馬 凱，張國珍*，王宏偉，趙 凱

（1.蘭州交通大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070）

近年來隨著水資源匱乏，地表水和地下水水質(zhì)的不斷惡化，地表水中N、P含量超標(biāo)，傳統(tǒng)的污水處理工藝，比如單靠氧化溝、A/O工藝、A2O工藝、CASS工藝等的出水已經(jīng)達(dá)不到水質(zhì)的排放標(biāo)準(zhǔn)［1］.朱越等［2］采用SBR技術(shù)處理城鎮(zhèn)生活污水，研究發(fā)現(xiàn)在SBR反應(yīng)器中投加20μL/L的復(fù)合混凝劑時，出水穩(wěn)定性低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中一級A標(biāo)準(zhǔn)限值，但混凝劑的投加勢必會導(dǎo)致成本的上升；劉兵等［3］研究氧化溝技術(shù)處理城鎮(zhèn)生活污水，研究發(fā)現(xiàn)單靠氧化溝技術(shù)很難穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)，張明珍等［4］研究發(fā)現(xiàn)人工濕地技術(shù)在生活污水處理方面有著去除效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)勢，但主要受限于人工濕地堵塞問題.

多級AO工藝是在傳統(tǒng)的缺氧/好氧工藝上增加了多個串聯(lián)的缺氧池和好氧池［5］，其優(yōu)點(diǎn)就在于處理效果很穩(wěn)定，微生物能夠充分利用污水中的有機(jī)物質(zhì)，結(jié)構(gòu)相對簡單，目前應(yīng)用市場很廣泛，在許多國家中都有所使用［6］.影響多級AO工藝污染物去除效果的因素眾多，但其主要影響因素就是低的C/N，以及污泥回流比的大小［7］.為解決碳源不足的問題，出現(xiàn)了分段進(jìn)水的多級AO工藝，在不同點(diǎn)進(jìn)水，以確保多級AO每一級反應(yīng)器內(nèi)碳源充足.但依然存在處理效果不佳的問題，為保證出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，在分段進(jìn)水多級AO工藝后串聯(lián)人工濕地處理技術(shù).人工濕地是當(dāng)前污水深度處理的主流工藝之一，與一些傳統(tǒng)的工藝相比較，有著結(jié)構(gòu)簡單，投資運(yùn)行費(fèi)用低廉，處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，在各個國家作為污水生態(tài)處理技術(shù)而被大量使用［8-9］.并且在污水深度處理、控制水體污染及治理和生態(tài)修復(fù)的過程中人工濕地都被大量的使用［10-13］.填料作為人工濕地的重要組成部分，在污染物的去除上起著重要作用，目前人工濕地的填料多以頁巖、石英砂、無煙煤、沸石、陶粒等為主［14］，基質(zhì)填料不僅為植物根系生物膜提供生長，而且污染物質(zhì)也可以通過填料本身的物理化學(xué)吸附作用而被去除，尤其是對于水中磷的去除［15］.廢磚塊作為建筑垃圾的主體，不僅影響了環(huán)境，而且阻礙了城市化的進(jìn)程［16］.絕大多數(shù)建筑磚塊是以黃土、頁巖、煤矸石和粉煤灰等為原料燒制而成，其具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)和較大比表面積，作為濕地填料，具有一定優(yōu)勢.

因此本文結(jié)合現(xiàn)有污水處理工藝，以處理工藝低成本、持久穩(wěn)定運(yùn)行為前提，實(shí)現(xiàn)出水達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)的目的，以多級AO和陶粒、廢磚塊為濕地填料的組合工藝進(jìn)行污水處理，采用掃描電鏡對廢磚塊填料進(jìn)行表面形貌及生物膜生長情況的表征，研究該組合工藝穩(wěn)定運(yùn)行時對污水中CODcr、NH+4-N、TN、TP的去除效果，以期為組合工藝在實(shí)際生活污水處理及污水廠提標(biāo)改造方面提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐.

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由多級AO系統(tǒng)和人工濕地系統(tǒng)串聯(lián)組成，由PVC板加工制成，如圖1所示，多級AO出水進(jìn)入二沉池沉淀后，在進(jìn)入水箱儲存，水箱另一端連接至復(fù)合垂直流人工濕地進(jìn)水管，中間設(shè)有流量控制開關(guān).

圖1 多級AO人工濕地組合工藝圖Fig.1 Multi-level AO and constructed wetland series device diagram

1.1.1 多級AO系統(tǒng)

多級AO尺寸為（長×寬×高）：105 cm×20 cm×40 cm，裝置總的有效容積為67.2 L，形成了三級反應(yīng)器，第一級反應(yīng)器包含厭氧、缺氧、好氧三段，其中第一級厭氧段尺寸（長×寬×高）為15 cm×20 cm×40 cm，缺氧段尺寸（長×寬×高）為10 cm×20 cm×40 cm，好氧段尺寸（長×寬×高）為20 cm×20 cm×40 cm，第二和第三級只包含缺氧段與好氧段，缺氧段尺寸（長×寬×高）均為10 cm×20 cm×40 cm，好氧段尺寸（長×寬×高）均為20 cm×20 cm×40 cm，在A0、A1、A2、A3室均設(shè)有進(jìn)水管，達(dá)到分段進(jìn)水的目的，為達(dá)到混合均勻、曝氣充氧、排泥作用，裝置內(nèi)設(shè)有攪拌器、曝氣系統(tǒng)及排泥系統(tǒng).

1.1.2 人工濕地系統(tǒng)

由復(fù)合垂直流和水平流濕地共同組成人工濕地系統(tǒng)，其中復(fù)合垂直流濕地系統(tǒng)整體尺寸（長×寬×高）為90 cm×40 cm×85 cm，中間由隔板分為大小相同的下行池和上行池，底部有寬5 cm的空隙，單池尺寸為（長×寬×高）45 cm×40 cm×85 cm，填充基質(zhì)為廢磚塊，基質(zhì)填充高度為下行池700 mm，上行池650 mm，設(shè)有3層基質(zhì)填料，每層高度為20 cm，自下而上粒徑填料粒徑尺寸為10～20 mm、5～10 mm、2～5 mm，垂直流濕地系統(tǒng)表面混植蘆葦和香蒲，密度均為78株/m2.水平流人工濕地系統(tǒng)尺寸為85 cm×40 cm×60 cm，填充基質(zhì)為陶粒與廢磚塊，分三層填充，自下而上分別為20 cm厚的廢磚塊填料，粒徑為10～20 mm，20 cm厚陶粒填料，粒徑為5～10 mm，最上層為10 cm厚的陶粒填料，粒徑為2～5 mm，水平流濕地栽種的植物與垂直流濕地植物相同，植株密度為60株/m2.

1.2 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)用水為蘭州交通大學(xué)家屬區(qū)生活污水，原水水質(zhì)如表1所列.

表1 原水水質(zhì)Tab.1 Raw water quality

1.3 裝置運(yùn)行參數(shù)

組合工藝于2020年8月8日開始運(yùn)行，控制多級AO工藝進(jìn)水流量分配比（A0、A1、A2、A3）：50%：30%：10%：10%，控制水力停留時間、污泥回流比及人工濕地水力負(fù)荷分別為8 h、60%與0.15 m/d.

1.4 水樣檢測

裝置的運(yùn)行方式為連續(xù)進(jìn)水，對裝置進(jìn)出水、多級AO各隔室，人工濕地各個取樣口每2天取樣1次，檢測指標(biāo)包括pH、溶解氧（DO）、CODcr、NH+4-N、TN、TP，水樣測定采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》［17］中所規(guī)定的檢測方法，如表2所列.

表2 水質(zhì)分析指標(biāo)、方法及儀器Tab.2 Methods and instruments for water quality analysis

1.5 廢磚塊表面形貌分析

使用掃描電子顯微鏡（JSM-6701F型）對人工濕地廢磚塊填料表面拍照分析，如圖2所示.圖2（a）為廢磚塊沒有生物膜生長時50μm下的照片，廢磚塊具有粗糙的表面，明顯的內(nèi)部孔道以及較大的比表面積，圖2（b）為經(jīng)過1個月掛膜成功后，廢磚塊10μm下的照片，可以看到表面有大量生物膜存在.

圖2 廢磚塊粉末掃描電鏡圖Fig.2 Scanning electron micrograph of waste brick powder

2 結(jié)果與討論

2.1 CODcr的去除效果

圖3為多級AO人工濕地組合工藝內(nèi)CODcr的去除效果圖，原水CODcr濃度為267.79 mg/L，組合工藝出水CODcr濃度為7.53 mg/L，總?cè)コ蕿?7.18%.多級AO反應(yīng)器各隔室內(nèi)CODcr濃度分別為133.81、135.46、70.08、60.21、47.29、57.33和51.66 mg/L，去除率分別為50.03%、49.42%、73.83%、77.52%、82.34%、78.59%和80.71%，除A1反應(yīng)器外其他各隔室對有機(jī)物都具有一定去除效果，分析認(rèn)為在好氧隔室（O1、O2、O3）內(nèi)有機(jī)物的去除主要靠微生物降解以及細(xì)胞合成作用，在缺氧及厭氧隔室（A0、A1、A2、A3）有機(jī)物主要通過異養(yǎng)菌的代謝去除，這些異養(yǎng)菌包括聚磷菌、反硝化菌等［18］.由于流量分配及回流作用，進(jìn)入A1隔室后的CODcr濃度大幅下降（NH+4-N、TN、TP濃度也具有同樣現(xiàn)象）.就多級AO反應(yīng)器而言，有機(jī)物大部分是在第一級反應(yīng)器中被去除的，分析原因可能是反應(yīng)器第一級大量異養(yǎng)微生物的作用，進(jìn)水中提供了大量的有機(jī)物質(zhì)，這些異養(yǎng)微生物 充分利用了有機(jī)物質(zhì)，大量有機(jī)物被去除［19］.

圖3 組合工藝CODcr的去除效果Fig.3 Removal effect of CODcr by combined process

由圖3可得，濕地系統(tǒng)對于污水中CODcr具有很好的去除效果，人工濕地各取樣點(diǎn)CODcr濃度分別為49.19、41.59、34.62、31.61、30.1、30.1、22.57、16.56、16.55、12.04和7.53 mg/L，對應(yīng)去除率分別為15.45%、29.62%、35.74%、38.81%、38.81%、54.12%、66.33%、66.32%、75.52%和84.69%，出水CODcr濃度小于GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅰ類水體CODcr的限值（15 mg/L），表明該系統(tǒng)在生化處理的基礎(chǔ)上有良好的去除效果.人工濕地去除污染物的機(jī)理包含了基質(zhì)填料的吸附，微生物的降解以及植物的吸收利用［20］，圖中在濕地系統(tǒng)的前端污染物濃度有一個快速下降的過程，這是因?yàn)槲鬯谙蛳铝鲃拥倪^程中大多數(shù)有機(jī)物通過粒徑較小的基質(zhì)（廢磚塊）吸附、植物根系截留和好氧、兼氧及厭氧微生物的降解作用而被高效去除.如圖2所示，廢磚塊多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，有大量的生物膜附著，有利于其對污染物吸附反應(yīng)的進(jìn)行，能夠更好降解有機(jī)物質(zhì)，因此CODcr去除效果很好.

2.2 NH+4-N的去除效果

圖4為多級AO人工濕地組合工藝內(nèi)NH+4-N的去除效果圖，原水NH+4-N濃度為55.27 mg/L，組合工藝出水NH+4-N濃度為1.60 mg/L，總?cè)コ蕿?7.11%.多級AO反應(yīng)器各隔室內(nèi)NH+4-N濃度分別為26.5、31.3、11.4、21.66、9.98、20.55和10.04 mg/L，去除率分別為52.05%、43.37%、79.84%、60.81%、81.94%、62.82%和81.18%，氨氮的去除發(fā)生在多級AO反應(yīng)器的好氧段.由圖4可得NH+4-N濃度呈現(xiàn)波動的趨勢，由于分段進(jìn)水的作用，在A1、A2、A3隔室內(nèi)NH+4-N濃度升高，同時可得反應(yīng)器級數(shù)越多，NH+4-N的去除效果越好.由圖可知NH+4-N在O1、O2與O3隔室的去除率分別為79.81%、81.94%與81.18%，分析認(rèn)為NH+4-N的去除較好主要因?yàn)閬喯趸?、硝化菌大多為專性無機(jī)營養(yǎng)型菌［21］，在較高的溶解氧與較低的有機(jī)物濃度下發(fā)揮作用，結(jié)合圖3在O1、O2與O3隔室CODcr濃度為47.29 mg/L至70.08 mg/L，有機(jī)物含量較低，硝化作用充分.

圖4 組合工藝NH+4-N的去除效果Fig.4 Removal effect of NH+4-N by combined process

由圖4可得，濕地系統(tǒng)對于污水中NH+4-N具有較好的去除效果，人工濕地各取樣點(diǎn)NH+4-N濃度分別為10、5.78、4.59、4.29、3.84、3.99、3.62、3.10、2.20、1.98和1.60 mg/L，對應(yīng)去除率分別為42.39%、54.28%、57.26%、61.72%、60.23%、63.95%、69.10%、78.08%、80.30%和84.62%，出水低于GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（2 mg/L）的限值，可見人工濕地系統(tǒng)在污水生化處理的基礎(chǔ)上，具有良好的去除NH+4-N的效果，人工濕地去除NH+4-N的機(jī)理依靠了廢磚塊的物理化學(xué)吸附，以及植物同化吸收與系統(tǒng)中微生物的硝化作用來完成，尤其是以微生物的硝化作用為主要去除機(jī)制［22］，同樣在進(jìn)水到S1點(diǎn)，NH+4-N的含量有快速下降的過程，表層NH+4-N的去除效果優(yōu)于中下層，分析認(rèn)為表層溶解氧含量高且植物根系密集可以傳輸氧氣，NH+4-N的去除是個好氧的過程，同時結(jié)合圖3進(jìn)入人工濕地時有機(jī)物濃度為49.19 mg/L，有機(jī)物濃度較小，因此硝化反應(yīng)較好，所以表層處理效果優(yōu)異.

2.3 TN的去除效果

圖5為多級AO人工濕地組合工藝內(nèi)TN的去除效果圖，原水TN濃度為68.52 mg/L，組合工藝出水TN濃度為3.47 mg/L，總?cè)コ蕿?4.94%.多級AO反應(yīng)器各隔室內(nèi)TN濃度分別為38.40、36.71、35.50、25.62、24.70、15.27和14.87 mg/L，去除率分別為43.96%、46.44%、48.19%、62.64%、63.95%、77.71%和78.30%，出水低于GB 18918-2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的TN限值，反應(yīng)器各隔室對TN均有一定去除效果.TN去除主要是在A0、A2、A3隔室中，由于碳源充足，加上回流等作用，因此通過反硝化菌的作用充分利用污水中的有機(jī)物質(zhì)，將硝態(tài)氮還原為N2，逸散在大氣中從而被去除.此外，微生物也會將含N有機(jī)物通過細(xì)胞合成作用轉(zhuǎn)化成為自身物質(zhì)［23］，使TN含量進(jìn)一步降低，因此在厭氧與好氧段TN含量也有略微下降.

由圖5可得，人工濕地各取樣點(diǎn)TN濃度分別為14.87、9.12、8.12、7.72、7.62、7.27、6.92、5.47、4.62、3.57和3.47 mg/L，對應(yīng)去除率分別為38.67%、45.39%、48.08%、48.76%、51.11%、53.46%、63.21%、68.93%、75.99%和76.66%，可見人工濕地系統(tǒng)在污水生化處理的基礎(chǔ)上，具有良好的TN去除效果，TN濃度在濕地表層快速下降，中間下降緩慢，在S5至S8后又快速下降，然后基本不變，分析可能是表層植物根系發(fā)達(dá)，且聚集著大量微生物，N元素在被截留后在植物與微生物的雙重作用下被去除［24］，在S5點(diǎn)以后水流進(jìn)入水平流人工濕地，由于填料、植物及微生物作用再度被去除.

圖5 組合工藝TN的去除效果Fig.5 Removal effect of TN by combined process

2.4 TP的去除效果

圖6為多級AO人工濕地組合工藝TP的去除效果圖，原水TP濃度為4.24 mg/L，組合工藝出水TP濃度為0.094 mg/L，總?cè)コ蕿?7.78%.多級AO反應(yīng)器各隔室內(nèi)TP濃度分別為14.05、10.35、3.41、2.91、2.18、1.79和1.21 mg/L，S0、S1出水TP濃度遠(yuǎn)高于原水濃度，去除率為負(fù)值，S2至出水各取樣點(diǎn)TP去除率分別為19.58%、31.37%、48.54%、57.78%和71.46%，多級AO反應(yīng)器內(nèi)TP去除主要在好氧反應(yīng)器O1內(nèi).聚磷菌在生物除磷過程中其主要作用，在經(jīng)過厭氧隔室A0內(nèi)充分釋磷后，TP濃度上升，達(dá)到14.05 mg/L，然后在缺氧反應(yīng)器A1內(nèi)TP濃度下降至10.35 mg/L，在好氧反應(yīng)器O1內(nèi)，有機(jī)物濃度為70.08 mg/L，有機(jī)物充分，聚磷菌過量吸磷，形成多聚磷酸鹽作為貯存物質(zhì)，同時在細(xì)胞分裂繁殖過程中利用大量磷合成核酸［25］，因此O1隔室內(nèi)TP濃度迅速下降，在后面各隔室中TP濃度均有所下降，但是下降緩慢.

由圖6可得，人工濕地各取樣點(diǎn)TP濃度分別為1.10、0.56、0.50、0.48、0.46、0.39、0.36、0.23、0.16、0.14和0.094 mg/L，對應(yīng)去除率分別為48.75%、54.35%、56.23%、58.10%、65.58%、67.45%、78.75%、85.48%、87.73%和91.47%，出水TP濃度低于GB 3838-2002的Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值（0.1 mg/L），可見人工濕地系統(tǒng)具有極好的TP去除效果，TP去除的整體變化同樣存在系統(tǒng)前段濃度下降快，中間與后段下降緩慢，在表層TP濃度迅速降低，說明該段距離內(nèi)廢磚塊的吸附作用，植物及微生物的轉(zhuǎn)化作用較強(qiáng)，在進(jìn)水初期，基質(zhì)有較充足的吸附和沉淀磷的容量［26］.

圖6 組合工藝TP的去除效果Fig.6 Removal effect of TP by combined process

3 結(jié)論

1）多級AO與人工濕地的組合工藝對生活污水具有較好的處理效果，出水CODcr、NH+4-N、TN、TP均達(dá)到了GB 18918-2002的一級A標(biāo)準(zhǔn)，其中CODcr可達(dá)到地表水Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，NH+4-N達(dá)到地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，TP達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn).

2）組合工藝在解決污水污染問題上有著較好的效果，以廢磚塊作為人工濕地的填料，在CODcr與TP的去除中有了更好地抗沖擊負(fù)荷的能力，提高了人工濕地的污染物去除效果，可以為污水廠提標(biāo)改造工程提供一定的技術(shù)支撐.

3）以廢磚塊作為人工濕地的填料處理生活污水具有很好的效果，特別是在N、P的去除上，這說明將建筑垃圾-廢磚塊作為人工濕地的填料，可以作為一種解決建筑垃圾的途徑，具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義和推廣價值.