生物生态集成技术去除村镇生活污水TP 研究

李金中，李学菊

(天津市水利科学研究院，天津 300061)

近年来，农村人口的快速增长和农村城镇化建设速度的加快，使农村水资源和水生态环境面临着越来越大的压力［1-2］。由于水资源严重短缺，农业大量引污灌溉，河流水体污染严重，水质恶化;而且农村人口居住分散，地域面积广，排水系统及生活污水净化系统不完善，生活污水未经处理直接排放，严重污染了环境。

农村生活污水处理技术的研发在我国尚属起步和探索阶段，主要有厌氧沼气池技术、土地渗滤技术、固定化微生物技术、人工湿地技术。厌氧沼气池技术将污水处理与生物质能源回用有机结合，实现了污水资源化［3］，但出水仍难以达到国家排放标准的要求。土壤渗滤系统具有处理效果好、投资低的优点［4］，但也存在占地面积大、冬季不能运行、长期运行易堵塞等不足。固定化微生物技术具有微生物密度高、产物易分离、处理设备小型化等特点［5-7］，但其技术的主要缺点是对N、P 去除效果较差，出水与地表水水质标准仍有一定的差距。人工湿地具有负荷率高、占地面积小、效果可靠、耐受冲击负荷等优点［8-13］，但在处理生活污水时必须采取有效措施或预处理方法防止污染物对湿地内部的堵塞。综上所述，现有污水处理技术用于农村生活污水处理，在运行和管理方面尚存在诸多问题［14-15］，难以适应农村生活污水处理的要求。

鉴于此，笔者针对农村生活污水水质特征、排放特点和处理要求，将物理沉降、固定化微生物、太阳能增氧和人工湿地等多项技术优化集成，构建出一个链式生物生态净化系统，实现对村镇生活污水的高效低耗处理，并在天津蓟县刘相营村建立了示范工程，通过对示范工程近1a 的监测，分析该净化系统对生活污水中TP 的去除效果。

1 材料与方法

生物生态净化系统由沉砂过滤池、固定化微生物滤池、太阳能增氧池和人工湿地4 个功能单元组成，在空间布局上采用串联方式连接:沉砂过滤池位于系统的最前端，固定化微生物滤池安排在物化预处理区下游，太阳能增氧池位于微生物强化区下游，人工湿地安排在系统的最末端。污水依次流经沉砂过滤池、固定化微生物池、太阳能增氧池和人工湿地，4 个功能单元既保持在空间上的相对独立性，功能上又相互联系、互为补充、形成一体化、功能化、园艺景观化、自然生态化的生物通道，既充分发挥各单项技术的优势，又形成了优势互补，发挥多技术的协同净化的作用。

沉砂拦污池由3 个相互连通的密封沉淀池组成，夹带泥沙、漂浮物及粪便的生活污水由第1 池依此顺流至第3 池。第1 池主要截留粗颗粒泥沙、漂浮物及含虫卵较多的粪便，松散的粪块因发酵膨胀而浮升，与污水中漂浮物一起漂浮截留于池体上部，比重大的泥沙在重力作用下沉于池底，寄生虫比重大也自然沉降于池底。第2 池起进一步沉淀分离作用，与第1 池相比，第2 池的漂浮物和淤泥数量减少，废水处于比较静止状态，有利于细小悬浮颗粒物的继续分离。第3 池主要起储存清液的作用。经前2 池处理后的废水进入第3 池，基本上已经不含寄生虫卵和漂浮物及悬浮物，达到了固液分离的要求，中层清液进入下一级处理单元。

固定化微生物池是装有填料的生物反应器，在滤料表面有以生物膜形态生长的微生物群体，在滤料空隙中则截留了大量悬浮生长的微生物，废水通过滤料层时，通过厌氧微生物将高分子有机物降解为低分子有机物、有机氮降解为无机氮、有机磷降解为无机磷等，以提高后续湿地处理系统对污染物的去除效率。同时固定化微生物池的厌氧环境将蛋白性有机物发酵分解成氨，具有杀灭寄生虫卵及病菌的作用。

生活污水经固定化微生物池处理后，水中溶解氧浓度进一步降低，处于严重亏氧状态，不利于后续湿地处理系统中好氧微生物的分解。太阳能增氧池的主要作用是以太阳能为动力，通过人工措施增加污水中溶解氧浓度，为后续湿地处理工艺中好氧微生物提供氧源。太阳能增氧装置主要构件包括太阳能板、蓄电池、曝气机及与之连接的曝气管，太阳能板连接蓄电池，蓄电池连接曝气机，曝气机连接伸入水中的曝气管。

人工湿地结构采用波式流人工湿地，其处理单元由人工基质、水生植物和附着在基质及植物根区的微生物组成，是一种独特的“基质-植物-微生物”生态系统。在该系统中，植物扎根于基质床的表层，植物根系和填料为微生物提供附着的载体［16］，同时植物根系为微生物提供氧源，在靠近根区的填料层形成好氧区，而在远离根区的填料层形成厌氧或兼氧区，水体以波浪式流经填料表层和底层时，反复经过好氧、厌氧以及硝化和反硝化的过程，从而实现对有机污染物和氮磷的高效去除［17-19］。与自然湿地相比，波式流人工湿地在相同面积条件下处理能力大幅度提高，能够克服天然湿地比较脆弱的缺点，具有负荷率高、占地面积小、效果可靠、耐冲击负荷等优点，而且水流在填料表层以下流动，不易滋生蚊蝇。湿地表面可种植水质净化能力强、景观效果好的水生植物，在净化水质的同时，起到良好的景观效果。

2 示范工程

示范工程位于天津市蓟县穿芳峪乡刘相营村，收水范围包括刘相营、大辛庄、小辛庄、姚白庄等4个村庄，汇水区面积2.25 km2，人口4 010 人。污水处理规模为4000 m3/d，主要包括生活污水、分散养殖废水和初期雨水。示范工程于2009 年12 月开始建设，2010 年9 月26 日开始进行水质监测。共设置了5 个监测点，其中沉砂拦污池进水口(1 号)、沉砂拦污池出水口(2 号)、固定化微生物池出水口(3 号)、太阳能增氧池出水口(4 号)、人工湿地出水口(5 号)各设一个监测点。工艺流程及监测点设置见图1。

监测频率为每周取样1 次，TP 分析方法采用过硫酸钾消解—钼锑抗分光光度法，仪器为UV-7504c 紫外分光光度计(上海生产)。

图1 工艺流程及监测点设置示意图

根据各监测点污染物浓度，分别计算各处理单元对TP 的去除率以及整个处理工艺对TP 的去除率。去除率的计算公式为

式中:P 为TP 去除率，%;ρ进水、ρ出水分别为进、出水口处的TP 质量浓度，mg/L。

3 结果与分析

各处理单元出水TP 质量浓度变化如图2 所示。

图2 各处理单元进、出水TP 质量浓度变化

由图2 可以看出，示范工程的进水TP 质量浓度较高且变化幅度较大，在1.74 ～15.72 mg/L 之间波动。2011 年6 月18 日TP 质量浓度较高的主要原因是取样前该区域有小强度降雨，积蓄在村内坑洼内的粪便浸泡水随雨水进入村内沟渠中，并随之进入污水处理示范工程，而粪便浸泡水中TP 质量浓度极高，造成该时间段内进水沟渠中TP 质量浓度较高。示范工程出水TP 质量浓度相对低，且水质较为稳定，说明集成工艺系统对生活污水中磷具有较高的去除效果，系统最终出水稳定在0.04 ～0.24 mg/L 之间，稳定达到地表水Ⅳ类水质标准。

从TP 浓度的沿程变化趋势来看，在湿地内TP质量浓度的下降幅度大，而在沉砂拦污池、固定化微生物池和太阳能曝气池中TP 质量浓度虽然有不同程度的下降，但下降幅度相对较小，说明对TP 起最终去除作用的主要是湿地单元，而其他单元对TP的去除主要是起辅助作用。沉砂池、固定化微生物池和太阳能曝气池虽然对TP 的最终去除量较小，但在系统中所起的作用也是不可或缺的。沉砂池内TP 质量浓度略有降低，其主要原因是P 吸附于悬浮颗粒上，说明沉砂拦污池除具有固液分离作用外，对TP 也有一定的去除效果。

而固定化微生物池主要是利用兼氧、厌氧性微生物对水体中P 进行不完全分解，这种不完全降解对提高后续湿地单元对污水中的P 去除是极其有利和必要的。固定化微生物池中小部分P 通过微生物积累、沉降作用得以去除，因此表现出该单元内TP 质量浓度仍有小幅度下降。

人工湿地对P 的去除途径主要有3 种方式:①植物吸收作用，P 是植物体生长所需的重要营养元素，植物通过根系吸收水体中的P，并通过同化作用转化为自身的营养物质，最终通过植物的收割将P 带出水体［20-21］;②物理化学作用，人工湿地填料中含有大量的Ca、Fe、Al 等矿物成分，这些元素在微生物分解下逐步释放，并与P 结合形成Ca-P、Fe-P 和Al-P 沉淀，通过物理沉淀作用将P 从水体中去除［22］;③通过微生物作用，P 是组成微生物细胞膜的重要组成部分，微生物繁殖过程中利用水体中的P 进行增殖，最终以淤泥形式进行沉积［23-25］。从湿地内部TP的变化来看，对TP 降低最大的是湿地前部。

示范工程各处理单元对TP 去除率的变化见图3。

图3 各处理单元TP 去除率的变化

由图3 可以看出，示范工程对TP 的总去除率达到95.4% ～99.59%。各单元对TP 的去除率中以湿地单元最大，达到93.63% ～99.44%，太阳能曝气单元对TP 的去除率达到0.55% ～25.4%，固定化微生物池对TP 的去除率达到2.46% ～23.07%，沉砂拦污池对TP 的去除率达到2.88% ～35.63%。

此外，根据对COD 和TP 浓度同步监测结果表明，集成工艺对COD 的去除率可达到84.53% ～96.74%，对TN 的去除率达到88.03% ～97.98%。示范工程利用地势差形成自流，利用太阳能增氧，污水处理过程中不需消耗电能。水处理规模为4 000 m3/d，冬季可正常运行，处理成本低于0.15 元/m3，主要为设备折旧和植物维护费用。

4 结 论

通过示范工程1 a 的水质监测，可以得出以下结论:

a. 生物生态集成技术在生活污水处理应用中具有投资与运行费用低、处理效果好、TP 去除能力强、景观效果好、运行维护管理方便等诸多优点。

b. 生物生态集成技术对TP 具有极好的去除效果，去除率达到95.4% ～99.59%，出水TP 浓度达到地表水Ⅳ类水质标准，截污减排效果明显。

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