曝氣生物濾池+人工濕地深度處理污水廠尾水的研究

魏銘君，黃向陽，劉彌高

(長江大學 城市建設學院，湖北 荊州 434000)

1 引言

近年來城市用水量隨著城市建設的需求和工業化速度的加快而急劇增加，而污水廠尾水中多種污染因子處理不達標，不僅導致了環境的污染，也給水源帶來了惡化的風險。隨著我國工業水平的現代化進程的加速、農業的發展、城市人口的快速增長，我國城鎮污水廠的負荷量、城市污水的污染源數量逐年增加。由于城市尾水的排放標準日益嚴格，城市污水廠尾水的再處理勢在必行。更重要的是，尾水深度處理對于城市缺水問題的解決同樣也有重要意義，也有利于城市的開源節流和環境保護。

在常用的污水處理工藝中，曝氣生物濾池工藝(簡稱BAF)能夠使水體中的污染物在同一容器中進行反應，無需進行二次沉淀，并且BAF具有占地面積較小、耐沖擊性強、流程簡單和能耗低的特點，因而被廣泛應用。劉雷[1]采用改良型BAF工藝對污水廠尾水進行了深度處理試驗，結果表明改良型曝氣生物濾池氨氮的去除率達到92.06%，對于化學需氧量和總磷的去除率分別為89.82%和75.38%。國外學者Feng Y[2]和 An Y[3]研究表明，曝氣生物濾池在污水脫氮方面有較大優勢，人工濕地對于污水中氮和磷有較好的去除效果。而人工濕地作為一種較為成熟的水處理工藝，具有結構簡單、費用少、出水水質效果較好的特點。人工濕地作為一個小型的獨立生態系統，還擁有一些生態功能[4]。王翔[5]對于污水廠尾水的處理采用人工濕地和曝氣氧化塘組合工藝進行處理，結果顯示該組合工藝對COD、NH3-N、TP平均去除率分別為47.4%、72.6%、45.8%。從國內外學者對BAF和人工濕地的研究可知，這兩種工藝具有良好的發展前景[6～8]。

本研究采用曝氣生物濾池和人工濕地對某污水廠尾水進行深度處理。擬通過中試試驗，得到最優運行條件，以實現較好的脫氮除磷效果。預期出水的各項水質均能達到國家地表水Ⅳ類水質標準，為污水廠尾水再生利用提供條件。

2 實驗裝置與方法

2.1 曝氣生物濾池

本實驗所選取的曝氣生物濾池(鋼結構材質，尺寸為1.5 m×1.5 m×4 m，處理規模為30 m3/d)承托層采用粒徑為 8～16 mm 的礫石，承托層上填裝濾池填料。一共分為兩格，在運行時相互交替。濾池的進水形式是上流式，尾水先經由水泵加壓提升到污水儲水箱，然后通過加壓水泵排入曝氣生物濾池。通過濾料自身的截留作用和濾料表面附著生物膜的生物吸附降解，去除尾水中的污染物[9]。曝氣生物濾池處理后的尾水一部分被反沖洗水箱接收，另一部分排入中心公園人工濕地，經人工濕地進一步凈化后排入公園景觀湖。本研究分別對曝氣生物濾池的濾料、濾速和濾料厚度相關參數進行優化[10]。試驗取水為某濱河污水廠處理尾水，水質指標如表1所示。

表1 進水水質指標濃度

2.2 人工濕地

人工濕地工藝流程如圖1所示，擬在A區、B區和C區分別建設垂直流人工濕地深度處理工藝，該工藝由進水提升、高效垂直流人工濕地系統和生態凈化帶組成，處理規模為7萬m3/d。部分尾水先自流進入一次提升泵房，然后將尾水分別提升至C區(2.5萬m3/d)和B-2地塊二次提升泵房(4.5萬m3/d)，沿途直接向C區、B-3地塊、B-2地塊進行壓力配水；再將提升至B-2地塊的部分尾水經二次提升后，直接向B-2地塊、B-1地塊進行壓力配水，并輸送至A-3地塊(0.5萬m3/d)進行壓力配水。A區深度處理系統出水主要作為該區景觀補水和綠化等雜用水，B區和C區深度處理系統的出水大部分排入河流，少部分作為項目區域景觀補水、綠化等雜用水及中水回用水源。人工濕地對尾水處理效果的影響因子較多，外部因素一般不可控制，因此本實驗主要針對人工濕地的填料這一內部因素探究其優化的可能。

圖1 人工濕地工藝流程

2.3 曝氣生物濾池+人工濕地處理組合試驗

中試試驗地點位于某污水資源化示范工程項目現場，該項目地處河流流域，主要處理集成電路芯片生產線生產廢水及生活污水[11]。

試驗用水取自某污水資源化示范工程生化處理系統出水，試驗階段其水質穩定在國家污水廠一級A標準，具體水質參數如表2。

表2 進水水質指標

3 結果與討論

3.1 曝氣生物濾池對污水廠尾水的處理效果

實驗采用生活污水進行反應器的啟動掛膜，采取連續曝氣的方式，在氣水比為3∶1，尾水的進水量為10 L/h的前提下連續曝氣10 d左右。經過12個月的連續觀察，陶粒填料表面逐步長滿了一層黃褐色絮狀生物膜，生物膜健康、穩定。雖然掛膜量小于傳統彈性填料，但是內置式陶粒填料處理效果優于彈性填料，并且未出現生物膜團結、填料內部堵塞、水面浮泥的現象，這表明該填料具有優良的掛膜性能[12]。

3.1.1 濾料對曝氣生物濾池運行效果的影響

試驗所選用的比選填料分別為：自制的內置式填料掛膜模塊，普通陶粒和沸石，3種填料的粒徑分別為20～25、10～15和15～25 mm。在該試驗中，分別以內置式填料掛膜模塊、普通陶粒和沸石3種濾料作為曝氣生物濾池濾料，各反應器出水以及原水的COD和氨氮濃度如圖2所示，原水的進水COD濃度平均值為48.6 mg/L，在不同濾料的反應器出水中，內置式陶粒、沸石和普通陶粒濾料反應器出水COD平均值分別為37.1、40.8和43.2 mg/L。由此可見，COD去除效果大小為內置式陶粒>沸石>普通陶粒。

圖2 不同填料的進、出水COD和氨氮濃度

在氣水比5∶1，水力停留時間為8 h前置條件下，當原水NH3-N的平均濃度在6.15 mg/L時，內置式陶粒、沸石和普通陶粒濾料反應器出水NH3-N平均濃度分別為0.30 mg/L，1.96 mg/L和2.51 mg/L。3種反應器對于原水氨氮的去除效果大小依次是：內置式陶粒>普通陶粒>沸石。綜上，將內置式陶粒作為最優濾料，進行后續實驗。

3.1.2 濾速對曝氣生物濾池運行效果的影響

濾速對BAF運行效果的影響如圖3所示，從圖3(a)中可以看出，在不同濾速下，曝氣生物濾池對于原水有機物都有一定的去除效果。其中，當曝氣生物濾池濾速為0.6 m/h，出水COD濃度為37.3 mg/L，明顯低于其他2種濾速的出水濃度。由圖3(b)中可以看出，出水中氨氮的濃度隨著濾池濾速的升高先升高后降低。在氣水比為6∶1，反應器進水水溫維持在15 ℃左右前置條件下，當濾池的濾速由0.4 m/h提高到0.6 m/h時，出水的氨氮的濃度有明顯的降低，出水的平均氨氮濃度達到了0.35 mg/L。當濾池的濾速提高到0.8 m/h時，出水中氨氮的濃度反而會有一定程度的升高。對于出水的各項污染因子綜合考慮，當濾速為0.6 m/h時，BAF對污水處理效果最佳。

圖3 不同濾速對于COD和氨氮的處理效果

3.1.3 濾料厚度對曝氣生物濾池運行效果的影響

反應器中BOD和COD的去除率隨濾料高度的變化情況如圖4所示，尾水中COD和BOD的去除率隨著濾池濾料厚度的增加呈現升高趨勢。當濾池的濾料厚度在0.6 m內增加時，污水中COD和BOD的去除率升高較快,其中BOD的去除率達到了70.4%，COD的去除率達到51.3%。當濾池的濾料厚度繼續增加時，COD和BOD去除率呈現平緩增加。當濾池濾料厚度達到1.8 m后，COD和BOD的去除率基本穩定。此外，原水氨氮的去除率在濾料厚度升高的過程中也逐漸升高。其中在0～0.9 m濾層中原水氨氮去除率增加的趨勢較為平緩，在濾料層厚度為0.9～1.6 m的范圍內，原水氨氮的去除率增加較快，在濾料層厚度范圍為1.6～2.0 m時，原水氨氮的去除率升高極為緩慢。

圖4 濾層厚度對BOD、COD和氨氮去除的影響

由此可得，該反應器濾料高度為1.6～2.0 m時，能夠有效去除原水中的各項營養鹽，繼續增加濾料層的高度對于營養鹽的去除提升效果不明顯，且會使工藝的基建成本加大。因此，確定該曝氣生物濾池高度為1.8 m。

3.2 人工濕地對污水廠尾水的處理效果

選取石英砂、沸石、火山巖和生物陶粒作為試驗填料進行實驗。先進行單一填料基質的去除實驗。結果如圖5，在吸附作用開始階段，4種填料對于氨氮的去除率有所差別。其中生物陶瓷和火山巖作為基質填料在開始階段的吸附率相對較高[13]。隨著時間的增加，4種填料對于氨氮的吸附隨著時間的增加趨于飽和。

圖5 單一填料的氨氮和TP的去除率

對于TP來說，生物陶瓷和火山巖兩種填料對于TP的去除率相對較高，在25 h左右都達到了約70%。礫石和石英砂填料TP的去除率則相對較低，分別只有43.5%和38.0%。25 h后，火山巖，礫石對于TP的去除率有所下降，這是因為這兩種基質對于磷元素吸附的不穩定性造成的，吸附飽和后的部分磷發生了解析。

結合4種基質填料對于污水中氨氮和總磷的去除效果，選擇生物陶瓷和火山巖為填料基質，并且將兩者進行一定質量比的組合，從而確定出污水中氨氮和總磷的去除效果最好的填料級配比。

配比后處理效果如圖6所示，由圖6(a)可以看出在接觸處理時間為50 h時，生物陶瓷和火山巖的各個質量比的組合對于氨氮的去除率分別為MIX1∶1:64.2%，MIX1∶2:67.5%，MIX1∶3:68.3%，MIX2∶1:81.7%，MIX3∶1:76.3%。5種質量組合對于氨氮的去除率大小：MIX2∶1>MIX3∶1>MIX1∶3>MIX1∶1>MIX1∶2。2種填料基質各種質量比對于氨氮的的去除率均要大于火山巖單獨吸附的去除率。其中最大的NH3-N去除率提高了9.0%，生物陶瓷和火山巖兩種填料基質組合提高了污水的氨氮去除率。

對于TP的去除，從圖6(b)可以看出在吸附反應時間為50 h，生物陶粒和火山巖兩種基質填料各種質量組合對于TP的去除率最好的質量比為：2∶1(生物陶瓷：火山巖)，去除率可達到82.1%。5種質量比的填料組合對TP的去除率大小為:MIX2∶1 >MIX3∶1 > MIX1∶3>MIX1∶1> MIX1∶2 。組合填料基質與單一火山巖填料基質相比，生物陶瓷和火山巖的組合填料對于總磷的去除率并不一定比單一生物填料基質高，但組合填料基質對于TP的去除率在同一時間內都大于火山巖填料。因此，最優的生物陶粒和火山巖的質量配比為2∶1。

圖6 生物陶粒和火山巖柱狀組合對氨氮和TP的去除率

3.3 曝氣生物濾池+人工濕地對污水廠尾水的處理效果

采用曝氣生物濾池+人工濕地組合工藝處理上述污水廠尾水，在分別實驗所得到的最優參數下，對其處理能力進行中試試驗[14～16]。結果如圖7。由圖7(a)可以看出經過曝氣生物濾池+人工濕地工藝的處理后，出水的氨氮和總氮濃度均比進水有了明顯的降低，其中進水氨氮的平均濃度從6.9 mg/L降至1.36 mg/L，總氮(TN)的平均濃度則從為14.64 mg/L降至6.66 mg/L。對于COD和BOD而言，經過曝氣生物濾池+人工濕地工藝的處理后，出水的COD和BOD濃度均比進水有了明顯的降低，其中進水COD的平均濃度從46.5 mg/L降至35.5 mg/L，BOD的平均濃度則從為8.8 mg/L降至4.4 mg/L (圖7b)。此外，經過曝氣生物濾池+人工濕地工藝的處理后，出水的TP濃度比進水有了一定的降低，進水TP的平均濃度從0.325 mg/L降至0.226 mg/L (圖7c)。

圖7 組合工藝進、出水COD、BOD、氨氮TN和TP濃度

4 結論

通過曝氣生物濾池+人工濕地組合工藝對某污水廠尾水的處理，在進水水質為污水廠出水一級A標準的前提下，出水中的COD、BOD、氨氮、總氮、TP去除率分別達到23.7%，50%，80.3%、54.5%，30.5%。進水中主要污染因子均得到了一定程度上去的去除，出水的各項水質標準均可達到《地表水環境質量標準》Ⅳ類水質標準。經過處理達標的尾水可以被用做公園景觀湖補水和綠化用水，在解決了尾水帶來的環境污染問題同時，也實現了水的循環利用，符合國家對于污水廠尾水資源化處理的相關規定。