农村分散生活污水的AO滤池与人工湿地组合处理工艺及资源化再利用

陶昱明，孙 芸，徐佳莹，赵鸣秋，杨小丽，宋海亮

(1.南京市给排水工程设计院有限公司，江苏南京 210002；2.东南大学土木工程学院，江苏南京 211189；3.南京师范大学环境学院，江苏南京 210023)

随着经济的快速发展，我国农村生活污水排放量日益增加，生活污水处理仍以去除有机物及氮、磷为主要目标[1]。既往的农村污水资源化利用往往停留在污水处理后的尾水回用，未能将污水处理过程与资源化利用相耦合，真正实现生物生态耦合，造成部分氮、磷资源的流失与浪费。氮、磷过量是导致水体富营养化的主要成因，同时氮、磷元素也是植物体内蛋白质、核酸、磷脂和某些生长激素的重要组分[2]。其中，铵态氮和硝态氮是其生长发育过程中主要的氮源。植物可吸收氮素，在多种酶的作用下合成多种可被利用的氨基酸[3]。另外，植物类型对铵态氮和硝态氮的吸收比例也存在显著差异[4-5]。因此，针对性地根据人工湿地供试植物对氮素的不同需求，调节控制出水氮素的硝铵比，不仅可以完成氮素资源回用，还可以实现污水的深度处理[6-7]。

本研究提出将污水处理过程与资源化利用相耦合，构建了由厌氧/好氧(AO)滤池-人工湿地组合的农村生活污水资源化系统，污水流经A滤池、O滤池处理后，将有机态氮转变为人工湿地供试植物所需的不同无机态氮，使出水具有不同的硝铵比；利用植物对不同氮素的吸收偏好及其吸收能力，优化人工湿地供试植物搭配与种植比，促进人工湿地中植物吸收利用和生长，提升人工湿地生物降解能力的同时实现污染物资源化利用。

1 材料与方法

1.1 试验流程及装置

研究周期为2019年8月—2020年5月，分为野外现场试验和室内植物氮素吸收偏好试验两阶段。野外现场试验条件即自然环境条件，温度为户外自然环境温度，现场O滤池的DO含量控制在1.4 mg/L；室内植物氮素吸收偏好试验控制室温为25 ℃。

试验流程由A滤池-O滤池-人工湿地组合而成，如图1所示。进水箱内的污水首先由蠕动泵打入A滤池，A滤池内水流方向自下向上，将污水中有机氮无机化为植物易于吸收的无机态氮；A滤池置于铁架上，略高于O滤池，其出水自重流入O滤池，O滤池水流方向自上向下，通过调控运行参数，使其出水水质具有不同的硝铵比；O滤池出水进入水平潜流人工湿地，通过种植适宜植物实现资源化利用及深度处理。

图1 试验流程图Fig.1 Test Flow Chart

试验装置由有机玻璃制成，其中，A滤池直径为30 cm，滤料高度为60 cm；O滤池直径为30 cm，填料高为80 cm。两滤池内由下至上依次为承托层、填料层，其中承托层铺设φ15.0～25.0 mm的鹅卵石，厚度为10 cm，填料层采用φ5.0～8.0 mm的陶粒。人工湿地尺寸为1 m×0.2 m×0.3 m，湿地内填料层由下至上依次为碎砖块、陶粒及土壤。

1.2 试验水质

试验进水水质如表1所示。

表1 进水水质Tab.1 Influent Water Quality

1.3 人工湿地供试植物

在构建人工湿地系统的过程中，植物的合理配置非常关键[8]。结合农村生活污水特征与农民生产生活需求，选取最为适用的8种植物：水芹(OenanthejavanicaD.C.)、生菜(Lactucasativavar.ramosaHort.)、韭菜(A.tuberosumRottl.exSpreng.)、番茄(LycopersiconesculentumMiller)、油麦菜(Lactucasativavarlongifoliaf.Lam)、小叶茼蒿(Chrysanthemumcoronarium)、菠菜(SpinaciaoleraceaL.)和空心菜(IpomoeaaquaticaForssk.)。

1.4 分析项目及方法

2 结果与讨论

2.1 AO组合滤池启动与水力负荷影响

2.1.1 组合滤池启动

表2 启动阶段组合滤池中COD与的变化情况Tab.2 Variation of COD and in AO Filter during Start-Up Stage

2.1.2 水力负荷对组合滤池氮素形态转化的影响

图2 水力负荷对组合滤池中不同氮素转化的影响Fig.2 Effect of Hydraulic Loading on Different Nitrogen Transformation in AO Filter

2.1.3 水力负荷对组合滤池有机物去除的影响

水力负荷直接影响滤池生物膜的生长和污染物的去除效果。本试验设置5组不同水力负荷，探究水力负荷对组合滤池中COD浓度的影响，调节方式及水力负荷梯度与水力负荷对氮素转化影响试验相同，结果如图3所示。

图3 水力负荷对组合滤池中COD浓度的影响Fig.3 Effect of Hydraulic Loading on COD Concentration in AO Filter

试验期间，A滤池进水CODCr为138.6～238.6 mg/L，出水CODCr为94.2～164.4 mg/L。COD去除率随着水力负荷的增大而减小，且水力负荷增幅越大，COD去除率下降得越快。分析认为，O滤池主要是将难降解的有机物转化成易降解的小分子有机物，并不是彻底将有机物降解[11]，在较小的水力负荷下，微生物对有机物的降解作用趋于稳定；但是，水力负荷从1.70 m3/(m2·d)增加到4.25 m3/(m2·d)的过程中，对应的水力停留时间从5 h减少到2 h，COD去除率下降较快的主要原因为水力停留时间的减少致使滤池微生物与污水中的有机物接触时间缩短，不利于生物降解。

O滤池进水CODCr为94.2～164.4 mg/L，出水CODCr为48.6～87.4 mg/L。随着水力负荷的增加，COD去除率在小幅上升后开始下降。分析认为，尽管较高的水力负荷有利于提高DO水平、促进生物膜更新，但当水力负荷过高时，有机物负荷也相应增加，生物接触时间缩短，进而造成有机物去除率下降。因此，为满足有机物的去除，水力负荷不宜过大或过小。

2.1.4 组合滤池水力负荷的确定

组合滤池的主要功能在于有机氮无机化和氨氮硝化，同时兼有一定的COD去除效果。综合考虑反应器处理效能，确定A滤池较为适宜的水力负荷为2.12 m3/(m2·d)。 在此条件下，当O滤池水力负荷分别为1.70、2.12 m3/(m2·d)和4.25 m3/(m2·d)时， 对应出水硝铵比分别约为2∶1、1∶1和1∶2。此时，不同水力负荷下均取得了较好的COD去除效果，对应的COD去除率分别为49.5%、55.9%和38.3%。

2.2 人工湿地供试植物对氮素的吸收特性及优化组合

研究发现，植株对不同氮素的吸收偏好可分为3类：喜硝、喜铵、硝铵均衡类。总体来说，4种喜硝植物生菜、水芹、韭菜、番茄中，水芹、生菜对硝铵吸收能力优于番茄、韭菜；3种喜铵植物小叶茼蒿、空心菜、菠菜中，空心菜对硝铵的吸收能力最为突出；油麦菜对硝铵吸收偏好较为平衡且整体吸收水平较低。

表3 8种植物对不同氮素的吸收情况Tab.3 Comparison of Nitrogen Absorption by Eight Plants

2.3 组合工艺对污染物的去除效果

控制A滤池水力负荷为2.12 m3/(m2·d)，O滤池水力负荷分别为4.25、2.12、1.70 m3/(m2·d)，调控组合滤池出水不同硝铵比，出水进入人工湿地，湿地水力负荷为0.24 m3/(m2·d)，对应HRT为24 h。湿地中选择组合栽培对硝铵吸收能力最佳的水芹-生菜，根据这2种植物的氮素吸收偏好，确定湿地内适宜的种植比例为水芹∶生菜=3∶2。

2.3.1 组合工艺出水效果

不同O滤池水力负荷下，组合工艺对污染物的平均去除效果如图4所示。

图4 组合工艺各单元中污染物的去除效果Fig.4 Pollutants Removal in Combined Anaerobic Filter-Aerobic Filter and Constructed Wetland

2.3.2 不同工艺单元氮素的转化过程

图5 不同工艺单元氮素分布Fig.5 Distribution of Nitrogen in Different Units of the Processes

3 结论

(1)AO组合滤池的主要功能在于利用有机氮无机化和氨氮硝化的氮素形态转化，促进后续湿地植物的生长与利用，同时兼有一定的有机物去除效果。不同水力负荷对AO组合滤池中的氮素形态转化具有较大影响，随着O滤池水力负荷的增加，硝铵比逐渐降低。

(2)8种常见经济型植物对不同氮素的吸收偏好及吸收能力的研究发现，生菜、水芹、韭菜、番茄为喜硝类植物，小叶茼蒿、空心菜、菠菜为喜铵类植物，油麦菜属硝铵吸收平衡类；根据植株的硝铵吸收偏好与生长特性，可进行湿地植株的种植搭配优选，进而在促进植物生长的同时，提升组合系统生物降解效能。

(3)调控AO组合滤池A滤池水力负荷为2.12 m3/(m2·d)，HRT=4 h；O滤池水力负荷为1.7 m3/(m2·d)，HRT=6.5 h，O滤池的DO含量控制在1.4 mg/L左右；其中，滤池承托层铺设φ15.0～25.0 mm的鹅卵石，填料层采用φ5.0～8.0 mm的陶粒。组合滤池出水硝铵比达2∶1，出水流入种植喜硝植物水芹-生菜的人工湿地，组合系统不仅实现了氮、磷的资源化利用，还强化了污染物的去除，出水水质稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，且满足《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005)标准，可有效实现农村污水的资源化利用。