人工濕地對農村污水處理的工程監測研究

唐寧遠，沈 亮，付崢嶸，陳 鑫，黎 源，張 帆

（1.株洲華晟環保技術有限公司，湖南 株洲 412007；2.湖南大辰環保股份有限公司，湖南 株洲 412007；3.湖南泰華科技檢測有限公司，湖南 株洲 412007；4.湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；5.湖南智謀規劃工程設計咨詢有限責任公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

當前，各級政府正在積極推進“鄉村振興”戰略，農村生活污水污染問題已成為美麗鄉村建設的難點之一。廚房、洗滌、沐浴和沖廁用水是農村生活污水主要來源，具有排放不均勻，水量變化系數較大，廢水中有機物、氮和磷含量比較高，不含其他有毒有害物質，可生化性較好等特點。我國農村生活污水常用的處理技術包括厭氧、好氧生物處理技術、自然生態處理技術[1-4]。單一的厭氧、好氧生物處理和生態處理技術往往存在一些缺陷，難以長期穩定運行并達到日益嚴格的排放要求。其中，厭氧和好氧生物處理可較好去除農村生活污水中的有機物，但存在氮、磷去除能力較差，容易引發農村水體的富營養化問題；生態處理技術雖能較好地脫氮除磷，但存在占地面積大和運行不穩定等缺點。將厭氧和好氧生物處理與生態處理技術結合在一起的組合工藝具有占地較少、能耗低、抗沖擊負荷能力強等特點，是解決上述問題的一種優選工藝。

何占飛[5]、古騰[6]、聶發輝[7]和熊仁等[8]分別報道了人工濕地不同的組合工藝對配置的農村生活污水處理實驗結果，結果顯示組合工藝能較好地去除污水中的有機物、氮和磷，但是國內對組合工藝在農村實際應用缺乏長期監測評估研究，不利于該技術在農村的推廣應用。農村生活污水污染物種類多、水質多變，且組合工藝運行效果受氣候及環境影響較大[2,6]。但是，鮮有文獻報道基于監測的組合工藝設施現場運行綜合評估，而這對解決農村生活污水污染問題具有重要的指導意義。本研究將以某農村人口集中區的“隔油/厭氧/ 微動力A2O（anaerobicanoxic-oxic，厭氧-缺氧-好氧脫氮除磷工藝）一體化設備/人工濕地”生物生態組合工藝現場設施為例，對其性能進行長期的監測研究，充分評估其污染物處理效果，分析可能的潛在限制因素，以期為農村生活污水處理提供借鑒，更好地服務中南地區美麗鄉村建設。

1 人工濕地組合工藝應用及監測

1.1 人工濕地組合工藝設計

項目位于湖南省某市城鄉結合部農村人口集中區，污水處理設施用于處理來自村委會及村人口集中區的生活污水，設計處理能力為50 m3/d。設施出水間接排入敏感水體，出水水質應穩定且達到《湖南省農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 43/1665—2019）一級排放標準要求[9]。方案設計階段對比了農村生活污水處理組合工藝的主要特征，如表1 所示。農村經濟、技術水平低于城市，污水處理設施要求降低日常運行維護費用。通過對組合工藝處理效果、穩定性和能耗等角度的綜合考慮，選擇厭氧+好氧+生態系統的組合工藝。

結合現場踏勘，本項目采用提籃格柵/隔油池/厭氧酸化池/微動力A2O 一體化設備/潛流人工濕地組合工藝，組合工藝流程如圖1 所示。因為農村生活污水中混雜餐廚垃圾和紙屑等有機固體廢物，增設提籃格柵和隔油設備，去除污水中大顆粒漂浮物、懸浮物及動植物油脂，以保證后續生物生態處理單元的正常運行。該工藝有效整合厭氧水解酸化、微動力A2O 一體化設備，設備各生化單元內均裝彈性填料，通過泥膜耦合系統高效處理污水中的有機物、氮和磷；設備間歇運行，間隔時間為1 h，采用太陽能和市電雙模供電系統，能耗較低。后續人工濕地能強化有機物、氮和磷去除，既降低了濕地基質堵塞風險，又穩定提高了出水水質。

1.2 組合工藝主要構筑物和設備參數

考慮到提高組合工藝設施在冬季的處理效果和穩定出水水質，同時融入農村良好生態景觀環境，隔油池、厭氧池、一體化A2O 設備均埋在地下。提籃格柵為不銹鋼材質，柵孔孔徑為3 mm，隔油和一體化A2O 設備采用碳鋼防腐材質，厭氧池為玻璃鋼材質。上述設備均設有0.50 m×0.50 m 的人孔，便于后期的維護管理。組合工藝設施各處理單元的工藝參數見表2。

表2 組合工藝設施各處理單元工藝參數Table 2 Process parameters of each treatment unit of the combined process facilities

潛流人工濕地為磚和砼梁結構，為了防止滲漏對地下水的污染，濕地床底、四周磚墻均鋪設了防滲膜，濕地基質從下至上依次為厚為0.50 m 卵石（Ф20～50 mm）、厚為1.2 m 碎磚塊（Ф10～30 mm）、厚為0.3 m 重質陶粒（Ф5～10 mm），濕地植物為美人蕉，種植密度為25 株/m2。沿濕地長度方向設置擋墻將濕地均分為4 個分室，廢水沿長度側向進入第一個分室，第一個分室自上而下入滲，經擋墻底部開孔向上流入第2 個分室，如此交替，形成折流和上下流耦合波形流動進入濕地出水端，在人工濕地出水端設置集水槽，集水槽底部布設穿孔集水管與出水管連接，出水管可上下移動調節以控制濕地床內水位。

1.3 組合工藝運行與監測

項目于2020 年9 月正式完工即開始運行調試，11 月初正式運行，進水監測時段為11 月初至2021年8 月底的大半年時間，監測頻率為1 次/周，其中2021 年2 月份春節期間兩周沒有監測。工藝流程中共設置5 個監測取樣點，分別位于進水提升井、隔油池、厭氧調節池、一體化A2O 設備內和濕地出水端。

長期監測水質指標包括：懸浮物（suspended solid，SS）、化學需氧量（chenmical oxygen demand，COD）、氨氮（NH3-Nitrogen，NH3-N）、總氮（total nitrogen，TN）和總磷（TP，total phosphorus），水質分析方法參照相關標準進行，其中SS 采用稱量法，COD 采用重鉻酸鉀法，NH3-N 采用納氏試劑分光光度法，TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP 采用鉬酸銨分光光度法[10]。

2 監測結果與分析

2.1 污染物的去除效果

組合工藝設施經調試且穩定運行后，委托具有污水水質檢測資質的第三方水質檢測機構對出水進行了5 次取樣檢測，結果如表3 所示。表3 結果顯示出水水質均滿足DB 43/1665—2019 一級排放標準。

表3 組合工藝設施的進、出水水質Table 3 Inlet and outlet water quality of the combined process facilities

為詳細監測組合工藝設施的性能，如1.3 節所示對組合工藝設施中各處理單元內水質進行了38 次取樣分析，各污染物濃度監測結果在2.2～2.6 節中討論。

2.2 SS 去除效果

運行期間組合工藝設施對SS 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見圖2。

從圖2 中可以看出，在監測期間，進水中SS 質量濃度的變化范圍為112.4～198.1 mg/L，平均質量濃度為144.2 mg/L 人工濕地出水SS 質量濃度的變化范圍為4.7～11.3 mg/L；平均質量濃度為7.8 mg/L；組合工藝設施對SS 平均去除率為94.7%，達到DB 43/1665—2019 一級排放標準，這表明組合設施能有效且穩定去除污水中的SS。其中隔油池、厭氧池、微動力A2O 一體化設備和人工濕地的去除率分別為12.7%,26.5%,45.6%和12.1%。隔油池水力停留時間較短，主要通過沉降去除廢水中大顆粒污染物；厭氧池則利用大顆粒有機物的水解酸化成可溶性物質，同時較長的水力停留時間也提高了沉降效果，這些使厭氧池出水中SS 降低；微動力A2O 一體化設備為泥膜耦合系統，提高了污泥的沉降性能，極大降低了出水SS，廢水中的大部分SS 在微動力A2O 一體化設備中被去除；人工濕地中基質對進水中小顆粒物有較好的過濾作用，進一步降低了污水中SS 濃度。監測期間，組合工藝設施出水中SS 濃度較低且穩定，季節性變化和沖擊負荷對組合設施SS 去除性能沒有影響。

2.3 COD 去除效果

運行期間組合工藝設施對COD 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見圖3。

由圖3 可知，在穩定運行階段，進水中COD 質量濃度的變化范圍為140.4～243.2 mg/L，平均質量濃度為182.5 mg/L；人工濕地出水COD 質量濃度的變化范圍為3.3～23.7 mg/L，平均質量濃度為13.3 mg/L；組合工藝設施對COD 的平均去除率為92.9%，滿足且優于DB 43/1665—2019 一級排放標準，進水中COD 濃度存在一定波動，出水中COD 濃度比較平穩，這表明組合工藝設施能穩定有效去除廢水中的COD，這些歸因于隔油池、厭氧池、微動力A2O一體化設備和人工濕地生物生態組合工藝設施對進水中COD 有著緩沖、調節和降解的作用，能有效抗擊沖擊負荷，穩定出水水質。其中隔油池、厭氧池、A2O 一體化設備和人工濕地的去除率分別為13.1%,28.2%,37.0%,14.6%，組合工藝設施中微動力A2O 一體化設備對COD 去除貢獻要明顯高于其他處理單元，歸因于泥膜耦合系統能高效去除進水中的COD[11]。監測期間，季節性變化對組合工藝設施COD 去除存在一定的影響，圖3 顯示，冬季組合工藝設施出水中COD 濃度高于其他季節，歸因于低溫氣候下，微生物活性降低，因而降低了組合設施對COD 的降解能力，導致出水中COD 濃度上升。

2.4 NH3-N 去除效果

運行期間組合工藝設施對NH3-N 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見圖4。由圖4 可知，在組合工藝設施穩定運行階段，進水中NH3-N 質量濃度的變化范圍為14.0～24.6 mg/L；平均質量濃度為18.4 mg/L，人工濕地出水NH3-N 質量濃度的變化范圍為1.8～8.6 mg/L，平均質量濃度為5.3 mg.L-1；組合工藝設施對NH3-N 平均去除率為70.5%，達到DB 43/1665—2019 一級排放標準。其中隔油池的去除率僅為4.7%，主要依靠吸附在顆粒物上的少量NH3-N 而得到沉降去除。而厭氧反應池的去除率為-17.4%，在厭氧池內污水中有機氮通過水解、氨化作用轉化為NH3-N，導致了厭氧池出水中NH3-N增加。微動力A2O 一體化設備的去除率為65.2%，人工濕地的去除率為17.9%。組合工藝設施對NH3-N具有較好的去除效果，這主要是依靠微動力A2O 一體化設備的泥膜耦合系統中微生物的硝化作用，同時，在人工濕地中交替出現的好氧環境中，基質膜上微生物的硝化作用及植物根系吸收則進一步強化了對進水中NH3-N 的去除。監測期間，季節性變化影響了組合工藝設施對NH3-N 的去除，在冬季低溫環境下，組合設施出水中NH3-N 濃度高于其他季節，歸因于低溫氣候下微生物硝化活性降低，影響了組合工藝設施對NH3-N 的去除效果。

2.5 TN 去除效果

運行期間組合工藝設施對TN 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見圖5。

由圖5 可知，在組合工藝設施穩定運行階段，進水中TN 質量濃度的變化范圍為28.4～41.2 mg/L，平均質量濃度為34.2 mg/L；人工濕地出水TN 質量濃度的變化范圍為6.9～19.4 mg/L，平均質量濃度為12.0 mg/L；組合設施對TN 平均去除率為64.8%，出水水質比較穩定，達到DB 43/1665—2019 一級排放標準。其中隔油池的去除率僅為6.5%，歸因于污水中顆粒態有機氮或吸附在顆粒物上NH3-N 的沉降。厭氧池的去除率為4.8%，在厭氧環境下，微生物增值的吸收對氮的去除非常有限。微動力A2O 一體化設備的去除率為40.4%，人工濕地的去除率為13.2%，A2O 一體化設備對廢水中氮的去除發揮了主導作用。而人工濕地則依靠不斷交替好氧、缺氧環境中基質膜上微生物的硝化和反硝化作用及植物根際的吸收作用，強化了廢水中TN的去除，桂雙林等[12]在厭氧/生物滴濾塔/人工濕地組合工藝處理農村生活污水的研究中也報道了類似現象。監測期間，季節性變化影響了組合設施對TN 的去除，圖5 顯示，在冬季低溫環境下，組合設施出水中的TN 濃度高于其他季節，這是因為低溫氣候下微生物硝化、反硝化活性降低，植物對氮素吸收能力也降低導致的。

2.6 TP 去除效果

運行期間組合工藝設施對TP 的去除效果、去除率和各處理單元沿程變化見圖6。

由圖6 可知，在組合工藝設施穩定運行階段，進水中TP 質量濃度變化范圍為1.4～3.5 mg/L，平均質量濃度為2.4 mg/L；人工濕地出水TP 質量濃度的變化范圍為0.1～0.7 mg/L，平均質量濃度為0.4 mg/L，達到DB 43/1665—2019 一級排放標準。組合工藝設施對TP 平均去除率為84.7%。其中，人工濕地對TP去除的貢獻最大，達到39.1%，而A2O 一體化設備只貢獻了24.8%，厭氧池貢獻了8.4%，隔油池貢獻了12.4%。主要原因是由于濕地介質中采用了碎磚粒，可較好地吸附去除進入濕地中的磷，此外，濕地中植物根系可在濕地介質中形成好氧環境，利于介質對磷的吸附和沉淀，同時植物也可以吸收部分磷[8,13]。微動力A2O 一體化設備對磷的處理效果弱于人工濕地，歸因于A2O 一體化設備中裝設了彈性填料，形成了泥膜耦合環境，排泥量較少，且泥齡較長，難以通過排泥去除污水中的磷，導致A2O 一體化設備除磷效果不佳，楊衛等[14]在倒置A2O 一體化裝置的運行中報道了類似結論。而隔油設備主要通過沉降去除了進水中顆粒態的磷。監測期間，組合工藝設施運行穩定，沖擊負荷對設施的TP 去除幾乎沒有影響，組合工藝設施具有較好的抗沖擊負荷能力。冬季組合設施出水中TP 濃度高于夏季，可能歸因于低溫環境下，微生物活性降低，因而降低了微生物過量吸磷、增值排泥除磷效果，導致冬季低溫環境下組合設施出水中TP 濃度高于夏季。

3 結論

通過對人工濕地組合工藝設施處理農村生活污水效果的長期監測，可得到以下結論：

1）采用隔油/厭氧/微動力A2O 一體化設備/潛流人工濕地組合工藝設施處理農村生活污水，組合工藝設施對SS、COD、NH3-N、TN 和TP 的平均去除率分別達94.7%,92.9%,70.5%,64.8%,84.7%，出水水質達到DB 43/1665—2019 一級排放標準。

2）組合工藝設施各處理單元中，A2O 一體化設備對SS、COD、NH3-N、TN 的去除貢獻率最大，而人工濕地對TP 的貢獻率最大。

3）除SS 外，其他污染物的去除均受到季節變化的影響，夏季處理效果好于冬季處理效果。

4）組合工藝設施運行穩定，對農村生活污水具有良好的凈化處理效果，具有較好的抗沖擊負荷能力，適合在農村地區推廣應用。