不同基質(zhì)厭氧折流-垂直流人工濕地（ABR-VFW）對農(nóng)村生活污水的處理效果

劉 娟，謝雪東，張 洋，雷 平，3，顧儒馨，倪九派*

（1.西南大學資源環(huán)境學院，重慶 北碚400715；2.遂寧市安居區(qū)環(huán)境保護局，四川 遂寧 629006；3.綿陽師范學院城鄉(xiāng)與建設(shè)學院，四川 綿陽 621000）

厭氧折流（Anaerobic Baffled Reactor，ABR）是Mc Carty等于1981年發(fā)明的一種高效新型厭氧污水生物處理技術(shù)[1]。廢水在反應(yīng)器內(nèi)沿折流板作上下流動，依次通過每個反應(yīng)室的污泥床，廢水中的有機基質(zhì)通過與微生物接觸而得到去除。人工濕地是由基質(zhì)、植物和微生物菌落組成的綜合性系統(tǒng)[2]，垂直流人工濕地（Vertical Flow Artificial Wetland，VFW）不但具有潛流型人工濕地的優(yōu)點，而且能充分利用基質(zhì)表面，提高污水處理效率[3-4]。劉哲[5]指出VFW可顯著提升生活污水中NH+4-N和TN的去除率，增加植物和微生物對COD的消耗，凈化污水效率顯著高于表面流和潛流人工濕地；涂漢等[6]的研究結(jié)果表明垂直流濕地對農(nóng)村生活污水污染物的去除率高于水平潛流。然而，VFW因水力停留時間較短而影響出水水質(zhì)效果[7]，因此選取合適的基質(zhì)變得至關(guān)重要。

VFW的填料基質(zhì)選取應(yīng)遵循易取材、性價比高、投資少、因地制宜及可重復(fù)循環(huán)利用等原則。目前我國西南地區(qū)生活污水治理普遍采用的基質(zhì)為頁巖磚渣（YYZZ）、生物陶粒（SWTL）、無煙煤（WYM）和火山巖（HSY）等材質(zhì)。其中YYZZ的孔隙率大（比例為62.51%），吸附性能強[8-9]；SWTL具有耐沖刷、抗磨損、理化性能穩(wěn)定且微孔豐富、表面粗糙、比表面積大，及吸附性能好等優(yōu)點；WYM和HSY取材方便、價格便宜且SiO2含量高，污水中磷素的吸附去除能力的主要因素是由基質(zhì)中活性物質(zhì)Fe、Al、Ca、Mg的含量所決定[10-13]。四種基質(zhì)對凈化生活污水具有重要作用，然而其對農(nóng)村生活污水凈化效果的優(yōu)劣卻存在爭議性。因而，本研究利用ABR-VFW比較四種基質(zhì)（YYZZ、HSY、SWTL和WYM）對不同污染負荷下農(nóng)村生活污水的處理效果，以期找到最優(yōu)基質(zhì)，為人工濕地處理農(nóng)村生活污水提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗工藝流程

本研究采用ABR-垂直流人工濕地組合工藝進行污水處理，其處理過程如圖1所示：生活污水→格柵→沉砂池→ABR→曝氣池→高位水箱→垂直流人工濕地→出水。

1.2 試驗設(shè)計

具體分為ABR反應(yīng)器掛膜、VFW掛膜和VFW運行等三階段。其掛膜操作流程為：采集適量污水處理廠沉淀池的活性污泥在200 L的塑料箱中厭氧培養(yǎng)一段時間后，將體積約為100 L的塑料浮球浸泡在該活性污泥之中培養(yǎng)24 h，使塑料浮球內(nèi)的火山巖表面（或塑料條）及內(nèi)部空隙形成一層漣漪，球體表面呈黑色。將塑料浮球置于ABR內(nèi)不同格室，加入活性污泥繼續(xù)培養(yǎng)24 h，完成ABR反應(yīng)器預(yù)掛膜。以一定濃度的生活污水通過反應(yīng)器，促使反應(yīng)器內(nèi)折流板、塑料浮球及不同格室形成相應(yīng)的微生物膜及優(yōu)勢菌群，并最終完成掛膜。VFW掛膜是指選取直徑為0.3 m，底板開孔（直徑0.5 mm和間距10 mm）的滲流柱構(gòu)建VFW，并將好氧培養(yǎng)后的活性污泥添加在配水箱中，通過管道從有機玻璃柱體的頂端慢慢注入，滲濾液從低端滲出進入有機玻璃柱體下方的滲濾液收集箱，用污水提升泵將滲出液提升至柱體的頂端，如此往復(fù)循環(huán)運行3 d之后，柱體內(nèi)部填料的表面與空隙間生長出一層生物膜，達到預(yù)掛膜效果。該階段滲流柱的構(gòu)建過程為：首先，向柱中裝填30 cm高預(yù)先洗凈的碎石（粒徑為30～50 mm）；然后，鋪設(shè)一層孔徑為1 cm鋼絲網(wǎng)；之后，將粒徑8～15 mm的四種填料（YYZZ、HSY、SWTL、WYM）分別裝填在4組濕地內(nèi)，高度為40 cm；最后，裝填高度各為10 cm，粒徑5～10 mm的碎石和河沙，上留25 cm保護高度，形成濕地，基質(zhì)的粒級參考楊俊[14]的研究。VFW運行階段是通過調(diào)控進水污染物濃度（低、中、高）來研究不同基質(zhì)（YYZZ、HSY、SWTL、WYM）VFW 對農(nóng)村生活污水中污染物的處理能力。

圖1 ABR-VFW組合工藝構(gòu)建Figure 1 Integrated process of the ABR-VFW

試驗運行時間從2017年3月21日開始，到7月5日結(jié)束。通過調(diào)節(jié)進出水口的閥門，采用連續(xù)進水、間歇排水的運行方式，進水量約15 L·h-1，每日排水3次，每日運行8～10 h，晚上不運行，水力停留時間為2 d，主要目的是維持濕地內(nèi)微生物的活性。pH值控制在7.0～8.6之間，運行溫度為25～35℃。垂直流人工濕地水力負荷統(tǒng)一設(shè)置為4.2 m3·m-2·d-1。主要檢測

1.3 供試污水特性

試驗采用C6H12O6、NH4NO3、KH2PO4等試劑配水來模擬農(nóng)村生活污水水質(zhì)，其組成和濃度如表1所示。配制后的農(nóng)村生活污水中污染物的濃度如表2所示。

1.4 試驗材料

本試驗采用的4種填充基質(zhì)（YYZZ、HSY、SWTL、WYM）的理化性質(zhì)如表3所示。

1.5 樣品采集及測定方法

每隔2 d用預(yù)先酸化的塑料瓶在出水口（2#、3#、4#和5#）采集500 mL處理水，放于4℃冰箱內(nèi)，以供后續(xù)測定。

本研究中監(jiān)測的指標主要為：COD（重鉻酸鉀法[15]）、TN（過硫酸鉀消解-紫外分光光度法[15]）、TP（鉬酸銨（紫外分光光度法[15]）。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013和SPSS 19.0進行數(shù)據(jù)分析，同時采用Origin 8.5軟件進行圖表繪制，采用Pearson簡單相關(guān)系數(shù)表征相關(guān)性。

表1 人工生活污水的配制（mg·L-1）Table 1 Configuration of artificial life sewage（mg·L-1）

表2 試驗用水水質(zhì)特征（mg·L-1）Table 2 Quality features of the waste water（mg·L-1）

表3 基質(zhì)填料理化性質(zhì)Table 3 Physicochemical properties of the fillers

2 結(jié)果與分析

2.1 對不同濃度COD的去除效果

不同污染濃度下，四種基質(zhì)對生活污水中COD的去除效果如圖2所示。以YYZZ、HSY、SWTL為基質(zhì)的VFW在低污染濃度下的COD去除率較好，其中基質(zhì)YYZZ垂直流人工濕地工藝去除率處理效果最高，高達95.78%，其次為HSY型VFW（93.85%），最后是SWTL型VFW（79.82%）。相比其他三種基質(zhì)構(gòu)建的VFW工藝，以WYM為基質(zhì)構(gòu)建的VFW在中濃度下的去除率高于低濃度下的去除率。此外，采樣時間也是垂直流人工濕地運行的一個重要參數(shù)，影響農(nóng)村生活污水凈化效果。在低濃度下，以YYZZ、WYM為基質(zhì)構(gòu)建的VFW的最低拐點于采樣時間第6 d出現(xiàn)，HSY、SWTL型VFW于第8 d出現(xiàn)最高拐點。

2.2 對不同濃度TN的去除效果

生活污水中N是引起面源污染的重要驅(qū)動因子。不同污染濃度下，4種基質(zhì)對生活污水中N的去除效果如圖3所示。中低濃度下，以YYZZ和HSY為基質(zhì)的VFW對生活污水TN的去除效果顯著大于以SWTL基質(zhì)構(gòu)建的VFW；高濃度下，以YYZZ和WYM為基質(zhì)構(gòu)建的VFW對污水中TN的去除效果大于基質(zhì)HSY和SWTL構(gòu)建的VFW。由圖3可以發(fā)現(xiàn)低濃度下以YYZZ、HSY、WYM為基質(zhì)的VFW TN去除率在采樣時間第6 d出現(xiàn)拐點，中濃度下以SWTL基質(zhì)構(gòu)建的VFW在第6 d出現(xiàn)了最高拐點。通過4種基質(zhì)下的VFW對生活污水中TN的去除效果可知，以YYZZ為基質(zhì)的VFW的處理效果最好，而以SWTL為基質(zhì)的VFW處理效果最差。

2.3 對不同濃度的去除效果

圖2 四種基質(zhì)垂直流人工濕地對不同濃度COD的去除效果Figure 2 Removal efficiency of the VFW on COD with different matrices

圖3 四種基質(zhì)垂直流人工濕地對不同濃度TN的去除效果Figure 3 Removal efficiency of the VFW on TN with different matrices

2.4 對不同濃度的去除效果

2.5 對不同濃度TP的去除效果

污水中的P不易轉(zhuǎn)化，只能通過基質(zhì)吸附或者微生物代謝而去除。四種基質(zhì)構(gòu)建的VFW對不同污染物濃度下對TP的去除效果如圖6所示：不同污染濃度下，以SWTL為基質(zhì)的VFW對污水P的處理效果最好（低、中、高濃度分別為：78.43%～80.50%、75.37%～77.21%、77.33%～80.43%），其次為WYM型VFW，在低濃度下采樣時間為第4 d時出現(xiàn)了最低拐點。而YYZZ型VFW和HSY型VFW對污水中TP的去除率基本上都處于60%以下。

圖4 四種基質(zhì)垂直流人工濕地對不同濃度的去除效果Figure 4 Removal efficiency of the VFW on with different matrices

圖5 四種基質(zhì)垂直流人工濕地對不同濃度的去除效果Figure 5 Removal efficiency of the VFW on with different matrices

2.6 進水污染物濃度與各處理出水養(yǎng)分的相關(guān)性分析

通過比較不同的污染物濃度（低濃度、中濃度及高濃度）和不同基質(zhì)（YYZZ、HSY、SWTL和WYM）處理后出水中各水質(zhì)指標（COD、TN、TP、、）的線性相關(guān)性程度（表4）。發(fā)現(xiàn)進水中的污染物濃度梯度與處理后出水中的TP存在極顯著負相關(guān)關(guān)系，COD、TN、TP、N及相互之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 討論

VFW具有占地面積較小、高效節(jié)能、投資省、運行費用低等特點，使其在農(nóng)村生活污水處理中具有重要地位[16]。YYZZ、HSY、SWTL、WYM四種基質(zhì)都易取且價格便宜，其理化性質(zhì)的不同導(dǎo)致對農(nóng)村生活污水的處理效果存在差異。

其中YYZZ具有較高的孔隙率（62.51%），能夠通過滲透吸附作用來強烈吸附污水中的COD，這一結(jié)果與朱夕珍等[7]研究結(jié)果一致。此外，YYZZ對COD去除率隨污染濃度的增加而逐漸減少，這是由于YYZZ基質(zhì)的厭氧微生物生長繁殖不均衡，導(dǎo)致厭氧污泥系統(tǒng)活性下降，從而使COD去除率降低[17]。在低濃度下YYZZ出現(xiàn)了最低拐點，原因可能是運行期間植物生物量較低，根系泌氧量較少，導(dǎo)致了COD去除率降低[17]。另外，WYM在運行初期基質(zhì)生物量比較少，溶解氧不足，影響好氧微生物代謝活性，濃度的增加有利于微生物的繁殖，COD的去除率上升，所以導(dǎo)致了WYM在中濃度下的去除率高于低濃度，吳海明等[18]研究的人工濕地植物泌氧與污染物降解耗氧關(guān)系中也證實了這一點。

不同基質(zhì)硝化、反硝化強度與其基本理化性質(zhì)，以及系統(tǒng)內(nèi)的氧化還原條件存在一定關(guān)系。4種基質(zhì)中YYZZ的Al2O3含量（22.1%）相對較高，為系統(tǒng)內(nèi)微生物提供了反硝化所需的厭氧環(huán)境，保證其反硝化作用，因此降低污水中TN含量。同時，Boylewight等[19]也指出，Al2O3對污水中的TN的轉(zhuǎn)化具有催化作用，促進微生物對N的吸收和代謝，加速水中TN的消耗。

圖6 四種基質(zhì)垂直流人工濕地對不同濃度TP的去除效果Figure 6 Removal efficiency of the VFW on TP with different matrices

表4 不同污染物濃度下垂直流人工濕地處理農(nóng)村生活污水相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of different pollutants concentration to VFW treated rural domestic sewage

VFW中P的去除效果與基質(zhì)中發(fā)生的吸附/沉淀反應(yīng)、微生物同化作用以及有機物的吸附有關(guān)[22-23]。不同基質(zhì)對TP的去除率隨采樣時間的延長而降低，這是由于基質(zhì)對TP的吸附逐漸飽和所致。本研究結(jié)果表明，SWTL對TP的去除率最高，這是由于SWTL具有較高的CaO（3.26%）和MgO（2.04%），而污水中TP能夠與CaO和MgO發(fā)生化學沉淀反應(yīng)[24]，生成鈣/鎂磷酸鹽吸附在SWTL表面。Wang等[24-25]研究也表明，基質(zhì)中含有大量金屬，同時具有較高的電導(dǎo)率，能有效地去除污水中的磷。此外，童晶晶等[21]指出比表面積較大的基質(zhì)能為磷酸鹽化合物的著床提供空間，也提升了SWTL對污水中TP的去除效果。此外，聚磷菌的好氧聚磷和厭氧釋磷作用也影響磷的去除[20]。本研究構(gòu)建的VFW結(jié)構(gòu)與曝氣管位置，能夠在上部形成好氧區(qū)，下部形成厭氧區(qū)，進水中的磷在好氧區(qū)被聚磷菌過量吸收，在厭氧區(qū)被釋放出來，進一步被基質(zhì)SWTL吸附。

基質(zhì)對污水中污染物的去除效果直接影響出水水質(zhì)是否達到排放標準，本研究中四種基質(zhì)構(gòu)建的VFW出水污染物COD、TN、TP及的去除率分別達到了95.5%、59.83%、79.94%及89.19%，其出水水質(zhì)可以達到《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》（GB 8978—2002）一級標準。

綜上所述，使用高效廉價的基質(zhì)構(gòu)建垂直流人工濕地系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水實現(xiàn)了區(qū)域水污染防治和污水的再生利用。在利用VFW處理農(nóng)村生活污水的生產(chǎn)實踐中，可以綜合農(nóng)村生活污水中污染物（COD、TN、、TP）的權(quán)重和凈化要求選擇基質(zhì)。對于COD和TN含量較高的農(nóng)村生活污水建議采用YYZZ基質(zhì)構(gòu)建VFW，而以TP或為主的農(nóng)村生活污水應(yīng)選擇SWTL基質(zhì)。

4 結(jié)論

（1）YYZZ基質(zhì)對農(nóng)村生活污水中COD和TN去除率分別達到95.5%和55.98%，是去除污水中耗氧有機污染物和總氮等指標的理想基質(zhì)。

（2）SWTL基質(zhì)對農(nóng)村生活污水中TN的去除率只有27.88%～45.75%，但對NH+4-N和TP的去除率達到57.52%～89.19%和75.37%～80.50%，是去除污水中氨氮和總磷的理想基質(zhì)。