自充氧層疊生物濾床在農村生活污水處理中的應用研究

王睿，張亮，譚映宇，邵衛偉，李亞，馮鵬飛，郭鵬，黃煒剛

(1.浙江省生態環境科學設計研究院，杭州 310007；2.浙江環科環境研究院有限公司，杭州 310007；3.浙江省生態環境低碳發展中心，杭州 310007)

1 研究背景

針對農村生活污水處理技術的研究，國外相對起步較早。其中常用的有“FILTER”(非爾脫)污水處理技術、土壤滲濾技術、人工濕地技術、生物膜技術、穩定塘技術和凈化槽技術等。“FILTER”污水處理技術的關鍵點在于利用污水進行農業灌溉，使污染物質成為農作物的營養物質。土壤滲濾技術是通過具有特殊表面構造的土壤毛管系統滲濾池來凈化污水。人工濕地技術是通過填料、植物和微生物三者的協同作用逐級過濾和吸收污水中的污染物。生物膜技術是通過附著在填料載體表面的微生物不斷富集形成生物膜吸附和降解污水中的污染物。穩定塘技術是基于菌藻共生的協同作用來去除污水中的污染物和病原體。凈化槽是一種組合了物理、化學和生物等全工藝流程的一體化集成污水處理技術，小則5 人型大則2000 人型的多變處理規模使其廣泛適用于分散式生活污水處理。

我國農村生活污水處理技術的研究是從20 世紀80 年代逐步開始的，許多形式各異的無動力或微動力一體化污水處理裝置得到了一定程度的應用，但其處理效果和長久耐用性不夠理想。近年來，隨著國家經濟實力的增強，農村生活污水的治理越來越受到重視。一些經濟相對發達的省份，已開始采用一些實用、合理、能耗低、運行費用少的技術來處理生活污水，主要有厭氧沼氣池、穩定塘、人工濕地、土壤滲濾和凈化槽等。浙江省農村眾多，具有規模小、集聚散、地形雜等特點，農村生活污水也具有分布廣、來源多、污水量增長快等特征。考慮浙江省農村的分布狀況、經濟水平、技術力量等實際因素，因地制宜研究適用的農村生活污水處理技術，對于解決目前農村生活污水污染問題顯得十分緊迫。

2 研究試驗及方法

2.1 工藝流程及原水水質

本研究運用“自充氧層疊生物濾床”作為核心技術，來處理浙西平原地區苕溪流域中游集中收集的農村生活污水，本工程設計處理水量為20t/d，進水原水水質如表1 所示。

表1 農村生活污水原水水質 單位:mg/L

所選用的污水處理終端包括前端過濾格柵井、用于厭氧處理的集水調節池、上下分層的自充氧層疊生物濾床和潛流人工濕地的耦合系統。生活污水首先流經格柵井，一些大型固體垃圾被阻截過濾，而后進入集水調節池進行厭氧處理，主要目的是將大顆粒有機物進行分解及厭氧釋磷，提高污水的可生化性，為后續處理創造良好的先決條件。經集水調節池處理后出水進入自充氧層疊生物濾床，進行有機物去除及脫氮除磷，最終滿足標準排入周邊環境。具體工藝流程如圖1 所示。

圖1 自充氧層疊生物濾床—潛流人工濕地耦合工藝流程圖

2.2 技術參數及優化設計

生物濾床技術原理類似于人工濕地技術，但是傳統生物濾床存在所能承受的污染及水力負荷相對較低、對于水量水質波動較大的污水抗沖擊性較弱、占地面積較大等諸多缺陷。本研究針對以上問題，對生物濾床的結構進行了全面優化，提出了以“層疊生物濾床”為核心處理工藝的農村生活污水處理集成技術，采用多層層疊結構(本研究為兩層)，不僅增大了該技術所能承受的污染和水力負荷，而且增加了污水的流經路徑以延長水力停留時間，減少了系統的占地面積。其結構設計如圖2 所示。

圖2 自充氧層疊生物濾床工藝優化結構設計示意圖

圖2 中進水為前端集水調節池來水，通過提升泵進入自充氧層疊生物濾床上層填料層表面的均勻布水系統，通過垂直流均勻布水，在濾床上層底部通過管網統一匯集后從左端進入濾床下層，并以水平潛流的方式均勻地流經下層填料層至其右端出水口。出水管道位于濾床下層右端填料層以下近表面處，層疊結構將水平潛流和垂直潛流相融合，濾床內均裝填有水處理填料基質，上下層填料層表面均種植水生植物。

本研究設計了獨特的自充氧通風管網系統。位于濾床上層的通風管網由水平進風管網和垂直拔風管網構成，每根橫向進風管均水平設置于上層濾床底部，其末端伸出床體并與外部空氣連通，且在濾床內部彼此聯通形成管網系統。每根豎向拔風管均相隔一定距離垂直設置于濾床填料層中，其下部底端與對應位置的橫向進風管相連通，上部頂端高出濾床填料層表面與外部空氣連通，且拔風管壁上均采用多孔微孔型設計。該通風系統基于隧道型空氣擴散裝置原理設計，配合濾床的特殊層疊結構，使濾床內外的空氣形成一定的溫度和密度差，從而在豎向拔風管內形成一定的負壓，空氣由橫向進風管進入后，經豎向拔風管流出。豎向拔風管壁上的多孔微孔型特殊結構設計，一方面可以與填料間隙內的空氣形成無阻式的對流交換，另一方面避免填料進入通風系統造成堵塞。濾床上層形成好氧微環境，下層則形成兼氧微環境，整體促進濾床的硝化和反硝化作用，增強對氮的去除。

自充氧層疊生物濾床在結構確定的情況下，其主要通過濾床填料和水生植物兩部分基質來凈化污水。目前諸多對于生物濾床的研究結果表明，多種本地屬植物搭配混種對污染物的去除效果要優于每種植物單種，且生物量越大其對污水中氮、磷等污染物的去除率也越高。本研究設計在相同進水和通風條件下，將原有的自充氧層疊生物濾床沿水流方向用隔墻從中間平均分為兩套平行系統，左右兩側床體均填充經煅燒處理后的石灰石填料，上層和下層均根據不同粒徑從上至下平均分為3 層鋪設，粒徑從上至下依次增大，分別為3mm～5mm、10mm～12mm 和18mm～20mm。對于填料表層水生植物的選擇則采取了兩種不同的植物配置，其中左側系統a 種植美人蕉、菖蒲和黑麥草，右側系統b 種植花葉蘆竹、千屈菜和梭魚草，兩側系統植物盡量合理密植且種植密度相當。工程現場處理設施實體如圖3 所示。

圖3 自充氧層疊生物濾床現場工程實體圖

工程處理設施結構、工程設計參數及設備材料配置如表2 所示。

表2 工程處理設施一覽表

2.3 監測項目及分析方法

通入農村生活污水并穩定運行30 天后，開始對工程中兩套平行系統進出水的CODCr、NH+4-N、TP 和TN 四項主要水質指標濃度進行長期監測，監測時期為夏季6 月至9 月，平均氣溫為29.89℃，水樣采集檢測頻率為每2 周3 次。檢測方法如表3 所示。

表3 檢測水質指標及其檢測方法

水質指標檢測中應用到的主要儀器如表4所示。

表4 主要檢測儀器

水質指標檢測中應用到的主要試劑如表5所示。

表5 主要檢測試劑

續表

3 試驗結果及討論

自充氧層疊生物濾床現場工程穩定運行后，對工程中兩套平行系統進出水的CODCr、-N、TP 和TN 開展持續監測，取穩定運行后前100 天的監測數據進行整理，并對每項水質指標的濃度及其去除率進行分析，其結果如下。

3.1 CODCr處理效果分析

自充氧層疊生物濾床系統進出水CODCr的濃度及其去除率隨時間的變化如圖4 所示。

圖4 自充氧層疊生物濾床對CODCr的去除效果

由圖4 可見，自充氧層疊生物濾床在工程監測期間運行總體穩定。CODCr進水濃度基本在12mg/L～224mg/L 之間波動，進水水質波動性較大，而出水CODCr濃度除了第36 天系統b 出水為65mg/L 外，其余均維持在50mg/L 以下，系統a出水平均為17.22mg/L，系統b 出水平均為18.52mg/L，均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A 標準。整個運行階段系統a 的CODCr去除率為13.33%～94.87%，平均值為69.2%；系統b 的CODCr去除率為15.58%～96.43%，平均值為68.25%。隨著時間的變化，在第64 天之后，系統整體對CODCr的去除效果和穩定性不斷增強且保持較好態勢，說明填料基質中微生物掛膜已趨于穩定。兩套平行系統對CODCr的總體去除效果和穩定性相差不大，而前期進水濃度較高則是造成前期處理效果波動較大的原因之一。

圖5 自充氧層疊生物濾床對-N 的去除效果

由圖5 可見，自充氧層疊生物濾床在工程監測期間運行總體穩定。-N 進水濃度基本在2.68mg/L～23.9mg/L 之間波動，進水水質波動性較大，而出水-N 濃度除了第67 天系統b 出水為11.1mg/L 外，其余均維持在5mg/L 以下，系統a 出水平均為0.61mg/L，系統b 出水平均為0.93mgLl，均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A 標準。整個運行階段系統a 的-N 去除率為57.69%～99.66%，平均值為94.42%；系統b 的-N 去除率為10.95%～99.64%，平均值為91.25%。當系統運行到第15 天時，其對-N 的去除效果就達到一個較高的狀態，且隨著時間的變化趨于穩定，而第64 天后出現的輕微波動主要原因是由于農村污水來水量突然增大所致，但整體去除效果保持良好穩定，系統a 的-N 去除率相較于系統b更加穩定且平均去除率優于系統b。

3.3 TP 處理效果分析

自充氧層疊生物濾床系統進出水TP 的濃度及其去除率隨時間的變化如圖6 所示。

圖6 自充氧層疊生物濾床對TP 的去除效果

由圖6 可見，自充氧層疊生物濾床在工程監測期間運行總體穩定。TP 進水濃度基本在0.768mg/L～3.24mg/L 之間波動，進水水質波動性較大。兩套系統的出水TP 濃度均有半數以上監測天數超過0.5mg/L，其中三分之一以上監測天數超過1mg/L。系統a 出水TP 的平均濃度為0.9mg/L，系統b 出水TP 的平均濃度為0.99mg/L，基本滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級B 標準。整個運行階段系統a 的TP 去除率為4.07%～85.77%，平均值為58.83%；系統b 的TP 去除率為12.57%～85.77%，平均值為56.56%。兩套平行系統對TP的去除效果均較低，且隨著時間變化其去除率均有下降趨勢。通過對TP 的去除機理進行分析可知，生物濾床主要通過填料吸附和植物吸收達到除磷目的，而后期當填料中微生物掛膜趨于成熟時其去除率反而下降，說明微生物的除磷效果相對不明顯。初步分析前43 天去除率較高是由于填料吸附起主要作用，43 天之后去除率不斷下降且波動較大，說明其除磷功能主要轉為以植物吸收為主，填料吸附已趨于飽和狀態。78 天之后去除率略顯提升，則是由于植物生長逐漸茂盛、根系不斷發達、生物量不斷增加的原因，植物除磷功能有所增強。長期穩定運行后該系統的除磷效果達到一個平衡狀態，但其去除率并未達到預期的高度。

3.4 TN 處理效果分析

自充氧層疊生物濾床系統進出水TN 的濃度及其去除率隨時間的變化如圖7 所示。

圖7 自充氧層疊生物濾床對TN 的去除效果

由圖7 可見，自充氧層疊生物濾床在實驗期間運行總體穩定。TN 進水濃度基本在4.2mg/L～39.9mg/L 之間波動，進水水質波動性較大，而出水TN 濃度除了第67 天系統b 出水為18.6mg/L外，其余均維持在15mg/L 以下，系統a 出水平均為1.5mg/L，系統b 出水平均為1.82mg/L，均滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》 (GB 18918—2002)一級A 標準。整個運行階段系統a的TN 去除率為41.61%～99.2%，平均值為89.57%；系統b 的TN 去除率為25.11%～99.22%，平均值為88%。系統a 的TN 去除率相較于系統b 更加穩定且平均去除率優于系統a。系統對TN 的去除率與其對-N 的去除趨勢相同，說明系統獨特的層疊結構和自充氧通風系統對脫氮效果的提升較為明顯，在無風機曝氣增氧的條件下依然有一個良好的去除效果。

4 研究結論

本研究對自充氧層疊生物濾床的兩套平行系統采用了不同的植物配置進行設計，通過對CODCr、-N、TP 和TN 四項污染物去除效果的長期監測分析，進一步明確了層疊生物濾床技術的污染物去除機理和技術優勢，同時也發現了工程優化設計的關鍵點和不足之處，總體得出以下結論。

(1)系統a 對CODCr、-N、TP、TN 的平均去除率分別為69.2%、94.42%、58.83%、89.57%，系統b 對CODCr、-N、TP、TN 的平均去除率分別為68.25%、91.25%、56.56%、88%。系統a 對各污染物的去除率和穩定性整體上優于系統b，說明系統a 植物配置的協同作用效果優于系統b，驗證了植物多樣性配置有利于提升污水中污染物的去除率。

(3)兩套平行系統對TP 的去除率均較低，說明針對除磷，填料的選擇比植物搭配更為重要，前期填料吸附的除磷貢獻率高于植物吸收，而后期隨著植物的不斷生長，雖然系統除磷效果有所增加，但去除率增高緩慢，改善情況并不顯著。

(4)為了充分發揮自充氧層疊生物濾床的處理效果，尤其是除磷效果，在今后的工程設計中需對填料的制備工藝進行研究。應多采用經改性處理的牡蠣殼、山核桃殼、竹纖維等生物質填料，同時研究提升系統的排泥功能，在增強處理效果的同時盡量控制成本。