城市尾水深度处理工艺及效果研究

常会庆，王浩

1. 河南科技大学，河南 洛阳 471003；2. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085

城市尾水深度处理工艺及效果研究

常会庆1,2，王浩1

1. 河南科技大学，河南 洛阳 471003；2. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085

为探索适合城市污水厂尾水深度净化经济、有效的处理技术系统，使出水水质达到回补当地地表水源要求，为地区水环境健康与水质安全保障提供理论依据和示范。以城市污水处理厂尾水为研究对象，通过小试试验建立适合城市污水厂尾水深度净化的组合系统，该组合系统包括间歇曝气生物活性炭滤池与S型立体植物沟组合。系统运行的时间为129 d，每隔一定天数进行取样，测定其中TN（总氮）、NH3-N（铵态氮）、TP（总磷）、COD、溶解性有机物等进、出水营养指标参数变化，并利用综合水质标识指数法对出水水质进行评价。结果表明：该系统能明显降低尾水中上述污染物的质量浓度，试验期间出水TN，TP的去除率分别达到50%，70%以上，且出水总氮含量维持在10 mg·L-1以下，其中最低时总氮质量浓度为2.6 mg·L-1。进水总磷质量浓度范围在0.56～2.97 mg·L-1之间，经过上述系统处理后总磷质量浓度可以控制在0.2 mg·L-1以下。单独生物滤池单元处理后出水综合水质标识指数在5.632～3.510之间，平均综合水质类别可以达到地表水Ⅳ标准；组合植物系统处理后，出水综合标识指数在3.510～2.510之间，平均综合出水水质可以达到地表Ⅱ类水质的要求。上述研究结果表明该深度组合工艺可以进一步提高城市污水厂出水水质，并达到回补地表水四类水质的设计要求。

城市尾水；活性炭滤池；植物系统；回用

中国水资源短缺，而城市尾水作为一种稳定水源如加以深度净化，出水水质达到或超过当地地表水环境功能后再排入当地地表水体，一方面缓解了当地地表河流的污染状况，增加其环境容量，另一方面经过深度处理后的尾水可以进行地表水源回补，增加本地区的水资源量（Youngik等，2010；蒋旭光等，2010）。已有的城市尾水深度处理工艺，主要包括滤料物理过滤（Gulsin等，2007；吴俊森等，2005；池素玮，2008），但出水水质较差；利用化学沉淀或氧化剂氧化法容易造成产生二次污染，且费用相对较高，目前对大多数深度处理厂都很难维持长期运行（Wu等，2005；高连敬等，2009）；单纯采用超滤膜技术对小分子量有机物和营养盐去除效果有限（Lin等，2000；Juan等，2010），纳滤和反渗透虽可以达到很高的净化效果，但是膜压控制要求高，能耗也比较高，因膜容易阻塞和污染，对预处理要求严格，因此也不适于城市尾水长期稳定深度处理（Tonni等，2006）。

城镇二级污水厂出水主要指标特征为：BOD5/TN：1左右；BOD5/COD：0.2～0.35；COD的含量大小约为20 mg·L-1左右，且由于城市尾水中一般同时含有硝态氮和铵态氮，其中铵态氮的转化比较容易通过微生物的硝化作用得到实现，但城市尾水中的碳源不足不利于微生物反硝化作用对硝态氮的彻底脱除。因此可以考虑通过间歇曝气生物滤池的方式，通过调节间歇曝气周期，控制系统的溶解氧含量，使系统实现同时硝化和反硝化脱氮作用。选择颗粒活性炭为滤料主要考虑其比表面积大，孔隙发达等特点，在发挥其吸附截留作用同时，有利于微生物生长，提高了微生物抗冲击负荷能力；微生物降解作用延长了活性炭的使用周期。生物处理方法对有机物的最有效作用区间是分之量小于500的有机物；而活性炭对分子量在500～3000的有机物吸附能力较强（周鑫等，2011）。通过控制滤池中的溶解氧质量浓度，实现不同区域同步硝化和反硝化脱氮作用（罗晓鸿等，1998），没有被活性炭生物滤池去除的营养盐物质，则可通过植物系统进一步吸收利用而去除。因为植物在养分吸收过程中可以直接利用大气中的 CO2作为其碳素来源，不受水体中碳源降低的影响；另外植物可以同时吸收城市尾水中的铵态氮，硝态氮和溶解性的磷酸盐等营养物质，对多种营养物质起到吸收作用，同时对铜、锌等含量较高的重金属离子有较好去除效果。利用大型植物人工模拟或构建湿地系统被认为是一个可行的尾水深度处理系统（Reed等，1988；Ayaz等，1988；杨肖娥等，2005；U.S.EPA，1998；Hammer，1989）。针对城市尾水的上述特征，以及系统各处理单元对污水污染物去除具有相应针对性特征和优势，设计出经济、可行、环境友好组合处理装置是实现高质量尾水回用的技术前提。

1 试验设计与方法

试验材料和装置：供试植物材料——多年生黑麦草为供试品种，具有生长快，养分吸收能力强耐寒等优点，植物先预培养，等待完全覆盖水面开始试验，试验时间天数为 129 d，每期间每隔一定天数采进、出水水样进行分析。

供试污水：供试水样分别采至某氧化沟出水，水质主要理化性质见表1。

表1 供试污水的理化性质Table 1 Main water quality index of two kinds test sample

试验装置：图1是间歇式曝气活性炭生物滤池（IABF-intermittent aerated biofilter）示意图。滤柱高1.5 m，直径10 cm，滤料采用1～3 mm的颗粒活性炭，滤料高度约80 cm，底部有10 cm承托层，下部设置曝气管和反冲洗管。采用上部进水方式，该装置出水计为“滤池出水”。试验装置图 2是采用立体S型沟道植物系统，分上下两层，上层沟道总长约4 m，宽0.7 m，高0.4 m，下层同样总长约4 m，宽0.7 m，高0.4 m，该装置出水记为“植物出水”。

图1 生物滤池系统示意图Fig. 1 Filtering equipment

图2 植物系统示意图Fig. 2 Outside plant plants system

项目测定：COD、NH4+-N、NO3-N、TN、TP、溶解性有机物等指标，测定重复2次，测定方法参照《水和废水监测分析方法》（第四版）。

试验装置运行：首先在间歇曝气生物滤柱承托层装入直径为1～2 cm鹅卵石，高度为10 cm，然后在承托层的筛板上面装入粒径在1～3 mm的颗粒活性炭，高度约80 cm，装置启动前接种氧化沟的活性污泥闷曝一周（污泥质量浓度为2 g·L-1），然后接种生活污水连续培养一周，观察有生物膜生长后开始试验。

工艺条件：试验运行分两个阶段：第一阶段共运行18 d，其中间歇曝气活性炭生物滤池水力停留时间10 h，曝气量为4 L·h-1，曝气15 min停45 min，植物系统停留时间为5 d。第二阶段运行111 d，调整曝气活性炭生物滤池水力停留时间为 6 h，曝气量由原来的4 L·h-1调整到2 L·h-1，间歇曝气周期设定为曝气10 min停50 min，植物系统停留时间仍然保持为5 d。

2 结果与分析

2.1 组合工艺对尾水中铵态氮和硝态氮处理效果

该供试污水厂尾水中同时含有铵态氮和硝态氮（图3）。在试验运行期间，铵态氮质量浓度的变化幅度较大，变化范围在9.52～28.30 mg·L-1之间，经过曝气生物滤池处理后铵态氮最高质量浓度为5.28 mg·L-1，最低可以降到0.21 mg·L-1。说明在该间歇曝气活性炭生物滤池工艺条件下，可以满足对铵态氮充分的硝化作用。间歇曝气生物滤池处理后出水经过植物系统处理后，铵态氮质量浓度都降到1 mg·L-1以下，其中最高质量浓度为0.98 mg·L-1，某些时段铵态氮质量浓度在检测限以下。经过上述组合系统处理后，出水铵态氮完全可以达到地表三类水质要求。试验运行期间硝态氮的变化范围在1.81～13.81 mg·L-1之间，经过间歇曝气生物滤池处理后出水中硝态氮含量有所增加，质量浓度变化范围在9.7～18.43 mg·L-1之间，主要原因是与间歇曝气生物滤池的硝化作用强于反硝化作用容易造成硝态氮的积累。其出水经过植物系统吸收处理后硝态氮质量浓度有所降低，其质量浓度变化范围为1.53～8.99 mg·L-1。说明植物系统对硝态氮和铵态氮同样有吸收去除作用，因此适当的增加植物系统的停留时间可以进一步去除硝态氮含量。

图3 复合深度处理系统对铵态氮和硝态氮影响Fig. 3 The concentration effect on NH3-N and NO3-N during advanced treatment process

2.2 组合工艺对尾水中总氮和总磷处理效果

试验运行期间进水总氮范围在 16.61～39.21 mg·L-1之间（图4），经过间歇曝气生物滤池处理后总氮有所降低，原因在于滤池中的硝化和反硝化作用以及生物活性炭吸附作用等对总氮有降低作用，出水总氮质量浓度范围为13.92～26.38 mg·L-1之间。间歇曝气活性炭生物滤池处理出水，在经过植物系统吸收后总氮质量浓度有了进一步降低，出水总氮含量维持在10 mg·L-1以下，其中最低时总氮质量浓度为 2.6 mg·L-1。进水总磷质量浓度范围在0.56～2.97 mg·L-1之间，与总氮变化趋势有所不同，间歇曝气生物滤池对进水总磷有较强的吸附去除作用，其出水总磷最高质量浓度为0.77 mg·L-1，最低只有0.04 mg·L-1。间歇曝气活性炭生物滤池出水经过植物系统的进一步处理后，显著降低了总磷的质量浓度，出水总磷的质量浓度范围在0.17～0.027 mg·L-1，经过植物系统进一步吸收后，总磷质量浓度可以控制在0.2 mg·L-1以下。

图4 复合深度处理系统对TN和TP影响Fig. 4 The concentration effect on TN and TP during advaced treatment process

2.3 组合工艺处理对尾水中总氮、总磷去除率

第一工艺阶段，城市尾水经过间歇曝气生物滤池处理后，总氮去除率在24.81%～54.14%之间（图5），出水再经过植物系统后总氮的去除率可以到达78%以上，质量浓度降低到8 mg·L-1以下。第二阶段污水经过间歇曝气生物滤池处理后，总氮的去除率最高可达47.8%，最低去除率为10.81%。原因主要由于间歇曝气生物滤池吸附作用在降低，另外除氮效果受到COD不足的限制，较低的COD含量不利于反硝化作用的进行，但是第二阶段出水经植物系统吸收处理后，总氮的去除率明显增加，最低为50.77%，最高的可达88.05%。第一阶段间歇曝气生物滤池可以去除60%以上的总磷。结合植物系统处理可以去除86%以上的总磷，使总磷的质量浓度控制在0.3 mg·L-1以下。出水总磷可以达到地表四类水以上的要求。第二阶段同样表现出较强的除磷能力，间歇曝气生物滤池对总磷的去除率效果依然明显，最高达96.86%，最低为60.88%。出水经过植物系统的进一步处理后总磷的去除率基本达到90%以上。

图5 复合深度处理系统对TN和TP去除率Fig. 5 The concentration effect on TN and TP removal during advanced treatment

2.4 组合工艺处理对尾水中COD去除效果

进水COD的范围为20～52 mg·L-1之间（图6），大部分进水COD可以维持在地表四类到五类水之间。经过生物滤池处理后明显降低了COD含量，基本在10 mg·L-1以下。植物系统的存在使得COD质量浓度有时有增大的趋势，主要原因在于植物系统根系的分泌物会在一定程度上增加 COD的质量浓度，但植物系统出水中COD含量也都维持在15 mg·L-1以下，大部分可以达到地表二类水质要求。

图6 复合深度处理系统对COD影响Fig. 6 The concentration effect on COD duriing advaced treatment process

2.5 组合工艺对尾水深度处理后的水质评价

针对上述测定指标中的总氮、总磷、铵态氮和COD 4个指标参数，采用综合水质标识指数法对进行深度处理后出水水质进行评价（尹海龙等，2008；徐祖信等，2005），标识指数表示方法如下：

单因子水质标识指数Pi=X1·X2·X3其中：

X1代表第i项水质指标的水质类别；

X2代表监测数据在 X1类水质变化区间中所处的位置；

X3代表水质类别与功能区划设定类别的比较结果。

综合水质标识指数Iwq= X1·X2·X3·X4其中：

X1为河流总体的综合水质类别；

X2代表监测数据在 X1类水质变化区间中所处的位置；

X3为参与综合水质评价的水质指标中，劣于水环境功能区目标的单项指标个数；

X4为综合水质类别与功能区划设定类别的比较结果。

结果见表 2。从表中可以看出采用生物滤池单元可以使出水的综合水质级别达到Ⅳ水质级别，出水再经过植物单元处理后综合水质级别可以达到Ⅱ水质级别。以当地地表Ⅳ类水作为水环境功能区进行达标评价的依据（指标参见地表水环境质量Ⅳ类水体上述指标的标准 GB3838-2002），该深度组合处理工艺完全可以达到处理要求。

表2 深度处理单元综合水质评价Table 2 Assessment of comprehensive water quality of advaced treatment unit

2.6 深度处理对溶解性有机物影响

利用荧光光谱仪（XRF-1800）对组合系统进、出水中溶解性有机物进行分析。从图7可以看出：进水中溶解性有机质物分别在激发波长 310～360 nm，发射波长370～450 nm以及在激发波长240～270 nm和发射波长370～440 nm处有荧光峰出现，说明进水中溶解性有机物中含有类富里酸类有机物，而在经过生物滤池和植物系统处理后出水中荧光峰消失或变弱，说明城市尾水经过该组合工艺处理后，对水体中溶解性有机物质有很好的去除作用。

3 结论

研究中的间歇曝气生物活性炭滤池与S型立体植物沟组合工艺对污水厂出水深度处理后，明显降低了出水中铵态氮、COD、总磷、总氮等指标含量，且其单项指标除总氮外都达到了地表 III类水的标准，深度处理后出水总氮，总磷的去除率分别达到50%，70%以上。

应用综合标识指数法对深度处理后的出水进行评价结果表明：单独生物滤池单元处理后出水综合水质标识指数在 5.632～3.510之间，平均综合水质类别可以达到地表水Ⅳ标准；组合植物系统处理后，出水综合标识指数在3.510～2.510之间，平均综合出水水质可以达到地表Ⅱ类水质的要求。说明在试验运行期间该深度组合工艺可以进一步提供出水水质，达到回补地表水四类水质的设计要求。

试验后期出现硝态氮处理效率降低问题，一方面可以通过优化活性炭生物滤池中的各参数，如降低溶解氧，增加停留时间等措施强化脱氮效果；另一方面也可以通过植物系统的优化组合，以及改造植物浮床系统为湿地系统的途径来强化硝态氮的去除作用。

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Advanced Treatment Technology for City Tail Water and Its Effects

CHANG Huiqing1,2, WANG Hao1
1. Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2. Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China

In order to explore suitable, economic, and effective technical systems for purification and reuse of sewage treatment plant effluent for surface water resources, and provide the theoretical basis and technical support for region water environment health and security. This study took city sewage treatment plant effluent as study object and established a pilot combined system to treat the city tail water, the combined system including intermittent aeration biological activated carbon filter and S type stereo plant ditch. The system running for 129 days, Every certain number of days sampling to determination the nutrition parameters change of TN (total nitrogen), NH3-N (ammonium), TP (total phosphorus), COD, dissolved organic matter in the water inlet and outlet. In this study, the comprehensive water quality identification index method also was used to evaluation of water quality. The results showed that: the system reduced significantly the TN and TP mass concentration of the effluent during the test, the removal rate of TP reached 50%, and more than 70% of TN respectively, and TN mass concentration was maintained at below 10 mg·L-1, the minimum total nitrogen mass concentration was 2.6 mg·L-1. After plant further adsorption the total phosphorus mass concentration can be controlled below 0.2 mg·L-1. the comprehensive water quality identification index between 5.632～3.510, after the unit of biological filter water treated, and the average of comprehensive water quality reached the surface of the water category IV standard; after combination of plant system treatment, the integrated identification index reached between 3.510～2.510, average comprehensive effluent quality reached the surface of class II water quality requirements. The research results showed that the depth of the combination process could further improve the city sewage treatment plant effluent quality, achieved the reuse requirements of the water category IV standard.

city tail water; advanced treatment; activated carbon filter; plant system; reuse

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.03.013

X703

A

1674-5906（2015）03-0457-06

常会庆，王浩. 城市尾水深度处理工艺及效果研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(3): 457-462.

CHANG Huiqing, WANG Hao. Advanced Treatment Technology for City Tail Water and Its Effects [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(3): 457-462.

中国科学院重大项目（KZCX1-YW-06-01）；中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室开发基金项目（11K08ESPCR）；河南科技大学校基金项目（2013QN013）

常会庆（1974年生），男，博士，主要从事污染水体修复研究，E-mail: hqchang@126.com

2014-11-06