王睿，張亮，譚映宇，邵衛(wèi)偉，李亞，馮鵬飛，郭鵬，黃煒剛

(1.浙江省生態(tài)環(huán)境科學(xué)設(shè)計研究院，杭州 310007；2.浙江環(huán)科環(huán)境研究院有限公司，杭州 310007；3.浙江省生態(tài)環(huán)境低碳發(fā)展中心，杭州 310007)

1 研究背景

針對農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的研究，國外相對起步較早。其中常用的有“FILTER”(非爾脫)污水處理技術(shù)、土壤滲濾技術(shù)、人工濕地技術(shù)、生物膜技術(shù)、穩(wěn)定塘技術(shù)和凈化槽技術(shù)等?！癋ILTER”污水處理技術(shù)的關(guān)鍵點在于利用污水進行農(nóng)業(yè)灌溉，使污染物質(zhì)成為農(nóng)作物的營養(yǎng)物質(zhì)。土壤滲濾技術(shù)是通過具有特殊表面構(gòu)造的土壤毛管系統(tǒng)滲濾池來凈化污水。人工濕地技術(shù)是通過填料、植物和微生物三者的協(xié)同作用逐級過濾和吸收污水中的污染物。生物膜技術(shù)是通過附著在填料載體表面的微生物不斷富集形成生物膜吸附和降解污水中的污染物。穩(wěn)定塘技術(shù)是基于菌藻共生的協(xié)同作用來去除污水中的污染物和病原體。凈化槽是一種組合了物理、化學(xué)和生物等全工藝流程的一體化集成污水處理技術(shù)，小則5 人型大則2000 人型的多變處理規(guī)模使其廣泛適用于分散式生活污水處理。

我國農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的研究是從20 世紀80 年代逐步開始的，許多形式各異的無動力或微動力一體化污水處理裝置得到了一定程度的應(yīng)用，但其處理效果和長久耐用性不夠理想。近年來，隨著國家經(jīng)濟實力的增強，農(nóng)村生活污水的治理越來越受到重視。一些經(jīng)濟相對發(fā)達的省份，已開始采用一些實用、合理、能耗低、運行費用少的技術(shù)來處理生活污水，主要有厭氧沼氣池、穩(wěn)定塘、人工濕地、土壤滲濾和凈化槽等。浙江省農(nóng)村眾多，具有規(guī)模小、集聚散、地形雜等特點，農(nóng)村生活污水也具有分布廣、來源多、污水量增長快等特征?？紤]浙江省農(nóng)村的分布狀況、經(jīng)濟水平、技術(shù)力量等實際因素，因地制宜研究適用的農(nóng)村生活污水處理技術(shù)，對于解決目前農(nóng)村生活污水污染問題顯得十分緊迫。

2 研究試驗及方法

2.1 工藝流程及原水水質(zhì)

本研究運用“自充氧層疊生物濾床”作為核心技術(shù)，來處理浙西平原地區(qū)苕溪流域中游集中收集的農(nóng)村生活污水，本工程設(shè)計處理水量為20t/d，進水原水水質(zhì)如表1 所示。

表1 農(nóng)村生活污水原水水質(zhì) 單位:mg/L

所選用的污水處理終端包括前端過濾格柵井、用于厭氧處理的集水調(diào)節(jié)池、上下分層的自充氧層疊生物濾床和潛流人工濕地的耦合系統(tǒng)。生活污水首先流經(jīng)格柵井，一些大型固體垃圾被阻截過濾，而后進入集水調(diào)節(jié)池進行厭氧處理，主要目的是將大顆粒有機物進行分解及厭氧釋磷，提高污水的可生化性，為后續(xù)處理創(chuàng)造良好的先決條件。經(jīng)集水調(diào)節(jié)池處理后出水進入自充氧層疊生物濾床，進行有機物去除及脫氮除磷，最終滿足標準排入周邊環(huán)境。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 自充氧層疊生物濾床—潛流人工濕地耦合工藝流程圖

2.2 技術(shù)參數(shù)及優(yōu)化設(shè)計

生物濾床技術(shù)原理類似于人工濕地技術(shù)，但是傳統(tǒng)生物濾床存在所能承受的污染及水力負荷相對較低、對于水量水質(zhì)波動較大的污水抗沖擊性較弱、占地面積較大等諸多缺陷。本研究針對以上問題，對生物濾床的結(jié)構(gòu)進行了全面優(yōu)化，提出了以“層疊生物濾床”為核心處理工藝的農(nóng)村生活污水處理集成技術(shù)，采用多層層疊結(jié)構(gòu)(本研究為兩層)，不僅增大了該技術(shù)所能承受的污染和水力負荷，而且增加了污水的流經(jīng)路徑以延長水力停留時間，減少了系統(tǒng)的占地面積。其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 自充氧層疊生物濾床工藝優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

圖2 中進水為前端集水調(diào)節(jié)池來水，通過提升泵進入自充氧層疊生物濾床上層填料層表面的均勻布水系統(tǒng)，通過垂直流均勻布水，在濾床上層底部通過管網(wǎng)統(tǒng)一匯集后從左端進入濾床下層，并以水平潛流的方式均勻地流經(jīng)下層填料層至其右端出水口。出水管道位于濾床下層右端填料層以下近表面處，層疊結(jié)構(gòu)將水平潛流和垂直潛流相融合，濾床內(nèi)均裝填有水處理填料基質(zhì)，上下層填料層表面均種植水生植物。

本研究設(shè)計了獨特的自充氧通風管網(wǎng)系統(tǒng)。位于濾床上層的通風管網(wǎng)由水平進風管網(wǎng)和垂直拔風管網(wǎng)構(gòu)成，每根橫向進風管均水平設(shè)置于上層濾床底部，其末端伸出床體并與外部空氣連通，且在濾床內(nèi)部彼此聯(lián)通形成管網(wǎng)系統(tǒng)。每根豎向拔風管均相隔一定距離垂直設(shè)置于濾床填料層中，其下部底端與對應(yīng)位置的橫向進風管相連通，上部頂端高出濾床填料層表面與外部空氣連通，且拔風管壁上均采用多孔微孔型設(shè)計。該通風系統(tǒng)基于隧道型空氣擴散裝置原理設(shè)計，配合濾床的特殊層疊結(jié)構(gòu)，使濾床內(nèi)外的空氣形成一定的溫度和密度差，從而在豎向拔風管內(nèi)形成一定的負壓，空氣由橫向進風管進入后，經(jīng)豎向拔風管流出。豎向拔風管壁上的多孔微孔型特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，一方面可以與填料間隙內(nèi)的空氣形成無阻式的對流交換，另一方面避免填料進入通風系統(tǒng)造成堵塞。濾床上層形成好氧微環(huán)境，下層則形成兼氧微環(huán)境，整體促進濾床的硝化和反硝化作用，增強對氮的去除。

自充氧層疊生物濾床在結(jié)構(gòu)確定的情況下，其主要通過濾床填料和水生植物兩部分基質(zhì)來凈化污水。目前諸多對于生物濾床的研究結(jié)果表明，多種本地屬植物搭配混種對污染物的去除效果要優(yōu)于每種植物單種，且生物量越大其對污水中氮、磷等污染物的去除率也越高。本研究設(shè)計在相同進水和通風條件下，將原有的自充氧層疊生物濾床沿水流方向用隔墻從中間平均分為兩套平行系統(tǒng)，左右兩側(cè)床體均填充經(jīng)煅燒處理后的石灰石填料，上層和下層均根據(jù)不同粒徑從上至下平均分為3 層鋪設(shè)，粒徑從上至下依次增大，分別為3mm～5mm、10mm～12mm 和18mm～20mm。對于填料表層水生植物的選擇則采取了兩種不同的植物配置，其中左側(cè)系統(tǒng)a 種植美人蕉、菖蒲和黑麥草，右側(cè)系統(tǒng)b 種植花葉蘆竹、千屈菜和梭魚草，兩側(cè)系統(tǒng)植物盡量合理密植且種植密度相當。工程現(xiàn)場處理設(shè)施實體如圖3 所示。

圖3 自充氧層疊生物濾床現(xiàn)場工程實體圖

工程處理設(shè)施結(jié)構(gòu)、工程設(shè)計參數(shù)及設(shè)備材料配置如表2 所示。

表2 工程處理設(shè)施一覽表

2.3 監(jiān)測項目及分析方法

通入農(nóng)村生活污水并穩(wěn)定運行30 天后，開始對工程中兩套平行系統(tǒng)進出水的CODCr、NH+4-N、TP 和TN 四項主要水質(zhì)指標濃度進行長期監(jiān)測，監(jiān)測時期為夏季6 月至9 月，平均氣溫為29.89℃，水樣采集檢測頻率為每2 周3 次。檢測方法如表3 所示。

表3 檢測水質(zhì)指標及其檢測方法

水質(zhì)指標檢測中應(yīng)用到的主要儀器如表4所示。

表4 主要檢測儀器

水質(zhì)指標檢測中應(yīng)用到的主要試劑如表5所示。

表5 主要檢測試劑

續(xù)表

3 試驗結(jié)果及討論

自充氧層疊生物濾床現(xiàn)場工程穩(wěn)定運行后，對工程中兩套平行系統(tǒng)進出水的CODCr、-N、TP 和TN 開展持續(xù)監(jiān)測，取穩(wěn)定運行后前100 天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，并對每項水質(zhì)指標的濃度及其去除率進行分析，其結(jié)果如下。

3.1 CODCr處理效果分析

自充氧層疊生物濾床系統(tǒng)進出水CODCr的濃度及其去除率隨時間的變化如圖4 所示。

圖4 自充氧層疊生物濾床對CODCr的去除效果

由圖4 可見，自充氧層疊生物濾床在工程監(jiān)測期間運行總體穩(wěn)定。CODCr進水濃度基本在12mg/L～224mg/L 之間波動，進水水質(zhì)波動性較大，而出水CODCr濃度除了第36 天系統(tǒng)b 出水為65mg/L 外，其余均維持在50mg/L 以下，系統(tǒng)a出水平均為17.22mg/L，系統(tǒng)b 出水平均為18.52mg/L，均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A 標準。整個運行階段系統(tǒng)a 的CODCr去除率為13.33%～94.87%，平均值為69.2%；系統(tǒng)b 的CODCr去除率為15.58%～96.43%，平均值為68.25%。隨著時間的變化，在第64 天之后，系統(tǒng)整體對CODCr的去除效果和穩(wěn)定性不斷增強且保持較好態(tài)勢，說明填料基質(zhì)中微生物掛膜已趨于穩(wěn)定。兩套平行系統(tǒng)對CODCr的總體去除效果和穩(wěn)定性相差不大，而前期進水濃度較高則是造成前期處理效果波動較大的原因之一。

圖5 自充氧層疊生物濾床對-N 的去除效果

由圖5 可見，自充氧層疊生物濾床在工程監(jiān)測期間運行總體穩(wěn)定。-N 進水濃度基本在2.68mg/L～23.9mg/L 之間波動，進水水質(zhì)波動性較大，而出水-N 濃度除了第67 天系統(tǒng)b 出水為11.1mg/L 外，其余均維持在5mg/L 以下，系統(tǒng)a 出水平均為0.61mg/L，系統(tǒng)b 出水平均為0.93mgLl，均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A 標準。整個運行階段系統(tǒng)a 的-N 去除率為57.69%～99.66%，平均值為94.42%；系統(tǒng)b 的-N 去除率為10.95%～99.64%，平均值為91.25%。當系統(tǒng)運行到第15 天時，其對-N 的去除效果就達到一個較高的狀態(tài)，且隨著時間的變化趨于穩(wěn)定，而第64 天后出現(xiàn)的輕微波動主要原因是由于農(nóng)村污水來水量突然增大所致，但整體去除效果保持良好穩(wěn)定，系統(tǒng)a 的-N 去除率相較于系統(tǒng)b更加穩(wěn)定且平均去除率優(yōu)于系統(tǒng)b。

3.3 TP 處理效果分析

自充氧層疊生物濾床系統(tǒng)進出水TP 的濃度及其去除率隨時間的變化如圖6 所示。

圖6 自充氧層疊生物濾床對TP 的去除效果

由圖6 可見，自充氧層疊生物濾床在工程監(jiān)測期間運行總體穩(wěn)定。TP 進水濃度基本在0.768mg/L～3.24mg/L 之間波動，進水水質(zhì)波動性較大。兩套系統(tǒng)的出水TP 濃度均有半數(shù)以上監(jiān)測天數(shù)超過0.5mg/L，其中三分之一以上監(jiān)測天數(shù)超過1mg/L。系統(tǒng)a 出水TP 的平均濃度為0.9mg/L，系統(tǒng)b 出水TP 的平均濃度為0.99mg/L，基本滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B 標準。整個運行階段系統(tǒng)a 的TP 去除率為4.07%～85.77%，平均值為58.83%；系統(tǒng)b 的TP 去除率為12.57%～85.77%，平均值為56.56%。兩套平行系統(tǒng)對TP的去除效果均較低，且隨著時間變化其去除率均有下降趨勢。通過對TP 的去除機理進行分析可知，生物濾床主要通過填料吸附和植物吸收達到除磷目的，而后期當填料中微生物掛膜趨于成熟時其去除率反而下降，說明微生物的除磷效果相對不明顯。初步分析前43 天去除率較高是由于填料吸附起主要作用，43 天之后去除率不斷下降且波動較大，說明其除磷功能主要轉(zhuǎn)為以植物吸收為主，填料吸附已趨于飽和狀態(tài)。78 天之后去除率略顯提升，則是由于植物生長逐漸茂盛、根系不斷發(fā)達、生物量不斷增加的原因，植物除磷功能有所增強。長期穩(wěn)定運行后該系統(tǒng)的除磷效果達到一個平衡狀態(tài)，但其去除率并未達到預(yù)期的高度。

3.4 TN 處理效果分析

自充氧層疊生物濾床系統(tǒng)進出水TN 的濃度及其去除率隨時間的變化如圖7 所示。

圖7 自充氧層疊生物濾床對TN 的去除效果

由圖7 可見，自充氧層疊生物濾床在實驗期間運行總體穩(wěn)定。TN 進水濃度基本在4.2mg/L～39.9mg/L 之間波動，進水水質(zhì)波動性較大，而出水TN 濃度除了第67 天系統(tǒng)b 出水為18.6mg/L外，其余均維持在15mg/L 以下，系統(tǒng)a 出水平均為1.5mg/L，系統(tǒng)b 出水平均為1.82mg/L，均滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》 (GB 18918—2002)一級A 標準。整個運行階段系統(tǒng)a的TN 去除率為41.61%～99.2%，平均值為89.57%；系統(tǒng)b 的TN 去除率為25.11%～99.22%，平均值為88%。系統(tǒng)a 的TN 去除率相較于系統(tǒng)b 更加穩(wěn)定且平均去除率優(yōu)于系統(tǒng)a。系統(tǒng)對TN 的去除率與其對-N 的去除趨勢相同，說明系統(tǒng)獨特的層疊結(jié)構(gòu)和自充氧通風系統(tǒng)對脫氮效果的提升較為明顯，在無風機曝氣增氧的條件下依然有一個良好的去除效果。

4 研究結(jié)論

本研究對自充氧層疊生物濾床的兩套平行系統(tǒng)采用了不同的植物配置進行設(shè)計，通過對CODCr、-N、TP 和TN 四項污染物去除效果的長期監(jiān)測分析，進一步明確了層疊生物濾床技術(shù)的污染物去除機理和技術(shù)優(yōu)勢，同時也發(fā)現(xiàn)了工程優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵點和不足之處，總體得出以下結(jié)論。

(1)系統(tǒng)a 對CODCr、-N、TP、TN 的平均去除率分別為69.2%、94.42%、58.83%、89.57%，系統(tǒng)b 對CODCr、-N、TP、TN 的平均去除率分別為68.25%、91.25%、56.56%、88%。系統(tǒng)a 對各污染物的去除率和穩(wěn)定性整體上優(yōu)于系統(tǒng)b，說明系統(tǒng)a 植物配置的協(xié)同作用效果優(yōu)于系統(tǒng)b，驗證了植物多樣性配置有利于提升污水中污染物的去除率。

(3)兩套平行系統(tǒng)對TP 的去除率均較低，說明針對除磷，填料的選擇比植物搭配更為重要，前期填料吸附的除磷貢獻率高于植物吸收，而后期隨著植物的不斷生長，雖然系統(tǒng)除磷效果有所增加，但去除率增高緩慢，改善情況并不顯著。

(4)為了充分發(fā)揮自充氧層疊生物濾床的處理效果，尤其是除磷效果，在今后的工程設(shè)計中需對填料的制備工藝進行研究。應(yīng)多采用經(jīng)改性處理的牡蠣殼、山核桃殼、竹纖維等生物質(zhì)填料，同時研究提升系統(tǒng)的排泥功能，在增強處理效果的同時盡量控制成本。