“IBR+VFCW”聯(lián)合工藝處理小城鎮(zhèn)生活污水應(yīng)用研究

曹飛華

(深圳市碧園環(huán)保技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518028)

“IBR+VFCW”聯(lián)合工藝處理小城鎮(zhèn)生活污水應(yīng)用研究

曹飛華

(深圳市碧園環(huán)保技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518028)

摘要：介紹了“IBR+VFCW”聯(lián)合工藝，并運(yùn)用該工藝對(duì)小城鎮(zhèn)生活污水進(jìn)行了處理試驗(yàn)研究。IBR集中了生化反應(yīng)與沉淀功能于一池中，能有效去除顆粒有機(jī)物和部分溶解性有機(jī)物，防止VFCW堵塞；VFCW具有獨(dú)特的填料結(jié)構(gòu)和布水模式，能夠達(dá)到較高的水力負(fù)荷，充分地發(fā)揮了濕地系統(tǒng)降解污染物的能力。試驗(yàn)結(jié)果表明：“IBR+VFCW”聯(lián)合工藝對(duì)小城鎮(zhèn)生活污水具有較強(qiáng)的處理能力，當(dāng)進(jìn)水中COD、NH3-N、TP的平均質(zhì)量濃度分別為177.3mg/L、40.3 mg/L、4.8mg/L時(shí)，各污染物平均去除率分別達(dá)到77.8%、89.6%、90.2%，出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)的二級(jí)生物處理工藝。

關(guān)鍵詞：一體化生化反應(yīng)池(IBR)；垂直流人工濕地(VFCW)；生活污水；污水處理；小城鎮(zhèn)

0引言

近年來(lái)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及新型城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)小城鎮(zhèn)的建設(shè)發(fā)展速度和容納的人口迅速增長(zhǎng)，隨之而來(lái)的是生活污水排放量呈逐年遞增趨勢(shì)。目前小城鎮(zhèn)污水處理率很低，缺乏配套的污水處理設(shè)施，分散排放的污水成為村鎮(zhèn)水體污染的重要原因之一，解決小城鎮(zhèn)生活污水污染問(wèn)題顯得尤為緊迫和重要。

小城鎮(zhèn)與城市相比，具有居住分散，經(jīng)濟(jì)實(shí)力弱，污水日排放量小，水質(zhì)波動(dòng)大，缺乏運(yùn)行管理專業(yè)技術(shù)人員，土地資源較豐富等特點(diǎn)。近年來(lái)，人工濕地污水處理系統(tǒng)以其高效、低耗、低運(yùn)行成本的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在小城鎮(zhèn)污水處理中得到了廣泛的應(yīng)用，取得了比較好的效果[1]。由于單純的人工濕地工藝存在占地面積過(guò)大，秋冬季節(jié)運(yùn)行效率下降，不耐沖擊負(fù)荷等問(wèn)題，因此迫切需要一種技術(shù)先進(jìn)可靠、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能、管理簡(jiǎn)便的預(yù)處理系統(tǒng)與人工濕地組成聯(lián)合工藝[2]，使污染負(fù)荷在預(yù)處理系統(tǒng)與人工濕地系統(tǒng)間合理分配，從而降低運(yùn)行成本，減少人工濕地占地面積，穩(wěn)定出水水質(zhì)。

本研究針對(duì)小城鎮(zhèn)污水的特點(diǎn)，提出了“IBR(即一體化生化反應(yīng)池，Integration of Biochemical Rreactor;稱)+VFCW(即垂直流人工濕地，Vertical Flow Constructed Wetlands VFCW)”聯(lián)合工藝，IBR集中了生化反應(yīng)與沉淀于一池中，可有效去除顆粒有機(jī)物和部分溶解有機(jī)物，防止VFCW堵塞；VFCW具有獨(dú)特的填料結(jié)構(gòu)和間歇式布水方式，間歇布水使填料層具有良好的氧轉(zhuǎn)移特性，干濕交替的運(yùn)行方式，既可以使微生物、填料、植物根系與污水的接觸更加充分，能夠達(dá)到較高的水力負(fù)荷，充分地發(fā)揮濕地系統(tǒng)降解污染物的能力；又有利于濕地填料層滲濾速率的恢復(fù)，延長(zhǎng)了VFCW的使用年限[3]。試驗(yàn)結(jié)果表明，“IBR+VFCW”聯(lián)合工藝對(duì)小城鎮(zhèn)生活污水具有較強(qiáng)的處理能力，占地面積相對(duì)較小，對(duì)水質(zhì)、水量變化適應(yīng)性強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該聯(lián)合工藝滿足了小城鎮(zhèn)生活污水“三低一高”(低基建費(fèi)用、低運(yùn)行費(fèi)用、低維持技術(shù)、高處理效率)的技術(shù)要求。

1試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)場(chǎng)地為江門鶴城鎮(zhèn)污水處理廠，采用“IBR+VFCW”聯(lián)合處理工藝，處理規(guī)模為3000 m3/d，占地面積7500 m2，其中VFCW占地6000m2。試驗(yàn)時(shí)間從2013年2月—2014年10月，歷時(shí)21個(gè)月，啟動(dòng)階段3個(gè)月，穩(wěn)定運(yùn)行階段18個(gè)月。圖1為工藝流程。

(1)IBR。為雙層圓形鋼筋混凝土構(gòu)筑物，直徑20.0m。外圈為寬3.0m的環(huán)形活性污泥池，分為混合段、兼氧段、曝氣段，水深4.4m，HRT為4h；污泥負(fù)荷為0.25 kgBOD/kg MLSS·d，曝氣氣水比為1∶6；內(nèi)圈為輻流式沉淀池，直徑14.0m，水深4.0m，表面負(fù)荷1.0m3/m2·h；安裝有中心橋式刮吸泥機(jī)。

(2)VFCW。試驗(yàn)人工濕地長(zhǎng)150.0 m，寬40.0m，填料層厚1.2m，人工濕地共分為4塊，每塊面積為1500m2，采用PLC控制自動(dòng)分塊布水。濕地中的填料為多層級(jí)配填料和部分特殊填料(專利產(chǎn)品)，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定填料平均孔隙率為39%。濕地植物有美人蕉、風(fēng)車草、蘆葦、再力花等，種植密度為8株/m2，每株3～6根，所有濕地植物均經(jīng)過(guò)馴化已適應(yīng)高污染水環(huán)境。

1.2試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)用水為鶴城鎮(zhèn)居民生活污水，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)極值及均值見表1。

1.3分析項(xiàng)目和方法

水質(zhì)分析項(xiàng)目有COD、NH3-N、TP、pH值、SS等。水質(zhì)分析方法按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》進(jìn)行[4]。

2結(jié)果和討論

2.1COD去除

聯(lián)合處理工藝在試驗(yàn)運(yùn)行期間進(jìn)出水COD質(zhì)量濃度變化情況見圖2。

由圖2可知，聯(lián)合工藝的COD出水平均質(zhì)量濃度為39.3mg/L，平均去除率為77.8%。其中冬季出水的COD值較高，平均為45.6mg/L，其他季節(jié)出水COD平均為31.7mg/L。

聯(lián)合工藝通過(guò)物理截留、生物吸附和生物降解的途徑去除有機(jī)物。原水中大量顆粒物質(zhì)(有機(jī)和無(wú)機(jī)顆粒)和可溶性有機(jī)物被IBR系統(tǒng)內(nèi)的活性污泥截留，在較短的時(shí)間內(nèi)有機(jī)物被吸附和分解，防止了顆粒污染物堵塞濕地；部分難降解有機(jī)物也被微生物分解成小分子易降解物質(zhì)，為后續(xù)人工濕地進(jìn)一步處理創(chuàng)造條件。VFCW特有的自上而下的水流方式及布水模式，使大氣中的氧氣能在布水間歇期通過(guò)孔隙進(jìn)入濕地內(nèi)部，保持填料具有良好的氧轉(zhuǎn)移特性，同時(shí)人工濕地植物大多數(shù)根系發(fā)育于濕地表面的淺層60cm內(nèi)的區(qū)域，在濕地表層形成一個(gè)墊層，有利于捕獲氧氣，降解有機(jī)物，充分發(fā)揮濕地降解污染物的潛力。

盡管試驗(yàn)期間進(jìn)水COD濃度波動(dòng)較大，但聯(lián)合工藝的出水COD濃度穩(wěn)定，表明該聯(lián)合工藝具有較強(qiáng)的耐負(fù)荷沖擊能力。在進(jìn)水污染物濃度較高或冬季溫度降低，植物收割進(jìn)入休眠期和濕地填料層內(nèi)微生物活性降低的情況下，通過(guò)提高IBR系統(tǒng)的曝氣量與曝氣時(shí)間，可有效調(diào)節(jié)有機(jī)物的去除率，使進(jìn)入VFCW系統(tǒng)的COD濃度保持在可以承受的范圍；而在進(jìn)水污染物濃度偏低或溫度較高、人工濕地處理效率高的季節(jié)，在保證出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，適當(dāng)降低IBR系統(tǒng)的曝氣量與曝氣時(shí)間，提升人工濕地的污染物負(fù)荷，可以降低運(yùn)行費(fèi)用。通過(guò)靈活變換聯(lián)合工藝運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)了污染負(fù)荷在IBR系統(tǒng)和人工濕地系統(tǒng)間的合理分配，有效降低了運(yùn)行成本，穩(wěn)定了出水水質(zhì)。

2.2氨氮去除

聯(lián)合工藝在試驗(yàn)運(yùn)行期間進(jìn)出水NH3-N質(zhì)量濃度變化情況見圖3。由圖3可見，聯(lián)合工藝系統(tǒng)出水NH3-N平均質(zhì)量濃度為4.2mg/L，其中冬春季為4.6mg/L，夏秋季為3.8mg/L，平均去除率為89.6% ，其中一體化池單元平均去除率為68.3%，VFCW單元平均去除率為56.5%，聯(lián)合工藝系統(tǒng)出水NH3-N濃度隨季節(jié)變化幅度較大。出水NH3-N濃度從12月開始逐步升高，一直到次年三四月份，盡管三四月份氣溫已回升，濕地植物開始發(fā)芽，出水的COD值已趨于下降，但出水NH3-N濃度有明顯的滯后性，間接說(shuō)明硝化菌相比其他微生物對(duì)溫度更敏感[5]。

運(yùn)行期間，IBR系統(tǒng)出水NH3-N濃度有比較明顯的下降，說(shuō)明IBR系統(tǒng)作為變形的短程活性污泥法工藝，即使在較低曝氣量和水力停留時(shí)間的情況下，依然具有良好的NH3-N去除率。

VFCW去除NH3-N的效果較好，這與VFCW的流態(tài)和內(nèi)部填料結(jié)構(gòu)有關(guān)。首先，VFCW的水流方向?yàn)閺纳舷蛳拢鬯谐渥愕臅r(shí)間與填料充分接觸，有利于延長(zhǎng)硝化細(xì)菌的作用時(shí)間；其次，同時(shí)通過(guò)控制布水頻率和時(shí)間，內(nèi)部結(jié)構(gòu)使污水反復(fù)進(jìn)行好氧-兼氧/厭氧狀態(tài)，有利于加強(qiáng)硝化細(xì)菌的處理能力，有利于土壤中微生物去除NH3-N。

2.3TP去除

聯(lián)合工藝試運(yùn)行期間進(jìn)出水TP質(zhì)量濃度變化情況見圖4。由圖4可見，試驗(yàn)期間進(jìn)水TP質(zhì)量濃度的變化范圍為2.2～ 7.8mg/L。聯(lián)合工藝出水TP質(zhì)量濃度隨季節(jié)變化幅度不大，與進(jìn)水TP濃度高度聯(lián)動(dòng)，平均為0.48mg/L，平均去除率為90.2% 。

運(yùn)行期間，IBR單元出水TP平均為2.52mg/L，平均去除率為51.8%，去除率較常規(guī)的活性污泥法為低，這是出于提高有機(jī)物處理效率和降低運(yùn)行成本的考慮，在運(yùn)行中提高了污泥濃度，減少了出泥量，使IBR系統(tǒng)的活性污泥經(jīng)常出現(xiàn)污泥老化現(xiàn)象，造成微生物過(guò)量吸收的磷被重新釋放回水體。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，VFCW對(duì)磷具有較強(qiáng)的去除效果，濕地出水保持在較低的水平，說(shuō)明試驗(yàn)采用的多層混合結(jié)構(gòu)填料除磷效果較好。人工濕地對(duì)磷的去除是通過(guò)微生物、植物和基質(zhì)等協(xié)同作用完成的[6]。物理化學(xué)作用包括填料對(duì)磷的吸附及填料與磷酸根離子的化學(xué)反應(yīng)，VFCW填料中的沸石及火山石不僅具有巨大的比表面積[7]，而且成分中含的Ca和Fe，可與污水中溶解性的磷酸鹽作用生成不溶解性的磷酸鈣鹽，因而除磷效果較好。磷是生物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，污水中的磷流經(jīng)人工濕地時(shí)被濕地植物及微生物作為營(yíng)養(yǎng)成分直接吸收，將無(wú)機(jī)磷變成了微生物和植物的組成部分，最后通過(guò)濕地填料的定期更換或栽培植物的收割而最終使磷從系統(tǒng)中去除。

3結(jié)論

(1)“IBR+VFCW”聯(lián)合工藝系統(tǒng)在試驗(yàn)期間，當(dāng)進(jìn)水中COD、NH3-N、TP的平均質(zhì)量濃度分別為177.3mg/L、40.3mg/L、4.8 mg/L時(shí)，各污染物平均去除率分別達(dá)到77.8%、89.6%、90.2% ，出水水質(zhì)優(yōu)于傳統(tǒng)的二級(jí)生物處理工藝。

(2)IBR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，管理簡(jiǎn)便，可以根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和季節(jié)變化，通過(guò)調(diào)節(jié)停留時(shí)間、曝氣量、曝氣時(shí)間等參數(shù)，靈活分配進(jìn)入VFCW系統(tǒng)的污染負(fù)荷，充分利用垂直流人工濕地的污染物處理能力，達(dá)到降低運(yùn)行成本的目的。

(3)VFCW優(yōu)化了傳統(tǒng)人工濕地的水流流態(tài)。污水在VFCW填料層內(nèi)進(jìn)行垂直流動(dòng)，使污水與濕地系統(tǒng)中的上中下各層的微生物、根系和基質(zhì)接觸，充分發(fā)揮了濕地系統(tǒng)降解污染物的能力。同時(shí)由于污水從表層向下滲透，填料層起到了部分過(guò)濾作用，大部分懸浮物被截留在了表層，通過(guò)適當(dāng)?shù)那灞泶胧梢苑浅Ｈ菀谆謴?fù)濕地的過(guò)水能力，有效解決了困擾濕地長(zhǎng)期運(yùn)行的堵塞問(wèn)題。

(4)本試驗(yàn)研究的“IBR+VFCW”聯(lián)合工藝技術(shù)先進(jìn)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，經(jīng)濟(jì)節(jié)能，操作、管理、維護(hù)簡(jiǎn)便，對(duì)水量、水質(zhì)沖擊負(fù)荷適應(yīng)性很強(qiáng)，可在小城鎮(zhèn)污水處理領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]李羚.人工濕地處理技術(shù)及其在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀和對(duì)策[J].現(xiàn)代城市研究，2004，12(3)：33-39.

[2] 席俊秀，謝協(xié)忠.污水濕地處理工藝中存在的問(wèn)題及對(duì)策[J].中國(guó)給水排水，2003，19(12)：90-91.

[3] 雷志洪，戴廣知.等高效復(fù)合垂直流人工濕地系統(tǒng)處理效果與污水回用工程[J]. 給水排水，2002 ，28(9)：22-24.

[4] 國(guó)家環(huán)保局．水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M]．北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1998：252-268．

[5] 張榮，李廣賀.潛流人工濕地負(fù)荷變化對(duì)脫氮效果的影響研究[J].環(huán)境科學(xué)，2006，27(2):253-256.

[6] 葉建鋒，徐祖信.模擬鋼渣垂直潛流人工濕地的除磷性能分析[J].中國(guó)給水排水，2006，22(9):62-68.

[7] 盧少勇，桂萌.人工濕地中沸石和土壤的氮吸附與再生試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，22(11):64-68.

Research on Combined Treatment Process “IBR&VFCW” in the

Small Town Sewage Treatment

CAO Fei-hua

(Shenzhen Biyuan Environmental Protection Technology Limited Company, Shenzhen Guangdong 518028, China)

Abstract：A combined technology of Integration of Biochemical Reactor (IBR) and Vertical Flow Constructed Wetland (VFCW) was presented and applied to the experimental study in the small town domestic sewage treatment. The IBR combines the biochemical reaction and precipitation tank in one pool. It can remove the organic particle andsome dissolved organic matter to prevent VFCW from jamming. VFCW has a unique packing structure, water distribution model, and a higher hydraulic load. Then it gives a full processing capacity to degrade the pollutants in the wetland system. The experiment showed that the IBR&VFCW technology was excellent in the treatment of domestic sewage in the small town. When the concentration of COD, NH3-N, and TP in influent were 177.3mg/L, 40.3mg/L, and 4.8mg/L respectively, the corresponding removal rates were 77.8%, 89.6%, and 90.2%.The water quality of effluent of IBR&VFCW is better than that of traditional bio-treatment technology．

Key words：integration of biochemical reactor; vertical flow constructed wetland; domestic sewage; wastewater treatment; small town

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-9655(2015)04-0072-04

收稿日期：2015-01-04