UASB-喷洒式生态滤池组合工艺处理农村生活污水

吴 松, 陈 华, 刘春晓, 汪银梅, 衡强强, 李泽兵

（1．江苏方正环保集团有限公司， 江苏 徐州 221002；2．徐州工程学院环境工程学院， 江苏 徐州 221111；3．江苏莲洋港环保科技有限公司， 江苏 徐州 221003）

0 引言

随着农村社会经济的快速发展、 人们生活水平的提高、畜禽养殖业的兴起，我国农村水环境污染也日趋严重，富营养化水体随处可见[1]。 我国农村人口居住分散， 污水收集管线不方便布设且污水处理厂建设成本较高， 所以广大农村地区缺乏生活污水处理装置[2]；而在农村也因为经济、技术的缺乏，即使建立的生活污水处理站也是在“晒太阳”，使得农村生态环境的污染问题得不到很好的解决[3]。 为此，农村地区很多沟渠、 池塘和水库等均出现了不同程度的富营养化，甚至黑臭问题[4]。 2019 年中央一号文件从国家层面确立了振兴农村的战略， 必须从建设生态宜居的新农村开始，农村污水处理成为首要难题。

目前农村生活污水处理工艺主要包括生物接触氧化法、稳定塘法、膜生物反应器法等。 基于广大农村的现实问题，开发处理效果好、能耗低、运维简单的工艺成为农村生活污水处理的关键[5]。很多省份颁布的农村污水治理工艺中鼓励优先使用生态工程技术方法，因为该技术方法具有效果好、能耗低、生态环境效果好等优点，同时也符合生态自净的原理。使得生态工程技术在广大农村得到了大量的应用和实践，如：人工湿地、稳定塘、生态滤池等[6]。随着生态工程技术在农村地区的普遍使用， 却也出现了一些困境，即单一的生态工程技术方法容易出现堵塞、发臭和害虫滋生等问题，随后会出现处理效果低下、蚊蝇滋生和散发恶臭等问题，成为农村地区的“死区”[7]。

大量的研究和实践证明， 农村生活污水来源广泛，成分丰富，但水质变化非常大，进水中带有大量的杂质， 如果直接进入生态工程构筑物中常常会引起堵塞而导致死角、短流，使生态工程技术净化作用下降[8]。 另外，生态工程技术是通过自然复氧和水生植物光合作用复氧，这种复氧方法效果偏低，生态工程构筑物内往往会出现缺氧和厌氧环境，不仅发臭，而且会导致水生植物枯死或疯长等现象[9]。课题组在充分调研的基础上提出， 采用生态处理工程技术处理农村生活污水的关键， 必须先对农村生活污水进行预处理，减少进入生态工程构筑物的悬浮物、水质波动，并提高水体的可生化性，使生态工程构筑物与预处理构筑物协同工作， 保证污水可持续净化的同时，实现生态工程构筑物的良性发展。 利用UASB-喷洒式生态滤池组合工艺处理农村生活污水， 实验的目的： ①研究组合式工艺处理农村生活污水的效果和特征； ②UASB 和喷洒式生态滤池内不同水流方向上指示性微生物特性；③探讨UASB-喷洒式生态滤池组合工艺污染物去除机理， 为农村生活污水设计和治理提供借鉴。

1 材料与方法

1．1 组合工艺流程

组合式工艺流程见图1。

图1 农村生活污水工艺流程

其基本原理： 生活污水首先在调节池中进行水质水量的均质；然后，调节池上清液在提升泵的作用下进入UASB 池， 池中的悬浮污泥层对污水中的颗粒物、胶体进行沉降和截留，厌氧微生物对难降解有机物进行矿化分解，并产生沼气（以甲烷和二氧化碳为主）； 最后，UASB 池出水在重力流的作用下通过旋转布水器进入生态滤池，完成充氧和布水作用，生态滤池基质分为3 层，上层为无烟煤（25 cm），中层为丝竹填料（25 cm），下层为火山岩（45 cm），基质内种植美人蕉， 植物相互的间距为15 cm， 利用微生物、植物等联合作用实现污染物的深度净化，生态滤池排放进行简单沉降后排放。 组合式工艺流程图中各构筑物设计参数见表1[10-12]。

表1 组合式工艺流程图中各构筑物设计参数

1．2 原水水质和出水水质

试验原水来自江西省南昌市安义县某农村家庭的生活污水和厨房污水，原水水质和《江西省农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（2019 年7 月实施）一级标准（出水标准）见表2。

表2 试验水质 mg·L-1

1．3 试验方法

生活污水在调节池中进行均质和初步沉淀，优化UASB 池进水水质， 降低UASB 池进水浊度和悬浮物；UASB 出水DO 质量浓度为0．4 ～0．7 mg/L，利用自然培养驯化形成的污泥层对污水中的污染物进行去除和拦截；UASB 池出水进入生态滤池前采用旋转布水方式进行充氧和均匀布水， 利用高差使水流从UASB 池跌入到生态滤池表面， 布水高度80 cm，生态滤池表面DO 质量浓度为1．6 ～2．7 mg/L。本工程从2018 年3 月开始运行调试，启动和稳定运行4 个月， 正式试验时间为2018 年8 月～2019 年2月，工程稳定运行开始监测，频率为1 周一次，共设置了4 个采样点， 分别为进水端、 调节池出水口、UASB 池出水口和生态滤池出水口。

1．4 分析方法

COD 采用重铬酸钾法测定，NH4+-N 采用纳氏试剂紫外分光光度法测定，SS 按照标准重量法(GB 11901—1989)测定[13]。 TN 和TP 均由哈希多指标分析仪（哈希dr2800，美国）测定；DO 采用溶解氧仪(Oxi3210，WTW，德国)测定。 指示性微生物分析采用可摄像显微镜进行（Axio Scope．A1），其具体做法是：将生物膜生长情况的基质手工剥离其表面生物膜，溶解于蒸馏水中， 滴加于载玻片上进行观察其中的菌胶团、原生动物和微型后生动物等特性。

2 结果与讨论

2．1 组合工艺对COD 的去除效果

组合工艺对COD 的去除效果见图2。

图2 组合工艺各单元对COD 的去除效果

由图2 可知，组合工艺运行稳定，进水COD 质量浓度为105．8 ～229．4 mg/L（平均值为188．1 mg/L），调节池出水COD 质量浓度为99．9 ～223．9 mg/L （平均值为181．8 mg/L），UASB 池出水COD 质量浓度为64．2 ～153．1 mg/L（平均值为108．7 mg/L），生态滤池出水COD 质量浓度为22．9 ～57．6 mg/L （平均值为40 mg/L），出水稳定达到了《江西省农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（2019 年7 月实施）一级标准， 整个工艺对COD 的平均去除率达到78．5%（69．2%～86．5%）。 试验结果表明：组合工艺对有机物有较好的降解效果， 虽然进水COD 水质波动较大，但COD 出水水质较为平稳。 从试验数据可以看出，COD 的去除主要发生在UASB 池和生态滤池中，UASB 池中利用厌氧污泥层的拦截作用和生物降解作用， 将高分子有机物转化为低分子有机物或转化为沼气等物质； 而生态滤池依靠调节池、UASB池等预处理构筑物的缓冲、调节和降解的作用，面对进水水质的波动，能有效抗击冲击负荷，保障出水水质稳定。 其中调节池、UASB 池和生态滤池的去除率分别为3．53%，38．35%和36．65%，COD 的去除主要发生在UASB 池和生态滤池中。

2．2 组合工艺对NH4+-N 和TN 的去除效果

组合工艺对NH4+-N 和TN 的去除效果见图3。

图3 组合工艺对NH4+-N 和TN 的去除效果

由图3 可知， 进水TN 质量浓度为17．8 ～32．5 mg/L，生态滤池出水TN 质量浓度为2．07 ～9．77 mg/L，TN 去除率56．45%～93．15%（平均值为73．71%）；另外，进水NH4+-N 质量浓度为13．3 ～26．4 mg/L，出水NH4+-N 质量浓度为0．83 ～5．87 mg/L，NH4+-N 去除率68．94% ～96．78%（平均 值80．66%）。 出水TN，NH4+-N 浓度低于《江西省农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（2019 年7 月实施） 一级标准，分析了NO3--N，NO2--N 浓度变化规律，进水ρ（NO3--N） ≤0．52 mg/L，ρ （NO2--N） ≤0．23 mg/L， 出水ρ(NO3--N)≤2．11 mg/L，ρ（NO2--N）≤1．54 mg/L。 并没有出现NO3--N 和NO2--N 大量积累问题。

TN 去除主要经历硝化和反硝化过程，调节池和UASB 池内发生的氮素化合物去除的效果偏低，主要通过微生物同化吸收和污泥吸附以及沉降等作用实现TN 的部分降低；TN 主要在生态滤池内实现去除，植物吸收作用、微生物膜的氧化分解、固相反硝化作用和吸附作用等等， 旋转布水作用强化水体充氧效果， 强化了无烟煤滤层内植物和硝化细菌的生长效果； 丝竹填料层内主要发生反硝化作用， 实现NO3-N，NO2--N 的去除； 火山岩滤层主要完成氮素化合物的深度吸附和拦截作用。

2．3 组合工艺对TP 的去除效果

组合工艺对TP 的去除效果和沿程变化见图4。

图4 组合工艺对TP 的去除效果

由图4 可知，组合工艺稳定运行阶段，进水TP质量浓度为2．54 ～4．49 mg/L， 出水TP 质量浓度为0．44 ～0．98 mg/L，TP 去除率68．59%～86．82%，平均去除率达到79．06%。 分析认为：生态滤池系统是TP去除的主要构筑物， 而调节池和UASB 池去除效果相当有限。 生态滤池内水生植物的吸收、 微生物同化、 无烟煤和火山岩的吸附以及絮凝沉降作用等都是TP 去除的主要原因。

2．4 组合工艺对SS 的去除效果

组合工艺对SS 的去除效果和沿程变化见图5。

图5 组合工艺各单元对SS 的去除效果

由图5 可知，装置在稳定运行阶段，进水SS 质量浓度为66．9 ～139．4 mg/L， 调节池出水SS 质量浓度为55．6 ～112．3 mg/L，UASB 出水SS 质量浓度为33．2 ～63．4 mg/L， 生态滤池出水SS 质量浓度为6．5～15．2 mg/L， 调节池、UASB 池和生态滤池等3 个单元对SS 的平均去除率19．26%，33．39%和36．39%。从试验数据研究发现，SS 的去除主要发生在UASB池和生态滤池，调节池对SS 的去除能力较弱，主要通过长时间的沉降作用而实现的，UASB 池对SS 的去除包括污泥层的拦截和污泥的吸附作用， 生态滤池对SS 的去除主要包括过滤、吸附和沉降作用。

2．5 指示性微生物表征

本组合工艺稳定运行之后， 对UASB 内污泥层进行分析， 发现在UASB 内的污泥层中发现有大量的颗粒污泥，直径大约为0．05 ～0．4 cm 左右，聚集在UASB 池内的中下部，呈明显的黑色，具有很好的过滤、拦截等作用。

生态滤池表层无烟煤内的生物膜较多， 对其表面微生物膜进行分析后发现， 发现有少量的钟虫和轮虫（见图6）属于寡污带常见的指示性微生物，说明生态滤池生态系统稳定，出水水质良好。在一些无烟煤截留孔隙的污泥内也发现有大量的扫除性微生物（红斑瓢体虫、线虫等），生态滤池具有过滤功能，无烟煤之间的孔隙中容易产生很多的污染物和颗粒物，长时间运行后容易产生拥堵，扫除性微生物具有指示堵塞和自动清除等作用，保证生态滤池正常运行的同时，获得自我完善和自我更新的“本能”。

图6 指示性微生物

3 讨论

针对农村生活污水污染特点， 并基于农村区域现状，采用UASB+生态滤池组合工艺处理农村生活污水符合生态净化原理和污染河流自净原理， 是一种强化的污水自净过程， 在不同反应器中根据水质特点，培养不同微生物种群，达到污染物净化的目的。

农村生活污水经过调节池调节水质水量并初步沉淀后。首先经过UASB 池进行厌氧生物处理，使污水在厌氧条件下实现自我净化，符合污水净化过程，属于预处理工艺段； 此过程类似于污染河流的排污口处，污染较重，溶解氧少，以厌氧菌降解和矿化为主，将污染物转化为低分子有机物、二氧化碳、甲烷等，同时辅于一定的沉降作用、稀释作用等物理化学作用[14]。 UASB 池类似于污染河流的缺氧段，所以试验过程中仍然有一定的恶臭气体产生[15]。

经过调节池和UASB 池作用后， 污水中的有机物、氮、磷等污染物都有一定的下降，而且其中的溶解氧也下降到一定水平， 故而通过重力势能作用将UASB 出水均匀的喷洒在生态滤池表面，实现充氧和均匀布水作用， 在完全自然条件的生态滤池内实现深度净化和污染物拦截等；生态滤池类似于一个强化的快速渗滤系统， 不同的是采用了多层天然滤料作为水生植物生长基质， 实现了基质净化和植物净化的耦合过程[16]。此过程类似于污染河流的β，α 和寡污带以及清洁带， 以兼性菌、 好氧菌和水生植物的净化为主，将污水中的污染物吸附、拦截和降解掉[17]。

4 结论

（1）采用UASB+生态滤池组合工艺处理农村生活污水是可行的，其中COD，TN 和SS 出水达到《江西省农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（2019 年7 月实施）一级标准，出水水质透明度非常高，出水浊度很低。

（2）组合工艺对COD，TN，TP，SS 的去除率分别为69．2%～86．5%，56．45%～93．15%，68．59%～86．82%和83．51%～93%；

（3）组合工艺处理对农村生活污水是一种运行费用少、无需维护的方法，适合在广大农村推广应用。