城市尾水深度處理工藝及效果研究

常會慶，王浩

1. 河南科技大學，河南 洛陽 471003；2. 中國科學院生態環境研究中心，北京 100085

城市尾水深度處理工藝及效果研究

常會慶1,2，王浩1

1. 河南科技大學，河南 洛陽 471003；2. 中國科學院生態環境研究中心，北京 100085

為探索適合城市污水廠尾水深度凈化經濟、有效的處理技術系統，使出水水質達到回補當地地表水源要求，為地區水環境健康與水質安全保障提供理論依據和示范。以城市污水處理廠尾水為研究對象，通過小試試驗建立適合城市污水廠尾水深度凈化的組合系統，該組合系統包括間歇曝氣生物活性炭濾池與S型立體植物溝組合。系統運行的時間為129 d，每隔一定天數進行取樣，測定其中TN（總氮）、NH3-N（銨態氮）、TP（總磷）、COD、溶解性有機物等進、出水營養指標參數變化，并利用綜合水質標識指數法對出水水質進行評價。結果表明：該系統能明顯降低尾水中上述污染物的質量濃度，試驗期間出水TN，TP的去除率分別達到50%，70%以上，且出水總氮含量維持在10 mg·L-1以下，其中最低時總氮質量濃度為2.6 mg·L-1。進水總磷質量濃度范圍在0.56～2.97 mg·L-1之間，經過上述系統處理后總磷質量濃度可以控制在0.2 mg·L-1以下。單獨生物濾池單元處理后出水綜合水質標識指數在5.632～3.510之間，平均綜合水質類別可以達到地表水Ⅳ標準；組合植物系統處理后，出水綜合標識指數在3.510～2.510之間，平均綜合出水水質可以達到地表Ⅱ類水質的要求。上述研究結果表明該深度組合工藝可以進一步提高城市污水廠出水水質，并達到回補地表水四類水質的設計要求。

城市尾水；活性炭濾池；植物系統；回用

中國水資源短缺，而城市尾水作為一種穩定水源如加以深度凈化，出水水質達到或超過當地地表水環境功能后再排入當地地表水體，一方面緩解了當地地表河流的污染狀況，增加其環境容量，另一方面經過深度處理后的尾水可以進行地表水源回補，增加本地區的水資源量（Youngik等，2010；蔣旭光等，2010）。已有的城市尾水深度處理工藝，主要包括濾料物理過濾（Gulsin等，2007；吳俊森等，2005；池素瑋，2008），但出水水質較差；利用化學沉淀或氧化劑氧化法容易造成產生二次污染，且費用相對較高，目前對大多數深度處理廠都很難維持長期運行（Wu等，2005；高連敬等，2009）；單純采用超濾膜技術對小分子量有機物和營養鹽去除效果有限（Lin等，2000；Juan等，2010），納濾和反滲透雖可以達到很高的凈化效果，但是膜壓控制要求高，能耗也比較高，因膜容易阻塞和污染，對預處理要求嚴格，因此也不適于城市尾水長期穩定深度處理（Tonni等，2006）。

城鎮二級污水廠出水主要指標特征為：BOD5/TN：1左右；BOD5/COD：0.2～0.35；COD的含量大小約為20 mg·L-1左右，且由于城市尾水中一般同時含有硝態氮和銨態氮，其中銨態氮的轉化比較容易通過微生物的硝化作用得到實現，但城市尾水中的碳源不足不利于微生物反硝化作用對硝態氮的徹底脫除。因此可以考慮通過間歇曝氣生物濾池的方式，通過調節間歇曝氣周期，控制系統的溶解氧含量，使系統實現同時硝化和反硝化脫氮作用。選擇顆粒活性炭為濾料主要考慮其比表面積大，孔隙發達等特點，在發揮其吸附截留作用同時，有利于微生物生長，提高了微生物抗沖擊負荷能力；微生物降解作用延長了活性炭的使用周期。生物處理方法對有機物的最有效作用區間是分之量小于500的有機物；而活性炭對分子量在500～3000的有機物吸附能力較強（周鑫等，2011）。通過控制濾池中的溶解氧質量濃度，實現不同區域同步硝化和反硝化脫氮作用（羅曉鴻等，1998），沒有被活性炭生物濾池去除的營養鹽物質，則可通過植物系統進一步吸收利用而去除。因為植物在養分吸收過程中可以直接利用大氣中的 CO2作為其碳素來源，不受水體中碳源降低的影響；另外植物可以同時吸收城市尾水中的銨態氮，硝態氮和溶解性的磷酸鹽等營養物質，對多種營養物質起到吸收作用，同時對銅、鋅等含量較高的重金屬離子有較好去除效果。利用大型植物人工模擬或構建濕地系統被認為是一個可行的尾水深度處理系統（Reed等，1988；Ayaz等，1988；楊肖娥等，2005；U.S.EPA，1998；Hammer，1989）。針對城市尾水的上述特征，以及系統各處理單元對污水污染物去除具有相應針對性特征和優勢，設計出經濟、可行、環境友好組合處理裝置是實現高質量尾水回用的技術前提。

1 試驗設計與方法

試驗材料和裝置：供試植物材料——多年生黑麥草為供試品種，具有生長快，養分吸收能力強耐寒等優點，植物先預培養，等待完全覆蓋水面開始試驗，試驗時間天數為 129 d，每期間每隔一定天數采進、出水水樣進行分析。

供試污水：供試水樣分別采至某氧化溝出水，水質主要理化性質見表1。

表1 供試污水的理化性質Table 1 Main water quality index of two kinds test sample

試驗裝置：圖1是間歇式曝氣活性炭生物濾池（IABF-intermittent aerated biofilter）示意圖。濾柱高1.5 m，直徑10 cm，濾料采用1～3 mm的顆粒活性炭，濾料高度約80 cm，底部有10 cm承托層，下部設置曝氣管和反沖洗管。采用上部進水方式，該裝置出水計為“濾池出水”。試驗裝置圖 2是采用立體S型溝道植物系統，分上下兩層，上層溝道總長約4 m，寬0.7 m，高0.4 m，下層同樣總長約4 m，寬0.7 m，高0.4 m，該裝置出水記為“植物出水”。

圖1 生物濾池系統示意圖Fig. 1 Filtering equipment

圖2 植物系統示意圖Fig. 2 Outside plant plants system

項目測定：COD、NH4+-N、NO3-N、TN、TP、溶解性有機物等指標，測定重復2次，測定方法參照《水和廢水監測分析方法》（第四版）。

試驗裝置運行：首先在間歇曝氣生物濾柱承托層裝入直徑為1～2 cm鵝卵石，高度為10 cm，然后在承托層的篩板上面裝入粒徑在1～3 mm的顆粒活性炭，高度約80 cm，裝置啟動前接種氧化溝的活性污泥悶曝一周（污泥質量濃度為2 g·L-1），然后接種生活污水連續培養一周，觀察有生物膜生長后開始試驗。

工藝條件：試驗運行分兩個階段：第一階段共運行18 d，其中間歇曝氣活性炭生物濾池水力停留時間10 h，曝氣量為4 L·h-1，曝氣15 min停45 min，植物系統停留時間為5 d。第二階段運行111 d，調整曝氣活性炭生物濾池水力停留時間為 6 h，曝氣量由原來的4 L·h-1調整到2 L·h-1，間歇曝氣周期設定為曝氣10 min停50 min，植物系統停留時間仍然保持為5 d。

2 結果與分析

2.1 組合工藝對尾水中銨態氮和硝態氮處理效果

該供試污水廠尾水中同時含有銨態氮和硝態氮（圖3）。在試驗運行期間，銨態氮質量濃度的變化幅度較大，變化范圍在9.52～28.30 mg·L-1之間，經過曝氣生物濾池處理后銨態氮最高質量濃度為5.28 mg·L-1，最低可以降到0.21 mg·L-1。說明在該間歇曝氣活性炭生物濾池工藝條件下，可以滿足對銨態氮充分的硝化作用。間歇曝氣生物濾池處理后出水經過植物系統處理后，銨態氮質量濃度都降到1 mg·L-1以下，其中最高質量濃度為0.98 mg·L-1，某些時段銨態氮質量濃度在檢測限以下。經過上述組合系統處理后，出水銨態氮完全可以達到地表三類水質要求。試驗運行期間硝態氮的變化范圍在1.81～13.81 mg·L-1之間，經過間歇曝氣生物濾池處理后出水中硝態氮含量有所增加，質量濃度變化范圍在9.7～18.43 mg·L-1之間，主要原因是與間歇曝氣生物濾池的硝化作用強于反硝化作用容易造成硝態氮的積累。其出水經過植物系統吸收處理后硝態氮質量濃度有所降低，其質量濃度變化范圍為1.53～8.99 mg·L-1。說明植物系統對硝態氮和銨態氮同樣有吸收去除作用，因此適當的增加植物系統的停留時間可以進一步去除硝態氮含量。

圖3 復合深度處理系統對銨態氮和硝態氮影響Fig. 3 The concentration effect on NH3-N and NO3-N during advanced treatment process

2.2 組合工藝對尾水中總氮和總磷處理效果

試驗運行期間進水總氮范圍在 16.61～39.21 mg·L-1之間（圖4），經過間歇曝氣生物濾池處理后總氮有所降低，原因在于濾池中的硝化和反硝化作用以及生物活性炭吸附作用等對總氮有降低作用，出水總氮質量濃度范圍為13.92～26.38 mg·L-1之間。間歇曝氣活性炭生物濾池處理出水，在經過植物系統吸收后總氮質量濃度有了進一步降低，出水總氮含量維持在10 mg·L-1以下，其中最低時總氮質量濃度為 2.6 mg·L-1。進水總磷質量濃度范圍在0.56～2.97 mg·L-1之間，與總氮變化趨勢有所不同，間歇曝氣生物濾池對進水總磷有較強的吸附去除作用，其出水總磷最高質量濃度為0.77 mg·L-1，最低只有0.04 mg·L-1。間歇曝氣活性炭生物濾池出水經過植物系統的進一步處理后，顯著降低了總磷的質量濃度，出水總磷的質量濃度范圍在0.17～0.027 mg·L-1，經過植物系統進一步吸收后，總磷質量濃度可以控制在0.2 mg·L-1以下。

圖4 復合深度處理系統對TN和TP影響Fig. 4 The concentration effect on TN and TP during advaced treatment process

2.3 組合工藝處理對尾水中總氮、總磷去除率

第一工藝階段，城市尾水經過間歇曝氣生物濾池處理后，總氮去除率在24.81%～54.14%之間（圖5），出水再經過植物系統后總氮的去除率可以到達78%以上，質量濃度降低到8 mg·L-1以下。第二階段污水經過間歇曝氣生物濾池處理后，總氮的去除率最高可達47.8%，最低去除率為10.81%。原因主要由于間歇曝氣生物濾池吸附作用在降低，另外除氮效果受到COD不足的限制，較低的COD含量不利于反硝化作用的進行，但是第二階段出水經植物系統吸收處理后，總氮的去除率明顯增加，最低為50.77%，最高的可達88.05%。第一階段間歇曝氣生物濾池可以去除60%以上的總磷。結合植物系統處理可以去除86%以上的總磷，使總磷的質量濃度控制在0.3 mg·L-1以下。出水總磷可以達到地表四類水以上的要求。第二階段同樣表現出較強的除磷能力，間歇曝氣生物濾池對總磷的去除率效果依然明顯，最高達96.86%，最低為60.88%。出水經過植物系統的進一步處理后總磷的去除率基本達到90%以上。

圖5 復合深度處理系統對TN和TP去除率Fig. 5 The concentration effect on TN and TP removal during advanced treatment

2.4 組合工藝處理對尾水中COD去除效果

進水COD的范圍為20～52 mg·L-1之間（圖6），大部分進水COD可以維持在地表四類到五類水之間。經過生物濾池處理后明顯降低了COD含量，基本在10 mg·L-1以下。植物系統的存在使得COD質量濃度有時有增大的趨勢，主要原因在于植物系統根系的分泌物會在一定程度上增加 COD的質量濃度，但植物系統出水中COD含量也都維持在15 mg·L-1以下，大部分可以達到地表二類水質要求。

圖6 復合深度處理系統對COD影響Fig. 6 The concentration effect on COD duriing advaced treatment process

2.5 組合工藝對尾水深度處理后的水質評價

針對上述測定指標中的總氮、總磷、銨態氮和COD 4個指標參數，采用綜合水質標識指數法對進行深度處理后出水水質進行評價（尹海龍等，2008；徐祖信等，2005），標識指數表示方法如下：

單因子水質標識指數Pi=X1·X2·X3其中：

X1代表第i項水質指標的水質類別；

X2代表監測數據在 X1類水質變化區間中所處的位置；

X3代表水質類別與功能區劃設定類別的比較結果。

綜合水質標識指數Iwq= X1·X2·X3·X4其中：

X1為河流總體的綜合水質類別；

X2代表監測數據在 X1類水質變化區間中所處的位置；

X3為參與綜合水質評價的水質指標中，劣于水環境功能區目標的單項指標個數；

X4為綜合水質類別與功能區劃設定類別的比較結果。

結果見表 2。從表中可以看出采用生物濾池單元可以使出水的綜合水質級別達到Ⅳ水質級別，出水再經過植物單元處理后綜合水質級別可以達到Ⅱ水質級別。以當地地表Ⅳ類水作為水環境功能區進行達標評價的依據（指標參見地表水環境質量Ⅳ類水體上述指標的標準 GB3838-2002），該深度組合處理工藝完全可以達到處理要求。

表2 深度處理單元綜合水質評價Table 2 Assessment of comprehensive water quality of advaced treatment unit

2.6 深度處理對溶解性有機物影響

利用熒光光譜儀（XRF-1800）對組合系統進、出水中溶解性有機物進行分析。從圖7可以看出：進水中溶解性有機質物分別在激發波長 310～360 nm，發射波長370～450 nm以及在激發波長240～270 nm和發射波長370～440 nm處有熒光峰出現，說明進水中溶解性有機物中含有類富里酸類有機物，而在經過生物濾池和植物系統處理后出水中熒光峰消失或變弱，說明城市尾水經過該組合工藝處理后，對水體中溶解性有機物質有很好的去除作用。

3 結論

研究中的間歇曝氣生物活性炭濾池與S型立體植物溝組合工藝對污水廠出水深度處理后，明顯降低了出水中銨態氮、COD、總磷、總氮等指標含量，且其單項指標除總氮外都達到了地表 III類水的標準，深度處理后出水總氮，總磷的去除率分別達到50%，70%以上。

應用綜合標識指數法對深度處理后的出水進行評價結果表明：單獨生物濾池單元處理后出水綜合水質標識指數在 5.632～3.510之間，平均綜合水質類別可以達到地表水Ⅳ標準；組合植物系統處理后，出水綜合標識指數在3.510～2.510之間，平均綜合出水水質可以達到地表Ⅱ類水質的要求。說明在試驗運行期間該深度組合工藝可以進一步提供出水水質，達到回補地表水四類水質的設計要求。

試驗后期出現硝態氮處理效率降低問題，一方面可以通過優化活性炭生物濾池中的各參數，如降低溶解氧，增加停留時間等措施強化脫氮效果；另一方面也可以通過植物系統的優化組合，以及改造植物浮床系統為濕地系統的途徑來強化硝態氮的去除作用。

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Advanced Treatment Technology for City Tail Water and Its Effects

CHANG Huiqing1,2, WANG Hao1
1. Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

In order to explore suitable, economic, and effective technical systems for purification and reuse of sewage treatment plant effluent for surface water resources, and provide the theoretical basis and technical support for region water environment health and security. This study took city sewage treatment plant effluent as study object and established a pilot combined system to treat the city tail water, the combined system including intermittent aeration biological activated carbon filter and S type stereo plant ditch. The system running for 129 days, Every certain number of days sampling to determination the nutrition parameters change of TN (total nitrogen), NH3-N (ammonium), TP (total phosphorus), COD, dissolved organic matter in the water inlet and outlet. In this study, the comprehensive water quality identification index method also was used to evaluation of water quality. The results showed that: the system reduced significantly the TN and TP mass concentration of the effluent during the test, the removal rate of TP reached 50%, and more than 70% of TN respectively, and TN mass concentration was maintained at below 10 mg·L-1, the minimum total nitrogen mass concentration was 2.6 mg·L-1. After plant further adsorption the total phosphorus mass concentration can be controlled below 0.2 mg·L-1. the comprehensive water quality identification index between 5.632～3.510, after the unit of biological filter water treated, and the average of comprehensive water quality reached the surface of the water category IV standard; after combination of plant system treatment, the integrated identification index reached between 3.510～2.510, average comprehensive effluent quality reached the surface of class II water quality requirements. The research results showed that the depth of the combination process could further improve the city sewage treatment plant effluent quality, achieved the reuse requirements of the water category IV standard.

city tail water; advanced treatment; activated carbon filter; plant system; reuse

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.013

X703

A

1674-5906（2015）03-0457-06

常會慶，王浩. 城市尾水深度處理工藝及效果研究[J]. 生態環境學報, 2015, 24(3): 457-462.

CHANG Huiqing, WANG Hao. Advanced Treatment Technology for City Tail Water and Its Effects [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 457-462.

中國科學院重大項目（KZCX1-YW-06-01）；中國科學院生態環境研究中心環境水質學國家重點實驗室開發基金項目（11K08ESPCR）；河南科技大學校基金項目（2013QN013）

常會慶（1974年生），男，博士，主要從事污染水體修復研究，E-mail: hqchang@126.com

2014-11-06