劉文濤，吳 磊，呂錫武，李先寧，盛 翼

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

·控制技術(shù)·

生物生態(tài)耦合技術(shù)處理農(nóng)村生活污水的應(yīng)用研究

劉文濤，吳 磊，呂錫武，李先寧，盛 翼

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096)

在對(duì)“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”生物生態(tài)耦合技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理進(jìn)行實(shí)證研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了生物與生態(tài)處理單元各自的主要去除對(duì)象和效率，為生物生態(tài)技術(shù)的合理耦合提供了依據(jù)。結(jié)果表明:在進(jìn)水 COD、TN、TP 質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍為 51.20 ～211.12，28.29 ～122.12，1.26 ～5.97 mg/L 時(shí)，出水平均質(zhì)量濃度為15.80，5.51，0.34 mg/L，出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。污水中COD、TN、TP的78%，85%，50%的去除是在生物處理單元完成的，而TP的達(dá)標(biāo)排放還需要生態(tài)處理單元的參與。整個(gè)處理技術(shù)效果良好，運(yùn)行費(fèi)用低，適合在條件允許的農(nóng)村地區(qū)推廣使用。

跌水充氧接觸氧化池;水耕蔬菜型人工濕地;農(nóng)村生活污水

中國(guó)農(nóng)村人口多達(dá)8億，每年產(chǎn)生生活污水達(dá)80多億t，據(jù)2005年建設(shè)部對(duì)全國(guó)部分農(nóng)村的調(diào)查顯示，96%的農(nóng)村沒有污水處理及收集系統(tǒng)，80%的村莊垃圾堆放在路邊甚至水池、泄洪槽及水塘邊，這嚴(yán)重危害飲用水源安全和影響居民身體健康［1，2］。有研究表明，中國(guó)農(nóng)村生活污水處理率不足25%，其他75%以上的污水不經(jīng)任何處理就近排入河道，使河道、湖泊等受到嚴(yán)重污染，農(nóng)村污水排放已嚴(yán)重破壞了農(nóng)村的生態(tài)平衡，導(dǎo)致目前農(nóng)村河流普遍遭到污染，還嚴(yán)重威脅到地下水質(zhì)量［3］。

受經(jīng)濟(jì)條件限制，農(nóng)村污水處理技術(shù)應(yīng)具備低建設(shè)運(yùn)行成本、低土地占用、低維護(hù)性、高穩(wěn)定與高處理效率的要求。為此，東南大學(xué)提出了一系列生物生態(tài)耦合技術(shù)，如“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”、“水解/脈沖滴濾池/人工濕地工藝”等［4，5］。本試驗(yàn)在對(duì)“厭氧池 +跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理和跌水充氧效果進(jìn)行實(shí)證研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了生物與生態(tài)處理單元各自的主要去除對(duì)象和效率，為生物生態(tài)技術(shù)的合理耦合提供了依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 工藝流程

“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”生物生態(tài)耦合農(nóng)村污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 “厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”工藝流程

生活污水由管網(wǎng)收集，進(jìn)入?yún)捬醭兀缓笥梢慌_(tái)小型潛污泵提升到高位布水區(qū)，經(jīng)三角堰布水裝置進(jìn)入跌水充氧生物接觸氧化池，經(jīng)五級(jí)跌水單池反應(yīng)后，由出水槽進(jìn)入到后續(xù)水耕蔬菜濕地凈化系統(tǒng)進(jìn)行深度處理。

1.2 試驗(yàn)裝置概況

該裝置位于宜興市周鐵鎮(zhèn)葛瀆自然村，根據(jù)實(shí)地考察，取設(shè)計(jì)流量為10 m3/d，厭氧池設(shè)計(jì)停留時(shí)間為30 h，設(shè)計(jì)容積為12.5 m3。有效水深取1.5 m，厭氧池平面有效尺寸取3.46 m ×2.4 m，沿水流方向分2格，第3格為水泵吸水坑。

接觸氧化池采取五級(jí)跌水，設(shè)5個(gè)單池，總填料體積為0.42 m3，池內(nèi)裝填填料，池中設(shè)隔板，水流從隔板一側(cè)流入，穿過隔板底部，從另一側(cè)流出。停留時(shí)間1 h，每個(gè)單池填料體積均為0.084 m3，填料高度 0.5 m。截面積 0.168 m2，凈截面尺寸 0.53 m ×0.32 m。池底設(shè)泥斗，泥斗高0.15 m。第五號(hào)池出水部分進(jìn)入生態(tài)凈化系統(tǒng)，部分回流到厭氧池。前兩級(jí)跌水高度為0.7 m，第三級(jí)為0.6 m，后兩級(jí)為0.5 m。前三級(jí)單池設(shè)兩層跌水擋板;后兩級(jí)設(shè)一層跌水擋板，采用一階跌水擋板樣式。

接觸氧化池中填料材料為毛氈，間隔15 cm垂直懸掛，池中隔板和跌水擋板均為PVC板材。單池兩側(cè)的防水擋板使用PVC板材，用螺栓分別固定于垂直的兩面水泥壁上。

水耕蔬菜型人工濕地面積3m×10m=30m2，水力負(fù)荷為0.2 m3/(m2·d)，采用推流式反應(yīng)器，分兩級(jí)，中間用隔墻隔開，東西方向坡度3‰。夏季種植空心菜，冬季種植水芹，既能對(duì)曝氣裝置的出水進(jìn)行深度處理，又具有一定的經(jīng)濟(jì)收益。

1.3 試驗(yàn)原水

試驗(yàn)以宜興市周鐵鎮(zhèn)葛瀆自然村生活污水為原水，污水水量及濃度隨著每日早晚以及冬夏季節(jié)的不同而產(chǎn)生波動(dòng)。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 原水水質(zhì)

1.4 分析項(xiàng)目及測(cè)定方法

該裝置自2011年5月建設(shè)完工并進(jìn)入調(diào)試運(yùn)行，從7月份開始定期對(duì)進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及方法見表2。

表2 水質(zhì)指標(biāo)分析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 COD的去除效果

由圖2可以看出，進(jìn)水的COD濃度有較大的波動(dòng)，因?yàn)槿訒r(shí)間是從6月中旬開始，一直持續(xù)到9月份，時(shí)間跨度比較大，再加上農(nóng)村污水特有的排放規(guī)律，排放的污水中有機(jī)物的濃度變化比較大，進(jìn)水COD的質(zhì)量濃度平均為112.45 mg/L，水耕蔬菜型人工濕地的出水質(zhì)量濃度在8～18 mg/L之間，平均質(zhì)量濃度為15.80 mg/L，平均去除率為86.43%，出水水質(zhì)達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 生物生態(tài)耦合工藝對(duì)COD的去除效果

圖3是水耕蔬菜型人工濕地前面的生物處理單元的去除效果，主要包括厭氧池和跌水充氧接觸氧化池，在厭氧池中異養(yǎng)微生物通過厭氧發(fā)酵將污水中不溶性有機(jī)物和大分子溶解性有機(jī)物分解為CH4和CO2，在跌水充氧接觸氧化池中組合填料上的好氧微生物將部分可生物降解的小分子有機(jī)物降解為CO2和H2O，從圖3可以看出，出水COD質(zhì)量濃度在20～86 mg/L之間，平均為37.36 mg/L，平均去除率為66.6%。此外，可以從圖3中明顯看到去除率呈上升趨勢(shì)，主要原因是在裝置運(yùn)行的初期，跌水充氧接觸氧化池中填料的掛膜效果還不是很好，隨著時(shí)間的推移，可以明顯看到填料表面生物膜厚度的增加，去除率也隨之升高。

圖3 “厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對(duì)COD的去除效果

2.2 對(duì)TN的去除效果

由圖4可以看出，組合工藝對(duì)TN的去除率保持在一個(gè)較高的水平，到后期TN的去除率趨于平緩，說(shuō)明裝置運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)TN保持較好的去除效果。去除率在78% ～98%之間，平均為92%，出水TN質(zhì)量濃度在2～10 mg/L之間，平均為5.51 mg/L，出水水質(zhì)達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 生物生態(tài)耦合工藝對(duì)TN的去除效果

厭氧池和跌水充氧接觸氧化池組成的生物處理單元，實(shí)際上是一個(gè)A/0系統(tǒng)，因此對(duì)TN的去除效果也是隨著時(shí)間的推移變得越來(lái)越好，由圖5可以看出，“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對(duì)TN的去除率在43% ～90%之間波動(dòng)，跨度比較大，但平均去除率為78%，維持在一個(gè)較高的水平?？梢钥闯?，在前期TN的去除率維持在一個(gè)較低的水平，后來(lái)慢慢增加并趨于穩(wěn)定，主要原因是裝置剛開始運(yùn)行時(shí)，填料剛開始進(jìn)行掛膜，接觸氧化池內(nèi)的硝化細(xì)菌數(shù)量還不多，隨著裝置的運(yùn)行，硝化細(xì)菌的數(shù)量增多并趨于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)［6］。

圖5 “厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對(duì)TN的去除效果

2.3 對(duì)TP的去除效果

由圖6和圖7可以看出，整個(gè)裝置出水TP質(zhì)量濃度在0.21～0.45 mg/L之間，平均出水質(zhì)量濃度為0.34 mg/L，對(duì)TP保持較高的去除率，去除率在70% ～94%之間，平均去除率為87%。可以由圖7看出，“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對(duì)TP的去除率在后期維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的階段，去除率都在50%以上，但出水TP濃度還是不能達(dá)標(biāo)，必須依靠后續(xù)的濕地處理才能達(dá)標(biāo)。這是因?yàn)樯钗鬯械牧追譃槿芙庑粤缀筒蝗苄粤變煞N，其中溶解性磷分為有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷，有機(jī)磷可以通過微生物的分解作用被去除，一部分被自身利用，一部分轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷，而后通過植物根系的吸收以及聚磷菌的過量攝磷釋磷作用被去除，不溶性磷則是通過濕地中植物根系的吸附截流作用被去除［9，10］。整個(gè)生物生態(tài)耦合工藝是一脈相承的，只有它們共同作用才能達(dá)到期望的除磷效果。

圖6 生物生態(tài)耦合工藝對(duì)TP的去除效果

2.4 生物和生態(tài)處理單元對(duì)COD、TN和TP的去除貢獻(xiàn)率

由圖8可以看出，生態(tài)單元即水耕蔬菜型人工濕地對(duì)COD去除的貢獻(xiàn)率僅為22%，造成這種結(jié)果可能是由于進(jìn)水的COD濃度本身就不高，污水中的有機(jī)物在經(jīng)過厭氧池和跌水充氧接觸氧化池降解后，其中易被生物利用的成分基本消耗，進(jìn)入濕地中的COD都是一些難降解的有機(jī)物，以及接觸氧化池出水中攜帶的少量生物殘?bào)w，在人工濕地中通過異養(yǎng)微生物的降解作用及基質(zhì)截留作用進(jìn)一步去除有機(jī)物?？梢钥闯鰠捬醭睾徒佑|氧化池可以大幅度地減少污水中的有機(jī)物，這有效減少了濕地的負(fù)擔(dān)。

圖8 生物與生態(tài)處理單元對(duì)COD、TN和TP去除的貢獻(xiàn)率

由圖8可以看出，生物單元即“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”對(duì)TN的貢獻(xiàn)率保持在85%，具有較高的貢獻(xiàn)率，這主要因?yàn)榈溲踅佑|氧化池對(duì)_N保持較高的去除率，平均去除率可達(dá)到95%，因?yàn)樵诘貧獬溲醯臈l件下，填料上的硝化細(xì)菌很容易進(jìn)行硝化作用，再加上一定的回流進(jìn)入?yún)捬醭剡M(jìn)行反硝化除氮［4］，所以“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池”可以去除大多數(shù)氮源，進(jìn)入濕地的污水含有少量的_N，利于濕地中微生物的反硝化脫氮作用的進(jìn)行，所以整個(gè)組合工藝能夠?qū)N保持較高的去除率。

由圖6和圖7可知，僅僅依靠生物單元的處理，出水TP是不能達(dá)標(biāo)的，還必須加上后續(xù)的生態(tài)單元，所以說(shuō)生態(tài)單元在整個(gè)工藝中的作用是無(wú)法代替的，從圖8可以看出，生態(tài)單元的貢獻(xiàn)率達(dá)到28%，它對(duì)TP的出水水質(zhì)起到把關(guān)的作用［7，8］。

3 結(jié)果與討論

(1)“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”生物生態(tài)耦合技術(shù)對(duì)COD、TN和TP的去除率分別達(dá)到86.43%，92%和87%。出水水質(zhì)達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)“厭氧池+跌水充氧接觸氧化池+水耕蔬菜型人工濕地”生物生態(tài)耦合技術(shù)中，生物處理單元的貢獻(xiàn)要大于生態(tài)處理單元，污水中COD、TN、TP的78%，85%，50%的去除是靠生物處理單元完成的。但是缺少了生態(tài)處理單元，TP就不能達(dá)到一級(jí)A的標(biāo)準(zhǔn)排放，磷的深度去除，還必須依靠濕地植物的自身代謝和根系的吸附作用，進(jìn)一步去除不溶性磷和無(wú)機(jī)磷。

［1］ 彭舉威，汪誠(chéng)文，付宏祥，等.我國(guó)農(nóng)村水污染現(xiàn)狀及治理措施［J］.中國(guó)資源綜合利用，2010(28):44-45.

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Study on the Process Combined with Bio-ecological Technology for Rural Sewage Treatment

LIU Wen-tao，WU Lei，LU Xi-wu，LI Xian-ning，SHENG Yi
(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210096，China)

The effects of the removal of the combined process device with anaerobic process，water-dropping aerating bio-contact oxidation process and aquatic-planted constructed wetlands on some kinds of contaminations were experimentally studied.The device was continuously monitored and the effects of the removal of the combined process on COD，TN and TP were analyzed according to the results.The average effluent concentrations of COD，TN and TP were 15.80 mg/L，5.51 mg/L and 0.34 mg/L，respectively，meanwhile the influent concentrations were in the range of 51.20～211.12 mg/L，28.29～122.12 mg/L and 1.26～5.97 mg/L，respectively.All these indexes were in accord with the pollutant discharging standard.The biological process presented the average removal ratios of COD，TN and TP while the operation period were 78%，85%and 50% ，respectively，however the ecological process was necessary for the removal of TP.Finally，experiments demonstrated that the process could be applied to treat rural wastewater，and reduced the operation cost.

water-dropping aerating bio-contact oxidation process;aquatic-planted constructed wetlands;rural sewage

X52

A

1674-6732(2012)-01-0046-04

10，3969/j.issn.1674-6732.2012.01.012

2011-11-28;

2012-01-08

國(guó)家水體污染控制與治理重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07101-009-04)。

劉文濤(1987—)，男，碩士，從事環(huán)境科學(xué)研究。

(本欄目編輯 周立平)