回收塑料填料厭氧濾池/人工濕地處理農村生活污水的研究*

徐興愿 唐智洋 紀榮平

(揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

回收塑料填料厭氧濾池/人工濕地處理農村生活污水的研究*

徐興愿 唐智洋 紀榮平

(揚州大學環境科學與工程學院，江蘇 揚州 225127)

采用以回收塑料為填料的厭氧濾池與人工濕地這一組合工藝對農村生活污水進行處理，研究其性能特點和脫氮除磷效果。結果表明：在厭氧濾池水力停留時間(HRT)為6h，人工濕地水力負荷為0.12m3/(m2·d)，氣水比(體積比)為6∶1條件下，該組合工藝對COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分別為84.99%、69.31%、65.11%、73.58%，平均出水質量濃度分別為20.44、6.82、12.53、1.00mg/L，均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級B標準，其中COD和TN平均出水濃度還滿足一級A標準。

農村生活污水 回收塑料 厭氧濾池 人工濕地

Abstract: The combined process of recycled plastics anaerobic filter and constructed wetland for the treatment of rural sewage was used to study the performance characteristics and the effect of nitrogen and phosphorus removal. The operating parameters were set as hydraulic retention time (HRT) of 6 h in the anaerobic filter,hydraulic load of 0.12 m3/(m2·d) in the constructed wetland and air-water ratio (volume ratio) of 6∶1. Under these operation conditions,the average removal efficiencies of COD,ammonia nitrogen,TN and TP were 84.99%,69.31%,65.11% and 73.58%,and their average concentrations in effluent were 20.44,6.82,12.53 and 1.00 mg/L,respectively,meeting the 1B standard of “Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant” (GB 18918-2002),while COD and TN also met the 1A standard.

Keywords: rural sewage； recycled plastics； anaerobic filter； constructed wetland

近年來，城鎮生活污水處理逐步完善，相比城鎮而言，農村生活污水缺乏良好的收集以及處理系統，已經嚴重影響到農村環境[1-3]。但由于農村地區經濟基礎薄弱，人才匱乏，人們對污水治理觀念淡薄，制約了農村生活污水處理的進展[4-6]。農村生活污水較為分散，集中處理難度高，并且日夜變化較大[7-8]。因此，針對農村生活污水的特點，并結合農村的社會環境條件考慮，厭氧濾池/人工濕地組合工藝適合用于處理農村生活污水[9-11]。該組合工藝是由厭氧濾池和垂直潛流人工濕地串聯而成。厭氧濾池屬于預處理單元，進水中的大分子有機物水解成小分子有機物顆粒，預先降低有機物濃度，以減輕人工濕地的處理負荷[12-13]。人工濕地可進一步降低有機物、氮和磷的濃度，同時進行供氧，以提高對氮、磷的去除率[14-17]。本研究在此組合工藝的基礎上，選用回收塑料作為填料，并將回收塑料與實驗室常用的懸浮填料球進行對比試驗，從而驗證該填料的可行性，并在保證出水達標的前提下，探索適合該組合工藝的運行參數。此研究能為厭氧濾池/人工濕地處理農村生活污水的工程化推廣提供一定依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

圖1為厭氧濾池/人工濕地示意圖。農村生活污水通過蠕動泵打入厭氧濾池底部，水流向上流動，經過填料以及填料上生長的生物膜處理后，依靠蠕動泵打入人工濕地中，再經過人工濕地中植物以及基質的層層處理，最后出水。

1—蠕動泵；2—閥門；3—曝氣機；4—玻璃轉子流量計；5—曝氣頭；6—填料；7—泥土層；8—粗砂層；9—碎石層；10—礫石層圖1 厭氧濾池/人工濕地示意圖Fig.1 Schematic diagram of anaerobic filter/constructed wetland process

試驗裝置分為兩組，一組以回收塑料為填料，另一組以懸浮填料球為填料，除填料不同外，兩組試驗其他參數均相同。厭氧濾池為圓柱形池體，由有機玻璃制成，池體內徑130 mm，高度800 mm，填料高度600 mm，填料參數見表1。人工濕地為垂直流人工濕地，規格為0.6 m×0.6 m×1 m，內部有4層，自上而下為泥土層、粗砂層、碎石層和礫石層，其中泥土層高200 mm，粗砂層高200 mm，碎石層高300 mm，礫石層高200 mm，人工濕地內密植香蒲(Typhadavidiana)，在距離人工濕地土壤表面400 mm處布設2個曝氣頭。

1.2 測定方法

COD采用重鉻酸鉀法測定；TN采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定；氨氮采用納氏試劑光度法測定；TP采用鉬酸銨分光光度法測定；污泥沉降比(SV)采用沉降法測定；混合液懸浮固體(MLSS)采用重量法測定；溶解氧(DO)采用HD30d型DO儀測定；pH采用PSH-3C型pH計測定。

1.3 試驗方法

厭氧濾池的掛膜啟動方式分為低負荷啟動與高負荷啟動。經測試，高負荷啟動方式的掛膜效果不太理想，因此本研究改用低負荷啟動方式。從揚州六圩污水處理廠采集厭氧污泥作為接種污泥，測得SV為83%(體積分數)，MLSS為13 300 mg/L。試驗

用水取自揚州大學揚子津東校區4號樓生活區，其水質指標見表2，可用以模擬農村生活污水。投加接種污泥后，先間歇通入試驗用水，待填料上附著少量生物膜后開始連續進水，控制進水MLSS為3 000～4 000 mg/L。

兩組試驗裝置運行1個月后，對COD的去除率均達到60%以上，并且相對穩定，此時觀察到填料表面均有黑色絮狀物包裹，認為掛膜完成。掛膜成功后連續進水并確定以回收塑料為填料的厭氧濾池(以懸浮填料球作對比)的最佳運行工況，結合相關規范和工程實際，設置3種工況，其水力停留時間(HRT)分別為12、6、3 h，每種工況依次運行1周，比較COD、TP、TN和氨氮出水濃度和去除率。

2 分析與討論

2.1 回收塑料作為填料的可行性試驗

回收塑料和懸浮填料球的填充比均為60%，試驗運行1～7 d時，HRT設置為12 h；8～14 d時，HRT設置為6 h；15～21 d時，HRT設置為3 h。不同HRT下，厭氧濾池對COD、TN和TP的去除效果依次如圖2至圖4所示。

由圖2可以看出：HRT為12 h時，以回收塑料為填料的厭氧濾池(記為厭氧濾池Ⅰ)的COD平均出水質量濃度為66.23 mg/L，平均去除率為69.72%；以懸浮填料球為填料的厭氧濾池(記為厭氧濾池Ⅱ)的COD平均出水質量濃度為61.30 mg/L，平均去除率為72.33%。HRT為6 h時，厭氧濾池Ⅰ的COD平均出水質量濃度為65.01 mg/L，平均去除率為62.84%；厭氧濾池Ⅱ的COD平均出水質量濃度為57.03 mg/L，平均去除率為67.16%。HRT從12 h降至6 h后，兩種厭氧濾池對COD的去除效果相差不大。當HRT進一步下降至3 h時，厭氧濾池Ⅰ的COD平均出水質量濃度為96.32 mg/L，平均去除率為59.60%；厭氧濾池Ⅱ的COD平均出水質量濃度為85.44 mg/L，平均去除率為65.62%。可見，厭氧濾池Ⅰ與厭氧濾池Ⅱ對COD的去除效果均較好。

表1 填料參數

表2 試驗用水水質指標

注：出水(回收塑料)、出水(懸浮填料球)分別表示以回收塑料和懸浮填料球為填料時，某水質指標(COD、TN、TP)的平均出水質量濃度；去除率(回收塑料)、去除率(懸浮填料球)分別表示以回收塑料和懸浮填料球為填料時，某水質指標(COD、TN、TP)的平均去除率。圖3、圖4同。

圖2不同HRT下厭氧濾池的COD去除效果比較
Fig.2 Comparison of COD removal effect of anaerobic filters under different HRT

圖3 不同HRT下厭氧濾池的TN去除效果比較Fig.3 Comparison of TN removal effect of anaerobic filters under different HRT

由圖3可以看出：HRT為12 h時，厭氧濾池Ⅰ和厭氧濾池Ⅱ的TN平均去除率分別為7.75%、10.41%；HRT為6 h時，厭氧濾池Ⅰ和厭氧濾池Ⅱ的TN平均去除率分別為10.37%、8.25%；HRT為3 h時，厭氧濾池Ⅰ和厭氧濾池Ⅱ的TN平均去除率分別為9.11%、9.40%。可見，厭氧濾池Ⅰ與厭氧濾池Ⅱ對TN的處理效果均較差，這是因為試驗用水中的硝態氮和亞硝態氮含量不高。

圖4 不同HRT下厭氧濾池的TP去除效果比較Fig.4 Comparison of TP removal effect of anaerobic filters under different HRT

一般情況下，生物除磷主要依靠聚磷菌的超量吸磷反應，但該反應主要在好氧條件下發生。因此，在厭氧濾池中TP的去除主要依賴填料而不是聚磷菌。填料本身對TP有吸附作用，可以去除少量的磷。由圖4可知，厭氧濾池Ⅱ對TP的平均去除率高于厭氧濾池Ⅰ，這是由于懸浮填料球比表面積明顯大于回收塑料造成的。

總體上看，以回收塑料作為厭氧濾池填料是可行的。

2.2 組合工藝試驗

2.2.1 HRT的影響

厭氧濾池(以下均采用回收塑料填料)/人工濕地連續運行時，控制人工濕地水力負荷為0.12 m3/(m2·d)，厭氧濾池HRT分別為12、6、3 h，其對COD、TP、氨氮和TN的平均去除率如表3所示。在HRT為12、6 h的工況下，出水COD平均濃度能夠滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準(限值為50 mg/L)，COD平均去除率穩定，基本在80%以上，說明該組合工藝對于COD的去除效果較好。

由于厭氧濾池的預處理難以去除TP，因此TP的去除主要依靠人工濕地的作用。HRT為12、6 h的工況下，TP平均去除率較穩定，保持在35%左右；HRT縮短為3 h時，TP平均出水濃度高于平均進水濃度，因此HRT不宜小于3 h。TP平均出水濃度均高于GB 18918—2002一級B標準(限值為1 mg/L)，因此需要對厭氧濾池/人工濕地進行優化，以提高TP去除率。

表3 不同HRT下厭氧濾池/人工濕地對COD、TP、氨氮和TN的去除效果1)

注：1)表中出水質量濃度與去除率均以平均值計。

氨氮平均去除率不高，平均出水濃度均高于GB 18918—2002一級B標準(限值為8 mg/L)。氨氮的去除主要在人工濕地中發生，依賴硝化菌在好氧條件進行硝化作用，因此需要對人工濕地曝氣來增加DO濃度，從而提高氨氮去除效果。

HRT分別為6、12 h時，TN平均出水濃度均接近GB 18918—2002一級B標準(限值為20 mg/L)，平均去除率分別為35.32%、41.53%。

綜合考慮4項水質指標的去除效果，選擇6 h為適宜HRT。

2.2.2 氣水比的影響

為了探究不同氣水比對厭氧濾池/人工濕地去除效果的影響，設置人工濕地氣水比(體積比)分別為3∶1、6∶1和12∶1，采用間歇曝氣的方式(試驗運行1～7 d時，氣水比設置為3∶1；8～14 d時，氣水比設置為6∶1；15～21 d時，氣水比設置為12∶1)，并且選擇在HRT為6 h的工況下運行。COD、TP、氨氮和TN的出水濃度和去除率如圖5至圖8所示。

由圖5可以看出，在HRT為6 h的工況下，雖然氣水比發生改變，COD出水濃度均滿足GB 18918—2002一級A標準。當氣水比為6∶1時，平均出水質量濃度為20.44mg/L，平均去除率為84.99%。

圖5 不同氣水比下厭氧濾池/人工濕地對COD的去除效果Fig.5 The removal effect of COD of anaerobic filter/constructed wetland under different gas-water ratios

圖6 不同氣水比下厭氧濾池/人工濕地對TP的去除效果Fig.6 The removal effect of TP of anaerobic filter/constructed wetland under different gas-water ratios

圖7 不同氣水比下厭氧濾池/人工濕地對氨氮的去除效果Fig.7 The removal effect of ammonia nitrogen of anaerobic filter/constructed wetland under different gas-water ratios

圖8 不同氣水比下厭氧濾池/人工濕地對TN的去除效果Fig.8 The removal effect of TN of anaerobic filter/constructed wetland under different gas-water ratios

對比表3和圖6可以看出：不曝氣的情況下，TP平均去除率只有33.15%；低曝氣(氣水比3∶1)時，TP平均去除率上升至63.91%，但出水濃度仍然不能滿足GB 18918—2002一級B標準；中曝氣(氣水比6∶1)時，TP平均去除率為73.58%，平均出水質量濃度為1.00 mg/L，基本能夠滿足GB 18918—2002一級B標準；高曝氣(氣水比12∶1)時，TP平均去除率為82.04%，平均出水質量濃度為0.70 mg/L，滿足GB 18918—2002一級B標準。綜上，人工濕地DO濃度對TP去除有重要影響，曝氣后的TP平均去除率可達曝氣前的2倍，并且隨著氣水比增加，TP平均去除率不斷上升。人工濕地除磷主要是通過基質、微生物和植物的協同作用，通過過濾、吸收、沉淀和離子交換等作用實現對水中磷酸鹽的去除；同時植物根系的分泌物可以促進嗜磷菌生長，嗜磷菌屬好氧菌，提高DO濃度可以促進嗜磷菌進行超量吸磷，有效提高磷的去除率。

由圖7可以看出，氨氮平均去除率隨著氣水比的增加而上升。人工濕地DO濃度升高，促使硝化菌活性增強，氨氮更容易經硝化作用生成硝態氮和亞硝態氮。曝氣前，氨氮平均去除率為25.18%(見表3)；低曝氣時，氨氮平均去除率上升至62.02%；中曝氣時，氨氮平均去除率為69.31%，平均出水質量濃度為6.82 mg/L，滿足GB 18918—2002一級B標準；高曝氣時，氨氮平均去除率為72.25%，出水質量濃度也在8 mg/L以下，滿足GB 18918—2002一級B標準。

由圖8可以看出：低曝氣時，TN平均去除率為46.95%，平均出水質量濃度為23.92 mg/L；中曝氣時，TN平均去除率為65.11%，出水平均質量濃度為12.53 mg/L，滿足GB 18918—2002一級A標準(限值為15 mg/L)；高曝氣時，TN平均去除率為59.97%，平均出水質量濃度為14.71 mg/L，滿足GB 18918—2002一級A標準。高曝氣時的TN去除效果不及中曝氣，可能是由于高曝氣時DO濃度過高，抑制了反硝化反應。

可見，氨氮和TP的平均去除率都是隨著氣水比的增加而升高。氨氮平均去除率升高是因為硝化菌在好氧情況下更為活躍。TP平均去除率升高一方面因為聚磷菌活躍；另一方面，人工濕地中TP的主要去除方式是化學作用，依靠基質對含磷物質的吸收，其中最重要的是配位交換反應，Fe3+可與磷絡合成穩定的化合物，但在厭氧條件下，Fe3+發生還原反應生成Fe2+，原本穩定的化合物被破壞，磷可能被重新釋放出來。

3 結 論

(1) 采用回收塑料作為厭氧濾池的填料是可行的。

(2) 回收塑料作為填料的厭氧濾池與人工濕地組合運行的最佳HRT為6 h。

(3) 厭氧濾池HRT為6 h，人工濕地水力負荷為0.12 m3/(m2·d)，氣水比為6∶1的條件下，厭氧濾池/人工濕地對COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分別為84.99%、69.31%、65.11%、73.58%，平均出水質量濃度分別為20.44、6.82、12.53、1.00 mg/L，均滿足GB 18918—2002一級B標準，其中COD和TN平均出水濃度還滿足GB 18918—2002一級A標準。

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Recycledplasticsanaerobicfilter/constructedwetlandforruralsewagetreatment

XUXingyuan,TANGZhiyang,JIRongping.

(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225127)

徐興愿，男，1993年生，碩士研究生，研究方向為水污染控制研究。

*“十二五”農村領域國家科技支撐計劃課題(No.2012BAJ24B06)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.006

2016-04-25)