陶昱明，孫 蕓，徐佳瑩，趙鳴秋，楊小麗，宋海亮

(1.南京市給排水工程設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇南京 210002；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 211189；3.南京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210023)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國農(nóng)村生活污水排放量日益增加，生活污水處理仍以去除有機(jī)物及氮、磷為主要目標(biāo)[1]。既往的農(nóng)村污水資源化利用往往停留在污水處理后的尾水回用，未能將污水處理過程與資源化利用相耦合，真正實(shí)現(xiàn)生物生態(tài)耦合，造成部分氮、磷資源的流失與浪費(fèi)。氮、磷過量是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要成因，同時(shí)氮、磷元素也是植物體內(nèi)蛋白質(zhì)、核酸、磷脂和某些生長(zhǎng)激素的重要組分[2]。其中，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是其生長(zhǎng)發(fā)育過程中主要的氮源。植物可吸收氮素，在多種酶的作用下合成多種可被利用的氨基酸[3]。另外，植物類型對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的吸收比例也存在顯著差異[4-5]。因此，針對(duì)性地根據(jù)人工濕地供試植物對(duì)氮素的不同需求，調(diào)節(jié)控制出水氮素的硝銨比，不僅可以完成氮素資源回用，還可以實(shí)現(xiàn)污水的深度處理[6-7]。

本研究提出將污水處理過程與資源化利用相耦合，構(gòu)建了由厭氧/好氧(AO)濾池-人工濕地組合的農(nóng)村生活污水資源化系統(tǒng)，污水流經(jīng)A濾池、O濾池處理后，將有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯竦毓┰囍参锼璧牟煌瑹o機(jī)態(tài)氮，使出水具有不同的硝銨比；利用植物對(duì)不同氮素的吸收偏好及其吸收能力，優(yōu)化人工濕地供試植物搭配與種植比，促進(jìn)人工濕地中植物吸收利用和生長(zhǎng)，提升人工濕地生物降解能力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)污染物資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)流程及裝置

研究周期為2019年8月—2020年5月，分為野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)植物氮素吸收偏好試驗(yàn)兩階段。野外現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件即自然環(huán)境條件，溫度為戶外自然環(huán)境溫度，現(xiàn)場(chǎng)O濾池的DO含量控制在1.4 mg/L；室內(nèi)植物氮素吸收偏好試驗(yàn)控制室溫為25 ℃。

試驗(yàn)流程由A濾池-O濾池-人工濕地組合而成，如圖1所示。進(jìn)水箱內(nèi)的污水首先由蠕動(dòng)泵打入A濾池，A濾池內(nèi)水流方向自下向上，將污水中有機(jī)氮無機(jī)化為植物易于吸收的無機(jī)態(tài)氮；A濾池置于鐵架上，略高于O濾池，其出水自重流入O濾池，O濾池水流方向自上向下，通過調(diào)控運(yùn)行參數(shù)，使其出水水質(zhì)具有不同的硝銨比；O濾池出水進(jìn)入水平潛流人工濕地，通過種植適宜植物實(shí)現(xiàn)資源化利用及深度處理。

圖1 試驗(yàn)流程圖Fig.1 Test Flow Chart

試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃制成，其中，A濾池直徑為30 cm，濾料高度為60 cm；O濾池直徑為30 cm，填料高為80 cm。兩濾池內(nèi)由下至上依次為承托層、填料層，其中承托層鋪設(shè)φ15.0～25.0 mm的鵝卵石，厚度為10 cm，填料層采用φ5.0～8.0 mm的陶粒。人工濕地尺寸為1 m×0.2 m×0.3 m，濕地內(nèi)填料層由下至上依次為碎磚塊、陶粒及土壤。

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

表1 進(jìn)水水質(zhì)Tab.1 Influent Water Quality

1.3 人工濕地供試植物

在構(gòu)建人工濕地系統(tǒng)的過程中，植物的合理配置非常關(guān)鍵[8]。結(jié)合農(nóng)村生活污水特征與農(nóng)民生產(chǎn)生活需求，選取最為適用的8種植物：水芹(OenanthejavanicaD.C.)、生菜(Lactucasativavar.ramosaHort.)、韭菜(A.tuberosumRottl.exSpreng.)、番茄(LycopersiconesculentumMiller)、油麥菜(Lactucasativavarlongifoliaf.Lam)、小葉茼蒿(Chrysanthemumcoronarium)、菠菜(SpinaciaoleraceaL.)和空心菜(IpomoeaaquaticaForssk.)。

1.4 分析項(xiàng)目及方法

2 結(jié)果與討論

2.1 AO組合濾池啟動(dòng)與水力負(fù)荷影響

2.1.1 組合濾池啟動(dòng)

表2 啟動(dòng)階段組合濾池中COD與的變化情況Tab.2 Variation of COD and in AO Filter during Start-Up Stage

2.1.2 水力負(fù)荷對(duì)組合濾池氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響

圖2 水力負(fù)荷對(duì)組合濾池中不同氮素轉(zhuǎn)化的影響Fig.2 Effect of Hydraulic Loading on Different Nitrogen Transformation in AO Filter

2.1.3 水力負(fù)荷對(duì)組合濾池有機(jī)物去除的影響

水力負(fù)荷直接影響濾池生物膜的生長(zhǎng)和污染物的去除效果。本試驗(yàn)設(shè)置5組不同水力負(fù)荷，探究水力負(fù)荷對(duì)組合濾池中COD濃度的影響，調(diào)節(jié)方式及水力負(fù)荷梯度與水力負(fù)荷對(duì)氮素轉(zhuǎn)化影響試驗(yàn)相同，結(jié)果如圖3所示。

圖3 水力負(fù)荷對(duì)組合濾池中COD濃度的影響Fig.3 Effect of Hydraulic Loading on COD Concentration in AO Filter

試驗(yàn)期間，A濾池進(jìn)水CODCr為138.6～238.6 mg/L，出水CODCr為94.2～164.4 mg/L。COD去除率隨著水力負(fù)荷的增大而減小，且水力負(fù)荷增幅越大，COD去除率下降得越快。分析認(rèn)為，O濾池主要是將難降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)化成易降解的小分子有機(jī)物，并不是徹底將有機(jī)物降解[11]，在較小的水力負(fù)荷下，微生物對(duì)有機(jī)物的降解作用趨于穩(wěn)定；但是，水力負(fù)荷從1.70 m3/(m2·d)增加到4.25 m3/(m2·d)的過程中，對(duì)應(yīng)的水力停留時(shí)間從5 h減少到2 h，COD去除率下降較快的主要原因?yàn)樗νＡ魰r(shí)間的減少致使濾池微生物與污水中的有機(jī)物接觸時(shí)間縮短，不利于生物降解。

O濾池進(jìn)水CODCr為94.2～164.4 mg/L，出水CODCr為48.6～87.4 mg/L。隨著水力負(fù)荷的增加，COD去除率在小幅上升后開始下降。分析認(rèn)為，盡管較高的水力負(fù)荷有利于提高DO水平、促進(jìn)生物膜更新，但當(dāng)水力負(fù)荷過高時(shí)，有機(jī)物負(fù)荷也相應(yīng)增加，生物接觸時(shí)間縮短，進(jìn)而造成有機(jī)物去除率下降。因此，為滿足有機(jī)物的去除，水力負(fù)荷不宜過大或過小。

2.1.4 組合濾池水力負(fù)荷的確定

組合濾池的主要功能在于有機(jī)氮無機(jī)化和氨氮硝化，同時(shí)兼有一定的COD去除效果。綜合考慮反應(yīng)器處理效能，確定A濾池較為適宜的水力負(fù)荷為2.12 m3/(m2·d)。 在此條件下，當(dāng)O濾池水力負(fù)荷分別為1.70、2.12 m3/(m2·d)和4.25 m3/(m2·d)時(shí)， 對(duì)應(yīng)出水硝銨比分別約為2∶1、1∶1和1∶2。此時(shí)，不同水力負(fù)荷下均取得了較好的COD去除效果，對(duì)應(yīng)的COD去除率分別為49.5%、55.9%和38.3%。

2.2 人工濕地供試植物對(duì)氮素的吸收特性及優(yōu)化組合

研究發(fā)現(xiàn)，植株對(duì)不同氮素的吸收偏好可分為3類：喜硝、喜銨、硝銨均衡類。總體來說，4種喜硝植物生菜、水芹、韭菜、番茄中，水芹、生菜對(duì)硝銨吸收能力優(yōu)于番茄、韭菜；3種喜銨植物小葉茼蒿、空心菜、菠菜中，空心菜對(duì)硝銨的吸收能力最為突出；油麥菜對(duì)硝銨吸收偏好較為平衡且整體吸收水平較低。

表3 8種植物對(duì)不同氮素的吸收情況Tab.3 Comparison of Nitrogen Absorption by Eight Plants

2.3 組合工藝對(duì)污染物的去除效果

控制A濾池水力負(fù)荷為2.12 m3/(m2·d)，O濾池水力負(fù)荷分別為4.25、2.12、1.70 m3/(m2·d)，調(diào)控組合濾池出水不同硝銨比，出水進(jìn)入人工濕地，濕地水力負(fù)荷為0.24 m3/(m2·d)，對(duì)應(yīng)HRT為24 h。濕地中選擇組合栽培對(duì)硝銨吸收能力最佳的水芹-生菜，根據(jù)這2種植物的氮素吸收偏好，確定濕地內(nèi)適宜的種植比例為水芹∶生菜=3∶2。

2.3.1 組合工藝出水效果

不同O濾池水力負(fù)荷下，組合工藝對(duì)污染物的平均去除效果如圖4所示。

圖4 組合工藝各單元中污染物的去除效果Fig.4 Pollutants Removal in Combined Anaerobic Filter-Aerobic Filter and Constructed Wetland

2.3.2 不同工藝單元氮素的轉(zhuǎn)化過程

圖5 不同工藝單元氮素分布Fig.5 Distribution of Nitrogen in Different Units of the Processes

3 結(jié)論

(1)AO組合濾池的主要功能在于利用有機(jī)氮無機(jī)化和氨氮硝化的氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)后續(xù)濕地植物的生長(zhǎng)與利用，同時(shí)兼有一定的有機(jī)物去除效果。不同水力負(fù)荷對(duì)AO組合濾池中的氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化具有較大影響，隨著O濾池水力負(fù)荷的增加，硝銨比逐漸降低。

(2)8種常見經(jīng)濟(jì)型植物對(duì)不同氮素的吸收偏好及吸收能力的研究發(fā)現(xiàn)，生菜、水芹、韭菜、番茄為喜硝類植物，小葉茼蒿、空心菜、菠菜為喜銨類植物，油麥菜屬硝銨吸收平衡類；根據(jù)植株的硝銨吸收偏好與生長(zhǎng)特性，可進(jìn)行濕地植株的種植搭配優(yōu)選，進(jìn)而在促進(jìn)植物生長(zhǎng)的同時(shí)，提升組合系統(tǒng)生物降解效能。

(3)調(diào)控AO組合濾池A濾池水力負(fù)荷為2.12 m3/(m2·d)，HRT=4 h；O濾池水力負(fù)荷為1.7 m3/(m2·d)，HRT=6.5 h，O濾池的DO含量控制在1.4 mg/L左右；其中，濾池承托層鋪設(shè)φ15.0～25.0 mm的鵝卵石，填料層采用φ5.0～8.0 mm的陶粒。組合濾池出水硝銨比達(dá)2∶1，出水流入種植喜硝植物水芹-生菜的人工濕地，組合系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了氮、磷的資源化利用，還強(qiáng)化了污染物的去除，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(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)，且滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005)標(biāo)準(zhǔn)，可有效實(shí)現(xiàn)農(nóng)村污水的資源化利用。