕地。

1.3 工程設(shè)計(jì)

調(diào)研案例厭氧池采用玻璃鋼材質(zhì)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，水力停留時(shí)間約12 h~16 h。

人工濕地外墻采用磚混結(jié)構(gòu)，由上至下依次為植物、布水系統(tǒng)、濕地填料、集水系統(tǒng)、防滲膜。植物采用美人蕉、菖蒲，種植密度分別為1 株/m2、20 株/m2。濕地填料由上至下依次包括以下3 層：1）覆蓋層。粒徑8~16mm 礫石，厚度200~300mm。2）濾料層。粒徑為0.2~6mm 無泥粗砂，厚度200~400mm。3） 過渡層。粒徑4~8mm礫石，厚度100~200mm。4）排水層。粒徑8~16mm 礫石，厚度200~300mm。濕地布水由時(shí)間繼電器控制的泵按照固定時(shí)間間隔間歇布水。

1.4 分析方法

分析項(xiàng)目及測(cè)定方法見表2。

表2 水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)方法

1.5 進(jìn)水及排放標(biāo)準(zhǔn)說明

為保證厭氧-人工濕地系統(tǒng)能正常運(yùn)行，CODCr、總氮、氨氮、總磷進(jìn)入污水處理系統(tǒng)最高濃度應(yīng)分別低于400mg/L、50mg/L、40mg/L、7mg/L。

污水處理系統(tǒng)排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行農(nóng)村生活污水集中處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)DB 33/973—2021，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 DB 33/973—2021 標(biāo)準(zhǔn)污水處理設(shè)施水污染物最高允許排放濃度限值（單位：mg/L）

根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)DB 33/973—2021，只有排入封閉、半封閉水體且評(píng)價(jià)是否達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才會(huì)有總氮指標(biāo)限制，該項(xiàng)目調(diào)研案例出水均排入農(nóng)田灌溉溝渠，總氮指標(biāo)不作為判斷水質(zhì)是否達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)污染項(xiàng)目。該文為全面評(píng)價(jià)厭氧-人工濕地處理農(nóng)村污水效果，總氮作為該工藝脫氮效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)DB 33/973—2021，同時(shí)結(jié)合調(diào)研案例排水情況，厭氧-人工濕地出水達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)即滿足排放要求。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 去除CODCr

如圖2 所示，總共53 個(gè)調(diào)研案例中有1 個(gè)案例出水CODCr濃度超過60 mg/L且低于70 mg/L，52個(gè)案例出水CODCr濃度小于60 mg/L，即有1 個(gè)案例，占比1.9%，出水CODCr濃度滿足DB 33/973—2021 中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，52 個(gè)案例，占比98.1%，滿足一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。厭氧-人工濕地工藝對(duì)所有案例CODCr處理達(dá)標(biāo)率100%。53 個(gè)調(diào)研案例出水CODCr濃度平均值為22.1 mg/L，中位值為17.6 mg/L，結(jié)合出水平均值、中位值與排放要求數(shù)值，該工藝對(duì)CODCr處理效果可靠。

圖2 出水CODCr 濃度分布圖

厭氧-人工濕地對(duì)CODCr去除主要分為2 個(gè)階段：第一階段是厭氧中的水解酸化階段，將水中大分子有機(jī)物包括難降解有機(jī)物水解酸化為小分子有機(jī)物，降低水中CODCr同時(shí)，提高了污水的可生化性；第二階段是污水在人工濕地的去除，該階段對(duì)CODCr去除起主要作用的是人工濕地填料上附著的微生物[6]，通過植物根部輸氧[7]和濕地填料間隙自然復(fù)氧，濕地中營造出氧氣濃度分布不均勻的環(huán)境，有厭氧、兼氧、好氧微生物，人工濕地中微生物種類和數(shù)量豐富，微生物通過分解代謝、微生物合成代謝和內(nèi)源呼吸對(duì)CODCr去除。

2.2 對(duì)氨氮和總氮的去除

如圖3 所示，總共53 個(gè)調(diào)研案例中有49 個(gè)案例出水氨氮濃度小于8mg/L，4 個(gè)案例出水總磷濃度為8mg/L~25mg/L，即有49 個(gè)案例，占92.5%，出水總磷濃度滿足DB33/973—2021 中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，4 個(gè)案例，占7.5%，滿足二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。厭氧-人工濕地工藝對(duì)所有案例氨氮處理達(dá)標(biāo)率為100%。53 個(gè)調(diào)研案例出水氨氮濃度平均值為1.76mg/L，中位值為0.17mg/L，結(jié)合出水平均值、中位值與排放要求數(shù)值，該工藝對(duì)氨氮的處理效果可靠。

圖3 出水氨氮濃度分布圖

如圖4 所示，總共53 個(gè)調(diào)研案例中有39 個(gè)案例出水總氮濃度小于20 mg/L，占73.6%，滿足出水直排進(jìn)入封閉水體或半封閉水體時(shí)DB 33/973—2021 中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，剩余14 個(gè)案例，占26.4%，出水總氮濃度在20 mg/L~30 mg/L，不滿足直排進(jìn)入封閉水體或半封閉水體時(shí)DB 33/973—2021 中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。由于該項(xiàng)目53 個(gè)調(diào)研案例排水均直接進(jìn)入農(nóng)田灌溉溝渠，非封閉水體或半封閉水體，總氮不作為一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。厭氧-人工濕地工藝對(duì)控制總氮指標(biāo)有一定的作用，但是不能達(dá)到20 mg/L 這一標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 出水總氮濃度分布圖

氨氮是總氮中的一部分。在厭氧-人工濕地組合工藝中厭氧階段，污水在氨化細(xì)菌的作用下，將部分有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，即經(jīng)過厭氧階段氨氮濃度會(huì)升高。污水進(jìn)入人工濕地后，污水氨氮的去除分為2 個(gè)部分，一部分是被植物根本吸收，合成植物蛋白質(zhì)等有機(jī)氮，成為植物的一部分，通過植物收割從人工濕地系統(tǒng)中完全去除；還有一部分氨氮在人工濕地內(nèi)通過填料上的微生物進(jìn)行硝化作用，轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮?？偟娜コ吭谌斯竦刂校徊糠挚偟恢参镂?，這部分總氮除被植物吸收的氨氮外還有部分硝態(tài)氮，還有一部分總氮在濕地中反硝化微生物作用下將總氮中硝態(tài)氮的氮通過一系列中間產(chǎn)物（NO2?、NO、N2O）還原為氮?dú)猓∟2），去除總氮[8]。

2.3 去除總磷

如圖5 所示，總共53 個(gè)調(diào)研案例中有52 個(gè)案例出水總磷濃度小于2mg/L，1 個(gè)案例出水總磷濃度在2mg/L~3mg/L，即有1 個(gè)案例，占1.9%，出水總磷濃度滿足DB33/973—2021中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，52 個(gè)案例，占98.1%，滿足一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，厭氧-人工濕地工藝對(duì)總磷處理達(dá)標(biāo)率100%。53 個(gè)調(diào)研案例出水總磷濃度平均值為0.56mg/L，中位值為0.43mg/L，結(jié)合出水平均值、中位值與排放要求數(shù)值，該工藝對(duì)總磷處理效果良好。

圖5 農(nóng)村生活污水經(jīng)厭氧-人工濕地處理出水總磷濃度分布圖

厭氧-人工濕地對(duì)總磷去除主要是 人工濕地去除，人工濕地對(duì)總磷去除主要為填料化學(xué)吸附和植物吸收。污水經(jīng)厭氧池水解酸化，水中pH 值會(huì)在一定范圍內(nèi)降低，提高了濕地填料中鈣鹽和鎂鹽水解，鈣離子和鎂離子和水中磷酸鹽反應(yīng)，吸附在填料上。厭氧-人工濕地組合工藝中，厭氧階段未直接去除總磷，但是提高了填料化學(xué)吸附作用。濕地中植物吸收水中的磷酸鹽作為養(yǎng)分，經(jīng)同化作用變成植物的ATP、DNA 及RNA 等有機(jī)成分，通過植物的收割去除[9]。

3 結(jié)論

結(jié)合調(diào)研數(shù)據(jù)和機(jī)理分析，得出以下4 個(gè)結(jié)論：1）經(jīng)過分析調(diào)研的53 個(gè)應(yīng)用厭氧-人工濕地工藝處理農(nóng)村生活污水的案例，53 個(gè)案例，占比100%出水CODCr、氨氮、總磷都滿足浙江省農(nóng)村生活污水集中處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)DB 33/973—2021 中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即厭氧-人工濕地運(yùn)用在農(nóng)村生活污水處理中適用性好。2） 經(jīng)過分析調(diào)研的53 個(gè)案例，CODCr、氨氮、總磷、總氮4 項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到DB 33/973—2021 中一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求率為98.1%、92.5%、98.1%和73.6%，如果要提高厭氧-人工濕地出水標(biāo)準(zhǔn)，就要提高總氮去除率。3）總氮去除限制條件為反硝化需要碳源，農(nóng)村生活污水中碳源偏低，可考慮將收割植物投入?yún)捬醪糠?，提高系統(tǒng)整體碳源水平，同時(shí)將濕地出水部分回流至厭氧池前端，將厭氧-人工濕地系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，在厭氧池中也實(shí)現(xiàn)部分反硝化反應(yīng)，提高系統(tǒng)脫氮效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了部分運(yùn)維廢棄物的減量化、無害化處理。4）厭氧-人工濕地組合工藝中厭氧、人工濕地兩部分，充分利用了各自工藝特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同處理，在各污染指標(biāo)去除過程中都有良好的表現(xiàn)，同時(shí)該組合工藝還具有運(yùn)行能耗低、機(jī)械設(shè)備少和運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)適合該工藝在農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用。