微動力組合式生物濾池與潛流式人工濕地聯合技術處理生活污水的試驗研究

陳 川 劉益華 鐘新平 劉潯

（廣東自遠環保股份有限公司廣東梅州514000）

微動力組合式生物濾池與潛流式人工濕地聯合技術處理生活污水的試驗研究

陳 川 劉益華 鐘新平 劉潯

（廣東自遠環保股份有限公司廣東梅州514000）

本文考察了微動力組合式生物濾池與潛流式人工濕地聯合工藝對嘉應學院生活污水的處理效果。結果表明，當進水水力負荷達到10 m3/（m2·d）時，濾池系統具有良好的處理效果，COD平均去除率為80%以上，COD去除效率穩定。同時通過更換濾池濾料，還可明顯增強氨氮、總磷的去除效果。后續搭配潛流人工濕地，出水可達到污水排放標準。

組合式生物濾池；濾床；水力負荷；生活污水；潛流式人工濕地

由于經濟發展和環境保護觀念的差異，農村地區生活污水治理設施建設長期滯后于城鎮地區。當前，環保基礎設施已成為國家新時期基建投資的重要組成部分，而與新農村建設密切相關的農村污水治理設施的建設也相繼納入各地“發展規劃”，這也為農村生活污水治理技術的創新與改進提供了市場動力。目前，尋求適應于農村地情的新型環保處理技術及設備已成為環保工程領域的重要方向，其中單位投資、處理效率、能耗比、運行管理既是農村污水治理建設需亟待解決的問題，同時也是新型技術關鍵性、針對性的研究熱點[1]。本文考察了一種改進型濾池聯合人工濕地工藝對一般生活污水的處理能力，該工藝以改進型多層生物濾池為核心，后續搭配人工濕地實現污水污染物去除。本試驗旨為該工藝的實際應用提供工藝研究數據和系統的設計方法[2]。

1 試驗裝置和方法

1.1 試驗概況及裝置

為便于試驗的運行及數據分析，試驗地點位于廣東省梅州市嘉應學院內。處理對象為院內幾棟學生公寓所排生活污水，試驗裝置最大設計處理能力為30m3/d。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖

試驗流程為：公寓所排污水經截流井，部分進入水解調節池，水質得到初步水解后，通過提升泵提升至微動力組合式生物濾池頂部配水區，經重力降通過濾床后進入水平潛流人工濕地，最終排入原污水管網。水解調節池內載組合填料，起到水解預處理及污水均質均量的功能；生物濾池為兩組一致的濾池結構；人工濕地采用脫氮除磷效果較優的水平潛流人工濕地。

1.2 試驗裝置說明及特征

1.2.1 水解調節池

地下鋼砼結構，設計有效容積為10m3，平面尺寸2.0×2.0m，深3.5米，組合填料6m3，容積負荷為0.36kg－BOD5/（m3·d），總停留時間8小時。采用潛水提升泵2臺，水泵放置在特殊過濾裝置中，保障進水雜質、纖維有效隔離。

1.2.2 微動力組合式生物濾池

濾床采用鋼結構框架，共兩座。下部為濾液收集池。每座濾床分為三列，分別依靠流量計獨立控制進水水量；承托層采用穿孔鍍鋅鋼板鍛造，共十層；濾框采用鏤空塑料籮筐，有效尺寸為564×379×233mm，每層每列設置2個濾框，具體安裝層數根據試驗要求進行調整。濾床每列上方設有獨立布水系統，濾床下方四周設有磚混結構收集池一座。兩座濾池收集池均設有回流泵一臺。濾床結構見圖2。兩座生物濾池獨立運行，單個濾框填料高度為160mm，選用濾料包括黏土陶粒、火山石、斜發沸石等，填裝方式包括單一填裝和混合填裝。正常工作下，生物濾池水力負荷在2-10 m3/（m2·d）之間。

1.2.3 潛流式人工濕地

濾液經收集池排放口排放至人工濕地。濕地首尾段均利用隔墻將濕地劃分為布水區、反應區、出水區，并形成首尾下進下出，反應區水流上升的水流格局。潛流人工濕地反應區平面尺寸為4.0×2.6m，深1.2米，有效容積約10m3。濕地基質采用復合式材料，由下至上分別為碎磚渣、水淬鋼渣、級配砂礫，內種美人蕉及再力花兩種濕地植物。

1.3 試驗原水水質及實驗方法

原水水質情況見表1

圖2 濾床結構示意圖

表1 進水水質情況

系統運行后針對各段進出水水質進行監測。水質檢測項目有溫度、COD、氨氮、TP、pH等。采樣頻率試驗初期為每日兩次，穩定期為一周一次。主要測定的方法見表2。

表2 檢測項目及測定方法

2 試驗結果與討論

本試驗重點考察生物濾池的運行過程。兩組濾池分別定義為A、B。其中各列濾床標記為A1、A2、A3、B1、B2、B3。其中A1、A2、A3各濾框放置多孔陶濾料，A1針對濾框層數（濾床高度）進行研究；A2重點研究棕衣同濾料的結合對水質的處理效果，可針對棕衣擺放位置、棕衣鋪放厚度、搭配濾料進行研究，該組濾框層數設置為6層；A3主要研究各種濾料或混合濾料對污染物的吸附降解特征，該組濾框層數可以設置為6層。

B1、B2、B3研究水力負荷、污水回流對污染物進一步降解的影響，特別是對氨氮的硝化反硝化作用影響。

2.1 濾框層數對污染去除效果的影響

A1列濾框填充多孔陶濾料，層數分別為8層、7層、6層、5層、4層，進水流量保持在200L/h，不開回流，通過系統穩定運行，并對水質進行跟蹤監測，得出水質污染物去除率隨系統層高變化如圖3所示。

圖3 濾框層數與污染物去除率關系

由圖可看出，濾池濾框層數對水質COD、氨氮的去除均有影響。隨著濾框層數上升，COD、氨氮去除率呈先上升后穩定的趨勢。這可能因為層數上升，濾池有效容積增大，污水在濾池中停留時間延長，使得有機物能夠充分與濾料表面生物膜接觸而產生更加的效果；但隨著層高進一步提高，COD去除率保持穩定不再增加。這可能與層數變高，進水攜帶的氧氣被消耗較快，下端濾框中生物膜活性下降有關。氨氮去除率較低，這與選用的濾料種類有關[3]。

2.2 棕衣對污染去除效果的影響

濾框底部出水可能出現濾液匯成細水柱，不利于下層濾框均與布水。因此本試驗考察了棕絲對濾液下降過程的布水均勻性和污染去除效果的關系。結果表明，濾框鋪設棕絲有利于濾框之間的布水分布均勻，使上層濾液與下層濾料生物膜更好的接觸，同時更分散的水滴更方便空氣中氧的傳遞。從處理效果分析，棕絲鋪在濾料上方，裁剪厚度5-8mm時，不易堵塞濾液，亦可攔截上方掉落的生物膜，且方便更換。從水樣數據分析可知，濾料上方鋪設棕絲，污水COD去除率平均上升7個百分點，氨氮效果不明顯。

2.3 濾料種類對污染去除效果的影響

圖4 濾料形式與污染物去除率關系

本試驗考察了三種濾料，分別為多孔黏土陶粒濾料、火山石、斜發沸石。各種濾料與污染物去除關聯見圖4。由圖可知，黏土陶濾因存在大量微型孔隙，比表面積大，有利于微生物附著，因此其生物膜往往易于生長，其COD平均去除效果優異，保持在80%以上。選用的火山石表面較光滑，生物膜掛膜情況不如陶粒，其COD去除率能達到75%左右，而其對總磷的去除效果較好，這與火山石構成組分易于吸附水中磷酸鹽，并與磷酸發生化學反應形成難溶磷酸鹽有關。斜發沸石顆粒較小，非常不利于掛膜，COD去除效果一般，其對氨氮的去除卻又先天的優良之處。此外將陶粒分別與火山石和沸石混合，發現陶粒與沸石的混合濾料在COD、氨氮、總磷三者方面皆具有較好的去除率，這也說明陶粒的掛膜性能好，針對低有機濃度污水效果穩定，而沸石容量也足以滿足一定階段低濃度氨氮污水的需求。不過沸石長期運行下會失活，需進行更換，這是沸石應用的局限。

2.4 水力負荷對污染去除效果的影響

B1、B2、B3三列考察不同水力負荷對污染去除效果的影響，如圖5所示。其中每列置放濾框6層，填充陶濾填料。水力負荷改變方式為調整進水流量，因此該考察內容也可作為容積負荷與污染物去除間影響的說明。

圖5 水力負荷與污染物去除率關系

由圖5可知，隨著水力負荷增加，COD去除率呈現先增加再降低的趨勢。當水力負荷小于7m3/m2·d時，COD隨水力負荷增加而增加，這是因為進水有機物濃度較低，水力負荷增加同時容積負荷增加，營養物質增多為濾料微生物生長提供了足夠的有機能源。水力負荷達到7m3/m2·d時，有機物去除率達到最高，對應處理規模為21m3/d。當水力負荷進一步增加，系統COD去除率有所降低。原因可能為水力負荷增加，有機物與生物膜接觸時間降低，水流速度加快可能引起生物膜的剝落，對有機物的吸收和吸附能力降低，因此COD去除效果降低。當達到30m3/d處理規模時，COD去除率能維持在71.2%，說明以陶粒為載體的濾池穩定性強，抗水力沖擊能力強。同比于傳統滴濾池2-4的水力負荷，該型號生物濾池可作為高負荷高通量生物濾池。

2.5 潛流人工濕地深度處理效果

2.5.1 對COD的去除效果

當系統穩定運行時，通過幾個月內對人工濕地進水（兩組生物濾池混合后排水）和出水的持續監測，結果表明人工濕地對低濃度有機物去除效果良好。濾池混排水平均COD濃度為30-80mg/L之間，9—11月份間出水COD平均去除率可達到55%以上，最高可達到80%；11-12月份外部氣溫及水溫下降致使COD去除率有所降低，但仍可以達到40%以上。聯合工藝出水COD濃度均能達到城鎮污水處理廠污染物排放標準一級A標準，說明該聯合工藝對生活污水有機污染物去除具有穩定、良好的效果。

2.5.2 對氨氮的去除效果

潛流人工濕地的水力布局可以使基質內部呈現良好的好氧、缺氧交替環境，具有一定的硝化反硝化作用。數據監測以來，潛流人工濕地在進水氨氮濃度10-25mg/L時，呈現良好的硝化功能，其平均去除率在60%以上，且9-11月份濕地去除率比后期要高。監測數據表示大部分時間段濕地出水均達到城鎮污水處理廠污染物排放標準二級標準，且大部分時間達到城鎮污水處理廠污染物排放標準一級B標準。

2.5.3 對TP的去除效果

人工濕地總磷的去除主要通過微生物系統的吸附降解、濕地植物的吸收、濕地基質的吸附及化學作用等實現。該濕地基質采用了除磷效果佳的基質水淬鋼渣，富含的鈣、鎂、鋁等金屬成分，對磷酸鹽的去除有較好的效果。此外選用的濕地植物耐污和凈化能力強，對總磷去除發揮了重要作用。經監測，系統可以達到城鎮污水處理廠污染物排放標準一級B標準，但對其穩定性、持續性及處理效率還需進一步研究。

3 結論

3.1 采用組合式生物濾池和人工濕地聯合工藝處理農村生活污水是完全可行的，其有機物去除的高效穩定性可以滿足一般農村污水的治理需求，氨氮也可通過更換填料、回流，強化濕地硝化功能等方式增加去除率，而總磷去除率可通過增加火山石、鋼渣等易于磷酸鹽發生化學反應的礦物質來提升；

3.2 該組合生物濾池水力負荷可以達到10m3/m2·d，高通量可有效增加單位面積處理水量，即減小設施占地面積，同時可降低單位水量能耗，非常適合于農村地區；3.3該組合濾池結構簡單，可根據處理規模實現模塊化

圖3 主體收運路線圖

3.結論及建議

文中介紹了南川區城鄉生活垃圾收運系統建設的大致方向，從垃圾產量預測、收運模式選取、中轉站規模設定，到收運路線設置。對于該區或其他區縣生活垃圾收運系統的建設，提出以下建議：

（1）垃圾中轉站的選址必須考慮到交通便利，且與服務鄉鎮相隔距離不能較遠；

（2）隨著交通情況的不斷改善，垃圾收運路線應隨之優化調整；

（3）對于交通欠發達區縣，收運路線布局應更廣和增加收運站數量；

（4）對于地理位置或人口分布比較集中的某幾個鄉鎮，可合并為一個鎮收集站，減少成本，便于轉運；

（5）對于遠郊鄉鎮的農村，暫時不提倡全面垃圾分類。

[1]榮宏偉，曹勇鋒，等.農村生活垃圾轉運技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2014.