農村分散生活污水的AO濾池與人工濕地組合處理工藝及資源化再利用

陶昱明，孫 蕓，徐佳瑩，趙鳴秋，楊小麗，宋海亮

(1.南京市給排水工程設計院有限公司，江蘇南京 210002；2.東南大學土木工程學院，江蘇南京 211189；3.南京師范大學環境學院，江蘇南京 210023)

隨著經濟的快速發展，我國農村生活污水排放量日益增加，生活污水處理仍以去除有機物及氮、磷為主要目標[1]。既往的農村污水資源化利用往往停留在污水處理后的尾水回用，未能將污水處理過程與資源化利用相耦合，真正實現生物生態耦合，造成部分氮、磷資源的流失與浪費。氮、磷過量是導致水體富營養化的主要成因，同時氮、磷元素也是植物體內蛋白質、核酸、磷脂和某些生長激素的重要組分[2]。其中，銨態氮和硝態氮是其生長發育過程中主要的氮源。植物可吸收氮素，在多種酶的作用下合成多種可被利用的氨基酸[3]。另外，植物類型對銨態氮和硝態氮的吸收比例也存在顯著差異[4-5]。因此，針對性地根據人工濕地供試植物對氮素的不同需求，調節控制出水氮素的硝銨比，不僅可以完成氮素資源回用，還可以實現污水的深度處理[6-7]。

本研究提出將污水處理過程與資源化利用相耦合，構建了由厭氧/好氧(AO)濾池-人工濕地組合的農村生活污水資源化系統，污水流經A濾池、O濾池處理后，將有機態氮轉變為人工濕地供試植物所需的不同無機態氮，使出水具有不同的硝銨比；利用植物對不同氮素的吸收偏好及其吸收能力，優化人工濕地供試植物搭配與種植比，促進人工濕地中植物吸收利用和生長，提升人工濕地生物降解能力的同時實現污染物資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗流程及裝置

研究周期為2019年8月—2020年5月，分為野外現場試驗和室內植物氮素吸收偏好試驗兩階段。野外現場試驗條件即自然環境條件，溫度為戶外自然環境溫度，現場O濾池的DO含量控制在1.4 mg/L；室內植物氮素吸收偏好試驗控制室溫為25 ℃。

試驗流程由A濾池-O濾池-人工濕地組合而成，如圖1所示。進水箱內的污水首先由蠕動泵打入A濾池，A濾池內水流方向自下向上，將污水中有機氮無機化為植物易于吸收的無機態氮；A濾池置于鐵架上，略高于O濾池，其出水自重流入O濾池，O濾池水流方向自上向下，通過調控運行參數，使其出水水質具有不同的硝銨比；O濾池出水進入水平潛流人工濕地，通過種植適宜植物實現資源化利用及深度處理。

圖1 試驗流程圖Fig.1 Test Flow Chart

試驗裝置由有機玻璃制成，其中，A濾池直徑為30 cm，濾料高度為60 cm；O濾池直徑為30 cm，填料高為80 cm。兩濾池內由下至上依次為承托層、填料層，其中承托層鋪設φ15.0～25.0 mm的鵝卵石，厚度為10 cm，填料層采用φ5.0～8.0 mm的陶粒。人工濕地尺寸為1 m×0.2 m×0.3 m，濕地內填料層由下至上依次為碎磚塊、陶粒及土壤。

1.2 試驗水質

試驗進水水質如表1所示。

表1 進水水質Tab.1 Influent Water Quality

1.3 人工濕地供試植物

在構建人工濕地系統的過程中，植物的合理配置非常關鍵[8]。結合農村生活污水特征與農民生產生活需求，選取最為適用的8種植物：水芹(OenanthejavanicaD.C.)、生菜(Lactucasativavar.ramosaHort.)、韭菜(A.tuberosumRottl.exSpreng.)、番茄(LycopersiconesculentumMiller)、油麥菜(Lactucasativavarlongifoliaf.Lam)、小葉茼蒿(Chrysanthemumcoronarium)、菠菜(SpinaciaoleraceaL.)和空心菜(IpomoeaaquaticaForssk.)。

1.4 分析項目及方法

2 結果與討論

2.1 AO組合濾池啟動與水力負荷影響

2.1.1 組合濾池啟動

表2 啟動階段組合濾池中COD與的變化情況Tab.2 Variation of COD and in AO Filter during Start-Up Stage

2.1.2 水力負荷對組合濾池氮素形態轉化的影響

圖2 水力負荷對組合濾池中不同氮素轉化的影響Fig.2 Effect of Hydraulic Loading on Different Nitrogen Transformation in AO Filter

2.1.3 水力負荷對組合濾池有機物去除的影響

水力負荷直接影響濾池生物膜的生長和污染物的去除效果。本試驗設置5組不同水力負荷，探究水力負荷對組合濾池中COD濃度的影響，調節方式及水力負荷梯度與水力負荷對氮素轉化影響試驗相同，結果如圖3所示。

圖3 水力負荷對組合濾池中COD濃度的影響Fig.3 Effect of Hydraulic Loading on COD Concentration in AO Filter

試驗期間，A濾池進水CODCr為138.6～238.6 mg/L，出水CODCr為94.2～164.4 mg/L。COD去除率隨著水力負荷的增大而減小，且水力負荷增幅越大，COD去除率下降得越快。分析認為，O濾池主要是將難降解的有機物轉化成易降解的小分子有機物，并不是徹底將有機物降解[11]，在較小的水力負荷下，微生物對有機物的降解作用趨于穩定；但是，水力負荷從1.70 m3/(m2·d)增加到4.25 m3/(m2·d)的過程中，對應的水力停留時間從5 h減少到2 h，COD去除率下降較快的主要原因為水力停留時間的減少致使濾池微生物與污水中的有機物接觸時間縮短，不利于生物降解。

O濾池進水CODCr為94.2～164.4 mg/L，出水CODCr為48.6～87.4 mg/L。隨著水力負荷的增加，COD去除率在小幅上升后開始下降。分析認為，盡管較高的水力負荷有利于提高DO水平、促進生物膜更新，但當水力負荷過高時，有機物負荷也相應增加，生物接觸時間縮短，進而造成有機物去除率下降。因此，為滿足有機物的去除，水力負荷不宜過大或過小。

2.1.4 組合濾池水力負荷的確定

組合濾池的主要功能在于有機氮無機化和氨氮硝化，同時兼有一定的COD去除效果。綜合考慮反應器處理效能，確定A濾池較為適宜的水力負荷為2.12 m3/(m2·d)。 在此條件下，當O濾池水力負荷分別為1.70、2.12 m3/(m2·d)和4.25 m3/(m2·d)時， 對應出水硝銨比分別約為2∶1、1∶1和1∶2。此時，不同水力負荷下均取得了較好的COD去除效果，對應的COD去除率分別為49.5%、55.9%和38.3%。

2.2 人工濕地供試植物對氮素的吸收特性及優化組合

研究發現，植株對不同氮素的吸收偏好可分為3類：喜硝、喜銨、硝銨均衡類。總體來說，4種喜硝植物生菜、水芹、韭菜、番茄中，水芹、生菜對硝銨吸收能力優于番茄、韭菜；3種喜銨植物小葉茼蒿、空心菜、菠菜中，空心菜對硝銨的吸收能力最為突出；油麥菜對硝銨吸收偏好較為平衡且整體吸收水平較低。

表3 8種植物對不同氮素的吸收情況Tab.3 Comparison of Nitrogen Absorption by Eight Plants

2.3 組合工藝對污染物的去除效果

控制A濾池水力負荷為2.12 m3/(m2·d)，O濾池水力負荷分別為4.25、2.12、1.70 m3/(m2·d)，調控組合濾池出水不同硝銨比，出水進入人工濕地，濕地水力負荷為0.24 m3/(m2·d)，對應HRT為24 h。濕地中選擇組合栽培對硝銨吸收能力最佳的水芹-生菜，根據這2種植物的氮素吸收偏好，確定濕地內適宜的種植比例為水芹∶生菜=3∶2。

2.3.1 組合工藝出水效果

不同O濾池水力負荷下，組合工藝對污染物的平均去除效果如圖4所示。

圖4 組合工藝各單元中污染物的去除效果Fig.4 Pollutants Removal in Combined Anaerobic Filter-Aerobic Filter and Constructed Wetland

2.3.2 不同工藝單元氮素的轉化過程

圖5 不同工藝單元氮素分布Fig.5 Distribution of Nitrogen in Different Units of the Processes

3 結論

(1)AO組合濾池的主要功能在于利用有機氮無機化和氨氮硝化的氮素形態轉化，促進后續濕地植物的生長與利用，同時兼有一定的有機物去除效果。不同水力負荷對AO組合濾池中的氮素形態轉化具有較大影響，隨著O濾池水力負荷的增加，硝銨比逐漸降低。

(2)8種常見經濟型植物對不同氮素的吸收偏好及吸收能力的研究發現，生菜、水芹、韭菜、番茄為喜硝類植物，小葉茼蒿、空心菜、菠菜為喜銨類植物，油麥菜屬硝銨吸收平衡類；根據植株的硝銨吸收偏好與生長特性，可進行濕地植株的種植搭配優選，進而在促進植物生長的同時，提升組合系統生物降解效能。

(3)調控AO組合濾池A濾池水力負荷為2.12 m3/(m2·d)，HRT=4 h；O濾池水力負荷為1.7 m3/(m2·d)，HRT=6.5 h，O濾池的DO含量控制在1.4 mg/L左右；其中，濾池承托層鋪設φ15.0～25.0 mm的鵝卵石，填料層采用φ5.0～8.0 mm的陶粒。組合濾池出水硝銨比達2∶1，出水流入種植喜硝植物水芹-生菜的人工濕地，組合系統不僅實現了氮、磷的資源化利用，還強化了污染物的去除，出水水質穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，且滿足《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2005)標準，可有效實現農村污水的資源化利用。