微动力组合式生物滤池与潜流式人工湿地联合技术处理生活污水的试验研究

陈 川 刘益华 钟新平 刘浔

（广东自远环保股份有限公司广东梅州514000）

微动力组合式生物滤池与潜流式人工湿地联合技术处理生活污水的试验研究

陈 川 刘益华 钟新平 刘浔

（广东自远环保股份有限公司广东梅州514000）

本文考察了微动力组合式生物滤池与潜流式人工湿地联合工艺对嘉应学院生活污水的处理效果。结果表明，当进水水力负荷达到10 m3/（m2·d）时，滤池系统具有良好的处理效果，COD平均去除率为80%以上，COD去除效率稳定。同时通过更换滤池滤料，还可明显增强氨氮、总磷的去除效果。后续搭配潜流人工湿地，出水可达到污水排放标准。

组合式生物滤池；滤床；水力负荷；生活污水；潜流式人工湿地

由于经济发展和环境保护观念的差异，农村地区生活污水治理设施建设长期滞后于城镇地区。当前，环保基础设施已成为国家新时期基建投资的重要组成部分，而与新农村建设密切相关的农村污水治理设施的建设也相继纳入各地“发展规划”，这也为农村生活污水治理技术的创新与改进提供了市场动力。目前，寻求适应于农村地情的新型环保处理技术及设备已成为环保工程领域的重要方向，其中单位投资、处理效率、能耗比、运行管理既是农村污水治理建设需亟待解决的问题，同时也是新型技术关键性、针对性的研究热点[1]。本文考察了一种改进型滤池联合人工湿地工艺对一般生活污水的处理能力，该工艺以改进型多层生物滤池为核心，后续搭配人工湿地实现污水污染物去除。本试验旨为该工艺的实际应用提供工艺研究数据和系统的设计方法[2]。

1 试验装置和方法

1.1 试验概况及装置

为便于试验的运行及数据分析，试验地点位于广东省梅州市嘉应学院内。处理对象为院内几栋学生公寓所排生活污水，试验装置最大设计处理能力为30m3/d。试验装置如图1所示。

图1 试验装置示意图

试验流程为：公寓所排污水经截流井，部分进入水解调节池，水质得到初步水解后，通过提升泵提升至微动力组合式生物滤池顶部配水区，经重力降通过滤床后进入水平潜流人工湿地，最终排入原污水管网。水解调节池内载组合填料，起到水解预处理及污水均质均量的功能；生物滤池为两组一致的滤池结构；人工湿地采用脱氮除磷效果较优的水平潜流人工湿地。

1.2 试验装置说明及特征

1.2.1 水解调节池

地下钢砼结构，设计有效容积为10m3，平面尺寸2.0×2.0m，深3.5米，组合填料6m3，容积负荷为0.36kg－BOD5/（m3·d），总停留时间8小时。采用潜水提升泵2台，水泵放置在特殊过滤装置中，保障进水杂质、纤维有效隔离。

1.2.2 微动力组合式生物滤池

滤床采用钢结构框架，共两座。下部为滤液收集池。每座滤床分为三列，分别依靠流量计独立控制进水水量；承托层采用穿孔镀锌钢板锻造，共十层；滤框采用镂空塑料箩筐，有效尺寸为564×379×233mm，每层每列设置2个滤框，具体安装层数根据试验要求进行调整。滤床每列上方设有独立布水系统，滤床下方四周设有砖混结构收集池一座。两座滤池收集池均设有回流泵一台。滤床结构见图2。两座生物滤池独立运行，单个滤框填料高度为160mm，选用滤料包括黏土陶粒、火山石、斜发沸石等，填装方式包括单一填装和混合填装。正常工作下，生物滤池水力负荷在2-10 m3/（m2·d）之间。

1.2.3 潜流式人工湿地

滤液经收集池排放口排放至人工湿地。湿地首尾段均利用隔墙将湿地划分为布水区、反应区、出水区，并形成首尾下进下出，反应区水流上升的水流格局。潜流人工湿地反应区平面尺寸为4.0×2.6m，深1.2米，有效容积约10m3。湿地基质采用复合式材料，由下至上分别为碎砖渣、水淬钢渣、级配砂砾，内种美人蕉及再力花两种湿地植物。

1.3 试验原水水质及实验方法

原水水质情况见表1

图2 滤床结构示意图

表1 进水水质情况

系统运行后针对各段进出水水质进行监测。水质检测项目有温度、COD、氨氮、TP、pH等。采样频率试验初期为每日两次，稳定期为一周一次。主要测定的方法见表2。

表2 检测项目及测定方法

2 试验结果与讨论

本试验重点考察生物滤池的运行过程。两组滤池分别定义为A、B。其中各列滤床标记为A1、A2、A3、B1、B2、B3。其中A1、A2、A3各滤框放置多孔陶滤料，A1针对滤框层数（滤床高度）进行研究；A2重点研究棕衣同滤料的结合对水质的处理效果，可针对棕衣摆放位置、棕衣铺放厚度、搭配滤料进行研究，该组滤框层数设置为6层；A3主要研究各种滤料或混合滤料对污染物的吸附降解特征，该组滤框层数可以设置为6层。

B1、B2、B3研究水力负荷、污水回流对污染物进一步降解的影响，特别是对氨氮的硝化反硝化作用影响。

2.1 滤框层数对污染去除效果的影响

A1列滤框填充多孔陶滤料，层数分别为8层、7层、6层、5层、4层，进水流量保持在200L/h，不开回流，通过系统稳定运行，并对水质进行跟踪监测，得出水质污染物去除率随系统层高变化如图3所示。

图3 滤框层数与污染物去除率关系

由图可看出，滤池滤框层数对水质COD、氨氮的去除均有影响。随着滤框层数上升，COD、氨氮去除率呈先上升后稳定的趋势。这可能因为层数上升，滤池有效容积增大，污水在滤池中停留时间延长，使得有机物能够充分与滤料表面生物膜接触而产生更加的效果；但随着层高进一步提高，COD去除率保持稳定不再增加。这可能与层数变高，进水携带的氧气被消耗较快，下端滤框中生物膜活性下降有关。氨氮去除率较低，这与选用的滤料种类有关[3]。

2.2 棕衣对污染去除效果的影响

滤框底部出水可能出现滤液汇成细水柱，不利于下层滤框均与布水。因此本试验考察了棕丝对滤液下降过程的布水均匀性和污染去除效果的关系。结果表明，滤框铺设棕丝有利于滤框之间的布水分布均匀，使上层滤液与下层滤料生物膜更好的接触，同时更分散的水滴更方便空气中氧的传递。从处理效果分析，棕丝铺在滤料上方，裁剪厚度5-8mm时，不易堵塞滤液，亦可拦截上方掉落的生物膜，且方便更换。从水样数据分析可知，滤料上方铺设棕丝，污水COD去除率平均上升7个百分点，氨氮效果不明显。

2.3 滤料种类对污染去除效果的影响

图4 滤料形式与污染物去除率关系

本试验考察了三种滤料，分别为多孔黏土陶粒滤料、火山石、斜发沸石。各种滤料与污染物去除关联见图4。由图可知，黏土陶滤因存在大量微型孔隙，比表面积大，有利于微生物附着，因此其生物膜往往易于生长，其COD平均去除效果优异，保持在80%以上。选用的火山石表面较光滑，生物膜挂膜情况不如陶粒，其COD去除率能达到75%左右，而其对总磷的去除效果较好，这与火山石构成组分易于吸附水中磷酸盐，并与磷酸发生化学反应形成难溶磷酸盐有关。斜发沸石颗粒较小，非常不利于挂膜，COD去除效果一般，其对氨氮的去除却又先天的优良之处。此外将陶粒分别与火山石和沸石混合，发现陶粒与沸石的混合滤料在COD、氨氮、总磷三者方面皆具有较好的去除率，这也说明陶粒的挂膜性能好，针对低有机浓度污水效果稳定，而沸石容量也足以满足一定阶段低浓度氨氮污水的需求。不过沸石长期运行下会失活，需进行更换，这是沸石应用的局限。

2.4 水力负荷对污染去除效果的影响

B1、B2、B3三列考察不同水力负荷对污染去除效果的影响，如图5所示。其中每列置放滤框6层，填充陶滤填料。水力负荷改变方式为调整进水流量，因此该考察内容也可作为容积负荷与污染物去除间影响的说明。

图5 水力负荷与污染物去除率关系

由图5可知，随着水力负荷增加，COD去除率呈现先增加再降低的趋势。当水力负荷小于7m3/m2·d时，COD随水力负荷增加而增加，这是因为进水有机物浓度较低，水力负荷增加同时容积负荷增加，营养物质增多为滤料微生物生长提供了足够的有机能源。水力负荷达到7m3/m2·d时，有机物去除率达到最高，对应处理规模为21m3/d。当水力负荷进一步增加，系统COD去除率有所降低。原因可能为水力负荷增加，有机物与生物膜接触时间降低，水流速度加快可能引起生物膜的剥落，对有机物的吸收和吸附能力降低，因此COD去除效果降低。当达到30m3/d处理规模时，COD去除率能维持在71.2%，说明以陶粒为载体的滤池稳定性强，抗水力冲击能力强。同比于传统滴滤池2-4的水力负荷，该型号生物滤池可作为高负荷高通量生物滤池。

2.5 潜流人工湿地深度处理效果

2.5.1 对COD的去除效果

当系统稳定运行时，通过几个月内对人工湿地进水（两组生物滤池混合后排水）和出水的持续监测，结果表明人工湿地对低浓度有机物去除效果良好。滤池混排水平均COD浓度为30-80mg/L之间，9—11月份间出水COD平均去除率可达到55%以上，最高可达到80%；11-12月份外部气温及水温下降致使COD去除率有所降低，但仍可以达到40%以上。联合工艺出水COD浓度均能达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级A标准，说明该联合工艺对生活污水有机污染物去除具有稳定、良好的效果。

2.5.2 对氨氮的去除效果

潜流人工湿地的水力布局可以使基质内部呈现良好的好氧、缺氧交替环境，具有一定的硝化反硝化作用。数据监测以来，潜流人工湿地在进水氨氮浓度10-25mg/L时，呈现良好的硝化功能，其平均去除率在60%以上，且9-11月份湿地去除率比后期要高。监测数据表示大部分时间段湿地出水均达到城镇污水处理厂污染物排放标准二级标准，且大部分时间达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级B标准。

2.5.3 对TP的去除效果

人工湿地总磷的去除主要通过微生物系统的吸附降解、湿地植物的吸收、湿地基质的吸附及化学作用等实现。该湿地基质采用了除磷效果佳的基质水淬钢渣，富含的钙、镁、铝等金属成分，对磷酸盐的去除有较好的效果。此外选用的湿地植物耐污和净化能力强，对总磷去除发挥了重要作用。经监测，系统可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准一级B标准，但对其稳定性、持续性及处理效率还需进一步研究。

3 结论

3.1 采用组合式生物滤池和人工湿地联合工艺处理农村生活污水是完全可行的，其有机物去除的高效稳定性可以满足一般农村污水的治理需求，氨氮也可通过更换填料、回流，强化湿地硝化功能等方式增加去除率，而总磷去除率可通过增加火山石、钢渣等易于磷酸盐发生化学反应的矿物质来提升；

3.2 该组合生物滤池水力负荷可以达到10m3/m2·d，高通量可有效增加单位面积处理水量，即减小设施占地面积，同时可降低单位水量能耗，非常适合于农村地区；3.3该组合滤池结构简单，可根据处理规模实现模块化

图3 主体收运路线图

3.结论及建议

文中介绍了南川区城乡生活垃圾收运系统建设的大致方向，从垃圾产量预测、收运模式选取、中转站规模设定，到收运路线设置。对于该区或其他区县生活垃圾收运系统的建设，提出以下建议：

（1）垃圾中转站的选址必须考虑到交通便利，且与服务乡镇相隔距离不能较远；

（2）随着交通情况的不断改善，垃圾收运路线应随之优化调整；

（3）对于交通欠发达区县，收运路线布局应更广和增加收运站数量；

（4）对于地理位置或人口分布比较集中的某几个乡镇，可合并为一个镇收集站，减少成本，便于转运；

（5）对于远郊乡镇的农村，暂时不提倡全面垃圾分类。

[1]荣宏伟，曹勇锋，等.农村生活垃圾转运技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.