生物生態(tài)組合工藝處理農(nóng)村小型生活污水的理論與實踐
發(fā)布日期：2017-01-17 點擊：1002
針對鄉(xiāng)村小型生活污水處理尤其是除磷脫氮的難題，提出"厭氧-跌水充氧生物接觸氧化-水生蔬菜型人工濕地"新型生物生態(tài)組合工藝。厭氧預(yù)處理有效降低有機污染物濃度，減輕跌水充氧接觸氧化階段的負(fù)擔(dān);跌水充氧接觸氧化，有效去除有機物;水生蔬菜型人工濕地主要功能為去除N、P，并進一步改善處理效果，確保出水COD、N、P全面達(dá)標(biāo)。在充分考慮農(nóng)村、農(nóng)業(yè)特色的前提下，實現(xiàn)了簡便、廉價、高效處理農(nóng)村分散式生活污水的目的。研究成果將為我國新農(nóng)村生活污水處理提供實用技術(shù)，尤其為湖泊流域內(nèi)的分散式生活污水除磷脫氮提供理技術(shù)支持。
1 前言
我國大多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及幾乎全部的農(nóng)村生活污水未經(jīng)處理，直接排放水體，造成地面水體的嚴(yán)重污染及湖泊、水庫的富營養(yǎng)化，全國已有90%的水源水質(zhì)遭受了不同程度的污染，以江蘇為例，蘇南絕大多數(shù)地面水體飲用水水源功能幾乎已全部喪失，太湖富營養(yǎng)化日益嚴(yán)重，全湖平均水質(zhì)已為劣Ⅴ類[1]。隨著我國城市化水平、農(nóng)村城鎮(zhèn)化、城鄉(xiāng)一體化水平的日益提高，鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水排放量還會進一步快速增長，這無疑將給水源保護帶來更大壓力。要保護好城鎮(zhèn)水源，并逐步改善水環(huán)境質(zhì)量，必須加大污水處理力度。要切實推進社會主義新農(nóng)村建設(shè)，必須不斷改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，因而，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村小型生活污水處理尤其顯得重要，排入封閉性水域的污水則還必須有除磷脫氮的要求。
在城市排水管網(wǎng)難以達(dá)到地區(qū)，小城鎮(zhèn)和經(jīng)濟相對發(fā)達(dá)而人口又不十分稠密的農(nóng)村地區(qū)，度假村和別墅區(qū)，以及由于下水道敷設(shè)困難的地區(qū)，就地處理分散型點源生活污水治理是必然選擇。另一方面，從我國大多數(shù)城鎮(zhèn)和農(nóng)村集中居住區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平看，也具備了建設(shè)中小型甚至是分散式生活污水處理設(shè)施的條件。
2 國內(nèi)外進展
多年來，我國污水處理事業(yè)的重心一直在城市污水的處理上，但隨著小城鎮(zhèn)和農(nóng)村經(jīng)濟的飛速發(fā)展以及人口的增加與聚居，農(nóng)村生活污水已成為影響河流、湖泊水體水質(zhì)的重要因素之一，是面源污染控制的首要任務(wù)，于是進入本世紀(jì)以來，小型污水處理也被提到議程上來。
國家自然科學(xué)基金資助項目(項目編號：50678035)
在歐洲和北美有20~30%的人口利用小型污水處理系統(tǒng)[2,3]，日本從1977年實行農(nóng)村污水處理計劃以來，農(nóng)村污水處理的普及率已達(dá)到相當(dāng)水平，全國大約有700萬套小型生活污水凈化裝置(稱為凈化槽)在使用之中，其中1999年之后使用的凈化槽重視脫氮功能，但基本沒有除磷功能。從1999年開始，日本國立環(huán)境研究所已著手這方面的研究，試驗中的土地處理凈化槽和膜-生物反應(yīng)器凈化槽均獲得了很好的除磷效果，但鮮見達(dá)到實用水平的除磷脫氮凈化槽問世[4]，而且凈化槽的制造成本較高。澳大利亞開發(fā)了一種“過濾、土地處理與暗管排水相結(jié)合的污水再利用系統(tǒng)”，稱之為“FILTER”高效、持續(xù)性污水灌溉新技術(shù)，它利用污水進行作物灌溉，通過灌溉土地處理后，再利用地下暗管將其匯集和排出。該系統(tǒng)一方面可以滿足作物對水分和養(yǎng)分的要求，同時降低污水中的氮、磷含量。“FILTER”系統(tǒng)一般適用于土地資源豐富、可以輪作休耕的地區(qū);存在暗管排水系統(tǒng)造價較高，且在地下水位較高的地區(qū)應(yīng)用有困難的缺點。歐美國家中穩(wěn)定塘特別應(yīng)用于小型污水處理[5]，美國1983年穩(wěn)定塘數(shù)目就達(dá)7000座以上，其中90%建在人口少于5000的小城鎮(zhèn)[6]。
然而，對于小型生活污水處理的技術(shù)儲備，我國并沒有作好充分的準(zhǔn)備。對于小型生活污水的除磷脫氮即使在國外也處于探索階段，尤其是除磷問題一直難以解決。
首先，小型污水處理不能照搬城市污水處理廠的工藝流程與管理方式，城市污水處理廠的除磷脫氮已有多種成熟工藝可供選擇，但是工藝中有污泥回流、混合液回流，還須定期排放富磷剩余污泥，并采用加藥和機械脫水工藝，才能保證除磷效果，所有這些都需要高昂的投資與運行費用并配備專業(yè)管理人員的隊伍，這在廣大的農(nóng)村的地區(qū)是無法實現(xiàn)的。
于是穩(wěn)定塘、土地處理系統(tǒng)、人工濕地等一批生態(tài)工程技術(shù)開始進入人們的視野。土地處理系統(tǒng)有慢速滲濾、快速滲濾、地表漫流等形式，我國在“七五”期間對污水土地處理進行了深入的研究，并編寫了污水土地處理手冊。清華大學(xué)“九五”期間在滇池流域采用人工復(fù)合生態(tài)床處理農(nóng)村生活污水，利用微生物的硝化/反硝化作用以及填料對磷的吸附/沉淀作用、水生植物的吸收作用，對營養(yǎng)物氮、磷的去除取得了較好的效果[7]，但是在推廣應(yīng)用上仍有不足。單一生態(tài)工程技術(shù)的共同缺點在于占地面積大，處理效果不穩(wěn)定[8]。
早期使用的化糞池以及后來改進的三格式厭氧池、無動力污水處理裝置等設(shè)施僅僅起到部分削減污水中有機污染的作用，對于氮磷營養(yǎng)鹽無去除效果，不能滿足嚴(yán)格的達(dá)標(biāo)排放要求。
因此，城市污水處理廠的經(jīng)驗和單一的生態(tài)工程技術(shù)都無法解決農(nóng)村小型生活污水處理的難題，迫切需要開發(fā)技術(shù)有效但工藝流程簡單、管理要求低、投資和運行費用省的適合農(nóng)村小型污水處理的新技術(shù)。
3 生物生態(tài)組合工藝流程與特點介紹
國內(nèi)外相關(guān)研究成果與實踐提示我們，無論是生物技術(shù)(城市污水處理廠的主流工藝)還是新興的生態(tài)工程技術(shù)，單獨應(yīng)用都不能解決農(nóng)村小型分散型生活污水處理及除磷脫氮的問題。必須將生物方法與生態(tài)工程有機結(jié)合，才能既節(jié)省成本和運行費用，又能達(dá)到穩(wěn)定的除磷脫氮效果。因此，本文提出“厭氧—跌水充氧接觸氧化—水生蔬菜型人工濕地”組合工藝。
污水經(jīng)過收集系統(tǒng)后首先進入?yún)捬醭兀?jīng)過厭氧發(fā)酵，將復(fù)雜有機物部分轉(zhuǎn)變成VFA和沼氣，;經(jīng)過厭氧處理后，污水的COD濃度得到有效降低，經(jīng)水泵提升進入多級跌水充氧接觸氧化池，接觸氧化池共分4～5格串聯(lián)，內(nèi)裝填料，采用跌水方式充氧，借助生長的填料上的微生物降解有機污染物;出水進入水生蔬菜型人工濕地，濕地中用水培法種植經(jīng)濟價值較高的水生蔬菜，利用蔬菜對氮、磷等的攝取能力實現(xiàn)氮磷的去除。
本項生物生態(tài)組合技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)在于：厭氧預(yù)處理有效降低有機污染物濃度，減輕跌水充氧接觸氧化階段的負(fù)擔(dān);跌水充氧接觸氧化部分有效去除有機物，但保留氮磷作為后續(xù)水生蔬菜生長的營養(yǎng)元素;水生蔬菜型人工濕地屬于污染凈化型農(nóng)業(yè)的耕作方式，主要功能為利用和去除N、P，并進一步改善有機污染物的處理效果，確保出水COD、N、P全面達(dá)標(biāo)。
該工藝具有以下優(yōu)點：
工藝流程簡單：不需要混合液回流與污泥回流;運行費用低：不需要機械曝氣，不需要回流泵，所有運行費用僅僅是一臺提升泵消耗的電費;
管理簡便：不需要通過定期排放剩余污泥來去除磷，厭氧池固然不需要復(fù)雜的專業(yè)化管理，跌水充氧接觸氧化也僅需一臺提升泵，日常管理十分簡便;
與農(nóng)村特點相適應(yīng)：厭氧段產(chǎn)沼氣可作為能源利用;采用水生蔬菜型人工濕地達(dá)到除磷脫氮的目的，還能產(chǎn)生很好的經(jīng)濟回報，調(diào)動農(nóng)民參與污水處理的積極性，而且不改變土地的利用屬性。
因此，本項目所研究的工藝不是將傳統(tǒng)的生物處理與生態(tài)方法的簡單組合，而是在充分考慮農(nóng)村特色的前提下，盡量簡化傳統(tǒng)生物處理工藝、優(yōu)化和開發(fā)水生蔬菜型人工濕地的生態(tài)方法，并根據(jù)各自的特長合理分工各段工藝的去除對象，進行優(yōu)化組合，最終達(dá)到了簡單、簡便、有效處理農(nóng)村污水的目的。本課題擬揭示該技術(shù)的凈水機理，研究其合理工藝流程和實用工藝參數(shù)，解決該工藝從設(shè)想走向?qū)嶋H應(yīng)用所要解決的問題，不僅具有重要的科學(xué)意義，而且具有廣泛的應(yīng)用前景。
4 試驗研究與示范工程成果介紹
4.1示范工程規(guī)模與構(gòu)造
在位于太湖湖濱的宜興市大浦鎮(zhèn)林莊村，建設(shè)了規(guī)模為10 m3/d的生物生態(tài)組合工藝處理生活污水的示范工程。
污水經(jīng)過收集管網(wǎng)首先進入?yún)捬醭亍捬醭氐乃νＡ魰r間為30h。用一臺自吸式水泵將水從調(diào)節(jié)池提升至4m高的微型水箱中，水從水箱中逐級跌落至氧化池;
接觸氧化池由五個單池串聯(lián)而成，總體積為1.4 m3，池內(nèi)混合裝填彈性填料和組合填料(1：1的比例)，利用池與池之間的高度差，使水在跌落的過程中與空氣接觸進行充氧。為了提高污水的分散程度及與空氣的接觸時間，跌水板設(shè)為兩級，其中第二級跌水擋板高度可調(diào)。出水采用三角堰。考慮到第一級池有機負(fù)荷比較大，取跌水高度為1.3m,，其余四池每池跌水高度為0.5m。
人工濕地采用潛流式，平面尺寸為1.5m×7m，水力負(fù)荷略小于1m3/m2，池底坡度為0.5%，有效高度取0.75m。沿程共分四格，中間用隔墻隔開，如圖2示。池內(nèi)從底部向上依次填充40cm碎磚，30cm碎石，5cm細(xì)砂，上面種植蘆葦、空心菜，表面有2～4cm的水深。
4.2水處理效果評價
4.2.1COD的去除效果
在整個運行期間，進水COD濃度波動較大，在494mg/L與62mg/L之間變化，但出水相對穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在20～40mg/L之間，可以穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)，如圖3所示。因為本工藝為厭氧-好氧組合工藝，前置厭氧池能通過厭氧發(fā)酵將大部分的COD去除;隨后流經(jīng)接觸氧化池，借助填料上的微生物對有機物進行降解;最后利用人工濕地中微生物的降解使有機物濃度進一步得到降低。夏季時溫度較高，微生物活性較強，工藝對COD的平均去除率可達(dá)80%以上;雖然秋季時溫度有所降低，導(dǎo)致微生物的活性降低，但對COD的平均去除率仍維持在較高的水平，整套裝置在運行過程中一直保持較穩(wěn)定的COD去除效果。
4.2.2 TP的去除效果
由于太湖富營養(yǎng)化控制得需要，除磷是試驗中的一項重要內(nèi)容。裝置運行期間，TP進水濃度雖相對較低但變化幅度較大(0.8mg/L～2.6mg/L)，出水水質(zhì)卻相對較穩(wěn)定，TP的出水濃度大部分都保持在0.5mg/L以內(nèi)，平均為0.36mg/L，如圖4所示。人工濕地對磷的去除作用在整個系統(tǒng)中占很大的比重，其主要利用介質(zhì)的截留吸附以及植物吸收、微生物作用來完成對磷的去除。由于宜興盛產(chǎn)紫砂壺，其廢棄模具的主要成分是石膏，將廢棄模具加以利用，投加入濕地中，顯著的提高了濕地的除磷效率。
4.2.3 TN的去除效果
2005年6月份裝填生物接觸氧化池填料后，取了宜興市某污水處理廠曝氣池內(nèi)的活性污泥，稀釋后加入接觸氧化池內(nèi)，經(jīng)過近一個月的時間，硝化生物膜培養(yǎng)成功。如圖5所示，在馴化初期，總氮去除率只有20%～30%;經(jīng)過馴化后，硝化菌逐漸的發(fā)揮作用，從而去除率有所上升;到了8月份，氣溫逐漸升高，硝化菌活性也隨之增強，加上濕地中生長旺盛的蘆葦和空心菜的吸收作用，工藝對TN保持很高的去除率，平均達(dá)到83.19%，且TN出水一直保持在2mg/l左右。然而到了10月份，隨著溫度的降低，細(xì)菌的活性也有所降低，且濕地中植物開始枯萎，導(dǎo)致總氮去除效果有所下降。因此，為了使系統(tǒng)在秋冬季仍能對TN保持較高的去除率，有必要對接觸氧化池進行保溫處理，來提高系統(tǒng)冬季對氮的去除效果。
5 結(jié)束語
通過對“厭氧+跌水充氧接觸氧化+人工濕地”組合工藝的試驗研究，得出下列結(jié)論：
1)本工藝采用厭氧預(yù)處理先有效降低有機污染物濃度，然后采用多級跌水充氧接觸氧化法，利用水流的重力作用自然充氧，充氧效果能夠滿足接觸氧化池內(nèi)微生物生長的需要，既省去了曝氣所需的鼓風(fēng)機動力消耗，又不需專門維護，滿足農(nóng)村低技術(shù)維護的要求。
2)采用“厭氧+跌水充氧接觸氧化+人工濕地”組合工藝，對分散的農(nóng)村地區(qū)生活污水有較好的處理效果，對COD、TP、TN的平均去除效率可達(dá)80%、73.5%、83.19%，出水平均濃度為37.88mg/l、0.36mg/l、5.28mg/l，均能達(dá)到甚至優(yōu)于城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放的一級A類標(biāo)準(zhǔn)(GB18918-2002)。
3)主要經(jīng)濟指標(biāo)：設(shè)施建設(shè)費1500元/m3，運行費0.10元/m3。
“厭氧+跌水充氧接觸氧化+人工濕地”組合工藝是一種生物與生態(tài)處理相結(jié)合的新型組合工藝，通過厭氧過程和跌水充氧接觸氧化的好氧過程，完成有機物的降解及部分脫氮，然后利用復(fù)合流潛流式人工濕地進去除氮、磷，并進一步提高有機污染物去除效果，人工濕地屬于污染凈化型農(nóng)業(yè)，不改變土地使用性質(zhì)，充分利用了寶貴的氮磷資源生產(chǎn)有經(jīng)濟價值的水生蔬菜，在環(huán)境保護的同時還能產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。本項技術(shù)十分適合在我國南方廣大農(nóng)村使用。
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