生物接觸氧化-蔬菜型人工濕地處理農(nóng)村生活污水

很多農(nóng)村地區(qū)管道鋪設(shè)成本高、雨污分離難，加上農(nóng)村生活污水來(lái)源多且分散、水質(zhì)水量波動(dòng)等，加大了農(nóng)村地區(qū)生活污水的處理難度。而大量農(nóng)村生活污水的隨意排放已對(duì)農(nóng)村水環(huán)境、飲用水安全等造成了巨大的威脅。因此，積極推動(dòng)我國(guó)農(nóng)村生活污水處理迫在眉睫。鑒于農(nóng)村特別是偏遠(yuǎn)農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)，采用一次性投資低、能耗低、運(yùn)行穩(wěn)定的組合處理技術(shù)對(duì)生活污水進(jìn)行分散式處理是較為經(jīng)濟(jì)合理的。分散式處理可以不依賴(lài)污水管網(wǎng)收集和運(yùn)輸，工藝靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注與研究。此外，研發(fā)一套能耗低、污染物去除效能高、管理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)資源再利用，出水水質(zhì)能穩(wěn)定達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的單戶(hù)農(nóng)村生活污水一體化處理裝置十分必要。

本研究依托四川某偏遠(yuǎn)農(nóng)村居民生活污水展開(kāi)。

1、實(shí)驗(yàn)部分

1.1 廢水水質(zhì)水量

據(jù)調(diào)查，研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)村居民點(diǎn)分布比較稀疏，管道鋪設(shè)困難、成本高，雨污分離難，污水集中處理困難。村民主要使用旱廁、糞坑收集糞污，暫存后用于農(nóng)肥和澆灌；其他廢水（洗漱、洗菜和刷鍋水等）順地勢(shì)流入房前屋后的農(nóng)灌溝、農(nóng)田和堰塘等。

當(dāng)?shù)厣钗鬯|(zhì)波動(dòng)較大，廢水有機(jī)物含量較低、含氮量較高，pH為6.8～8.0，COD為61.48～377.1mg/L，NH4+-N、TN、TP的質(zhì)量濃度分別為8.07～50.79、22.83～52.75、4.13～5.85mg/L。

1.2 裝置設(shè)計(jì)

在總結(jié)農(nóng)村生活污水一體化處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)水平和實(shí)際情況，選擇一種以生物接觸氧化和水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)為主體的一體化裝置，如圖1所示。

化糞池污水經(jīng)過(guò)格柵后進(jìn)入處理裝置，設(shè)計(jì)處理水量為200～500L/d。裝置體積小、質(zhì)量輕，可根據(jù)地勢(shì)置于廁所旁的地下等處，既方便又美觀。生物生化與濕地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)合大大減小了濕地堵塞的可能?？梢愿鶕?jù)季節(jié)在濕地栽種不同的水生蔬菜，提高了居民的積極性，非常適合農(nóng)村地區(qū)單戶(hù)居民或者分散式居民生活污水的處理。研究表明，許多水生蔬菜對(duì)污水都有著一定的凈化作用，例如空心菜對(duì)污水中的氮磷等都有很好的去除作用。樊均德等發(fā)現(xiàn)在9～12℃的低溫下培養(yǎng)6d時(shí)水芹對(duì)污水中的NH4+-N和正磷酸鹽的去除率分別可達(dá)59.34%和44.42%，表明低溫下水芹對(duì)生活污水中NH4+-N和正磷酸鹽均有較好的去除效果。

生物接觸氧化系統(tǒng)：采用2級(jí)生化處理方式，選擇的填料是彈性組合式填料（直徑150mm），填料填充率約為65%。生物接觸氧化系統(tǒng)微生物掛膜所用的活性污泥來(lái)自四川省成都市某市政污水處理廠的曝氣池，污泥接種質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為16%。

水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)：采用火山石作為系統(tǒng)基質(zhì)，構(gòu)建垂直潛流型人工濕地。自下至上火山石粒徑從大到小（粒徑分別為16～32、8～16、5～8mm）。火山石硬度大，具有多孔、比表面積大的特點(diǎn)，富含CaO、Fe2O3、Al2O3和SiO2等。國(guó)外有學(xué)者認(rèn)為，富含鈣、鐵及鋁的基質(zhì)凈化污水中磷的能力較強(qiáng)。此外，火山石表面帶有正電荷，有利于微生物固著生長(zhǎng)。火山石基質(zhì)上層覆土8cm左右，可根據(jù)季節(jié)變化，栽種不同的水生蔬菜。實(shí)驗(yàn)中種植空心菜。研究表明，空心菜在凈化農(nóng)村生活污水等污染水體方面都有著較好的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，在傳統(tǒng)濕地的基礎(chǔ)上增加了曝氣系統(tǒng)，通過(guò)控制曝氣形成富氧區(qū)和缺氧區(qū)。

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)：主要滿(mǎn)足污水進(jìn)水和曝氣泵的用電需求。設(shè)計(jì)采用單晶硅太陽(yáng)能電池板，在太陽(yáng)能源不足時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到電網(wǎng)輔助供電，保障系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

裝置啟動(dòng)初期，進(jìn)水波動(dòng)較大，微生物未完全適應(yīng)，一體化污水處理裝置處理效果波動(dòng)較大。經(jīng)過(guò)10d的啟動(dòng)，隨著微生物的適應(yīng)以及接觸氧化池生物膜的逐漸形成，COD、NH4+-N等的處理效果逐漸提高并趨于穩(wěn)定，出水水質(zhì)基本穩(wěn)定。

1.3 分析方法

2017年9－12月期間，對(duì)裝置進(jìn)水、生物接觸氧化池出水、人工濕地出水各設(shè)置1個(gè)取樣點(diǎn)進(jìn)行取樣，檢測(cè)項(xiàng)目包括COD和NH4+-N、TN、TP含量，分別采用重鉻酸鉀法（GB11914－89）、納氏試劑分光光度法（HJ535－2009）、堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（HJ636－2012）和鉬酸銨分光光度法（GB11893－89）測(cè)定。

2、結(jié)果與討論

2.1 COD的去除效果

處理裝置正式運(yùn)行期間對(duì)污水COD的去除效果如圖2所示。

由圖2可知，裝置運(yùn)行期間進(jìn)水COD波動(dòng)較大（61.48～377.1mg/L），出水COD為5.02～49.98mg/L，均能達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。這表明該裝置抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)，并且在冬季也能穩(wěn)定高效地去除COD。裝置對(duì)污水COD的總?cè)コ蕿?/span>69.23～96.53%，接觸氧化系統(tǒng)主要通過(guò)生物膜上微生物的吸附、氧化分解等作用去除COD，去除率可達(dá)86.8%。水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)利用系統(tǒng)中基質(zhì)的過(guò)濾、吸附、沉淀，植物的吸收，微生物的氧化分解等作用進(jìn)一步去除污水中的COD，去除率達(dá)3.00%～34.38%。

吳小鳳等研究了不同填料垂直流人工濕地系統(tǒng)的凈化能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)火山石系統(tǒng)對(duì)COD的去除效率為22%。本研究中污水COD主要是依靠生物接觸氧化系統(tǒng)得以去除，這大大減少濕地系統(tǒng)堵塞的可能。雖然水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)對(duì)生活污水中的COD去除的貢獻(xiàn)不大，但經(jīng)過(guò)水生生態(tài)系統(tǒng)的進(jìn)一步處理，污水得到了進(jìn)一步的凈化，出水濁度降低。

2.2 NH4+-N的去除效果

處理裝置正式運(yùn)行期間對(duì)NH4+-N的去除效果如圖3所示。

由圖3可知，裝置運(yùn)行期間進(jìn)水NH4+-N含量波動(dòng)較大（質(zhì)量濃度8.07～50.79mg/L），出水NH4+-N的質(zhì)量濃度為0.59～1.93mg/L，均能穩(wěn)定達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。這表明該裝置對(duì)生活污水中NH4+-N去除效果較好，并且在溫度較低的冬季也能穩(wěn)定高效去除NH4+-N。系統(tǒng)對(duì)污水NH4+-N的總?cè)コ史€(wěn)定在95.9%以上，最高達(dá)97.26%。

接觸氧化池中的微生物去除污水中的NH4+-N，主要是依靠生物膜上硝化細(xì)菌的硝化作用，首先氨氧化菌（AOB）將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N，緊接著亞硝酸鹽氧化菌（NOB）將NO2--N轉(zhuǎn)化為NO3--N。水生蔬菜型濕地主要通過(guò)基質(zhì)吸附，植物的吸收，微生物的氧化分解等作用進(jìn)一步去除污水中NH4+-N，水生蔬菜根系有利于硝化菌等微生物的附著生長(zhǎng)、繁殖和提高系統(tǒng)的凈化效果。人工濕地基質(zhì)火山石對(duì)NH4+-N有著一定的吸附作用，人工曝氣也提高了濕地系統(tǒng)的凈化能力，OUELLET等研究發(fā)現(xiàn)，人工曝氣能夠改善夏季和冬季無(wú)植物人工濕地TKN的凈化用。

為使系統(tǒng)能夠有效去除污水中的TN，在11月底12月初對(duì)系統(tǒng)的曝氣量、曝氣時(shí)間等工藝參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。在調(diào)整工藝參數(shù)的情況下，生物接觸氧化池NH4+-N去除效率有所下降，但是污水通過(guò)人工濕地后，出水NH4+-N含量較低，能夠穩(wěn)定達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。這表明水生蔬菜型人工濕地對(duì)污水NH4+-N也有著穩(wěn)定的去除作用。

2.3 TN的去除效果

經(jīng)過(guò)調(diào)整曝氣量、曝氣時(shí)間等工藝參數(shù)，裝置在寒冷的12月份對(duì)TN去除效果較好，如圖4所示。

由圖4可知，該裝置對(duì)生活污水中TN去除效果較好，出水TN的質(zhì)量濃度可低于5mg/L，能穩(wěn)定達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，去除率達(dá)93.07%。水生生態(tài)系統(tǒng)中的TN一部分是濕地基質(zhì)吸附了污水中的部分NH4+-N等，使得系統(tǒng)中TN有所降低。系統(tǒng)中大部分TN的去除還需要依靠反硝化菌，反硝化細(xì)菌在缺氧的條件下進(jìn)行反硝化作用將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)?。生物接觸氧化系統(tǒng)隨著生物膜厚度不斷增加，當(dāng)增加到一定程度時(shí)，在氧氣不能透過(guò)的內(nèi)側(cè)就形成了厭氧層，反硝化細(xì)菌在這里可以進(jìn)行反硝化作用。人工濕地基質(zhì)中設(shè)有曝氣豎管，形成富氧區(qū)和缺氧區(qū)，一方面進(jìn)一步去除COD和NH4+-N，另一方面有利于反硝化作用的進(jìn)行，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)脫氮的目的。基質(zhì)上層覆土并根據(jù)季節(jié)種植水生蔬菜，通過(guò)植物根系吸收等作用同樣有著去除TN的作用。蔬菜型人工濕地系統(tǒng)對(duì)TN的平均去除率占總?cè)コ实?/span>66.57%。

2.4 TP的去除效果

該裝置對(duì)TP的去除效果不理想，去除率僅為20%～35%，出水TP的質(zhì)量濃度1.58～2.34mg/L，難以達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

人工濕地系統(tǒng)中基質(zhì)吸附了污水中的部分TP等，使得系統(tǒng)中TP含量有所降低。張修穩(wěn)等研究了火山石、活性炭、生物陶粒和無(wú)煙煤等10種人工濕地填料對(duì)磷的吸附特性，結(jié)果表明，火山石的堆積密度較小分別為0.74g/cm3，孔隙度最大為77%，是濕地填料較好的選擇之一。國(guó)內(nèi)外研究表明，除磷能力不足也是人工濕地的普遍缺點(diǎn)之一。磷在濕地中的去除主要依靠基質(zhì)的吸附及沉淀，而基質(zhì)的吸附能力與基質(zhì)種類(lèi)有關(guān)，可采用吸附能力更強(qiáng)的基質(zhì)或者組合基質(zhì)，張翔凌等將沸石進(jìn)行了改性并應(yīng)用于人工濕地中，強(qiáng)化了其除磷能力，TP的去除率超過(guò)90%；聶鳳采用改性火山石-PAC復(fù)合絮凝劑處理城鎮(zhèn)生活污水，TP的去除率可達(dá)到82.25%。此外，可通過(guò)在出水口設(shè)置化學(xué)除磷等進(jìn)一步去除污水中TP。

3、結(jié)論

該一體化污水處理裝置處理農(nóng)村生活污水效果顯著，系統(tǒng)對(duì)生活污水中的COD、NH4+-N等都有很好的去除作用，正式運(yùn)行后COD、NH4+-N和TN的最高去除效率分別可達(dá)96.53%、97.26%和93.07%，出水均能達(dá)到GB18918－2002的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

該裝置的污水處理規(guī)模量為200～500L/d，非常適合農(nóng)村地區(qū)單戶(hù)居民或者分散式居民生活污水的處理。該裝置曝氣、進(jìn)水等均利用太陽(yáng)能輔助曝氣，節(jié)約能耗。水生蔬菜型濕地凈化系統(tǒng)根據(jù)季節(jié)變化栽種的空心菜等水生蔬菜可以食用，能夠提高農(nóng)戶(hù)維護(hù)的積極性，管理方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。（來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所，中國(guó)科學(xué)院環(huán)境與應(yīng)用微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）