薛旭東， 王 佳， 孫長順， 王西鋒， 張振文， 鄧 彥

(1.陜西省環(huán)境科學(xué)研究院， 陜西 西安 710061； 2.陜西省污染減排工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安 710061)

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生物滴濾池-人工濕地組合處理生活污水規(guī)律研究

薛旭東1， 王 佳2*， 孫長順1， 王西鋒1， 張振文1， 鄧 彥1

(1.陜西省環(huán)境科學(xué)研究院， 陜西 西安 710061； 2.陜西省污染減排工程技術(shù)研究中心， 陜西 西安 710061)

采用生物滴濾池-人工濕地組合工藝，研究了在滴濾池的水力負(fù)荷為1.0 m3·m-2·d-1、人工濕地的水力負(fù)荷為0.125 m3·m-2·d-1的條件下，組合工藝對模擬生活污水中污染物的去除規(guī)律.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用活性污泥掛膜法可以達(dá)到快速啟動滴濾池反應(yīng)器的目的.組合工藝對CODcr、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別達(dá)到了96.2%、95.6%、91.2%和93.9%.CODcr和NH4+-N的去除主要在滴濾池內(nèi)完成.滴濾池對TN、TP的去除率分別為51.2%、39.7%，人工濕地對TN、TP的去除貢獻(xiàn)分別為48.8%、60.3%.組合工藝運(yùn)行141天后，人工濕地出水TP濃度不斷升高，說明填料的吸附達(dá)到飽和.

生物滴濾池； 人工濕地； 生活污水； 去除效率

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)的居民生活水平越來越高，農(nóng)村生活污水的產(chǎn)生量也隨之增長，水污染問題也越來越突出.2010年全國第一次污染源普查公報(bào)的數(shù)據(jù)表明：農(nóng)村地區(qū)生活污水排放量達(dá)到343.30 億t，CODcr排放量1 108.5 萬t，TN排放量202.43 萬t，TP排放量13.80 萬t，NH4+-N排放量148.90 萬t.農(nóng)村污染物的排放量已經(jīng)占到全國總量的50%左右，其中CODcr、TN和TP的排放量分別占到總量的43%、57%和67%[1].

農(nóng)村生活污水具有水量不穩(wěn)定、可生化性較好、重金屬和有毒有害物質(zhì)含量少等特點(diǎn)，且大部分農(nóng)村地區(qū)的污水收集率較低[2-4].由于經(jīng)濟(jì)實(shí)力、技術(shù)能力、管理水平等方面的限制，用于傳統(tǒng)城市污水處理廠的活性污泥法、AO法、A2/O法、氧化溝、SBR工藝存在能耗高、運(yùn)行管理復(fù)雜的問題[5]，這些工藝并不適宜于農(nóng)村地區(qū)生活污水的處理.生物滴濾池具有運(yùn)行費(fèi)用低和方便管理等優(yōu)點(diǎn)，比較適宜于農(nóng)村地區(qū)，但脫氮除磷的效果一般[6].而人工濕地可以實(shí)現(xiàn)對滴濾池出水中脫落的生物膜、N、P的進(jìn)一步去除[7]，本次實(shí)驗(yàn)考察了生物滴濾池-人工濕地組合工藝對模擬生活污水的處理效果.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與流程

實(shí)驗(yàn)采用生物滴濾池-垂直流人工濕地的組合裝置對模擬的生活污水進(jìn)行處理.生物滴濾池為圓柱形，采用有機(jī)玻璃制作，內(nèi)徑為19 cm，高138 cm.滴濾池分為3層，上層高31 cm，中層高22 cm，下層高42 cm，集水區(qū)高19 cm.每層的底板上布有直徑6 mm的小孔127個(gè)，這些小孔有利于通風(fēng)和均勻布水.層與層之間用高度為12 cm的通風(fēng)層連接，每個(gè)通風(fēng)層上有直徑32 mm的通風(fēng)孔4個(gè)，呈對角分布.

人工濕地采用有機(jī)玻璃制作，尺寸為60×40×50 cm.人工濕地進(jìn)水和出水均采用穿孔布水管.進(jìn)水口高度2 cm，出水口高度為40 cm.

污水從進(jìn)水桶經(jīng)蠕動泵送入到生物滴濾池的自制布水器，然后呈滴狀進(jìn)入滴濾池反應(yīng)器，在重力作用下污水流經(jīng)滴濾池填料層，滴濾池出水進(jìn)入垂直流人工濕地.實(shí)驗(yàn)裝置流程如圖1所示.

1.2 填料

生物滴濾池選用比表面積較大的火山巖填料.上層填料裝填高度20 cm，中層填料裝填高度20 cm，下層填料裝填高度40 cm.人工濕地底部鋪設(shè)10 cm的鵝卵石，以利于均勻布水.鵝卵石層上鋪設(shè)沸石和海綿鐵混合填料(混合比例為1∶1)，混合填料的裝填高度為30 cm.

1.進(jìn)水桶 2.蠕動泵 3.滴濾池 4.滴濾池底座 5.通風(fēng)孔 6.人工濕地 7.穿孔布水管

1.3 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水為人工配制，以葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀為基質(zhì)，保持CODcr∶N∶P大致維持在100∶5∶1.同時(shí)加入微生物生長所需的各種微量元素和調(diào)節(jié)pH的碳酸氫鈉.進(jìn)水CODcr維持在400 mg·L-1左右.實(shí)驗(yàn)期間的進(jìn)水水質(zhì)情況如表1所示.

表1 實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)

1.4 分析方法

主要分析的水質(zhì)指標(biāo)為CODcr、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、TP.其中，CODcr的分析方法為節(jié)能加熱法[8]；NO2--N的分析方法為N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法[8]；NO3--N的分析方法為紫外分光光度法；其余水質(zhì)指標(biāo)的分析方法均采用最新的國家標(biāo)準(zhǔn)分析方法.

1.5 實(shí)驗(yàn)裝置的啟動

滴濾池的啟動方式有自然掛膜法、活性污泥掛膜法、優(yōu)勢菌種掛膜法等[9].本實(shí)驗(yàn)采用活性污泥掛膜法，接種的好氧活性污泥取自西安市某污水處理廠好氧池末段的活性污泥，MLSS在4 000 mg·L-1左右.封閉滴濾池的出水口和所有的通風(fēng)口，將接種污泥用蠕動泵送入到事先裝好填料的滴濾池反應(yīng)器，再將滴濾池出水口與進(jìn)水管相連，之后開啟蠕動泵使污泥循環(huán)流動以加強(qiáng)填料和微生物的接觸頻率，達(dá)到快速啟動的目的.連續(xù)循環(huán)3天以后，排掉反應(yīng)器內(nèi)多余的污泥，按設(shè)計(jì)流量進(jìn)水.進(jìn)水量為30 L·d-1，對應(yīng)的滴濾池的水力負(fù)荷為1.0 m3·m-2·d-1，人工濕地的水力負(fù)荷為0.125 m3·m-2·d-1，布水方式為間歇式脈沖布水，布水周期為布水2 min，間隔14 min. 實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行了199天(2013年5月10日～2013年11月24日)，實(shí)驗(yàn)期間的環(huán)境溫度在16.0 ℃～23.5 ℃.

2 結(jié)果和討論

2.1 CODcr的去除效果

滴濾池-人工濕地組合工藝對CODcr的去除效果如圖2所示.

圖2 滴濾池-人工濕地組合工藝對CODcr的去除效果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行期間，組合工藝對CODcr的去除效果較好，滴濾池出水的CODcr為16～89 mg·L-1，平均為32 mg·L-1，出水濃度基本滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率為90%.人工濕地出水的CODcr為6～35 mg·L-1，平均為15 mg·L-1，出水濃度均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級A標(biāo)準(zhǔn).組合工藝對CODcr的去除率在90.5%～98.7%，平均為96.2%.經(jīng)過3天的活性污泥的強(qiáng)化掛膜，滴濾池填料吸附和截留了大量的微生物，肉眼可以明顯觀察到反應(yīng)器內(nèi)填料表面形成有黃色的生物膜.滴濾池出水CODcr在反應(yīng)器啟動后的第2天降至100 mg·L-1以下，在第8天降至50 mg·L-1以下，隨后呈逐漸下降趨勢，從第78天開始趨于穩(wěn)定，出水CODcr維持在30 mg·L-1以下.因?yàn)閱拥螢V池的活性污泥取自污水處理廠好氧段，污泥活性較高，且滴濾池分三層，層與層之間通風(fēng)效果良好(通風(fēng)面積占滴濾池橫截面的35.7%)，接種污泥可以較快適應(yīng)滴濾池內(nèi)的環(huán)境，適應(yīng)期明顯縮短.

人工濕地出水的CODcr從一開始就比較穩(wěn)定，維持在10 mg·L-1以下，起始階段人工濕地內(nèi)微生物含量較少，人工濕地對CODcr的去除機(jī)理主要為填料的吸附、截留，出水懸浮物濃度較低.隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，人工濕地中的微生物逐漸生長.第107天人工濕地出水CODcr逐漸上升，這是因?yàn)槌鏊當(dāng)y帶了微生物，130天以后趨于穩(wěn)定，這時(shí)濕地內(nèi)的生物量趨于穩(wěn)定，出水CODcr基本維持在20～30 mg·L-1之間.

2.2 NH4+-N的去除效果

滴濾池-人工濕地組合工藝對NH4+-N的去除效果如圖3所示.

圖3 滴濾池-人工濕地組合工藝對NH4+-N的去除效果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：系統(tǒng)運(yùn)行期間組合工藝對NH4+-N的去除效果良好，出水NH4+-N在0.21～3.30 mg·L-1之間，平均1.00 mg·L-1，出水濃度均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級A標(biāo)準(zhǔn).組合工藝對NH4+-N的去除率在83.6%～99.1%，平均為95.6%.本次實(shí)驗(yàn)表明滴濾池的硝化效果良好，這與部分學(xué)者的研究結(jié)果[10-12]一致.雖然進(jìn)水NH4+-N有所波動，但出水的NH4+-N相對進(jìn)水比較穩(wěn)定，滴濾池出水NH4+-N在0.17～2.8 mg·L-1之間，平均1.00 mg·L-1.因?yàn)榈螢V池接種污泥取自污水處理廠好氧段，接種污泥中含有硝化細(xì)菌.掛膜完成以后，硝化細(xì)菌直接利用污水中的NH4+-N進(jìn)行硝化反應(yīng)，克服了自然掛膜法中硝化細(xì)菌掛膜慢的問題.運(yùn)行80天以后，滴濾池出水NH4+-N降至1 mg·L-1以下.

人工濕地對NH4+-N的去除效果較差，甚至出現(xiàn)了在84天以后濕地出水的NH4+-N高于滴濾池出水的NH4+-N.分析其原因可能是人工濕地內(nèi)的反硝化細(xì)菌等異養(yǎng)微生物碳源不足，引起了微生物的內(nèi)源呼吸，微生物自身蛋白質(zhì)的分解形成了一部分NH4+-N，從而導(dǎo)致濕地出水NH4+-N有所升高.

2.3 TN的去除效果

滴濾池-人工濕地組合工藝對TN的去除效果如圖4所示.系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，對組合工藝進(jìn)出水中各種形態(tài)的無機(jī)氮進(jìn)行了測定，有機(jī)氮的數(shù)據(jù)通過計(jì)算得出，計(jì)算公式為：有機(jī)氮=TN-NH4+-N-NO3--N-NO2--N.各種形態(tài)的氮的具體變化如圖5所示.

圖4 滴濾池-人工濕地組合工藝對TN的去除效果

圖5 組合工藝進(jìn)出水氮形態(tài)變化

滴濾池出水TN波動性較大，出水濃度在7.33～18.49 mg·L-1，平均值為11.66 mg·L-1，出水濃度基本滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率為94%.滴濾池對TN的去除率在24.1%～67.7%，平均值為51.5%.130天以后，滴濾池出水TN濃度波動較大，分析原因可能是由于季節(jié)導(dǎo)致氣溫較低所引起的.滴濾池對TN去除的機(jī)理包括微生物的同化、填料的吸附、硝化反硝化作用等.滴濾池進(jìn)水的TN主要由NH4+-N(91.5%)構(gòu)成，滴濾池出水的TN主要由NO3--N(59.6%)、有機(jī)氮(36.3%)和NH4+-N(3.6%)組成，出水有機(jī)氮的貢獻(xiàn)主要來自于脫落的生物膜.Biesterfeld[11]、童君[13]、譚平[2]的研究結(jié)果表明：滴濾池的生物膜具有反硝化的能力，當(dāng)污水中存在溶解氧時(shí)生物膜內(nèi)部也可以發(fā)生反硝化.由于滴濾池內(nèi)NH4+-N的減少量遠(yuǎn)高于NO3--N和NO2--N的增加量，結(jié)合上述學(xué)者的研究成果，推測本實(shí)驗(yàn)裝置的滴濾池內(nèi)發(fā)生了反硝化.

人工濕地出水TN相比滴濾池穩(wěn)定，出水濃度在1.21～5.58 mg·L-1，平均值為2.16 mg·L-1，出水濃度均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級A標(biāo)準(zhǔn).去除率在62.2%～90.3%，平均值為81.5%.整個(gè)工藝對TN的去除率在77.1%～95.3%，平均去除率為91.2%.滴濾池對TN的去除貢獻(xiàn)為51.2%，人工濕地對TN的去除貢獻(xiàn)為48.8%.人工濕地對TN的去除機(jī)理為填料的吸附、截留、反硝化作用、微生物同化等.人工濕地的進(jìn)水即滴濾池的出水，TN主要由NO3--N(59.6%)和有機(jī)氮(36.3%)組成.人工濕地出水TN主要由NH4+-N(59.6%)和有機(jī)氮(40%)組成.說明人工濕地內(nèi)發(fā)生了良好的反硝化反應(yīng).在系統(tǒng)運(yùn)行初期，填料的吸附發(fā)揮了主要作用.當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，填料的吸附量達(dá)到平衡，TN的去除主要依靠反硝化作用.

2.4 TP的去除效果

滴濾池-人工濕地組合工藝對TP的去除效果如圖6所示.

圖6 滴濾池-人工濕地組合工藝對TP的去除效果

滴濾池出水的TP濃度波動較大，在1.98～3.42 mg·L-1之間，平均值為2.54 mg·L-1，出水濃度基本滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》二級標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率為91%.滴濾池TP的去除率在12.7%～53.7%，平均去除率為38.1%.人工濕地的TP濃度在0.008～0.621 mg·L-1之間，平均值為0.151 mg·L-1，出水濃度基本滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率為97%.人工濕地TP的去除率在76.7%～99.7%，平均去除率為93.9%.整個(gè)工藝對TP的去除率在86.1%～98.9%，平均去除率為96.4%，組合工藝的TP去除效果較好.滴濾池對TP的去除貢獻(xiàn)為39.7%，人工濕地對TP的去除貢獻(xiàn)為60.3%.

由于系統(tǒng)不具備生物除磷所必需的厭氧好氧交替的環(huán)境，人工濕地TP的去除原理在于微生物的同化、填料的吸附等[14-16].實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：濕地出水的TP濃度在141天以后開始逐漸上升，而滴濾池出水的TP濃度變化則無明顯差別.在此之前，濕地出水的TP 濃度在0.047～0.087 mg·L-1之間.141天以后濕地出水的TP濃度升高至0.158～0.621 mg·L-1之間.說明人工濕地填料對磷的吸附已經(jīng)達(dá)到飽和，從而導(dǎo)致出水TP濃度的升高.

3 結(jié)論

(1)采用生物滴濾池-人工濕地組合工藝處理模擬生活污水，可以省去傳統(tǒng)活性污泥法中曝氣能耗的費(fèi)用，去除CODcr、脫氮除磷的效果較好，組合工藝對CODcr、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分別達(dá)到了96.2%、95.6%、91.2%和93.9%.滴濾池出水的CODcr、NH4+-N和TN均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率分別為90%、100%和94%.TP達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》二級標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率為91%.人工濕地出水的CODcr、NH4+-N、 TN和TP均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)標(biāo)率分別為100%、100%、100%和97%.

(2)當(dāng)采用好氧活性污泥作為接種污泥時(shí)，用循環(huán)污泥的強(qiáng)化方式可以達(dá)到快速啟動滴濾池的目的，在系統(tǒng)運(yùn)行第8天，CODcr去除率達(dá)到84.9%，NH4+-N、TN和TP的去除率從運(yùn)行第1天開始就比較穩(wěn)定，滴濾池出水濃度波動不是很大.

(3)CODcr、NH4+-N的去除主要是在滴濾池內(nèi)完成的.TN的去除中，滴濾池的去除貢獻(xiàn)為51.2%，人工濕地的去除貢獻(xiàn)為48.8%.TP的去除中，滴濾池的去除貢獻(xiàn)為39.7%，人工濕地的去除貢獻(xiàn)為60.3%.

(4)生物滴濾池出水中的TN組成主要為NO3--N(59.6%)、有機(jī)氮(36.3%)和NH4+-N(3.6%)，人工濕地出水的TN組成主要為NH4+-N(59.6%)和有機(jī)氮(40.0%).人工濕地的反硝化效果良好，出水NO3--N未檢出.

(5)組合工藝運(yùn)行至141天時(shí)，人工濕地的出水TP濃度開始明顯上升，TP濃度由之前的0.047～0.087 mg·L-1上升至0.621 mg·L-1，而滴濾池出水的TP濃度變化不大.說明人工濕地內(nèi)填料對TP的吸附量已經(jīng)達(dá)到飽和.

(6)生物滴濾池-人工濕地組合工藝對生活污水中常規(guī)污染物的去除效果較好，并且不需要曝氣，可以節(jié)約費(fèi)用，管理運(yùn)行方便，人工濕地技術(shù)在發(fā)揮農(nóng)村地區(qū)土地資源豐富的優(yōu)勢的同時(shí)還可以帶來一定的景觀效益.因此這種組合工藝在處理農(nóng)村生活污水方面有著良好的應(yīng)用前景.

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Research on law of composite process of biotrickling filterand constructed wetland for domestic wastewater treatment

XUE Xu-dong1， WANG Jia2*， SUN Chang-shun1，WANG Xi-feng1， ZHANG Zhen-wen1， DENG Yan1

(1.Shaanxi Provincial Academy of Environmental Science, Xi′an 710061， China； 2.Pollution Reduction Engineering Technology Research Center of Shaanxi Province, Xi′an 710061， China)

The composite process of biotrickling filter and constructed wetland was used to treat simulated domestic wastewater.The contaminant removal efficiency of composite process was investigated under the conditions of hydraulic loading of biotrickling filter of 1.0 m3·m-2·d-1.The results showed that the rapid start-up process of reactor was implemented by using the method of artificial inoculation with activated sludge.The average removal efficiencies of CODcr,NH4+-N,TN and TP were 96.2%,95.6%,91.2% and 93.9%,respectively.Most parts of CODcrand NH4+-N were removed in biotrickling filter.The contributions of TN,TP removal of biotrickling filter were 51.2%,39.7%, respectively.The contributions of TN,TP removal of constructed wetland were 48.8%,60.3%, respectively.The TP concentration of effluent of constructed wetland increased constantly with the time after 141 days.This illustrated that the absorption abilities for TP reached the saturated binding.

biotrickling filter； constructed wetland； domestic wastewater； removal efficiency

2015-03-08

陜西省科技廳科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2011KTZB03-03)

薛旭東(1983-)，男，陜西白水人，工程師，博士，研究方向：廢水生物處理通訊作者:王 佳(1987-)，男，山西運(yùn)城人，助理工程師，碩士，研究方向：廢水生物處理,380279632@qq.com

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