陳 建，汪 軍*，潘成榮

(1.安徽省通源環(huán)境節(jié)能股份有限公司，安徽合肥 230031；2.安徽省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，安徽合肥 230001)

目前，我國農村地區(qū)生活污水處理大多采用生物法[1]，污水處理設施運行受季節(jié)性溫差的影響顯著，特別是冬季低水溫易導致出水水質超標[2-3]。因為冬季低水溫使得污水處理設施中微生物的活性極大地降低，污水處理效率降低，致使出水水質波動[4-6]。此外，低水溫環(huán)境下污泥比阻將增加，使得活性污泥的沉降性能降低，從而影響污水處理效果[7]。錢程等[8]研究表明，當水溫低于5.6 ℃時，活性污泥中的微生物基本處于休眠狀態(tài)，因此微生物對有機物的降解以及脫氮除磷均受到較大限制，并且低水溫狀態(tài)下活性污泥中的菌群數(shù)量也會銳減，進一步降低污水處理效果。當水溫低于13 ℃時，微生物處理效果開始加速降低；當水溫低于4 ℃時，微生物開始死亡，此時幾乎無處理效果[9]。綜上所述，冬季低水溫導致污水處理設施非正常運行，污水處理效率降低，出水水質波動大，對周邊水環(huán)境產生影響。為防止冬季農村地區(qū)因污水處理不達標而引起的水生生態(tài)系統(tǒng)破壞，急需研究適合冬季農村地區(qū)生活污水處理的新技術，提高冬季污水處理效果，為鄉(xiāng)村環(huán)境質量的提升貢獻力量。

生物膜法因其生物質濃度高、耐受性強、占地面積小、污泥齡長、出水水質好及抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點得到廣泛應用[10-13]。筆者以多種介質懸浮填料強化的膜技術與潛流人工濕地技術為核心，針對冬季低溫農村生活污水處理需求，應用多介質懸浮填料與高效納米曝氣等技術，結合化學除磷與管道式紫外消毒等技術的優(yōu)點，設計了多介質膜復合人工濕地技術，處理冬季農村生活污水，通過小試試驗探討此技術在冬季低水溫條件下的污水處理效果及機理，以期為實際農村生活污水處理工程提供數(shù)據(jù)支撐與技術參考。

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置多介質膜復合人工濕地試驗處理裝置室外露天放置，其工藝包括厭氧—缺氧—好氧多介質膜—沉淀—管道式紫外消毒—潛流人工濕地，試驗裝置間串聯(lián)。缺氧池設有硝化液回流系統(tǒng)；好氧池分隔3個反應區(qū)，上層為2個完全分隔的MBBR反應區(qū)，下層為不完全分隔的BAF反應區(qū)；沉淀池進水管設有聚合氯化鋁(PAC)加藥裝置。為調控試驗裝置水力負荷，進水管道設置了水量調節(jié)閥。試驗裝置流程圖見圖1。

1.2 裝置及運行參數(shù)多介質膜復合人工濕地試驗裝置由8 mm厚的聚丙烯(PP)板構成。好氧多介質膜池底部設有曝氣盤及進水管。BAF反應區(qū)填有粒徑15 mm的石灰石，高度20 cm。上層2個MBBR反應區(qū)分別填有粒徑20 mm的蜂窩狀懸浮填料及粒徑50 mm的球形懸浮填料，填充空間比約25%。潛流人工濕地填充粒徑15 mm的石灰石，混合栽種鳶尾、再力花及美人蕉。污水日處理量500 L，硝化液回流比150%，好氧多介質膜池曝氣量2.5～7.5 L/min，PAC(Al2O3含量28%)用量為8.40 g/d。試驗裝置水力運行方式為重力自流，沉淀池中間設有折流擋板，出水經管道式紫外消毒器消毒后自流至潛流人工濕地。紫外消毒器為一級出水，潛流人工濕地為二級出水。試驗裝置尺寸及運行參數(shù)見表1。

1.3 試驗方法

1.3.1試驗水質。多介質膜復合人工濕地裝置試驗期間用水為合肥市某村鎮(zhèn)污水處理廠原水。通過定期取裝置進、出水水樣，檢測水質變化，探究其在冬季的處理效果。采樣時間為09：00，當天檢測完所有水樣。試驗時間為2021年8月至2022年3月。裝置進、水質指標及出水一級A標準詳見表2。

圖1 多介質膜復合人工濕地技術工藝流程Fig.1 The process flow of multi-media membrane composite artificial wetland technology

表1 裝置各單元參數(shù)Table 1 Parameters of each unit in the device

表2 裝置進、出水水質變化Table 2 The changes of water quality in the influent and effluent of the device 單位：mg/L

1.3.2水質監(jiān)測及方法。水溫采用溫度計測量；總氮(TN)、總磷(TP)濃度采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ 636—2012/GB 11893—1989)檢測；NO3--N濃度采用紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)檢測；NH4+-N濃度采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)檢測；CODCr濃度采用重鉻酸鹽法(HJ 828—2017)檢測。

2 結果與分析

2.1 氨氮去除效果由圖2a可知，隨著水溫的降低，進水NH4+-N濃度逐漸升高，出水NH4+-N濃度呈現(xiàn)波動升高的狀態(tài)；由圖2b可知，NH4+-N的去除率受進水濃度及溫度的共同影響呈現(xiàn)出波動下降的狀態(tài)，其中水溫是主要影響因素。當水溫為26 ℃時，適合硝化菌生長促進硝化反應的進行[14]，NH4+-N去除率最高。當水溫高于16 ℃時，NH4+-N去除率超過85.00%。當水溫低于12 ℃時，低水溫抑制了硝化及亞硝化細菌的活性[15]，導致NH4+-N去除率明顯下降。由圖2a可知，當水溫低于12 ℃時，一級出水與二級出水NH4+-N濃度基本相同，潛流人工濕地對NH4+-N幾乎無去除效果，主要原因是潛流人工濕地內部絕大部分處于厭氧狀態(tài)，硝化能力不足，加之水溫較低，硝化細菌活性受到抑制，導致潛流人工濕地幾乎喪失NH4+-N去除能力[16]。試驗期間進水NH4+-N平均濃度為27.63 mg/L，出水NH4+-N平均濃度為9.06 mg/L，出水水質遠優(yōu)于安徽省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 34/3527—2019)的一級A標準，平均去除率達67.20%。

圖2 不同水溫下NH4+-N的去除效果Fig.2 The removal effect of NH4+-N at different water temperatures

2.2 總氮去除效果由圖3a可知，隨著水溫的降低，出水總氮(TN)濃度逐漸升高；由圖3b可知，TN去除率也隨著水溫的降低呈現(xiàn)波動降低的狀態(tài)。由圖4可知，系統(tǒng)進水硝態(tài)氮(NO3--N)濃度接近0 mg/L，NO3--N出水濃度隨水溫的降低呈現(xiàn)上升的趨勢，但出水濃度波動較大，主要與進水NH4+-N濃度波動有關。冬季水溫較低，反硝化菌不僅增長速率受到影響，而且其活性也受到抑制，加上試驗用水碳氮比較低，可利用的碳源不足，導致反硝化脫氮過程受限，NO3--N去除率低，NH4+-N硝化轉為NO3--N積累，使得出水NO3--N濃度最高時超過9.00 mg/L，最終導致TN去除率低[17]。由圖3b可知，當水溫高于20 ℃時，TN去除率較高，此時水溫適宜硝化菌、反硝化菌生存繁殖；當水溫低于12 ℃時，TN去除率低于42.00%，因為12 ℃水溫遠低于反硝化細菌適宜生存的溫度，且隨著水溫的降低，反硝化菌的增殖及代謝速率也將降低[18]。該工藝試驗期間進水TN平均濃度為31.30 mg/L，出水TN平均濃度為18.39 mg/L，出水水質優(yōu)于安徽省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 34/3527—2019)的一級A標準，冬季TN平均去除率可達41.24%。

圖3 不同水溫下TN的去除效果Fig.3 The removal effect of TN at different water temperatures

圖4 不同水溫下NO3--N進出水濃度的變化Fig.4 Variation of NO3--N influent and effluent concentrations at different temperatures

2.3 總磷去除效果由圖5a可知，隨著水溫的降低，進水TP濃度呈現(xiàn)波動狀態(tài)，但出水TP濃度基本保持在0.50 mg/L左右；由圖5b可知，TP去除率呈現(xiàn)上下波動狀態(tài)，水溫的降低基本不影響TP去除率，這主要是因為該工藝同時采用生物和化學除磷方法[19]，污水中TP的去除受水溫的影響較小。其中，生物除磷是由厭氧池中聚磷菌釋磷與好氧多介質生物膜池聚磷菌吸磷完成，使磷得以去除，但聚磷菌活性會隨著水溫的降低而降低，出水TP濃度基本不隨水溫的變化而變化，主要是因為系統(tǒng)采用化學除磷方法[20-21]。當水溫過低時，生物除磷效果銳減，系統(tǒng)需要投加化學除磷藥劑維持除磷效果，采用PAC(Al2O3含量28%)8.40 g/d輔助除磷，形成沉淀物以剩余污泥的方式排出，保證了系統(tǒng)在冬季低水溫情況下出水TP濃度穩(wěn)定達標。試驗期間進水TP平均濃度為3.43 mg/L，出水TP平均濃度為0.43 mg/L，出水水質遠優(yōu)于安徽省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 34/3527—2019)一級A標準，平均去除率高達87.56%。

圖5 不同水溫下TP的去除效果Fig.5 The removal effect of TP at different water temperatures

2.4 CODCr去除效果由圖6a可知，進水CODCr濃度在60.00～200.00 mg/L內波動變化，隨著水溫的逐漸降低，出水CODCr濃度基本維持不變，波動幅度較小。由圖6b可知，CODCr去除率隨水溫的下降整體上呈降低趨勢。農村生活污水中的有機物主要通過微生物好氧呼吸作用、同化作用以及定期排泥等途徑去除[22]。因為懸浮顆粒物可吸附有機物形成沉淀，定期排泥去除，但僅占有機物小部分[23]。試驗期間，隨著水溫的降低，并未出現(xiàn)剩余污泥增多的現(xiàn)象，因此該系統(tǒng)主要是通過好氧多介質生物膜池中生長的大量異養(yǎng)型微生物的降解和吸收作用去除有機物[24]，證實了其在低溫情況下仍可高效降解有機物。試驗期間系統(tǒng)進水CODCr平均濃度為115.25 mg/L，出水CODCr平均濃度為15.50 mg/L，出水水質遠優(yōu)于安徽省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 34/3527—2019)一級A標準，冬季低水溫情況下CODCr平均去除率可達86.55%。

圖6 不同水溫下CODCr的去除效果Fig.6 The removal effect of CODCr at different water temperatures

3 結論

通過多介質膜復合人工濕地技術處理冬季低水溫農村生活污水，得出以下結論：此工藝在冬季能有效處理農村生活污水，運行持久穩(wěn)定，可高效去除污水中的有機物，且脫氮除磷效果較好，冬季對TN、NH4+-N、CODCr和TP去除率分別為41.24%、67.20%、86.55%和87.56%，出水水質均優(yōu)于安徽省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 34/3527—2019)一級A標準。

多介質膜復合人工濕地技術綠色低碳，PAC藥劑費損耗約0.03元/t，不需要添加外源性碳源，運行維護費用低。此工藝有效解決了農村生活污水冬季出水水質波動大、處理效率低和生物質濃度低等問題。此工藝在水溫低于5 ℃條件下出水CODCr平均濃度為15.50 mg/L，好氧多介質生物膜中的微生物作用是高效去除有機物的關鍵因素，其高效降解有機物的作用機理仍需進一步研究。