三格厌氧池-垂直流人工湿地处理农村灰水

杨金刚，王海燕，周岳溪*，杨利伟，高俊发，魏继苗

1.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054 2.中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心，北京 100012 3.环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

三格厌氧池-垂直流人工湿地处理农村灰水

杨金刚1,2，王海燕2，3，周岳溪2，3*，杨利伟1，高俊发1，魏继苗1

1.长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054 2.中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心，北京 100012 3.环境基准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

农村灰水；三格厌氧池；垂直流人工湿地

农村污水主要包括灰水和黑水，灰水指洗衣、洗浴、洗菜等生活洗涤水，黑水主要指厕所冲洗水。近年来，农村污水的无组织排放成为导致水质恶化的重要因素之一[1-2]。我国农村水体污染呈现出污水排放量小，排放分散，N、P等营养成分含量高，污水排放量和有机负荷波动大的特点[3]。考虑农村经济水平的限制，必须寻求投资小、运行费用低、操作简便、处理效果好的技术用于农村污水治理[4-5]。

厌氧生物技术和人工湿地作为生物、生态污水处理技术，具有成本低、易管理等优点[6-7]。当前，垂直流人工湿地被广泛用于处理生活污水[8]和部分行业废水[9]。人工湿地是由人工基质(碎石、砂砾等)和生长在其上的水生植物组成[10]，是一种经济有效的处理工艺。Wynn等[11]研究人工湿地在美国农村的实际应用，认为其实际投资费用主要取决于土地和基质的价格，宜就近采用基质材料。目前，广泛应用的人工湿地基质主要有炉渣、土壤、砾石和石灰石等[12-13]。基质的类型、级配等因素会影响基质作用的发挥，选择比表面积较大的基质有利于生物膜的生长，更利于脱氮[14]。Liu等[15]分析认为，我国湿地基建投资为1 000～2 800元t，处理费用为0.05～0.20元t；基建投资费用为传统二级处理工艺的13～12，处理费用为传统二级处理工艺的110。广州某农村采用厌氧水解池-人工湿地-生态沟处理200 m3d的生活污水和TP的去除率分别为73.6％、85.8％、80.7％、60.3％和75.6％，经处理后出水达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准；投资为4 000元t，无运行费。浙江某农村采用厌氧池-人工湿地-稳定塘处理40 m3d的生活污水和TN的去除率分别为75.1％～87.3％、75.2％～94.3％、90.2％～97.6％、65.0％～75.3％、70.6％～85.9％和50.2％～67.8％，出水水质达到GB 8978—1996《污水综合排放标准》一级标准，投资为3 600～4 000元t，运行费用为0.08元t，维护费为1 200元a[16]。陈和平等[17]利用厌氧接触氧化池-垂直流人工湿地处理农村生活污水，二级处理后污水中CODCr、TN和TP去除率分别为92.2％、75.6％和93.3％。

笔者以长沙县某农户生活灰水为处理对象，采用三格厌氧池-垂直流人工湿地组合工艺对其进行处理，考察该组合工艺处理农村灰水的可行性及污染物的去除效能。

1 材料与方法

1.1 试验装置

三格厌氧池由有机玻璃制成，尺寸为900 mm×500 mm×600 mm，总体积为270 L，有效体积为225 L。厌氧池由格室Ⅰ、格室Ⅱ和格室Ⅲ组成，各格室的体积比为1∶1∶1，厌氧池的温度控制在(24±1)℃，格室Ⅰ和格室Ⅱ用搅拌器进行慢速搅拌，以4 h为一个周期，搅拌2 h，静止2 h。

人工湿地反应器为圆台状，高450 mm，最大直径为400 mm，最小直径为350 mm，湿地基质从下到上依次为粒径3～5 cm的煤渣、粒径1～3 cm的卵石以及当地红壤，厚度分别为125、125和200 mm，反应器总体积为49.8 L，有效体积为15 L。湿地栽种芦苇，密度为20株m2，人工湿地温度控制在(24±1)℃。三格厌氧池与垂直流人工湿地串联，试验装置如图1所示。

图1 试验装置Fig.1 Experimental set-up

1.2 试验用水及水质

试验用水取自某农户生活灰水，主要为洗浴及厨房废水，依据洗浴水与厨房水每日用水量监测数据，洗浴水与厨房水量按照3∶1与1∶1的比例混合，通过水泵抽入进水箱，进水箱每3 d更换一次进水，进水水质指标如表1所示。人工湿地进水前期为自来水稀释的生活灰水，后期为三格厌氧池出水，人工湿地进水水质见表2。

1.3 污泥接种和运行条件

三格厌氧池污泥用取自北京某种猪场的厌氧污泥进行接种，接种污泥浓度为10～13 gL，反应器HRT为75 h，连续进水，经过13 d的连续培养，厌氧池格室污泥中有气泡产生，运行35 d后，出水水质稳定，启动完成。厌氧池总运行时间为192 d。

人工湿地反应器在三格厌氧池运行后第13天开始启动(以开始启动的第1天记为第13天)。启动阶段进水为实际生活灰水加自来水稀释，HRT为30 h，连续培养61 d，出水稳定。运行至第75天，进水改为三格厌氧池出水，继续驯化培养，其他条件不变，连续运行15 d，植物保持旺盛的生长状态， 出水稳定，表明湿地植物能够适应该种废水，完成湿地启动。湿地总运行时间为179 d。

表1 三格厌氧池生活灰水进水水质

注：括号内数值表示进水平均值。

表2 人工湿地进水水质

注：括号内数值表示进水平均值。

运行至第90天，三格厌氧池与垂直流湿地各自稳定运行，将两个装置串联，90～192 d运行期间，每周测定数据1～2次。

2 结果与分析

2.1 CODCr去除效能

运行期间三格厌氧池-人工湿地系统对CODCr的去除效果如图2和图3所示。

图2 三格厌氧池-人工湿地组合工艺进出水CODCr变化Fig.2 The influent and effluent CODCr change of the combined process

图3 三格厌氧池-人工湿地组合工艺CODCr去除效能Fig.3 The CODCr removal efficiency of the combined process

由图2和图3可知，启动初期，三格厌氧池经过13 d的运行，出水CODCr高于进水，随后CODCr去除率继续升高，启动35 d后去除率提高至38.3％，并在之后保持出水稳定，厌氧池完成了启动。启动初期(0～35 d) 进水CODCr为365～502 mgL，平均值为452 mgL；出水为309～568 mgL，平均值为429 mgL。厌氧池随后进入运行稳定期(36～89 d)，进水CODCr为420～645 mgL，平均值为526 mgL；出水为243～536 mgL，平均值为393 mgL；CODCr去除率为26.4～54.3％，平均值为35.9％。

垂直流人工湿地启动初期(13～74 d)对CODCr的去除效果较好，开始启动的第1天(记为第13天)，湿地CODCr去除率已经高达82.6％，在运行的61 d内，去除率较稳定，CODCr平均去除率为86.3％，启动初期进水CODCr为94～376 mgL，平均值为207 mgL；出水为14～58 mgL，平均值为28 mgL。垂直流人工湿地第75天时进水逐渐驯化至用三格厌氧池出水作为湿地进水，此时出水水质稳定，垂直流人工湿地进入稳定期(75～89 d)，进水CODCr为124～272 mgL，平均值为194 mgL；出水为23～57 mgL，平均值为36 mgL；湿地CODCr去除率为78.9％～84.9％，平均值为81.7％，相对启动初期去除率变化不大。在湿地启动初期，水分在湿地的渗滤比较大，颗粒小的有机物更容易因沉淀而被截留。运行稳定后，随着湿地填料上微生物的生长和湿地填料间空隙的减小，微生物降解作用增强，微生物作用和填料吸附截留作用是去除CODCr的主要途径[18]。胡小兵等[19]采用垂直流人工湿地处理生活污水，基质选用卵石、粗砂、细砂和土壤，种植鸢尾，连续进水，当HRT为2 d，进水CODCr为33～144 mgL，湿地系统对CODCr的去除率达到60％以上。

第90天，三格厌氧池及垂直流人工湿地串联运行，系统进水CODCr为282～684 mgL，平均值为499 mgL；出水为40～60 mgL，平均值为52 mgL；CODCr总去除率为80.7％～95.4％，平均值为88.9％。

上述结果表明，三格厌氧池-垂直流人工湿地组合工艺对长沙县农村灰水中的CODCr有较好的去除效果，当三格厌氧池的HRT为75 h、垂直流人工湿地的HRT为30 h时，出水CODCr满足GB 18918—2002一级B标准[20]。

赵大传等[21]采用ABR(厌氧折流板反应器)-人工湿地组合工艺处理生活污水，进水CODCr为372～456 mgL，当ABR的HRT为12 h时，CODCr的平均去除率为76％；人工湿地的HRT为96 h，组合工艺的CODCr总去除率为89％。宋小康等[18]采用ABR-复合人工湿地组合工艺处理生活污水，进水CODCr为94～458 mgL，ABR的HRT为10 h，CODCr的平均去除率为43％，人工湿地的HRT为100.8 h，组合工艺的CODCr总去除率为78％。笔者的研究结果与之相近。

图4 三格厌氧池-人工湿地组合工艺进出水浓度的变化Fig.4 The influent and effluent N-N concentration change of the combined process

图5 三格厌氧池-人工湿地组合工艺去除率的变化Fig.5 The N-N removal efficiency of the combined process

2.3 TN的去除效能

对TN的去除效果如图6和图7所示。

图6 三格厌氧池-人工湿地组合工艺进出水TN浓度的变化Fig.6 The influent and effluent TN concentration change of the combined process

图7 三格厌氧池-人工湿地组合工艺TN去除率的变化Fig.7 The TN removal of the combined process

从图6和图7可知，三格厌氧池启动初期处理效果较差，出水TN浓度时常高于进水，去除率在启动初期先降低后逐渐升高，启动35 d后，厌氧池出水稳定，启动完成，启动期TN进水浓度为14.5～23.4 mgL，平均值为19.8 mgL；出水浓度为12.3～30.8 mgL，平均值为20.1 mgL。随后进入稳定期(36～89 d)，在稳定期TN进水浓度为9.3～25.0 mgL，平均值为18.8 mgL；出水浓度为9.7～39.1 mgL，平均值为24.2 mgL，稳定期内，TN仍存在浓度升高现象。

垂直流人工湿地启动初期(13～74 d)进水TN浓度为8.9～28.6 mgL，平均值为16.2 mgL；出水浓度为0.5～9.2 mgL，平均值为3.5 mgL。由图6和图7可知，在13～74 d内，TN平均去除率为78.8％，去除率变化不大。在运行的第75天，改用三格厌氧池出水作为湿地进水(图6)，湿地出水水质波动不大，垂直流人工湿地进入稳定期(75～89 d)，进水TN浓度为4.0～15.6 mgL，平均值为11.4 mgL；出水浓度为1.1～5.7 mgL，平均值为3.9 mgL；去除率为63.2％～73.8％，平均值为67.6％，相较启动期的去除率(78.8％)略有下降。李芳等[25]采用复合垂直流人工湿地对TN去除效果进行正交试验，基质选用碎石、炉渣及红土壤，种植灯芯草和香根草，当水力负荷为200 mmd，HRT为1 d，进水TN浓度为40 mgL时，TN的去除率为64.2％，与笔者的研究结果相近。

第90天，三格厌氧池与垂直流人工湿地串联，系统TN进水浓度为13.2～37.4 mgL，平均值为19.7 mgL；系统出水浓度为3.1～8.6 mgL，平均值为5.7 mgL；系统总去除率为53.3％～84.6％，平均值为69.8％。可见垂直流人工湿地对TN的去除起到了主要作用。

上述结果表明，该组合工艺对TN有较好的去除效果，当三格厌氧池HRT为75 h，垂直流人工湿地HRT为30 h，出水TN浓度满足GB 18918—2002一级A标准[20]。

宋小康等[18]采用的ABR-复合人工湿地组合工艺中，当TN进水浓度为12.0～62.1 mgL，ABR的HRT为10 h，人工湿地HRT为100.8 h时，TN的总去除率为60％。笔者的研究结果优于该ABR-复合人工湿地的处理效果。

2.4 对P的去除效能

运行期间系统对TP的去除效果如图8和图9所示。

图8 三格厌氧池-人工湿地及组合工艺进出水TP浓度变化Fig.8 The influent and effluent TN concentration change of the combined process

图9 三格厌氧池-人工湿地组合工艺TP去除率变化Fig.9 The TN removal efficiency of the combined process

三格厌氧池启动初期(0～35 d)，进水TP浓度为1.4～3.6 mgL，平均值为2.7 mgL；出水浓度为2.8～6.3 mgL，平均值为4.3 mgL。启动初期三格厌氧池对TP的去除率是逐渐升高的，但出水浓度时常高于进水。启动35 d后，厌氧池出水稳定，启动完成。进入稳定期(36～89 d)，进水TP浓度为2.3～4.7 mgL，平均值为3.5 mgL；出水浓度为2.1～6.7 mgL，平均值为4.1 mgL。在稳定期内，三格厌氧池对TP的释放较稳定。整个运行阶段，厌氧出水的TP浓度高于进水主要由厌氧条件下微生物释磷所致。

垂直流人工湿地启动初期(13～74 d)进水TP浓度为0.7～3.0 mgL，平均值为1.6 mgL；出水TP浓度为0.2～0.5 mgL，平均值为0.4 mgL。由图8和图9可知，在13～74 d内，TP去除率较稳定，平均去除率为70.9％。第75天时改用三格厌氧池出水作为湿地进水，湿地完成启动。垂直流人工湿地进入稳定期(75～89 d)，稳定期进水TP浓度为1.0～1.4 mgL，平均值为1.2 mgL；出水TP浓度为0.3～0.4 mgL，平均值为0.3 mgL，TP去除率为67.9％～78.0％，平均值为73.7％。垂直流人工湿地对进水中磷的去除主要是通过湿地植物吸收、微生物同化、湿地填料层吸附及沉淀作用等，其中基质的吸附作用是最容易、最主要的除磷方式[26]。本研究采用的红壤广泛分布于我国低山丘陵地区、价格低廉、易于取用，是一种良好的人工湿地基质，对P有较好的吸附去除作用[1]，其饱和吸附量可达1.61 mgg[27]。Tong等[24]采用垂直流人工湿地处理生活污水，基质选用碎石与细砂。系统采用间歇进水，HRT为5 d，TP进水浓度为0.4～4.5 mgL时，系统TP去除率达到93％以上。龚琴红等[28]采用垂直流湿地对生活污水中磷的去除进行试验研究，基质为碎石和细砂，不种植植物，当水力负荷为14.1、21.2、42.4 cmd时，人工湿地对TP的去除效率分别为92.7％、81.2％和34.5％。

第90天，三格厌氧池及垂直流人工湿地进入串联运行阶段，系统TP进水浓度为1.5～6.3 mgL，平均值为3.4 mgL；系统出水TP浓度为0.3～1.0 mgL，平均值为0.7 mgL；系统总去除率为37.5％～94.4％，平均值为73.9％。系统串联运行后期TP去除率有所下降，运行至第157天时，去除率下降至58.8％，157～192 d，去除率为37.5～77.3％，平均值为61.0％。随运行时间增加，TP去除率呈下降趋势，主要是因为湿地以红壤为主的填料对磷的吸附趋于饱和。上述结果表明，该组合工艺对TP有良好的去除效果，当三格厌氧池HRT为75 h，垂直流人工湿地HRT为30 h的条件下，出水TP浓度满足GB 18918—2002一级B标准[20]，垂直流人工湿地对TP的去除起主要作用。

宋小康等[18]采用的ABR-复合人工湿地组合工艺中，TP进水浓度为1.3～4.5 mgL，ABR的HRT为10 h，人工湿地的HRT为100.8 h时，组合工艺TP总去除率为63％。笔者的研究结果优于该ABR-复合人工湿地的处理效果。

3 结论

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StudyofCombinedThree-chamberAnaerobicReactorandVerticalSubsurfaceFlowConstructedWetlandProcessforRuralGreyWastewaterTreatment

YANG Jin-gang1,2, WANG Hai-yan2,3, ZHOU Yue-xi2,3, YANG Li-wei1, GAO Jun-fa1, WEI Ji-miao1

1.Environmental Science and Engineering College, Chang'an University, Xi′an 710054, China 2.Research Center for Water Pollution Control Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Beijing 100012, China

rural grey wastewater; three-chamber anaerobic reactor; vertical subsurface flow constructed wetland

1674-991X(2013)02-0085-07

2012-10-09

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAJ21B01-02)

杨金刚(1987—)，男，硕士研究生，主要研究方向为污水处理，726521929@qq.com

*责任作者:周岳溪(1964—)，男，研究员，博士，主要从事水污染控制技术研究，zhouyuexi@263.com

X703.1

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.015