A/O+铝污泥填料人工湿地组合工艺处理农村生活污水的效果（全文）

　　随着农村人口的增长和经济的快速发展,农村生活污水排放量急剧增加,未经处理的农村生活污水直接排入水体,导致水体环境恶化。农村生活污水具有量大、面广、分散,水质与水量波动大等特点,不适宜采用大规模的管网收集系统及污水处理方式,因此,因地制宜地选择农村污水处理设施并加强农村生活污水的处理迫在眉睫[1,2]。

　　

　　近年来A/O与人工湿地组合工艺已大量应用于农村生活污水处理（解析农村生活污水处理技术方法）中[3,4,5],但受湿地填料的影响,该工艺对氮和磷的处理效果并不理想[2,6]。人工湿地填料的吸附作用是去除水体中氮、磷元素的主要途径[7,8],目前常用的磷吸附填料有沸石、硅藻土、粉煤灰等,但存在吸附不稳定,效率低,对磷的去除效果有限等缺点[9,10]。给水厂的副产品——铝污泥含有大量铝及其聚合物,用作人工湿地的填料能够较大幅度地提高湿地的除磷效果[11]。操家顺等[12]的研究表明,铝污泥单独使用或与其他滤料组合都可显著提高其除磷能力,延长湿地的使用寿命,同时能促进湿地中植物的生长并增加其生物量。笔者以南京市江宁区孙家边村生活污水为处理对象,采用铝污泥为人工湿地填料,研究A/O+铝污泥填料人工湿地组合工艺对生活污水中氮、磷等污染物的去除效果,以期为太湖流域农村生活污水处理的提标改造提供技术支撑。

　　

　　1 材料与方法

　　

　　1.1 A/O+铝污泥填料人工湿地组合工艺系统

　　

　　1.1.1 生活污水排放量与浓度

　　

　　组合工艺系统设置在南京市江宁区青山社区孙家边村,该村居住人口约265人,按照CECS 82∶96《农村给水设计规范》的相关规定,并考虑到农村的实际情况,确定该区域的人均生活用水量为120 L/(人·d),排水量取80%的折算系数加上15%的不可预见水量,则系统设计总水量约为30.0 m3/d。对孙家村生活污水排放情况进行调查,测得实际生活污水排放量为28.6 m3/d,计算值与实测值差别不大,为保证处理能力和效果,生活污水排放量取30.0 m3/d。生活污水中化学需氧量(CODCr)为150~220 mg/L,氨氮(NH3-N)浓度为15~30 mg/L,总氮(TN)浓度为18~35 mg/L,总磷(TP)浓度为2~3 mg/L。

　　

　　1.1.2 组合工艺流程

　　

　　生活污水处理的工艺为A/O+铝污泥填料人工湿地组合工艺(图1),其工艺流程为:进水→A/O段→铝污泥填料人工湿地段→出水。A/O段主要工艺流程为:1)进水经格栅去除生活污水中的大颗粒悬浮物;2)经格栅后的污水流入调节池,其有效容积为10 m3;3)缺氧池容积约为12 m3,根据实际需求向池内添加固体碳源以提高厌氧微生物的降解效率;4)好氧池容积为15 m3,在池内均匀布设好氧生物填料[13],池底安装微孔曝气装置1套,设置硝化液回流系统,好氧池的硝化液回流至缺氧池进行充分的脱氮反应,回流比设置为2[1];5)沉淀池容积为20 m3,有效沉淀深度为3~4 m,水力负荷为1.6 m3/(m2·d),上清液流至人工湿地进行深度处理。铝污泥填料人工湿地段采用2级水平潜流人工湿地,湿地底部的坡度为1%,2级潜流湿地各长6.5 m,宽5 m,水力负荷为0.862 7 m3/(m2·d),底部采用HDPE防渗膜进行防渗处理。

　　

　　1.1.3 人工湿地填料与植物选择

　　

　　填料中铁铝氧化物含量是湿地对磷吸附能力的决定因素,铝污泥中铝含量高达29.7%±13.3%,对磷有较强的吸附能力[14,15]。选用给水厂副产品——铝污泥作为湿地填料时,为延缓湿地堵塞和延长湿地使用寿命,将给水厂的脱水铝污泥〔图2(a)〕与工业废料钢渣混合制成粒径小于10 mm的球状颗粒物〔图2(b)〕。湿地自下而上依次铺设10 cm厚的砾石层、25 cm厚的铝污泥球状颗粒层和10 cm厚的铝污泥层,其中砾石层作为承托层,铝污泥球状颗粒层作为吸附层,铝污泥层作为植物根系生长层。

　　

　　人工湿地植物选择上,一级潜流湿地选用耐污能力及根系输氧能力较强的芦苇、风车草搭配景观植物荷花和美人蕉,二级潜流湿地选用千屈菜、茭白、水芹、香蒲的组合,形成高低错落、色彩相衬的优美景观[16]。风车草和水芹为四季生长植物,可在一定程度上提高湿地冬季的处理效果,香蒲和芦苇为深根型植物,入土深度可达30 cm,非常适合种植于潜流湿地[17,18]。一级潜流湿地的种植密度为30株/m2,二级潜流湿地的种植密度为25株/m2。

　　

　　2. 污染物总去除率及分段去除率

　　

　　A/O+铝污泥填料人工湿地组合工艺对农村生活污水中各污染物的总去除率及分段去除率如图7所示。由图7可知,组合工艺对CODCr的总平均去除率为82.33%,其中A/O段和铝污泥填料湿地段分别为75.74%和29.79%;对NH3-N的总平均去除率为81.58%,其中A/O段和铝污泥填料湿地段分别为70.71%和35.10%;对TN的总平均去除率为76.22%,其中A/O段和铝污泥填料湿地段分别为66.75%和39.14%;对TP的总平均去除率为86.50%,其中A/O段和铝污泥填料湿地段分别为75.46%和50.43%。经组合工艺净化后出水水质较为稳定,各项指标均优于GB 18918—2002一级A标准[19]。（图7）

　　

　　3.1 组合工艺对污染物的去除效果

　　

　　组合工艺对CODCr、NH3-N、TN、TP具有较好的去除效果,这与组合工艺前端缺氧池内添加了固体碳源,好氧池内装填了组合填料,人工湿地系统采用了吸附能力强的铝污泥填料相关。通过在缺氧池添加固体碳源,强化了微生物反硝化脱氮效率,而且硝化液通过回流系统回流至缺氧池,利用原污水中充足的碳源在厌氧微生物的作用下进行充分的反硝化反应;好氧池中组合填料聚集微生物能力强,增加了微生物浓度,提高了污染物降解能力;出水再经过人工湿地,通过植物吸收、铝污泥填料吸附以及根系微生物的降解作用,进一步去除污染物[20,21,22]。

　　

　　3.2 铝污泥填料人工湿地的除磷效果

　　

　　污水中的磷主要以磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷等形式存在[23],人工湿地主要通过基质、植物及微生物的协同作用去除污水中TP等污染物[24]。传统湿地对TP的去除率为35%~42%[25],而铝污泥填料人工湿地可达50.43%,这是因为铝污泥填料对磷具有较强的吸附能力,铝污泥填料的吸附作用是人工湿地段去除磷的主要途径,铝污泥填料主要通过与污水中的磷酸盐进行配位体交换的方式吸附磷[26],同时铝污泥颗粒表面能够形成生物膜,为微生物的生长提供载体从而提高污染物去除效果。

　　

　　3.3 组合工艺的技术与经济可行性

　　

　　组合工艺系统运行期间,每半个月对系统进水、出水的水质监测结果及污染物去除率见表2。由表2可知,组合工艺对CODCr的平均去除率为80.59%~85.21%,对NH3-N的平均去除率为80.62%~83.73%,对TN的平均去除率为72.28%~81.45%,对TP的平均去除率为82.52%~90.46%。可见,组合工艺对各项污染物的去除效果均较为稳定,可较长时间平稳运行且保持较好的污水处理效果。

　　

　　组合工艺系统运行成本为0.17元/m3(以污水体积计,不含折旧),铝污泥作为人工湿地填料的吸附寿命为9~40 a[27]。可见,将A/O生化处理工艺与铝污泥填料人工湿地相结合,A/O生化处理工艺经硝化与反硝化强力脱氮,铝污泥填料人工湿地可强效除磷,该组合工艺既能有效提高脱氮与除磷效率,实现污水的深度处理,又能缓解湿地堵塞,延长人工湿地的使用寿命。该工艺具有较强的抗冲击负荷能力,同时具有经济性好、易于维护的特点。

　　

　　4 结论

　　

　　(1)A/O+铝污泥填料人工湿地组合工艺对CODCr、NH3-N、TN和TP的总平均去除率分别为82.33%、81.58%、76.22%和86.50%,系统出水水质稳定,优于GB 18918—2002一级A标准。将A/O生化处理工艺与铝污泥填料人工湿地相结合,该组合工艺既能有效提高脱氮与除磷效率,实现污水的深度处理,又能缓解湿地堵塞,延长人工湿地的使用寿命。

　　

　　(2)组合工艺的铝污泥填料湿地段对CODCr、NH3-N、TN和TP的去除率分别为29.79%、35.10%、39.14%和50.43%,其对TP的去除率(50.43%)明显高于传统湿地对TP的去除率(35%~42%)。将铝污泥作为人工湿地的填料,可提高人工湿地对磷的去除效果,铝污泥填料的吸附作用是其去除磷的主要途径,同时铝污泥颗粒表面形成的生物膜可为微生物生长提供载体。

　　

　　(3)组合工艺对污染物去除效果稳定性监测结果表明,CODCr的平均去除率为80.59%~85.21%,NH3-N的平均去除率为80.62%~83.73%,TN的平均去除率为72.28%~81.45%,TP的平均去除率为82.52%~90.46%。组合工艺对各项污染物的去除效果较为稳定,可较长时间平稳运行且保持较好的处理效果。

　　

　　参考文献

　　

　　[1]

　　

　　袁忠顺 .

　　

　　农村生活污水A/O-人工湿地处理工艺参数的优化与湿地植物的筛选

　　

　　[D]. 南京:南京农业大学, 2014.

　　

　　[本文引用: 2]

　　

　　[2]

　　

　　吴乘飚 .

　　

　　A/O-潜流人工湿地工艺处理农村生活污水

　　

　　[J]. 资源节约与环保, 2016(9):300-301.

　　

　　DOI:10.3969/j.issn.1673-2251.2016.09.242      URL     [本文引用: 2]

　　

　　[3]

　　

　　CASELLES-OSORIO A , GARCÍA J .

　　

　　Performance of experimental horizontal subsurface flow constructed wetlands fed with dissolved or particulate organic matter

　　

　　[J]. Water Research, 2006,40(19):3603-3611.

　　

　　DOI:10.1016/j.watres.2006.05.038      URL     PMID:16872658      [本文引用: 1]

　　

　　[4]

　　

　　VYMAZAL J, GREENWAY M, TONDERSKI K , et al.

　　

　　Constructed wetlands for wastewater treatment

　　

　　[M] //Wetlands and Natural Resource Management.Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2006: 69-96.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[5]

　　

　　宋小康, 金龙, 王建芳 , 等.

　　

　　ABR+复合人工湿地处理农村生活污水中试

　　

　　[J]. 环境工程, 2011,29(3):6-9.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　SONG X K, JING L, WANG J F , et al.

　　

　　Pilot test on treating rural domestic wastewater by process of ABR+combined constructed wetland

　　

　　[J]. Environmental Engineering, 2011,29(3):6-9.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[6]

　　

　　李晓东 .

　　

　　A/O及人工湿地耦合工艺处理县城生活污水

　　

　　[J].环境保护与循环经济, 2012(9):54-55.

　　

　　DOI:10.3969/j.issn.1674-1021.2012.09.016      URL     [本文引用: 1]

　　

　　[7]

　　

　　王荣, 贺锋, 徐栋 , 等.

　　

　　人工湿地基质除磷机理及影响因素研究

　　

　　[J]. 环境科学与技术, 2010,33(增刊1):12-18.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　WANG R, HE F, XU D , et al.

　　

　　The Study on the mechanisms and influencing factors of substrates in constructed wetlands removing phosphorus

　　

　　[J]. Environmental Science and Technology, 2010,33(Suppl 1):12-18.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[8]

　　

　　钟成华, 李杰, 邓春光 .

　　

　　人工湿地废水处理中氮、磷去除机理研究

　　

　　[J]. 土木建筑与环境工程, 2008,30(4):141-146.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　ZHONG C H, LI J, DENG C G .

　　

　　Advances in the study of nitrogen and phosphorus removal mechanisms in constructed wetlands

　　

　　[J]. Civil and Environmental Engineering, 2008,30(4):141-146.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[9]

　　

　　辛杰, 裴元生, 王颖 , 等.

　　

　　几种吸附材料对磷吸附性能的对比研究

　　

　　[J]. 环境工程, 2011,29(4):30-34.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　XIN J, PEI Y S, WANG Y , et al.

　　

　　Contrastive study on phosphorus adsorption of several adsorbents

　　

　　[J]. Environmental Engineering, 2011,29(4):30-34.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[10]

　　

　　万正芬, 张学庆, 卢少勇 .

　　

　　19种人工湿地填料对磷吸附解吸效果研究

　　

　　[J]. 水处理技术, 2015,41(4):35-40.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　WAN Z F, ZHANG X Q, LU S Y ,

　　

　　The adsorption and desorption of phosphorus by nineteen constructed wetland substrates

　　

　　[J]. Technology of Water Treatment, 2015,41(4):35-40.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[11]

　　

　　胡沅胜, 赵亚乾 , AKINTUNDE B, 等.

　　

　　铝污泥基质潮汐流人工湿地强化除污中试

　　

　　[J]. 中国给水排水, 2015(13):116-122.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　HU Y S, ZHAO Y Q, AKINTUNDE B , et al.

　　

　　Pilot study on enhanced pollutants removal in alum sludge-based tidal flow constructed wetlands

　　

　　[J]. China Water & Wastewater, 2015(13):116-122.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[12]

　　

　　操家顺, 朱文杰, 李超 , 等.

　　

　　给水厂污泥作为人工湿地滤料对磷的去除效果研究

　　

　　[J]. 环境科技, 2015,28(5):16-20.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　CAO J S, ZHU W J, LI C , et al.

　　

　　The research of phosphate removal by using water treatment residuals as filter materials in constructed wetlands

　　

　　[J]. Environmental Science and Technology, 2015,28(5):16-20.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[13]

　　

　　江萍, 黎俊, 张文涛 , 等.

　　

　　生物接触氧化法处理有机废水的进展

　　

　　[J]. 环境与开发, 2000,15(4):6-28.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　JIANG P, LI J, ZHANG W T , et al.

　　

　　The progress of organic wastewater treatment by biological contact oxidation process

　　

　　[J]. Environment and Development, 2000,15(4):6-28.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[14]

　　

　　DRIZO A, FROST C A, GRACE J , et al.

　　

　　Physico-chemical screening of phosphate removing substrates for use in constructed wetland systems

　　

　　[J]. Water Research, 1999,33(17):3595-3602.

　　

　　DOI:10.1016/S0043-1354(99)00082-2      URL     [本文引用: 1]

　　

　　[15]

　　

　　BABATUNDE A O, ZHAO Y Q .

　　

　　Constructive approaches toward water treatment works sludge management: an international review of beneficial reuses

　　

　　[J]. Critical Reviews in Environmental Science & Technology, 2007,37(2):129-164.

　　

　　DOI:10.1080/10643380600776239      URL     [本文引用: 1]

　　

　　[16]

　　

　　李红梅, 陶高峰, 徐凌 , 等.

　　

　　植物功能群多样性对人工湿地微生物生物量和营养滞留的影响

　　

　　[J]. 植物营养与肥料学报, 2011,17(6):1365-1371.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　LI H M, TAO G F, XU L , et al.

　　

　　Effects of plant functional group diversity on microbial biomass and nutrient retention in a constructed wetland

　　

　　[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2011,17(6):1365-1371.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[17]

　　

　　张瑞斌 .

　　

　　不同水生植物对污水处理厂尾水的生态净化效果分析

　　

　　[J]. 环境工程技术学报, 2015,5(6):504-508.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　ZHANG R B .

　　

　　Ecological purification efficiency of several aquatic plants on tail water of sewage treatment plant

　　

　　[J]. Journal of Environmental Engineering Technology, 2015,5(6):504-508.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[18]

　　

　　谢娇, 鲍建国, 易振辉 .

　　

　　人工湿地植物特性的研究及植物配置分析

　　

　　[J].化学工程与装备, 2011(4):164-166.

　　

　　DOI:10.3969/j.issn.1003-0735.2011.04.062      URL     [本文引用: 1]

　　

　　[19]

　　

　　国家环境保护总局. 城镇污水处理厂污染物排放标准: GB 18918—2002[S]. 北京: 中国标准出版社, 2002.

　　

　　[本文引用: 5]

　　

　　[20]

　　

　　REDDY K R .

　　

　　Oxygen transport through aquatic macrophytes

　　

　　[J]. Journal of Environmental Quality, 1989,19(2):261-267.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[21]

　　

　　BRIX H .

　　

　　Do macrophytes play a role in constructed treatment wetlands

　　

　　[J]. Water Research, 1997,35(5):11-17.

　　

　　DOI:10.1016/S0273-1223(97)00047-4      URL     [本文引用: 1]

　　

　　[22]

　　

　　SCHOLZ M, XU J .

　　

　　Comparison of constructed reed beds with different filter media and macrophytes treating urban stream water contaminated with lead and copper

　　

　　[J]. Ecological Engineering, 2002,18(3):385-390.

　　

　　[JCR:3.023] DOI:10.1016/S0925-8574(01)00100-8      URL     Magsci     [本文引用: 1]

　　

　　[23]

　　

　　张文娟 .

　　

　　人工湿地除磷基质研究及同步脱氮除磷填料的开发

　　

　　[D]. 重庆:西南大学, 2011.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[24]

　　

　　BRIX H .

　　

　　Functions of macrophytes in constructed wetlands

　　

　　[J]. Water Science & Technology, 1994,29(1/2):37-42.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　[25]

　　

　　高翔, 张先斌 .

　　

　　A 2/O生物膜与人工湿地处理村落污水中试研究

　　

　　[J]. 科学技术与工程, 2011,11(21):5120-5123.

　　

　　DOI:10.3969/j.issn.1671-1815.2011.21.035      URL     [本文引用: 1]

　　

　　[26]

　　

　　SUN G, ZHAO Y, ALLEN S .

　　

　　Enhanced removal of organic matter and ammonia-nitrogen in a column experiment of tidal flow constructed wetland system

　　

　　[J]. Journal of Biotechnology, 2005,115(2):189-197.

　　

　　DOI:10.1016/j.jbiotec.2004.08.009      URL     PMID:15607237      [本文引用: 1]

　　

　　[27]

　　

　　王拯, 张红涛 .

　　

　　间歇流人工湿地处理农村生活污水的研究

　　

　　[J]. 兰州交通大学学报, 2011,30(4):111-115.

　　

　　[本文引用: 1]

　　

　　WANG Z , ZHANG H T .

　　

　　Batch-flow constructed wetland for rural wastewater treatment

　　

　　[J].Journal of Lanzhou Jiaotong University, 2011, 30(4):111-115.

　　

　　[本文引用: 1]