低成本污水處理組合工藝中試研究

付馨烈

摘要：研究了厭氧系統、一級穩定表流濕地（SSFW）、一級潛流人工濕地（SFCW）構成的低成本污水處理組合工藝對生活污水在進水流量為5、15、30m³/d的條件下的處理效果。結果表明：在3種進水條件下，工程出水均能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GB18918—2002一級標準的B標準；當進水流量為5m³/d的條件下，工程對COD、NH₃、TN、和TP的處理效果最佳，去除率均值為79.27%、93.09%、82.38%、90.88%和89.25%；SSFW在COD、NH₃-N、TN、SS和TP的去除中起主要作用；在進水濃度改變的情況下，SFCW均能保障穩定出水水質，表明工程穩定性好，抗沖擊負荷強。

關鍵詞：低成本；污水處理組合工藝；進水流量；穩定表流濕地；潛流人工濕地

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2016）06-0016-06

1 引言

水作為一種不可或缺的資源是人類社會生存和發展的物質基礎，隨著人口的不斷增長和社會經濟的飛速發展，水資源短缺和水環境的惡化已經成為全球性的問題。雖然我國的淡水資源很豐富，但是人均水資源已不足全球人均水資源的1/4，是全球人均水資源最貧乏的國家之一，并且水資源的布局分布不均，水土資源時空分布不匹配，緊缺的水資源已成為我國社會和經濟可持續發展的重大問題。隨著我國農村經濟水平和生活水平的不斷發展與提高，大量的農村生活污水經過簡單處理或未經處理就隨意排放進入河流、空地、滲入地下，嚴重污染河水和地下水，危及農村地區和河流沿岸飲用水供水安全。目前，我國農村生活污水排放量每年大約為85億t左右，并有不斷增加的趨勢。但目前農村污水處理工作難度大，存在著如分布面積廣、資金短缺、環保意識落后、技術管理水平較低、缺乏適合我國農村地區實際情況的生活污水處理工藝等許多問題。針對廣大農村地區，王成端教授提出了適用于分散式污水的低成本處理技術。

本次試驗選取修建于四川理工學院黃嶺校區分散式污水處理技術集成與示范工程：厭氧凈化+穩定表流濕地（stable surface f10W wetland，SSFW）+水平潛流濕地（subsurface floW constructed wetland，SFCW）工藝研究。這種組合式工藝具有系統不易堵塞，能長期穩定運行，對生活污水中的COD、NH₃、TN、和TP具有較高處理效率，出水水質好、無臭味、濁度低的優點，該工藝能夠充分利用各種地形，結構相對簡單，建設費用、設備費用以及維護運行成本低，具有較強的適應能力和抗沖擊能力，不易堵塞，運行周期長等特點，能有效提高出水水質，特別適合推廣到農村等偏遠地區和資金匱乏的地區。本次中式試驗為分散式污水處理技術的集成與推廣應用和優化設計提供了科學依據。

2 試驗部分

2.1 試驗系統

試驗工程分為集水池、厭氧池、穩定表流濕地（SS-FW）、跌水曝氣裝置、潛流人工濕地（SFCW）等，均由混凝土構成，并且做了防滲處理：集水池尺寸為L×W×H=6m×3m×1.5m，有效水深為1.2m，超高0.3m，厭氧池尺寸為L×W×H=6m×3m×3m，有效水深為2.8m，超高0.2m；穩定表流人工濕地（SSFW）尺寸為L×W×H=19m×9.5m×1.5，坡度I=0.05，有效水深1m，超高0.5m，基質深度分別為0.3m的礫石層和陶泥層0.2m，跌水曝氣裝置為高度H=0.8m、斜度為60的斜面；潛流人工濕地尺寸為L×W×H=12m×8m×1.2m，有效水深為0.7m，礫石層0.4m，陶泥層0.4m。SSFW進水方式為集中進水；礫石Φ10～40mm，陶泥Φ10～20mm；穩定表流濕地所種的植物為大藻，蘆葦，花葉蘆竹，梭魚草，再力花；潛流人工濕地所種植物為風車草，美人蕉，千屈菜。試驗工程系統剖視如圖1所示。

2.2 進水水質及主要參數

試驗用水均取自四川理工學院黃嶺校區學生宿舍及食堂生活污水，生活污水經過調節池后進入厭氧池，再由厭氧池進入SSFW處理后，最后進入SFCW處理后進入下水道。經過厭氧池處理后的出水水質指標分別為COD（98～263mg/L），NH₃-N（26～89mg/L），TN（49～94mg/L），TP（1.1～4.5mg/L），SS（106～273mg/L）系統采用連續進水，連續出水的方式，試運行1周；對水質進行監測，進行結果分析。筆者對工程進行了水力負荷為5、15和30m³/d的測定，調試最大工程處理水力負荷條件。

2.3 檢測方法

監測選擇的主要分析指標為COD、NH₃-N、TN、SS和TP。依照《水和廢水監測分析方法》第4版，COD：標準重鉻酸鉀滴定法（GB 11901-1989）；TN：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度計法（GB 11894-1989）；NH₃-N：納氏試劑分光光度法；SS：重量法（GB11901-89）；TP：鉬酸銨分光光度法（GB 11893-1989）。

3 結果與討論

3.1 工程整體去除效果的研究

對不同周期的水樣進行監測，得到工程進水流量分別為5、15和30m³/d工程出水水質及其相應去除率的統計，見表1。

由表1可以得出進水流量為5m³/d，COD的進水平均濃度為177.4mg/L，NH₃-N、TN、TP和SS的進水濃度均值分別為78.97mg/L、89.03mg/L、3.35mg/L和180.3mg/L，工程COD、NH₃-N、TN、TP和SS出水濃度均值分別為36.86mg/L、5.48mg/L、15.66mg/L、0.36mg/L和16.41mg/L；當進水流量為15m³/d，COD、NH₃-N、TN、TP和SS的進水濃度均值分別為167.81mg/L、51.61mg/L、62.18mg/L、2.53mg/L和175.10mg/L，工程COD、NH₃-N、TN、TP和SS出水濃度均值分別為17.53mg/L、46.27mg/L、6.41mg/L、O.50mg/L和17.46mg/L；當進水流量為30m³/d，COD、NH₃-N、TN、TP和SS的進水濃度均值分別為190.74mg/L、54.96mg/L、64.72mg/L、2.34mg/L和198.60mg/L，工程COD、NH₃-N、TN、TP和SS出水濃度均值分別為50.58mg/L、8.03mg/L、18.4mg/L、0.81mg/L和18.95mg/L。由表可知當工程進水濃度分別為5、15和30m³/d時，工程出水水質均能達到GB18918-2002一級B標。

進水流量為5m³/d時，SSFW對COD、NH₃-N、TN、TP和SS的平均去除率為58.87%、63.35%、59.77%、82.82%和80.56%；SFCW對應的平均去除率分別為49.87%、79.69%、56.18%、41.25%和53%；而工程整體對COD、NH₃-N、TN、TP和SS的平均去除率分別為79.27%、93.09%、82.38%、89.25%和90.88%。進水流量為15m³/d時，SSFW對COD、NH₃-N、TN、TP和SS的平均去除率為35.78%、50.79%、30.17%、52.45%和72.25%；SFCW對應的平均去除率分別為46.27%、74.45%、59.45%、56.83%和61.10%；而工程整體對COD、NH₃-N、TN、TP和SS的平均去除率分別為69.03%、87.47%、71.78%、80.06%和89.10%。

進水流量為30m³/d時，SSFW對COD、NH₃-N、TN、TP和SS的平均去除率為49.91%、47.86%、32.59%、23.60%和71.54%；SFCW對應的平均去除率分別為44.64%、68.49%、56.81%、47.35%和64.18%；工程整體對COD、NH₃-N、TN、TP和SS的平均去除率分別為72.40%、83.37%、70.87%、58.32%和89.66%。當進水流量逐漸增大時，SSFW的對于COD、NH₃-N、TN、TP和SS去除率有所減小，而SFCW對于COD、NH₃-N、TN、TP和S>S卻有所增大。

從表中可以看出工程對COD的去除主要集中在第一級穩定表流濕地（SSFW），SSFW利用物理、化學和生物的方式將污水中的不溶性有機顆粒吸附降解在其中，這可以在很大程度上減輕工程在第二級（潛流人工濕地）在處理污水時的堵塞情況，試驗證明工程出水水質良好，水質穩定。當污水中的不溶性有機顆粒將濕地基質之間的縫隙填滿且系統分解的速率小于吸附沉降速率時，就會造成堵塞。

3.2 工程對COD去除的研究

工程試運行后，系統及各單元在分別在v=5、15和30m³/d流量下進出水COD濃度變化圖，如圖2所示。

當進水流量v=5m³/d時，COD進水濃度為164～189mg/L，SSFW的出水COD濃度為66.9～82.9mg/L，SFCW的出水COD濃度為33.2～59mg/L；進水流量v=15ma/d時，COD進水濃度為98～262mg/L，SS-FW的出水COD濃度為75～155mg/L，SFCW的出水COD濃度為37～53.6mg/L；進水流量v=30m³/d時，COD進水濃度為118～256mg/L，SSFW的出水COD濃度為71.2～126mg/L，SFCW的出水COD濃度為46.1～57.7mg/L。分析對比圖2可得出：工程對進水的有機物有良好的去除效果，當進水流量為5m³/d時，工程對COD的去除效果最好；對于進水流量分別為5、15和30m³/d時，工程對COD的去除率均值分別為79.27%、69.03%和72.40%；對于COD的去除主要集中在SSFW，隨著流量的增加，SSFW的去除率有所下降低后又增大；SFCW的出水COD濃度有所增高但都較穩定，說明工程抗沖擊性強，具有較高水力負荷，去除效果好。

由于進水流量為5m³/d時，工程水力負荷低，SS-FW和SFCW的微生物將水中的有機物經過較充分的氧化分解合成能量和自生物質；加之SSFW的擋板增加了水流的曲折性和水流路徑，確保了水流與填料的充分接觸，使水中的有機物更能被填料的微生物吸附、吸收和分解；隨著挺水植物的快速生長，植物的根系越發龐大，不僅為不同水深的微生物生長提供附著面，還通過光合作用釋放氧，從而在不同水深和離根區不同距離的地方營造更適合好氧和厭氧微生物生長的微環境；SSFW和SFCW中礫石層和懸浮陶泥填料也為微生物生長和有機物的攔截、吸附提供了足夠大的表面積，從而有利于有機物的去除。

3.3 工程對NH₃-N和TN去除的研究

如圖3和圖4所示，NH₃-N和TN進出水濃度變化情況。當進水流量v=5m³/d時，NH₃-N進水濃度為71.4～89.24mg/L，SSFW的出水NH₃-N濃度為15.6～39.6mg/L，SFCW的出水NH₃-N濃度為3.1～7.8mg/L；當進水流量v=15m³/d時，NH₃-N進水濃度為43.31～58.45mg/L，SSFW的出水NH₃-N濃度為22.10～28.90mg/L，SFCW的出水NH₃-N濃度為6.10～6.65mg/L；當進水流量v=30m³/d時，NH₃-N進水濃度為26.22～78.11mg/L，SSFW的出水NH₃-N濃度為18.4～33.40mg/L，SFCW的出水NH₃-N濃度為6.6～12.7mg/L。分析對比圖3得出：工程對進水NH₃-N有良好的去除效果，當進水流量為v=5m³/d時，工程對NH₃-N的去除效果最好，其次是v=15m³/d，再次是v=30m³/d出水水質最好；SSFW對NH₃-N的去除貢獻最大；工程在不同NH₃-N濃度進水條件下，SSFW出水水質穩定，說明工程對NH₃-N去除穩定性好。

當進水流量v=5m³/d時，NH₃-N進水濃度為82.09～94.26mg/L，SSFW的出水NH₃-N濃度為29～39.8mg/L，SFCW的出水NH₃-N濃度為13.5～19.3mg/L；當進水流量v=15m³/d時，NH₃-N進水濃度為57.99～66.88mg/L，SSFW的出水NH₃-N濃度為36.4～47.6mg/L，SFCW的出水NH₃-N濃度為16.2～18.6mg/L；當進水流量v=30m³/d時，NH₃-N進水濃度為49.75～77.85mg/L，SSFW的出水NH₃-N濃度為33.95～49.7mg/L，SFCW的出水NH₃-N濃度為15.6～19.8mg/L。分析對比圖4得出：工程對進水TN有良好的去除效果，進水流量v=5m³/d時去除效果最好，其次是v=30m³/d，再次為v=15m³/d；隨著流量的增大，SSFW對TN的去除貢獻減小，而SFCW對去除TN的貢獻增大；工程在不同TN濃度進水條件下，SFCW出水水質較穩定，說明工程對TN去除穩定性好。

氮的去處主要作用機理分為硝化作用和反硝化作用，植物吸收也起到一定的作用。污水經過SSFW配水區后通過跌水曝氣裝置進入處理區，在此過程中增加了污水中的溶氧量，處理區中種植的挺水植物正處于快速生長階段根系龐大，通過光合作用植物根系對氧的傳遞釋放，在根區周圍形成了有利于消化作用的好氧微區；在根區較遠的厭氧區含有充足可供反硝化細菌可利用的碳源，這為反硝化作用提供了物質基礎；由于試驗時期處于4、5、6月，環境溫度范圍為20～35℃，這為硝化、反硝化作用提供了適宜的溫度，有利于硝化和反硝化；同時，快速生長的植物也需要各種營養物質來促進生長，尤其對硝酸鹽具有吸收作用；所以SSFW在進水v=5m³/d時對TN的去除率最高，但隨著進水流量的增大，植物對硝酸鹽的吸收速率有著最大上限，這在一定層度上限限制了SSFW對TN去除；SSFW的出水流經具有表面積較大、高度較高且斜面凹凸不平的跌水曝氣裝置，增加了污水中氧的含量，為SFCW硝化去除剩余的NH₃-N提供了良好條件；由于SFCW中的水位處于填料層以下和植物根系的制約，這造成了SFCW在橫向和縱向不同程度地形成有氧、缺氧和無氧區域，有利于硝化和反硝化細菌的共生；大部分NH₃-N經過SSFW硝化和部分NH₃-N經過SFCW硝化后，為SFCW中植物對硝酸鹽的吸收和SFCW中反硝化細菌的反硝化提供了保障，為工程在進水流量增大后對TN保持較高去除率提供了基礎。

3.4 工程對TP去除的研究

如圖5所示，工程的TP進出水濃度變化情況。當進水流量v=5m³/d時，TP進水濃度為2.29～4.52mg/L，SSFW的出水TP濃度為0.02～1.07mg/L，SF-CW的出水TP濃度為0.01～0.95mg/L；當進水流量v=5m³/d時，TP進水濃度為2.11～2.84mg/L，SS-FW的出水TP濃度為1.02～1.33mg/L，SFCW的出水TP濃度為0.41～0.62mg/L；當進水流量v=30m³/d時，TP進水濃度為1.18～4.32mg/L，SSFW的出水TP濃度為0.95～3.12mg/L，SFCW的出水TP濃度為0.51～1.0mg/L。分析對比圖5可知：工程對進水TP有良好的去除效果，當進水流量為v=5m³/d時，工程對TP的去除效果最好，出水水質最好；隨著流量的增加，SSFW對TP的去除率下降，出水TP濃度增高；SFCW對TP的去除率在v=15m³/d時最高，在v=5m³/d時最低；在v=30m³/d時，進水波動較大，工程出水穩定，說明工程穩定性好。

多數研究表明：在人工濕地中，磷可以通過基質的吸附，過濾和各種磷酸鹽的沉淀作用以及植物的吸收和微生物的同化作用去除。由于微生物和的生長受到PH值、溫度、溶解氧、有機質等的影響，在靠微生物和植物除磷效果有限，對磷的去除主要是基質的吸附沉淀作用。污水中的磷通過SSFW和SFCW中的礫石層被吸附和化學沉淀作用而被去除；SSFW和SFCW添加的懸浮陶泥球不僅增加基質與污水接觸的比表面積，也可以固定挺水植物，讓植物的根系能夠充分接觸污水吸收和同化其中的磷；SSFW的折流設計也增加了污水經過處理區時的跌水增氧效益；加之試驗期間適宜微生物和植物生長的溫度，這對磷的去除有一定的益處。濃度為1.18～4.32mg/L，SSFW的出水SS濃度為46～62mg/L，SFCW的出水SS濃度為18.2～20mg/L。分析對比圖6可知：工程對SS有良好的去除效果，在進水流量為5、15和30m³/d條件下去除率均值分別為90.88%、89.10%和89.66%。在進水流量v=5m³/d時，工程對SS的去除效果最好；SSFW對SS的去除中起了主要作用，在進水濃度改變條件下，SSFW也具有較穩定的出水；隨著進水流量的增加，SFCW對SS的去除效果也增加，出水濃度有所增高。

3.5 工程對SS去除的研究

如圖6所示，工程的SS進出水濃度變化情況。當進水流量v=5mm³/d時，SS進水濃度為169～197mg/L，SSFW的出水SS濃度為31～39.5mg/L，SFCW的出水SS濃度為16～17.2mg/L；當進水流量v=15m³/d時，SS進水濃度為138～273mg/L，SSFW的出水SS濃度為106～273mg/L，SFCW的出水SS濃度為17.2～18.1mg/L；當進水流量v=30m³/d時，SS進水

SSFW增加了水流的曲折性和水流路徑，配水區種植根系發達的大藻和處理區種植根系龐大的挺水植物對SS有很好的攔截、絮凝和沉降作用；SSFW中植物根系、懸浮陶泥和礫石基質不僅自身可以攔截、沉降懸浮物，也為微生物菌膠團形成微生物膜提供了表面和基礎，使得懸浮物更容易被微生物膜吸收和吸附，使得SSFW在工程對SS去除過程中占主要作用，防止了后續SFCW堵塞的情況。隨著進水流量的增大SSFW對SS的去除速率有一定的上限，導致了隨著進水流量的增大，SSFW去除率有所降低；隨著進水流量的增大，工程出水仍能達標排放，SFCW中根系發達的挺水植物、大量的懸浮陶泥和礫石基質起了不可替代的作用。

4 結語

在進水流量為5、15和30m³/d中，工程出水水質均能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》GBl8918—2002一級標準的B標準；當進水流量為5m³/d時，工程對于COD、NH₃-N、TN、TP和SS的除去效果最佳；工程利用自然落差和水的重力作用，增加了水中溶解氧，有利于COD、NH₃-N、TP和TN的去除；SSFW在去除COD、NH₃-N、TP和SS過程中起了主要作用，為后續SFCW處理污水防止堵塞起了保障作用；工程中所添加的懸浮陶泥球的生物膜作用、化學作用和物理作用對COD、NH₃-N、TN、TP和SS的去除起了非常重要的作用；SSFW和SFCW穩定的出水說明工程具有良好的抗沖擊負荷、適應性強等優點；工程還具有工藝簡單、投資少、運行穩定、操作簡單、運行費用低等優勢。適合廣大的農村地區推廣和使用。