趙智超， 張為堂， 崔 鵬， 黃劍明， 史文燕， 陳永志

(1.蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 2.北控水務(中國)投資有限公司，北京 100124； 3.成都市建筑設計研究院， 四川 成都 610015)

1 研究背景

生物接觸氧化法(Biological contact oxidation，BCO)具有生物量大、污泥產(chǎn)量少、抗沖擊負荷能力強、無污泥膨脹之虞等優(yōu)點[1]。但是，由于其處理方式單一，傳統(tǒng)生物接觸氧化對氮和磷不能夠很好地去除[2]。

人工濕地利用系統(tǒng)中基質(zhì)-水生植物-微生物的物理、化學、生物三重協(xié)同作用實現(xiàn)對污水的高效凈化[3]，是一種生態(tài)環(huán)保的污水處理技術。與傳統(tǒng)污水處理技術相比，人工濕地具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、投資少、耗能低、操作簡單、運行費用低等優(yōu)點[4-6]，但也存在易堵塞、占地面積大、易受氣候和運行方式影響等不足[7]。

BCO-人工濕地組合工藝具有生態(tài)效應突出、脫氮除磷效果好、運行穩(wěn)定、成本較低等優(yōu)點[8-10]。微生物生長的適宜溫度在10～35℃之間，一旦溫度低于10℃，處理效果會受到明顯影響[11-13]，我國北方地區(qū)冬季生活污水溫度時常低于10℃[13]，因此提高該組合工藝在低溫條件下的處理效能是當前的一個研究熱點[14-15]，本研究重點考察了在常、低溫條件下BCO-人工濕地組合工藝處理實際生活污水的運行效果及水力停留時間對BCO及水力負荷對人工濕地處理效果的影響，以期為該組合工藝在我國北方地區(qū)的實際應用提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

“BCO-人工濕地”組合工藝流程見圖1。生活污水首先進入初次沉淀池，去除污水中大顆粒懸浮物，并去除部分有機物，后重力自流入一級調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)水量，然后經(jīng)泵提升進入生物接觸氧化反應器，去除大部分COD、氮和磷，出水進入二級調(diào)節(jié)池，用泵提升到人工濕地，進一步去除有機物、脫氮、除磷。

圖2(a)為BCO實體圖。反應器采用有機玻璃制成，尺寸為2100×600×1 000 mm，總有效容積0.68 m3，其中缺氧區(qū)0.20 m3，好氧一區(qū)0.24 m3，好氧二區(qū)0.23 m3。組合式填料見圖2(b)，其比表面積1 000～2 500 m2/m3。曝氣裝置為廣東省日生集團生產(chǎn)的電磁式空壓機，型號為ACO-018，最大曝氣量為250 L/min，曝氣方式為微孔曝氣。

人工濕地實體圖見圖3(a)。濕地植物選擇蘆葦進行種植，種植密度為16株/m2。濕地底部有1.50%的坡度。圖3(b)為人工濕地結(jié)構(gòu)示意圖。濕地規(guī)格為1 000 mm×500 mm×900 mm，總有效容積0.30 m3，濾料高度為0.60 m，濾料分別為粗砂填充60.00%，中砂填充30.00%，細砂填充10.00%，填充順序從上到下依次為粗砂、中砂、細砂。

圖1 BCO-人工濕地系統(tǒng)流程

圖2 BCO及填料實物圖

圖3 人工濕地實體及結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 原水水質(zhì)與接種污泥

本試驗原水來自蘭州交通大學校園生活區(qū)的生活污水，具體水質(zhì)見表1。

表1 試驗原水水質(zhì) ℃，mg/L

接種污泥取自蘭州市某污水處理廠曝氣池，MLSS=3 000 mg/L，SV30=30%，污泥具有良好的脫氮除磷功能。

2.3 試驗方法

(1)BCO的HRT為9 h，回流比為100%，氣水比7∶1。垂直流人工濕地的水力負荷為3.65m3/(m2·d)，采用連續(xù)進水方式，研究在常溫(22～27℃)和低溫(7～12℃)條件下組合工藝對實際生活污水的處理效果。

(2)保持BCO的回流比和氣水比分別為100%和7∶1，在常、低溫下控制BCO的HRT分別為6、9、12 h，人工濕地的水力負荷分別為5.48、3.65、2.74 m3/(m2·d)時，考察組合工藝的污染物去除效能。

2.4 水質(zhì)分析方法

3 結(jié)果與討論

3.1 對COD的去除特性

在常溫(22～27℃)時組合工藝對COD濃度的去除效果見圖4(a)。當平均進水COD濃度為244.00 mg/L時，BCO出水平均COD濃度為35.40 mg/L，人工濕地出水穩(wěn)定，平均值為14.60 mg/L。組合工藝對COD有著良好的去除效果，平均去除率為94.10%。出水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 8918-2002)中的一級A標準。

在低溫(7～12℃)時組合工藝對COD的去除效果見圖4(b)。平均進水COD濃度為269.70 mg/L，相比常溫下未見明顯升高，BCO平均出水COD濃度為57.20 mg/L，在低溫低COD進水條件下，人工濕地平均出水COD濃度為29.60 mg/L，組合工藝對COD的平均去除率為88.93%。相比于常溫下，低溫下組合工藝對COD的去除率降低，分析原因是因為在低溫下BCO中懸浮污泥不穩(wěn)定[17]，同時植被的生長進入停滯或者休眠狀態(tài)，影響了COD的去除。

不同溫度時BCO和人工濕地對COD的去除率見圖4(c)。在常溫和低溫時，BCO對COD的去除率變化不大，分別為85.80%、79.50%；而人工濕地對COD的去除率都很有限，分別為8.30%、9.50%。

圖4 COD的去除效果及各單元的去除率

3.2 對的去除特性

圖的去除效果及各單元的去除率

3.3 對TN的去除特性

常溫(22～27℃)下組合工藝對TN的去除效果見圖6(a)。組合工藝對TN有著高效穩(wěn)定的去除效果，在進水TN平均濃度70.10 mg/L的條件下，BCO平均出水TN濃度為26.30 mg/L，人工濕地出水TN平均濃度為12.70 mg/L，對TN的平均去除率為81.20%。

低溫(7～12℃)下組合工藝對TN的去除效果見圖6(b)。平均進水TN濃度為66.10 mg/L，比常溫時略有降低，BCO出水平均TN濃度為39.10 mg/L，人工濕地出水TN濃度比較穩(wěn)定，為19.90 mg/L。組合工藝對TN的去除率為70.50%。

不同溫度時BCO和人工濕地對TN的去除率見圖6(c)。低溫時BCO對TN的去除率為40.90%，遠低于常溫條件下62.70%的去除率；低溫時人工濕地對TN的去除效果優(yōu)于常溫條件下，常溫和低溫時的去除率分別為18.50%、29.60%。溫度降低，BCO對TN去除率受到較大影響，主要是因為在低溫下底物和溶解氧的擴散速率變慢，大多數(shù)硝化菌和反硝化菌處于生物絮體內(nèi)部[18]，因此低溫下硝化反應和反硝化反應難以進行。與常溫下相比，在低溫時人工濕地對TN的去除貢獻率較大，這是因為人工濕地對TN的去除是通過基質(zhì)的過濾、吸附作用完成[19]，另一方面低溫時人工濕地的進水的COD濃度較高，對反硝化有利。

圖6 TN的去除效果及各單元的去除率

3.4 對PO43-—P的去除特性

常溫(22～27℃)時組合工藝對PO43-—P的去除效果見圖7(a)。在平均進水PO43-—P濃度為5.02 mg/L時，BCO平均出水PO43-—P濃度為1.58 mg/L，大部分PO43-—P都隨著BCO中的剩余污泥排出系統(tǒng)而被去除。人工濕地出水相對穩(wěn)定，平均PO43-—P濃度為0.43 mg/L，組合工藝對PO43-—P的平均去除率為91.10%。BCO對PO43-—P的去除主要依靠剩余污泥的排出。人工濕地去除PO43-—P主要依靠植物吸收和基質(zhì)吸附完成。人工濕地中有機磷在微生物作用下分解氧化為無機磷,無機磷在植物吸收及同化用下可轉(zhuǎn)化成植物的ATP、DNA、RNA等有機成分，進入到植物體內(nèi)[20]?；|(zhì)對磷的吸附主要為化學吸附，即可溶性磷與基質(zhì)中的Ca、Al、Fe和土壤顆粒吸附、絡合，形成難溶性物質(zhì)沉淀去除[21]。

低溫(7～12℃)時組合工藝對PO43-—P的去除效果見圖7(b)。在平均進水PO43-—P濃度為4.80 mg/L時，BCO出水PO43-—P濃度較常溫時波動較大，平均值為1.82 mg/L，人工濕地出水PO43-—P濃度較常溫時增大，平均值為0.88 mg/L，組合工藝對PO43-—P的平均去除率為80.90%。低溫時組合工藝對磷的去除率較常溫時降低，這可能是由于低溫時水中VFA(volatile fatty acid，揮發(fā)性脂肪酸)的濃度較低，而VFA又影響聚磷菌厭氧釋磷[22-23]，從而導致聚磷菌吸磷能力下降，除磷效果變差。

不同溫度時BCO和人工濕地對PO43-—P的去除率見圖7(c)。常溫和低溫時BCO對PO43-—P的去除率變化不大，分別為67.90%、61.30%。不同溫度時人工濕地對PO43-—P的去除率分別為23.20%、19.60%。低溫條件下，BCO和人工濕地對PO43-—P的去除率均降低。

3.5 水力停留時間(HRT)對BCO及水力負荷對人工濕地處理效果的影響

3.5.1HRT對BCO去除污染物效能的的影響 在常溫和低溫條件下，HRT對BCO去除污染物效能的影響見表2。

圖7 PO43-—P的去除效果及各單元的去除率

溫度/℃HRT/hCOD進水濃度/(mg·L-1)出水濃度/ (mg·L-1)去除率/%NH+4—N進水濃度/(mg·L-1)出水濃度/ (mg·L-1)去除率/%TN進水濃度/(mg·L-1)出水濃度/ (mg·L-1)去除率/%PO43-—P進水濃度/(mg·L-1)出水濃度/ (mg·L-1)去除率/% 6150.4251.1466.0148.0025.2847.1656.5733.2841.124.171.9852.4022～27 9173.2819.8688.5646.286.6385.5449.1415.1969.133.900.9874.8112150.7115.4389.6844.854.5089.9252.8514.1273.083.611.3463.48 6219.2887.7559.9452.5730.0242.9559.5740.4332.134.052.3242.847～12 9212.4241.5180.4953.4220.0062.2260.1429.9850.104.371.6163.4012187.7126.8685.6251.2917.1466.5057.2824.2757.634.381.3370.06

3.5.2 水力負荷(HLR)對人工濕地去除污染物效能的的影響 在常溫和低溫條件，HLR對人工濕地去除污染物效能的影響見表3。

表3 常、低溫下HLR對人工濕地處理效能的影響

4 結(jié) 論

(3)BCO不但減小了人工濕地的污染負荷，而且避免了人工濕地容易堵塞的風險，同時低溫下人工濕地又能很好地彌補BCO對氮、磷去除的不足。該組合工藝運行穩(wěn)定，受溫度影響較小，是一種很有應用價值的工藝。