王艷芹，付龍云，楊光，袁長波，姚利，羅加法

(1．山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟南 250100；2．山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點實驗室，山東 濟南 250100；3．新西蘭皇家農(nóng)業(yè)科學院，新西蘭 3240 )

粉煤灰分子篩強化砂生物濾池處理農(nóng)村生活污水效果研究

王艷芹1,2，付龍云1,2，楊光1，袁長波1，姚利1,2，羅加法3

(1．山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，山東 濟南 250100；2．山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點實驗室，山東 濟南 250100；3．新西蘭皇家農(nóng)業(yè)科學院，新西蘭 3240 )

農(nóng)村生活污水；砂生物濾池；粉煤灰分子篩；化學需氧量;氨氮;總氮;總磷

近年來，隨著農(nóng)村經(jīng)濟收入和生活水平的不斷提高，山東省農(nóng)村生活用水量和生活污水排放量急劇增加[1]。大量污水隨意排放，不僅污染了環(huán)境，還危害農(nóng)民的身體健康[2，3]，并造成了水資源的嚴重浪費。根據(jù)“山東省農(nóng)村環(huán)境保護現(xiàn)狀調(diào)查表”統(tǒng)計，山東省(不含青島市)農(nóng)村生活污水年產(chǎn)生量為12.2811×108t，年人均產(chǎn)生量為19.72 t，而處理率僅為16.62%。農(nóng)村生活污水與城市生活污水不同，具有如下特點：污水濃度偏高，基本上不含重金屬和有毒有害物質(zhì)[4]，含一定量氮磷[5]，污水排放量較城市少但水量變化系數(shù)較大。

多年來，很多學者針對農(nóng)村生活污水進行了大量研究，工藝也多種多樣。House等[6]利用人工濕地技術，使生活污水回用于農(nóng)田灌溉和景觀水體，取得了良好的效果。張文藝等[7]研究表明，人工植物浮島濕地一年四季對農(nóng)村生活污水均有較好的處理效果，出水指標可達《污水綜合排放標準(GB8978—1996)》一級B 排放要求。孫楠等[8]研究了凹凸棒土-穩(wěn)定塘模式處理嚴寒地區(qū)農(nóng)村生活污水，出水能滿足國家二級排放標準。吳迪等[9]研究表明，兩級回流連續(xù)曝氣生物膜工藝處理農(nóng)村生活污水效果較好。潘碌亭等[10]對接觸氧化-強化混凝工藝處理崇明農(nóng)村生活污水特性進行了研究，出水可達《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918—2002)》一級排放標準。

近幾年國家也加大了對農(nóng)村環(huán)境整治的力度，建設了村鎮(zhèn)污水處理設施，農(nóng)村環(huán)境有了很大的改善，就目前山東省農(nóng)村生活污水處理工藝而言，人工濕地、地埋式一體化及穩(wěn)定塘均有應用，技術相對較為成熟。但這3 種工藝都有其一定的適用性[11]。山東是水資源缺乏地區(qū)，水資源總量嚴重不足，全省多年平均淡水資源總量為303×108m3，僅占全國水資源總量的1.1%，人均占有水資源量僅334 m3(按2000年末統(tǒng)計人口數(shù))，不到全國人均占有量的1/6，位居全國各省(市、自治區(qū))倒數(shù)第三位。而目前已經(jīng)推廣的農(nóng)村生活污水處理技術對氨氮和磷的去除效果差，出水不能達到回用標準。

針對山東省農(nóng)村生活污水情況，山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所開發(fā)粉煤灰分子篩強化砂生物濾池生活污水處理工藝，并在國家科技部和山東省科技廳先后資助下，對該工藝技術進行熟化、創(chuàng)新，在山東省章丘市樂家村進行了應用，考察了其凈化處理效果，探討了在“美麗鄉(xiāng)村”建設過程中的推廣。

1 材料與方法

1.1試驗地點與工程

粉煤灰分子篩強化砂生物濾池生活污水處理工程(圖1)建于山東省章丘市普集鎮(zhèn)樂家村村旁，占地面積 300 m2，由集水池、沉淀池、調(diào)節(jié)池、粉煤灰分子篩強化砂濾池和植物凈化池組成。集水池、沉淀池和調(diào)節(jié)池內(nèi)部有效容積分別為 2.0、6.0、16.0 m3，且3個池體連通。調(diào)節(jié)池內(nèi)設置進水泵，用時間控制間歇進水。粉煤灰分子篩強化砂濾池面積 200 m2，填料厚度 80 cm。植物凈化池面積 75 m2。

圖1樂家村生活污水處理工程

為保證該工程在冬季能夠正常運行，集水池、沉淀池、調(diào)節(jié)池和植物凈化池上方設置陽光板溫棚保溫，沉淀池上面鋪設了40 cm厚土層，土層上面種植草坪，池體四周加設10 cm厚苯板保溫。濾層有效砂粒徑為0.30～1.50 mm，不均勻系數(shù)小于4.0，粉煤灰分子篩是以粉煤灰為原料，采用改進的水熱合成法研制的具有高氨氮吸附性能的新型分子篩，粉煤灰分子篩與黃砂濾料的投加質(zhì)量配比為1∶50。工程布水層和底層都鋪有10 cm厚、直徑為2～3 cm 的卵石。布水管介于上層卵石之間，采用DN32的PVC 管，底部每隔60 cm 打有φ10 mm 的孔以便布水均勻。植物凈化池種植蘆葦，一側(cè)上部進水，出水從另一側(cè)底部排出，蘆葦購自苗圃市場。

1.2進水水質(zhì)

進水為樂家村生活污水，樂家村現(xiàn)有120戶，400人，人均水資源量為424 m3，人均日用水量為40～50 L，村民產(chǎn)生的生活污水通過管道收集，污水產(chǎn)生量為16～20 t/d。工程進水水力負荷為0.08 m3/(m2·d)。進水組成和水質(zhì)指標見表1和表2。

表1 試驗期間進水組成

表2 試驗期間進水水質(zhì)指標

1.3測定項目及方法

工程運行期間，每20 d取一次水樣，每次取300 mL。水質(zhì)于山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)部黃淮海平原農(nóng)業(yè)重點實驗室測定，每個測定指標重復3次。試驗期間環(huán)境溫度和進出水溫度為測定所得。試驗運行時間為2015年3月20日—2016年2月20日。

2 結(jié)果與分析

2.1有機物的去除效果

試驗期間，生活污水處理工程運行穩(wěn)定，進水、沉淀池出水、濾池出水和植物池出水的化學需氧量(COD)體積質(zhì)量隨時間變化如圖2a所示。從圖中可以看出，工程進水COD值波動較大，夏季因用水量大COD值偏低，其他季節(jié)較高。在工程運行一年期間，進水COD平均濃度為390.18 mg/L，濾池出水COD能達到50 mg/L以下，最終植物凈化池出水平均值為15.29 mg/L，出水COD能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。從圖3各構筑物去除效果來看，整個示范工程對COD的總?cè)コ蕿?6.08%，沉淀池、濾池和植物凈化池對COD的平均去除率分別為23.24%、87.91%和57.77%。

在該示范工程中，生活污水經(jīng)沉淀池后，污水中一些洗菜或洗衣服帶來的泥砂及一些大的懸浮物就會被去除，在降解部分有機物的同時，避免了對后續(xù)粉煤灰分子篩強化砂生物濾池的堵塞。粉煤灰分子篩強化砂生物濾池對生活污水中有機物的高效去除主要是依靠砂粒的物理截留作用和砂粒表面形成的生物膜的接觸絮凝、生物氧化作用[12]，還依靠植物凈化池中植物根系對污染物的攔截吸附作用[13]。

2.2氨氮的去除效果

2.3總氮和總磷的去除效果

如圖2c、2d和圖3所示，工程運行期間，廢水進水總氮(TN)和總磷(TP)的平均值分別為35.23 mg/L和3.04 mg/L。經(jīng)系統(tǒng)各構筑物處理后，最終出水平均值分別為5.74 mg/L和0.34 mg/L，出水都能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準，工程總?cè)コ史謩e為83.71%和88.82%。從各構筑物處理效果來看，沉淀池出水總氮(TN)和總磷(TP)的平均值分別為31.32 mg/L和2.57 mg/L，去除率分別為11.10%和15.46%。濾池出水總氮(TN)和總磷(TP)的平均值分別為6.58 mg/L和0.40 mg/L，去除率分別為78.99%和84.44%。植物凈化池出水為最終出水，對總氮(TN)和總磷(TP)的去除率分別為12.77%和15.00%。

圖2試驗期間工程進出水各污染物濃度變化

圖3 試驗期間工程各污染物去除率

有研究表明，總氮(TN)的去除主要依靠微生物的硝化反硝化作用[17]，氮的最終去除主要是依靠微生物的反硝化作用使其轉(zhuǎn)化為氣體逸出系統(tǒng)[18]。本工程砂層上面土層厚度40 cm，土層上種植三葉草，砂粒間可形成好氧、兼氧微環(huán)境，提高對總氮的去除效果。另外，還依靠粉煤灰分子篩的吸附作用及蘆葦?shù)奈兆饔茫俏⑸?、填料和植物共同作用的結(jié)果。生活污水中的磷主要來自于洗滌劑和食物殘余等，主要以溶解態(tài)和顆粒態(tài)存在。粉煤灰分子篩強化砂生物濾池對磷的去除主要包括基質(zhì)的高效吸附、絡合和沉淀作用[19，20]以及后續(xù)植物的吸收作用。

2.4環(huán)境溫度對工程效果的影響

該工程冬季比非冬季對污染物去除效果稍有降低，分析是因為集水池等采用陽光板保溫，濾池也采取了覆土和四周保溫的措施，出水經(jīng)過植物凈化池，而植物凈化池也采用了陽光板保溫，這些保溫措施能使進出水保持較高溫度。2016年1月23日是試驗期間最冷的一天，也是章丘市近幾年同期氣溫最低的一天，最高氣溫-10℃，最低氣溫-18℃，在這種惡劣天氣下，工程仍能正常運行，進出水溫度達到10℃以上，可見工程具有很好的抗凍性能，在冬季也能正常運轉(zhuǎn)。

圖4 冬季工程進出水溫度變化

圖5 冬季和非冬季污染物去除效果

2.5工程經(jīng)濟指標分析

樂家村生活污水工程建設總費用10.6萬元，每天處理水量16～20 t，按照20 t設計，則工程建設成本5 300元/噸水。

工程運行成本：水泵耗電1.8 kWh/d，電費按0.56元/kWh計算，每天電費1.0元；人工為兼職，每月補助100元，每天3.33元；分子篩每2年添加一次，花費1 200元，每天1.64元，則污水處理工程每天運行費用1.0+3.33+1.64=5.97元，每天運行成本5.97元/20噸=0.30元/噸水。

3 討論

(1)粉煤灰分子篩強化砂生物濾池農(nóng)村生活污水示范工程在運行過程中需嚴格控制進水負荷為0.08 m3/(m2·d)，在此負荷下運行，砂生物濾池不會堵塞，也不用反沖洗系統(tǒng)。若負荷過大會導致砂生物濾池堵塞，污水外溢，若負荷過小可能會導致污水處理效果差。

(2)該試驗點在山東，冬季氣溫較低，最低為-10℃以下，若不采取保溫措施，冬季池體將會被凍壞?？紤]到農(nóng)村污水處理的實際情況，為保證該工程冬季正常運行，采用了設置陽光板溫棚保溫，砂濾池上面鋪設40 cm厚土層，池體四周加設10 cm厚苯板保溫等保溫措施。

(3)當前中國農(nóng)村富裕程度還不夠，生活污水處理工程的運行費用決定了工程的使用率，若運行費用太高，農(nóng)民無法承擔。該示范工程在運行過程中，僅需進水泵的運行電費及人工管理費，運行費用較低，適于在廣大農(nóng)村推廣使用。

4 結(jié)論

(1)粉煤灰分子篩強化砂生物濾池農(nóng)村生活污水處理工程建設及運行成本低，每天處理廢水僅為0.30元/噸水，維護使用方便，適于在農(nóng)村推廣使用。

(3)該工程采用了覆土、苯板及陽光板多種保溫措施，冬季進出水溫度在10℃以上，保證了工程的正常穩(wěn)定運行。

[1] 王青穎. 中國農(nóng)村生活污水處理技術應用現(xiàn)狀及研究方向[J]. 污染防治技術，2007，20(5)：37-38.

[2] 劉曉璐，牛宏斌，閆海，等. 農(nóng)村生活污水生態(tài)處理工藝研究與應用[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013,29(9)：184-191.

[3] 張悅，段華平，孫愛伶，等. 江蘇省農(nóng)村生活污水處理技術模式及其氮磷處理效果研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2013，32(1):172-178.

[4] 馬琳，賀鋒. 我國農(nóng)村生活污水組合處理技術研究進展[J].水處理技術，2014,40(10):1-5.

[5] Xu D, Xu J, Wu J, et al. Studies on the phosphorus sorption capacity of substrates used in constructed wetland systems[J]. Chemosphere, 2006, 63(2): 344-352.

[6] House C H, Bergmann B A, Stomp A M. Combining constructed wetlands and aquatic and soil filters for reclamation and reuse of water[J]. Ecological Engineering,1999,12(1/2):27-38.

[7] 張文藝，姚立榮，王立巖，等. 植物浮島濕地處理太湖流域農(nóng)村生活污水效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010,26(8):279-284.

[8] 孫楠，田偉偉，李晨洋，等. 凹凸棒土-穩(wěn)定塘工藝提高嚴寒地區(qū)農(nóng)村生活污水處理效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014,30(24):209-215.

[9] 吳迪，高賢彪，李玉華，等. 兩級回流生物膜工藝處理農(nóng)村生活污水效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011,27(9):218-224.

[10] 潘碌亭，王文蕾，余波. 接觸氧化-強化混凝工藝處理崇明農(nóng)村生活污水特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2011,27(9):242-247.

[11] 李先寧，呂錫武，孔海南. 農(nóng)村生活污水處理技術與示范工程研究[J]. 中國水利，2006(17)：19-21.

[12] 張增勝，徐功娣，陳季華，等．生物凈化槽/強化生態(tài)浮床工藝處理農(nóng)村生活污水[J]．中國給水排水，2009，25(9)：8-11.

[13] 朱文玲，崔理華，朱夕珍，等．混合基質(zhì)垂直流人工濕地凈化廢水效果[J]．農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25(S1)：44-48．

[14] Xi B D, Guan W X, Zhao Y, et al. Characterization and pretreatment of Chinese coal fly ashes for utilization tilization in zeolite synthesis[J]. Fresenius Environmental Bulletin,2013,22(10):2997-3005.

[15] Niu Y C, Zhao Y, Xi B D. Removal of ammonium from aqueous solutions using synthetic zeolite obtained from coal fly-ash[J]. Fresenius Environmental Bulletin,2012,21(7):1732-1739.

[16] 方平，陸少鳴，劉姣，等．生物砂濾池對有機物和氨氮的去除[J]．環(huán)境科學與技術，2006，29(12)：73-80．

[17] Sun G, Zhao Y, Allen S. Enhanced removal of organic matter and ammoniacal-nitrogen in a column experiment of tidal flow constructed wetland system[J]. Journal of Biotechnology, 2005,115(2):189-197.

[18] 朱文玲，鄭離妮，崔理華，等．不同碳氮比條件下4 種可控因素對垂直流人工濕地總氮去除的影響[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2010,29(6):1187-1192.

[19] Reddy K R, Kadlec R H, Flaig E, et al. Phosphorus retention in streams and wetlands: a review[J]. Critical Review in Environmental Science Technology, 1999, 29(1): 83-146.

[20] Drizo A, Reddy K R, Moore P A. Solubility of inorganic P in stream water as influenced by pH and Ca concentration[J].Water Research, 1994, 28(8): 1755-1763.

ResearchonTreatmentEffectsofRuralDomesticWastewaterwithFlyAshZeoliticEnhancedSandBiofilter

Wang Yanqin1,2，F(xiàn)u Longyun1，Yang Guang1，Yuan Changbo1，Yao Li1,2，Luo Jiafa3

(1.InstituteofAgriculturalResourceandEnvironment，ShandongAcademyofAgriculturalSciences，Jinan250100,China；2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofAgriculturalNon-PointSourcePollutionControlandPrevention，Jinan250100,China；3.NewZealandRoyalAcademyofAgriculturalSciences,NewZealand3240)

Rural domestic wastewater；Sand biofilter；Fly ash zeolitic；Chemical oxygen demand; Ammonia nitrogen; Total nitrogen; Total phosphorus

X505

A

1001-4942(2017)10-0070-06

10.14083/j.issn.1001-4942.2017.10.015

2017-05-10

山東省農(nóng)業(yè)重大應用技術創(chuàng)新項目“山東省集約蔬菜區(qū)有機廢棄物沼氣利用技術研究與示范”；山東省科技發(fā)展計劃項目(2014GSF117012)；山東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程(CXGC2016B13)；“海外泰山學者”建設工程專項

王艷芹(1978—)，女，碩士，副研究員，主要從事村鎮(zhèn)環(huán)境整治技術研究。E-mail：wangyanqin2003@126.com

付龍云(1983—)，男，博士，助理研究員，主要從事微生物方面的技術研究。E-mail：fulongyun2013@163.com