生物滴滤池-人工湿地组合处理生活污水规律研究

薛旭东， 王 佳， 孙长顺， 王西锋， 张振文， 邓 彦

(1.陕西省环境科学研究院， 陕西 西安 710061； 2.陕西省污染减排工程技术研究中心， 陕西 西安 710061)



生物滴滤池-人工湿地组合处理生活污水规律研究

薛旭东1， 王 佳2*， 孙长顺1， 王西锋1， 张振文1， 邓 彦1

(1.陕西省环境科学研究院， 陕西 西安 710061； 2.陕西省污染减排工程技术研究中心， 陕西 西安 710061)

采用生物滴滤池-人工湿地组合工艺，研究了在滴滤池的水力负荷为1.0 m3·m-2·d-1、人工湿地的水力负荷为0.125 m3·m-2·d-1的条件下，组合工艺对模拟生活污水中污染物的去除规律.实验结果表明：采用活性污泥挂膜法可以达到快速启动滴滤池反应器的目的.组合工艺对CODcr、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别达到了96.2%、95.6%、91.2%和93.9%.CODcr和NH4+-N的去除主要在滴滤池内完成.滴滤池对TN、TP的去除率分别为51.2%、39.7%，人工湿地对TN、TP的去除贡献分别为48.8%、60.3%.组合工艺运行141天后，人工湿地出水TP浓度不断升高，说明填料的吸附达到饱和.

生物滴滤池； 人工湿地； 生活污水； 去除效率

0 引言

近年来，随着经济社会的快速发展，农村地区的居民生活水平越来越高，农村生活污水的产生量也随之增长，水污染问题也越来越突出.2010年全国第一次污染源普查公报的数据表明：农村地区生活污水排放量达到343.30 亿t，CODcr排放量1 108.5 万t，TN排放量202.43 万t，TP排放量13.80 万t，NH4+-N排放量148.90 万t.农村污染物的排放量已经占到全国总量的50%左右，其中CODcr、TN和TP的排放量分别占到总量的43%、57%和67%[1].

农村生活污水具有水量不稳定、可生化性较好、重金属和有毒有害物质含量少等特点，且大部分农村地区的污水收集率较低[2-4].由于经济实力、技术能力、管理水平等方面的限制，用于传统城市污水处理厂的活性污泥法、AO法、A2/O法、氧化沟、SBR工艺存在能耗高、运行管理复杂的问题[5]，这些工艺并不适宜于农村地区生活污水的处理.生物滴滤池具有运行费用低和方便管理等优点，比较适宜于农村地区，但脱氮除磷的效果一般[6].而人工湿地可以实现对滴滤池出水中脱落的生物膜、N、P的进一步去除[7]，本次实验考察了生物滴滤池-人工湿地组合工艺对模拟生活污水的处理效果.

1 材料与方法

1.1 实验装置与流程

实验采用生物滴滤池-垂直流人工湿地的组合装置对模拟的生活污水进行处理.生物滴滤池为圆柱形，采用有机玻璃制作，内径为19 cm，高138 cm.滴滤池分为3层，上层高31 cm，中层高22 cm，下层高42 cm，集水区高19 cm.每层的底板上布有直径6 mm的小孔127个，这些小孔有利于通风和均匀布水.层与层之间用高度为12 cm的通风层连接，每个通风层上有直径32 mm的通风孔4个，呈对角分布.

人工湿地采用有机玻璃制作，尺寸为60×40×50 cm.人工湿地进水和出水均采用穿孔布水管.进水口高度2 cm，出水口高度为40 cm.

污水从进水桶经蠕动泵送入到生物滴滤池的自制布水器，然后呈滴状进入滴滤池反应器，在重力作用下污水流经滴滤池填料层，滴滤池出水进入垂直流人工湿地.实验装置流程如图1所示.

1.2 填料

生物滴滤池选用比表面积较大的火山岩填料.上层填料装填高度20 cm，中层填料装填高度20 cm，下层填料装填高度40 cm.人工湿地底部铺设10 cm的鹅卵石，以利于均匀布水.鹅卵石层上铺设沸石和海绵铁混合填料(混合比例为1∶1)，混合填料的装填高度为30 cm.

1.进水桶 2.蠕动泵 3.滴滤池 4.滴滤池底座 5.通风孔 6.人工湿地 7.穿孔布水管

1.3 实验水质

实验用水为人工配制，以葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾为基质，保持CODcr∶N∶P大致维持在100∶5∶1.同时加入微生物生长所需的各种微量元素和调节pH的碳酸氢钠.进水CODcr维持在400 mg·L-1左右.实验期间的进水水质情况如表1所示.

表1 实验期间进水水质

1.4 分析方法

主要分析的水质指标为CODcr、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN、TP.其中，CODcr的分析方法为节能加热法[8]；NO2--N的分析方法为N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法[8]；NO3--N的分析方法为紫外分光光度法；其余水质指标的分析方法均采用最新的国家标准分析方法.

1.5 实验装置的启动

滴滤池的启动方式有自然挂膜法、活性污泥挂膜法、优势菌种挂膜法等[9].本实验采用活性污泥挂膜法，接种的好氧活性污泥取自西安市某污水处理厂好氧池末段的活性污泥，MLSS在4 000 mg·L-1左右.封闭滴滤池的出水口和所有的通风口，将接种污泥用蠕动泵送入到事先装好填料的滴滤池反应器，再将滴滤池出水口与进水管相连，之后开启蠕动泵使污泥循环流动以加强填料和微生物的接触频率，达到快速启动的目的.连续循环3天以后，排掉反应器内多余的污泥，按设计流量进水.进水量为30 L·d-1，对应的滴滤池的水力负荷为1.0 m3·m-2·d-1，人工湿地的水力负荷为0.125 m3·m-2·d-1，布水方式为间歇式脉冲布水，布水周期为布水2 min，间隔14 min. 实验装置运行了199天(2013年5月10日～2013年11月24日)，实验期间的环境温度在16.0 ℃～23.5 ℃.

2 结果和讨论

2.1 CODcr的去除效果

滴滤池-人工湿地组合工艺对CODcr的去除效果如图2所示.

图2 滴滤池-人工湿地组合工艺对CODcr的去除效果

实验数据表明：实验装置运行期间，组合工艺对CODcr的去除效果较好，滴滤池出水的CODcr为16～89 mg·L-1，平均为32 mg·L-1，出水浓度基本满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准，达标率为90%.人工湿地出水的CODcr为6～35 mg·L-1，平均为15 mg·L-1，出水浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准.组合工艺对CODcr的去除率在90.5%～98.7%，平均为96.2%.经过3天的活性污泥的强化挂膜，滴滤池填料吸附和截留了大量的微生物，肉眼可以明显观察到反应器内填料表面形成有黄色的生物膜.滴滤池出水CODcr在反应器启动后的第2天降至100 mg·L-1以下，在第8天降至50 mg·L-1以下，随后呈逐渐下降趋势，从第78天开始趋于稳定，出水CODcr维持在30 mg·L-1以下.因为启动滴滤池的活性污泥取自污水处理厂好氧段，污泥活性较高，且滴滤池分三层，层与层之间通风效果良好(通风面积占滴滤池横截面的35.7%)，接种污泥可以较快适应滴滤池内的环境，适应期明显缩短.

人工湿地出水的CODcr从一开始就比较稳定，维持在10 mg·L-1以下，起始阶段人工湿地内微生物含量较少，人工湿地对CODcr的去除机理主要为填料的吸附、截留，出水悬浮物浓度较低.随着反应器的运行，人工湿地中的微生物逐渐生长.第107天人工湿地出水CODcr逐渐上升，这是因为出水携带了微生物，130天以后趋于稳定，这时湿地内的生物量趋于稳定，出水CODcr基本维持在20～30 mg·L-1之间.

2.2 NH4+-N的去除效果

滴滤池-人工湿地组合工艺对NH4+-N的去除效果如图3所示.

图3 滴滤池-人工湿地组合工艺对NH4+-N的去除效果

实验数据表明：系统运行期间组合工艺对NH4+-N的去除效果良好，出水NH4+-N在0.21～3.30 mg·L-1之间，平均1.00 mg·L-1，出水浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准.组合工艺对NH4+-N的去除率在83.6%～99.1%，平均为95.6%.本次实验表明滴滤池的硝化效果良好，这与部分学者的研究结果[10-12]一致.虽然进水NH4+-N有所波动，但出水的NH4+-N相对进水比较稳定，滴滤池出水NH4+-N在0.17～2.8 mg·L-1之间，平均1.00 mg·L-1.因为滴滤池接种污泥取自污水处理厂好氧段，接种污泥中含有硝化细菌.挂膜完成以后，硝化细菌直接利用污水中的NH4+-N进行硝化反应，克服了自然挂膜法中硝化细菌挂膜慢的问题.运行80天以后，滴滤池出水NH4+-N降至1 mg·L-1以下.

人工湿地对NH4+-N的去除效果较差，甚至出现了在84天以后湿地出水的NH4+-N高于滴滤池出水的NH4+-N.分析其原因可能是人工湿地内的反硝化细菌等异养微生物碳源不足，引起了微生物的内源呼吸，微生物自身蛋白质的分解形成了一部分NH4+-N，从而导致湿地出水NH4+-N有所升高.

2.3 TN的去除效果

滴滤池-人工湿地组合工艺对TN的去除效果如图4所示.系统运行稳定后，对组合工艺进出水中各种形态的无机氮进行了测定，有机氮的数据通过计算得出，计算公式为：有机氮=TN-NH4+-N-NO3--N-NO2--N.各种形态的氮的具体变化如图5所示.

图4 滴滤池-人工湿地组合工艺对TN的去除效果

图5 组合工艺进出水氮形态变化

滴滤池出水TN波动性较大，出水浓度在7.33～18.49 mg·L-1，平均值为11.66 mg·L-1，出水浓度基本满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准，达标率为94%.滴滤池对TN的去除率在24.1%～67.7%，平均值为51.5%.130天以后，滴滤池出水TN浓度波动较大，分析原因可能是由于季节导致气温较低所引起的.滴滤池对TN去除的机理包括微生物的同化、填料的吸附、硝化反硝化作用等.滴滤池进水的TN主要由NH4+-N(91.5%)构成，滴滤池出水的TN主要由NO3--N(59.6%)、有机氮(36.3%)和NH4+-N(3.6%)组成，出水有机氮的贡献主要来自于脱落的生物膜.Biesterfeld[11]、童君[13]、谭平[2]的研究结果表明：滴滤池的生物膜具有反硝化的能力，当污水中存在溶解氧时生物膜内部也可以发生反硝化.由于滴滤池内NH4+-N的减少量远高于NO3--N和NO2--N的增加量，结合上述学者的研究成果，推测本实验装置的滴滤池内发生了反硝化.

人工湿地出水TN相比滴滤池稳定，出水浓度在1.21～5.58 mg·L-1，平均值为2.16 mg·L-1，出水浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准.去除率在62.2%～90.3%，平均值为81.5%.整个工艺对TN的去除率在77.1%～95.3%，平均去除率为91.2%.滴滤池对TN的去除贡献为51.2%，人工湿地对TN的去除贡献为48.8%.人工湿地对TN的去除机理为填料的吸附、截留、反硝化作用、微生物同化等.人工湿地的进水即滴滤池的出水，TN主要由NO3--N(59.6%)和有机氮(36.3%)组成.人工湿地出水TN主要由NH4+-N(59.6%)和有机氮(40%)组成.说明人工湿地内发生了良好的反硝化反应.在系统运行初期，填料的吸附发挥了主要作用.当系统运行稳定，填料的吸附量达到平衡，TN的去除主要依靠反硝化作用.

2.4 TP的去除效果

滴滤池-人工湿地组合工艺对TP的去除效果如图6所示.

图6 滴滤池-人工湿地组合工艺对TP的去除效果

滴滤池出水的TP浓度波动较大，在1.98～3.42 mg·L-1之间，平均值为2.54 mg·L-1，出水浓度基本满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》二级标准，达标率为91%.滴滤池TP的去除率在12.7%～53.7%，平均去除率为38.1%.人工湿地的TP浓度在0.008～0.621 mg·L-1之间，平均值为0.151 mg·L-1，出水浓度基本满足《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准，达标率为97%.人工湿地TP的去除率在76.7%～99.7%，平均去除率为93.9%.整个工艺对TP的去除率在86.1%～98.9%，平均去除率为96.4%，组合工艺的TP去除效果较好.滴滤池对TP的去除贡献为39.7%，人工湿地对TP的去除贡献为60.3%.

由于系统不具备生物除磷所必需的厌氧好氧交替的环境，人工湿地TP的去除原理在于微生物的同化、填料的吸附等[14-16].实验数据表明：湿地出水的TP浓度在141天以后开始逐渐上升，而滴滤池出水的TP浓度变化则无明显差别.在此之前，湿地出水的TP 浓度在0.047～0.087 mg·L-1之间.141天以后湿地出水的TP浓度升高至0.158～0.621 mg·L-1之间.说明人工湿地填料对磷的吸附已经达到饱和，从而导致出水TP浓度的升高.

3 结论

(1)采用生物滴滤池-人工湿地组合工艺处理模拟生活污水，可以省去传统活性污泥法中曝气能耗的费用，去除CODcr、脱氮除磷的效果较好，组合工艺对CODcr、NH4+-N、TN和TP的平均去除率分别达到了96.2%、95.6%、91.2%和93.9%.滴滤池出水的CODcr、NH4+-N和TN均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准，达标率分别为90%、100%和94%.TP达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》二级标准，达标率为91%.人工湿地出水的CODcr、NH4+-N、 TN和TP均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准，达标率分别为100%、100%、100%和97%.

(2)当采用好氧活性污泥作为接种污泥时，用循环污泥的强化方式可以达到快速启动滴滤池的目的，在系统运行第8天，CODcr去除率达到84.9%，NH4+-N、TN和TP的去除率从运行第1天开始就比较稳定，滴滤池出水浓度波动不是很大.

(3)CODcr、NH4+-N的去除主要是在滴滤池内完成的.TN的去除中，滴滤池的去除贡献为51.2%，人工湿地的去除贡献为48.8%.TP的去除中，滴滤池的去除贡献为39.7%，人工湿地的去除贡献为60.3%.

(4)生物滴滤池出水中的TN组成主要为NO3--N(59.6%)、有机氮(36.3%)和NH4+-N(3.6%)，人工湿地出水的TN组成主要为NH4+-N(59.6%)和有机氮(40.0%).人工湿地的反硝化效果良好，出水NO3--N未检出.

(5)组合工艺运行至141天时，人工湿地的出水TP浓度开始明显上升，TP浓度由之前的0.047～0.087 mg·L-1上升至0.621 mg·L-1，而滴滤池出水的TP浓度变化不大.说明人工湿地内填料对TP的吸附量已经达到饱和.

(6)生物滴滤池-人工湿地组合工艺对生活污水中常规污染物的去除效果较好，并且不需要曝气，可以节约费用，管理运行方便，人工湿地技术在发挥农村地区土地资源丰富的优势的同时还可以带来一定的景观效益.因此这种组合工艺在处理农村生活污水方面有着良好的应用前景.

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Research on law of composite process of biotrickling filterand constructed wetland for domestic wastewater treatment

XUE Xu-dong1， WANG Jia2*， SUN Chang-shun1，WANG Xi-feng1， ZHANG Zhen-wen1， DENG Yan1

(1.Shaanxi Provincial Academy of Environmental Science, Xi′an 710061， China； 2.Pollution Reduction Engineering Technology Research Center of Shaanxi Province, Xi′an 710061， China)

The composite process of biotrickling filter and constructed wetland was used to treat simulated domestic wastewater.The contaminant removal efficiency of composite process was investigated under the conditions of hydraulic loading of biotrickling filter of 1.0 m3·m-2·d-1.The results showed that the rapid start-up process of reactor was implemented by using the method of artificial inoculation with activated sludge.The average removal efficiencies of CODcr,NH4+-N,TN and TP were 96.2%,95.6%,91.2% and 93.9%,respectively.Most parts of CODcrand NH4+-N were removed in biotrickling filter.The contributions of TN,TP removal of biotrickling filter were 51.2%,39.7%, respectively.The contributions of TN,TP removal of constructed wetland were 48.8%,60.3%, respectively.The TP concentration of effluent of constructed wetland increased constantly with the time after 141 days.This illustrated that the absorption abilities for TP reached the saturated binding.

biotrickling filter； constructed wetland； domestic wastewater； removal efficiency

2015-03-08

陕西省科技厅科技统筹创新工程计划项目(2011KTZB03-03)

薛旭东(1983-)，男，陕西白水人，工程师，博士，研究方向：废水生物处理通讯作者:王 佳(1987-)，男，山西运城人，助理工程师，硕士，研究方向：废水生物处理,380279632@qq.com

1000-5811(2015)03-0022-05

X703

A