人工濕地技術(shù)在農(nóng)村生活污水中的應(yīng)用

牛麗萍,劉 祥,柏義生,孔德芳

(1.鄭州市生態(tài)環(huán)境局新鄭分局,河南鄭州 451100;2.河南省科學(xué)技術(shù)交流中心,河南鄭州 450003;3.鄭州大學(xué)環(huán)境技術(shù)咨詢工程有限公司,河南鄭州 450002)

隨著國(guó)家和河南省對(duì)農(nóng)村環(huán)境政策的頒布,農(nóng)村生活污水的處理已經(jīng)越來越受到重視[1-3]。農(nóng)村生活污水水量變化大,污水排放呈不連續(xù)狀態(tài),有機(jī)物含量高,含一定量的氮和磷,可生化性好[4-6]。目前針對(duì)農(nóng)村生活污水的處理方法較多,生化處理方法包括化糞池、凈化沼氣池、A/O、A2/O、序批式活性污泥法(SBR)、生物接觸氧化、膜生物反應(yīng)器法(MBR)等[7-8],現(xiàn)今常見的處理方法有一體化生化處理設(shè)備+人工濕地、一體化生化處理設(shè)備+深度處理等組合工藝[9-10]。在實(shí)際應(yīng)用中,生物生態(tài)組合工藝具有較好的應(yīng)用前景[11-12]。生物生態(tài)組合工藝不僅具有較好的處理效果,而且能夠克服生化處理工藝的缺點(diǎn)。筆者以河南省新鄭市某自然村農(nóng)村生活污水為處理對(duì)象,采用“預(yù)處理+復(fù)合潛流人工濕地+穩(wěn)定塘”組合工藝對(duì)農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理,以期為其他區(qū)域農(nóng)村生活污水處理提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介以新鄭市某自然村(280戶,1 100人)產(chǎn)生的生活污水為研究對(duì)象,經(jīng)過戶廁改造后,每家每戶產(chǎn)生的生活污水通過HDPE管網(wǎng)集中收集至處理站點(diǎn)統(tǒng)一處理。按照每人每天60 L的用水量計(jì)算,設(shè)計(jì)規(guī)模為50 m3/d。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘,農(nóng)村污水處理設(shè)施選址在村莊南側(cè)的大片低洼坑塘,占地面積1 300 m2。

1.2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)某自然村排放生活污水懸浮物含量較高,呈現(xiàn)乳白色渾濁狀,并帶有刺激性氣味?，F(xiàn)場(chǎng)取樣,并對(duì)水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,平均值取整后作為設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)。出水水質(zhì)執(zhí)行河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 41/1820—2019)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。具體進(jìn)、出水水質(zhì)見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)、出水水質(zhì)Table 1 The designed influent and effluent quality

2 工藝流程及主要構(gòu)筑物

2.1 工藝流程采用“化糞池+格柵井+調(diào)節(jié)池+厭氧反應(yīng)器+跌水復(fù)氧+復(fù)合潛流人工濕地+穩(wěn)定塘”作為主體工藝,如圖1所示。每家每戶管網(wǎng)通過管網(wǎng)進(jìn)入大三格化糞池,經(jīng)過逐室發(fā)酵分解及分離,污水中的污染物被差異化降解。然后,經(jīng)過格柵井、調(diào)節(jié)池,進(jìn)入折流厭氧反應(yīng)器,逐個(gè)通過反應(yīng)室內(nèi)的污泥床層,進(jìn)水中的底物與微生物充分接觸后得以降解去除。污水經(jīng)過厭氧處理,再經(jīng)過2級(jí)跌水壩,跌水復(fù)氧后進(jìn)入復(fù)合潛流人工濕地,污水在復(fù)合流人工濕地單元內(nèi)以水平和垂直復(fù)合流態(tài)流動(dòng),濕地內(nèi)部采用隔墻形式,使污水在濕地內(nèi)折流,氧可通過大氣擴(kuò)散和植物傳輸進(jìn)入人工濕地系統(tǒng)。該工藝充分利用植物、基質(zhì)及微生物的協(xié)調(diào)作用,具有較好的處理效果,同時(shí)采用水平潛流與上升式復(fù)合垂直布水方式,有效避免了基質(zhì)床堵塞。最后進(jìn)入穩(wěn)定塘,利用穩(wěn)定塘的作用穩(wěn)定出水水質(zhì)后,最終就近排放至河道。

圖1 工藝流程Fig.1 The process flow

2.2 主要構(gòu)筑物該工程設(shè)計(jì)處理規(guī)模為50 m3/d,采用生物生態(tài)組合工藝,主要構(gòu)筑物為大三格化糞池、厭氧反應(yīng)器、復(fù)合潛流人工濕地及穩(wěn)定塘。

2.2.1大三格化糞池。3座大三格化糞池采用玻璃鋼材質(zhì)(地埋式),單體結(jié)構(gòu)尺寸(φ×L)為2.80 m×8.15 m,有效容積為50 m3。

2.2.2厭氧反應(yīng)器。2座厭氧反應(yīng)器采用玻璃鋼材質(zhì)(地埋式),單體結(jié)構(gòu)尺寸為8.0 m×3.0 m×3.0 m,有效容積為72 m3。池中有組合填料,便于微生物附著。

2.2.3復(fù)合潛流人工濕地。采用鋼混結(jié)構(gòu)(半地埋式),單體結(jié)構(gòu)尺寸為19.5 m×8.0 m×1.0 m,有效深度為0.8 m,水力負(fù)荷為0.32 m3/(m2·d),水力停留時(shí)間24 h,占地面積156 m2。濕地內(nèi)部采用隔墻形式,使污水在濕地內(nèi)折流,并設(shè)有均勻布水器,濕地中基質(zhì)填充孔隙率為40%,植物種植間距30 cm×30 cm,濕地中基質(zhì)配置如表2所示。濕地水生植物有西伯利亞鳶尾(IrissibiricaL.)、黃花鳶尾(IriswilsoniiC.H.Wright)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、蘆葦[Phragmitesaustralis(Cav.) Trin.ex Steu],每種水生植物的種植密度均為9～25株/m2、種植面積均為39 m2、數(shù)量均為780株。

表2 濕地基質(zhì)填料配置Table 2 The configuration of wetland matrix filler

2.2.4穩(wěn)定塘。根據(jù)地形設(shè)計(jì)土石結(jié)構(gòu),有效深度為0.5～0.8 m,水力停留時(shí)間36 h,占地面積117 m2。穩(wěn)定塘駁岸及底部根據(jù)高低起伏種植不同種類的水生植物,穩(wěn)定塘中植物的具體配置如表3所示。通過穩(wěn)定塘再次吸收和分解水體中污染物,保證出水水質(zhì)能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3 運(yùn)行效果分析

該工程完工后進(jìn)入試運(yùn)行階段,連續(xù)運(yùn)行150 d,每隔10 d 對(duì)進(jìn)水和出水分別取樣并檢測(cè)水質(zhì),分析污水處理效果。水質(zhì)指標(biāo)包括COD、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)。系統(tǒng)在運(yùn)行初期1～30 d出水濃度較高,去除率較低。

表3 穩(wěn)定塘植物配置Table 3 The plant configuration in stabilization pond

3.1 COD去除效果系統(tǒng)進(jìn)水COD濃度為236.8～258.5 mg/L,平均進(jìn)水濃度為241.7 mg/L。隨著時(shí)間的推移,運(yùn)行至第40天后系統(tǒng)出水COD濃度為49.8～59.7 mg/L,出水COD平均濃度為53.6 mg/L,已經(jīng)達(dá)到河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 41/1820—2019)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)穩(wěn)定后,最高去除率達(dá)到80.0%,平均去除率達(dá)到72.1%(圖2)。

圖2 COD去除效果Fig.2 The removal effect of COD

3.2 氨氮去除效果隨著時(shí)間的推移,復(fù)合潛流人工濕地中硝化微生物濃度增加,硝化作用越來越明顯。運(yùn)行至第40天出水NH3-N濃度均保持在8.0 mg/L以下,平均去除率為66.8%,可滿足系統(tǒng)出水設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)中NH3-N去除率受溶解氧(DO)濃度的影響較大,較高的DO濃度可以提高系統(tǒng)硝化效果,因此系統(tǒng)在復(fù)合潛流人工濕地前增加兩級(jí)跌水復(fù)氧,增加水體DO濃度,有利于人工濕地硝化作用,同時(shí)在人工濕地中植物根系附近存在微型好氧區(qū)也能進(jìn)行硝化反應(yīng)。系統(tǒng)運(yùn)行的第40～150天NH3-N去除率基本保持穩(wěn)定(圖3)。

3.3 總磷去除效果系統(tǒng)進(jìn)水TP濃度為2.80～3.30 mg/L,TP平均進(jìn)水濃度3.00 mg/L。隨著系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定,第40～60天系統(tǒng)出水平均TP濃度為0.92 mg/L,TP平均去除率為64.2%(圖4)。這說明整個(gè)系統(tǒng)對(duì)TP的去除有較大的效果,可滿足系統(tǒng)出水設(shè)計(jì)要求,但以復(fù)合潛流人工濕地工藝為主。其主要原因是預(yù)處理的厭氧池中聚磷菌將磷充分釋放,然后進(jìn)入復(fù)合潛流人工濕地,濕地內(nèi)頁巖能夠產(chǎn)生游離態(tài)鐵離子,與磷酸鹽形成磷酸鐵沉淀,礫石、沸石等基質(zhì)能夠吸附除磷,復(fù)合潛流人工濕地和穩(wěn)定塘中挺水植物根系能夠吸收磷,最終保證出水TP穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

圖3 氨氮去除效果Fig.3 The removal effect of ammonia nitrogen

圖4 總磷去除效果Fig.4 The removal effect of total phosphorus

3.4 總氮去除效果系統(tǒng)進(jìn)水TN濃度為38.9～43.1 mg/L,TN平均進(jìn)水濃度為41.3 mg/L;隨著系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定,第40～60天系統(tǒng)出水TN平均濃度為17.8 mg/L,TN平均去除率為54.8%(圖5)。其主要原因是因?yàn)閰捬醴磻?yīng)器和穩(wěn)定塘對(duì)TN的去除僅通過厭氧狀態(tài)下存在少量的硝酸鹽和利用進(jìn)水中部分有機(jī)物充當(dāng)碳源發(fā)生反硝化反應(yīng)進(jìn)行脫氮。進(jìn)入復(fù)合潛流人工濕地內(nèi)部的厭氧、缺氧、好氧等環(huán)境為硝化與反硝化反應(yīng)脫氮提供條件,同時(shí)濕地內(nèi)的植物吸收、基質(zhì)填料吸附等可以進(jìn)一步除氮,最終保證出水TN能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

圖5 總氮去除效果Fig.5 The removal effect of total nitrogen

4 結(jié)論

該工程將“預(yù)處理+復(fù)合潛流人工濕地+穩(wěn)定塘”組合工藝應(yīng)用于河南省新鄭市某農(nóng)村生活污水治理中,該工藝出水水質(zhì)滿足河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 41/1820—2019)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。試運(yùn)行階段中連續(xù)運(yùn)行150 d,運(yùn)行效果良好,運(yùn)行成本0.92元/t。該系統(tǒng)采用生物生態(tài)組合方式,利用村內(nèi)廢棄坑塘處理生活污水,處理后的污水可用于景觀利用、澆灌及道路噴灑等,為河南省農(nóng)村生活污水處理的技術(shù)選擇提供參考。