基于生物-生态耦合工艺的农村生活污水处理研究

施　畅，张　静，刘　春，李再兴，吴　根, 杨景亮

(1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄　050018；2.河北省污染防治生物技术重点实验室，河北石家庄　050018)



基于生物-生态耦合工艺的农村生活污水处理研究

施畅1,2，张静1,2，刘春1,2，李再兴1,2，吴根1,2, 杨景亮1,2

(1.河北科技大学环境科学与工程学院，河北石家庄050018；2.河北省污染防治生物技术重点实验室，河北石家庄050018)

摘要：开发低投资、低能耗、低维护的生活污水处理工艺是解决农村污水处理问题的关键。采用无动力升流式厌氧生物滤池(UAF)与潜流式人工湿地(SFW)耦合工艺处理农村生活污水，考察了耦合工艺在不同水力停留时间(HRT)下对生活污水的处理效果，并通过增加SFW内的植株密度改善脱氮除磷效果。结果表明：UAF与SFW耦合工艺无动力消耗，免维护，适合农村地区的生活污水处理，对氮、磷的去除主要依靠SFW阶段完成，通过增加芦苇的植株密度可以明显增强SFW内生物的脱氮除磷能力，并保证UAF与SFW耦合工艺的处理性能稳定在较高水平。在t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d的条件下，UAF与SFW耦合工艺出水COD、氨氮、总氮、总磷的平均质量浓度分别为44.07，4.25，13.36和0.44 mg/L，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。

关键词：水污染防治工程；农村生活污水；厌氧生物滤池；人工湿地；脱氮除磷

施畅，张静，刘春，等.基于生物-生态耦合工艺的农村生活污水处理研究[J].河北科技大学学报,2016,37(1):102-108.

农村地区居民在生活过程中产生的污水，是农村污水的主要来源[1]，其中有机物和氮、磷含量较高，生化性一般比较好[2]。但由于生活污水产生量少、分散、远离排污管网，一般不作任何处理就直接排入河流湖泊，这是造成水体污染的重大隐患[3-5]。常规的生化处理工艺，由于投资和运行费用高，且操作复杂，在农村地区难以推广应用[6]。因此，研究开发投资少、运行费用低、操作简单的生活污水处理工艺，对农村地区生活污水的处理显得尤为重要[7-8]。

近年来，生物-生态耦合工艺在农村生活污水处理中日益受到关注。冉全等[9]采用“厌氧+跌水充氧接触氧化+生态塘+人工湿地”生物-生态耦合工艺处理农村生活污水，其对生活污水中 COD、氨氮、总氮、总磷的去除率分别可达62%，96%，84%和87%；刘文涛等[10]采用“厌氧池+跌水充氧接触氧化池+水耕蔬菜型人工湿地”生物-生态耦合工艺处理农村生活污水，出水各指标均能稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准；李金忠等[11-12]采用“沉砂拦污池+固定微生物滤池+太阳能增氧池+人工湿地”生物-生态耦合工艺处理农村生活污水，耦合工艺对COD的去除率达到84.53%~96.74%，对总氮的去除率达到90.08%~98.68%，对总磷的去除率达到95.4%~99.6%。以上生物-生态耦合工艺均具有较好的处理效果，但工艺环节相对较复杂。

上流式厌氧滤池(UAF)是一种简易的厌氧污水处理装置，可以对生活污水中的COD进行有效去除，但厌氧处理对氮、磷的去除能力有限[13]。潜流式人工湿地(SFW)是自20世纪70年代以来迅速发展起来的污水处理工艺，应用日益普遍[14-16]，具有低投资、低耗能、低处理成本、易管理等特点[17]，尤其在氮、磷去除方面具有一定的优势，其投资运行费用仅为常规二级污水处理厂的1/10~1/2[18]。“UAF+SFW”生物-生态耦合工艺投资少、运行成本低、易于操作且无动力消耗，可实现对农村生活污水的无动力处理，能够对生活污水中的污染物进行有效去除，同时UAF对进水悬浮物的过滤去除作用能够解决后续SFW处理堵塞的问题[19]。本研究选择地埋式“UAF+SFW”生物-生态耦合工艺，利用UAF去除生活污水中的COD，利用SFW去除生活污水中的氮、磷，并进一步去除COD。研究考察了耦合工艺在不同水力停留时间(HRT)下对生活污水的处理效果，并通过对耦合工艺的调整和改进，实现处理后出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

1材料与方法

1.1　实验装置

“UAF+SFW”生物-生态耦合工艺实验装置如图1所示。UAF内径为0.3 m，有效容积为80 L，选用直径为80 mm的聚丙烯悬浮球组合填料，球内填充聚氨酯多孔填料，多孔填料平均孔径为0.5~1.0 mm，填料床层高度为0.9 m，填充率(以多孔填料体积计)约为20%。SFW长为1.2 m，宽为0.6 m，高为1 m，填料床层高度为0.95 m，自下而上依次为直径30～40 mm的砾石层0.15 m、直径4～8 mm的石英砂层0.50 m和土壤(选自河北科技大学新校区景观林)层0.30 m，床层整体平均孔隙率约为0.4。移植河北科技大学景观湖内植株高度为0.6~0.8 m的芦苇作为湿地植物，种植于土壤层，种植深度为0.15～0.20 m，种植密度为12株/m2。

图1　实验装置示意图Fig.1　Experimental apparatus

1.2　实验过程

系统运行时间为2014年4月—10月，进水均取自河北科技大学校园生活污水，COD质量浓度为250~410 mg/L，氨氮质量浓度为30~40 mg/L，总氮质量浓度为40~75 mg/L，总磷质量浓度为5~7 mg/L，其水质指标与农村生活污水基本相同[20]。

UAF采用直接启动的方法接种厌氧污泥与生活污水混合，静态接触2 d，随后在t(HRT)=24 h条件下连续进水，待出水水质趋于稳定，则启动完成，进入稳定运行阶段。当UAF出水COD质量浓度稳定在100 mg/L时，其出水连续进入SFW进行处理。“UAF+SFW”耦合工艺运行条件如表1所示。对UAF和SFW处理过程中的进、出水的COD、氨氮、总氮和总磷等水质指标进行检测，以反映耦合工艺的处理性能。其中，UAF运行中检测频率是1天1次，SFW运行中检测频率是2天1次。

表1　“UAF+SFW”耦合工艺各阶段运行条件

注：表中1，2，3，4分别表示UAF或SFW工艺中的不同阶段。

1.3　分析方法

COD、氨氮、总磷均采用国标法测定[21]。总氮采用TOC分析仪(TOC-VCPN，日本岛津公司提供)测定。

2结果与讨论

2.1　“ UAF+SFW”耦合工艺对COD的去除效果

UAF对COD的去除效果随HRT的变化情况见图2。UAF进水COD的质量浓度范围为251.90~401.73 mg/L。t(HRT)=24 h时，出水COD的平均质量浓度为61.95 mg/L，平均去除率为80.88%，平均去除负荷为0.26 kg/(m3·d)。为提高UAF的处理能力，缩短t(HRT)至18 h，此时UAF出水COD的平均质量浓度为99.85 mg/L，平均去除率为67.51%，平均去除负荷为0.28 kg/(m3·d)。进一步缩短t(HRT)至12 h，UAF出水COD的平均质量浓度为133.84 mg/L，平均去除率为58.53%，平均去除负荷为0.38 kg/(m3·d)。可见，缩短t(HRT)可以增加COD去除负荷，提高处理能力，但出水COD的质量浓度也随之升高，不利于SFW工艺的后续处理。因此，在t(HRT)UAF为18 h、出水COD的质量浓度约为100 mg/L时，UAF出水进入SFW进行处理。

图2　不同HRT下UAF对COD的去除效果Fig.2　COD removal in the UAF at different HRTs

SFW对COD的去除效果随HRT的变化情况如图3所示。SFW进水COD的质量浓度范围为93.04~117.75 mg/L。t(HRT)=2 d时，SFW出水COD的平均质量浓度为54.88 mg/L，平均去除率为45.57%，未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。在t(HRT)=3 d时，出水COD的平均质量浓度为46.84 mg/L，平均去除率为55.13%，可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。以上结果表明，在t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d时，“UAF+SFW”耦合工艺处理生活污水，出水COD的质量浓度可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

图3　不同HRT下SFW对COD的去除效果Fig.3　COD removal in the SFW at different HRTs

2.2　“UAF+SFW”耦合工艺对氨氮和总氮的去除效果

UAF进水氨氮的平均质量浓度为31.34 mg/L，出水氨氮的平均质量浓度升高至34.93 mg/L，可见UAF对氨氮基本没有去除，且由于厌氧条件下有机氮水解生成氨氮，导致出水中氨氮的质量浓度升高，因此“UAF+SFW”耦合工艺中氨氮的去除主要依靠SFW阶段完成。SFW对氨氮的去除效果随HRT的变化情况如图4所示。SFW进水氨氮的质量浓度为30.59~39.03 mg/L，t(HRT)=2 d时，出水氨氮的平均质量浓度为15.01 mg/L，平均去除率为56.6%；t(HRT)=3 d时，出水氨氮的平均质量浓度为11.08 mg/L，平均去除率增加至69.25%，此时出水氨氮的质量浓度未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。延长t(HRT)至4 d时，出水氨氮的平均质量浓度为10.91 mg/L，平均去除率为69.79%；t(HRT)=5 d时，出水氨氮平均质量浓度为10.43 mg/L，平均去除率为70.54%。可见，在t(HRT)>3 d后，SFW对氨氮的去除率基本稳定在70%左右，延长HRT对改善氨氮的去除效果没有明显作用。

图4　不同HRT下SFW对氨氮的去除效果Fig.4　Ammonia nitrogen removal in the SFW at different HRTs

SFW对总氮的去除效果随HRT的变化情况如图5所示。进水总氮的质量浓度为41.29~49.87 mg/L。t(HRT)=2 d时，出水总氮的平均质量浓度为21.33 mg/L，平均去除率为53.07%；t(HRT)=3 d时，出水总氮的平均质量浓度为17.54 mg/L，平均去除率为61.01%，总氮出水的质量浓度未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。延长t(HRT)至4 d时，出水总氮的平均质量浓度为17.22 mg/L，平均去除率为62.35%；t(HRT)=5 d时，出水总氮的平均质量浓度为16.94 mg/L，平均去除率为62.61%。同样，在t(HRT)>3 d后，延长HRT无法明显改善SFW对总氮的处理效果。

图5　不同HRT下SFW对总氮的去除效果Fig.5　Total nitrogen(TN) removal in the SFW at different HRTs

t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d时，“UAF+SFW”耦合工艺对生活污水中COD的处理效果可以满足标准要求，但对氨氮和总氮的去除效果无法达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)—级A标准，且延长HRT没有明显改善对氨氮和总氮的去除效果。因此，需要调整SFW的工艺，提高其生物脱氮能力，以满足氨氮和总氮的去除要求。

2.3　“UAF+SFW”耦合工艺对磷的去除效果分析

UAF进水总磷的平均质量浓度为6.19 mg/L，出水总磷的平均质量浓度为6.13 mg/L，可见UAF对总磷基本没有去除，因此,总磷的去除也需要依靠“UAF+SFW”耦合工艺中的SFW来完成。SFW对总磷的去除效果随HRT的变化情况如图6所示。进水总磷的质量浓度为4.90~6.93 mg/L。t(HRT)=2 d时，出水总磷的平均质量浓度为2 mg/L，平均去除率为67.4%；t(HRT)=3 d时，出水总磷的平均质量浓度为1.65 mg/L，平均去除率为72.51%，出水总磷的质量浓度未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。延长t(HRT)至4 d时，出水总磷的平均质量浓度为1.77 mg/L，平均去除率为71.49%；t(HRT)=5 d时，出水总磷的平均质量浓度为1.75 mg/L，平均去除率为71.21%。同样，延长HRT无法改善SFW对总磷的处理性能，在t(HRT)>3 d后总磷去除率基本稳定在71%左右，出水总磷的质量浓度基本维持在1.7 mg/L。

图6　不同HRT下SFW对总磷的去除效果Fig.6　Total phosphorus removal in the SFW at different HRTs

以上结果表明，现有运行条件下“UAF+SFW”耦合工艺脱氮除磷能力有限，难以达到排放标准要求。SFW是氮、磷去除的主要工艺环节，SFW内植物吸收、微生物代谢以及基质吸附等作用均对氮、磷去除有贡献[22-23]，而植物生长吸收及其对系统内微生物生长环境的影响是氮、磷去除的重要影响因素[24]。因此，可以通过强化SFW内湿地植物的生物作用来改善氮、磷的去除效果，其中增加植株密度是简易可行的方法。

2.4　UAF与SFW生物-生态耦合工艺调整后处理效果分析

为了强化SFW对氮、磷的生物去除效果，在SFW内进一步移植芦苇，增加芦苇的植株密度至24株/m2。在t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d的运行条件下，植株密度为24株/m2时，“UAF+SFW”耦合工艺对生活污水的处理效果如图7所示。

图7　植株密度为24株/m2时“UAF+SFW”耦合工艺处理性能Fig.7　Treatment performance of UAF+SFW coupling process at plant density of 24 line/m2

由图7 a)可知，耦合工艺COD进水的质量浓度为292.74~324.21 mg/L，UAF出水COD平均质量浓度为111.88 mg/L，此阶段对COD的平均去除率为63.34%。SFW进水(UAF出水) COD质量浓度为98.67~136.16 mg/L，SFW出水COD平均质量浓度为44.07 mg/L，耦合工艺对COD的平均去除率为85.55%。由图7 b)可知，耦合工艺氨氮的进水质量浓度为35.32~38.26 mg/L，出水氨氮平均质量浓度为4.25 mg/L，平均去除率为88.48%；由图7 c)可知，耦合工艺进水总氮的质量浓度为60.5~73.9 mg/L，出水总氮的平均质量浓度为13.36 mg/L，平均去除率为80.08%。由图7 d)可知，耦合工艺总磷的进水质量浓度为5.15~6.02 mg/L，出水总磷的平均质量浓度为0.44 mg/L，平均去除率为92.11%。

可见，增加SFW内芦苇的植株密度至24株/m2后，“UAF+SFW”耦合工艺对COD、氨氮、总氮、总磷的去除效果均有改善，特别是SFW内的脱氮除磷效果有明显提高，“UAF+SFW”耦合工艺出水各指标均可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

3结论

1)“UAF+SFW”生物-生态耦合工艺操作简单且无动力消耗，适合对农村生活污水的处理。

2)在t(HRT)UAF=18 h，t(HRT)SFW=3 d，植株密度为24株/m2的条件下，“UAF+SFW”生物-生态耦合工艺对生活污水中COD、氨氮、总氮、总磷的去除率分别为85.55%，88.48%，80.08%和92.11%；最终出水中COD、氨氮、总氮、总磷的质量浓度分别为44.07，4.25，13.36和0.44 mg/L，均可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

3)“UAF+SFW”生物-生态耦合工艺脱氮除磷主要由SFW工艺完成，通过增加植物的植株密度可以明显增强SFW内的脱氮除磷能力。

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Research on rural sewage treatment using biological-ecological coupling process

SHI Chang1,2, ZHANG Jing1,2, LIU Chun1,2, LI Zaixing1,2, WU Gen1,2, YANG Jingliang1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Abstract:Developing low-investment, low-energy consumption and low-maintenance sewage treatment process is important for sewage treatment in rural areas. An upflow anaerobic filter (UAF) without energy consumption and a subsurface flow wetland (SFW) are utilized as a biological-ecological coupling process to treat rural domestic sewage. The effect of the coupling process on treatment performance of domestic sewage under different hydraulic retention time (HRT) is investigated. The removal of nitrogen and phosphorus in the SFW is improved by increasing plant density. The results show that the coupling process of UAF and SFW has no power consumption and is maintenance-free, suitable for rural sewage treatment; the removal of nitrogen and phosphorus mainly happens in the SFW phase; increasing the density of reed plants in the SFW can obviously enhance the capacity to remove nitrogen and phosphorus, and ensure that the efficient performance of the coupling process of UAF and SFW is stabilized in a high level. When the HRTs of UAF and SFW are 18 h and 3 d, respectively, the concentrations of COD, ammonia nitrogen, total nitrogen and total phosphorus in the final effluent treated by UAF and SFW process are 44.07, 4.25, 13.36 and 0.44 mg/L, respectively, meeting the requirement of first grade class A in Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant (GB 18918-2002).

Keywords:water pollution control engineering; rural domestic sewage; anaerobic biological filter; artificial wetland; removal of nitrogen and phosphorus

通讯作者：刘春教授。E-mail：liuchun@hebust.edu.cn

作者简介：施畅(1990—)，女，河北保定人，硕士研究生，主要从事废水处理技术方面的研究。

基金项目：“十二五”农村领域国家科技计划项目(2013BAJ10B09-3)

收稿日期：2015-02-13；修回日期：2015-04-29；责任编辑：王海云

中图分类号：X52

文献标志码：A

doi:10.7535/hbkd.2016yx01017

文章编号：1008-1542(2016)01-0102-07