自充氧层叠生物滤床在农村生活污水处理中的应用研究

王睿，张亮，谭映宇，邵卫伟，李亚，冯鹏飞，郭鹏，黄炜刚

(1.浙江省生态环境科学设计研究院，杭州 310007；2.浙江环科环境研究院有限公司，杭州 310007；3.浙江省生态环境低碳发展中心，杭州 310007)

1 研究背景

针对农村生活污水处理技术的研究，国外相对起步较早。其中常用的有“FILTER”(非尔脱)污水处理技术、土壤渗滤技术、人工湿地技术、生物膜技术、稳定塘技术和净化槽技术等。“FILTER”污水处理技术的关键点在于利用污水进行农业灌溉，使污染物质成为农作物的营养物质。土壤渗滤技术是通过具有特殊表面构造的土壤毛管系统渗滤池来净化污水。人工湿地技术是通过填料、植物和微生物三者的协同作用逐级过滤和吸收污水中的污染物。生物膜技术是通过附着在填料载体表面的微生物不断富集形成生物膜吸附和降解污水中的污染物。稳定塘技术是基于菌藻共生的协同作用来去除污水中的污染物和病原体。净化槽是一种组合了物理、化学和生物等全工艺流程的一体化集成污水处理技术，小则5 人型大则2000 人型的多变处理规模使其广泛适用于分散式生活污水处理。

我国农村生活污水处理技术的研究是从20 世纪80 年代逐步开始的，许多形式各异的无动力或微动力一体化污水处理装置得到了一定程度的应用，但其处理效果和长久耐用性不够理想。近年来，随着国家经济实力的增强，农村生活污水的治理越来越受到重视。一些经济相对发达的省份，已开始采用一些实用、合理、能耗低、运行费用少的技术来处理生活污水，主要有厌氧沼气池、稳定塘、人工湿地、土壤渗滤和净化槽等。浙江省农村众多，具有规模小、集聚散、地形杂等特点，农村生活污水也具有分布广、来源多、污水量增长快等特征。考虑浙江省农村的分布状况、经济水平、技术力量等实际因素，因地制宜研究适用的农村生活污水处理技术，对于解决目前农村生活污水污染问题显得十分紧迫。

2 研究试验及方法

2.1 工艺流程及原水水质

本研究运用“自充氧层叠生物滤床”作为核心技术，来处理浙西平原地区苕溪流域中游集中收集的农村生活污水，本工程设计处理水量为20t/d，进水原水水质如表1 所示。

表1 农村生活污水原水水质 单位:mg/L

所选用的污水处理终端包括前端过滤格栅井、用于厌氧处理的集水调节池、上下分层的自充氧层叠生物滤床和潜流人工湿地的耦合系统。生活污水首先流经格栅井，一些大型固体垃圾被阻截过滤，而后进入集水调节池进行厌氧处理，主要目的是将大颗粒有机物进行分解及厌氧释磷，提高污水的可生化性，为后续处理创造良好的先决条件。经集水调节池处理后出水进入自充氧层叠生物滤床，进行有机物去除及脱氮除磷，最终满足标准排入周边环境。具体工艺流程如图1 所示。

图1 自充氧层叠生物滤床—潜流人工湿地耦合工艺流程图

2.2 技术参数及优化设计

生物滤床技术原理类似于人工湿地技术，但是传统生物滤床存在所能承受的污染及水力负荷相对较低、对于水量水质波动较大的污水抗冲击性较弱、占地面积较大等诸多缺陷。本研究针对以上问题，对生物滤床的结构进行了全面优化，提出了以“层叠生物滤床”为核心处理工艺的农村生活污水处理集成技术，采用多层层叠结构(本研究为两层)，不仅增大了该技术所能承受的污染和水力负荷，而且增加了污水的流经路径以延长水力停留时间，减少了系统的占地面积。其结构设计如图2 所示。

图2 自充氧层叠生物滤床工艺优化结构设计示意图

图2 中进水为前端集水调节池来水，通过提升泵进入自充氧层叠生物滤床上层填料层表面的均匀布水系统，通过垂直流均匀布水，在滤床上层底部通过管网统一汇集后从左端进入滤床下层，并以水平潜流的方式均匀地流经下层填料层至其右端出水口。出水管道位于滤床下层右端填料层以下近表面处，层叠结构将水平潜流和垂直潜流相融合，滤床内均装填有水处理填料基质，上下层填料层表面均种植水生植物。

本研究设计了独特的自充氧通风管网系统。位于滤床上层的通风管网由水平进风管网和垂直拔风管网构成，每根横向进风管均水平设置于上层滤床底部，其末端伸出床体并与外部空气连通，且在滤床内部彼此联通形成管网系统。每根竖向拔风管均相隔一定距离垂直设置于滤床填料层中，其下部底端与对应位置的横向进风管相连通，上部顶端高出滤床填料层表面与外部空气连通，且拔风管壁上均采用多孔微孔型设计。该通风系统基于隧道型空气扩散装置原理设计，配合滤床的特殊层叠结构，使滤床内外的空气形成一定的温度和密度差，从而在竖向拔风管内形成一定的负压，空气由横向进风管进入后，经竖向拔风管流出。竖向拔风管壁上的多孔微孔型特殊结构设计，一方面可以与填料间隙内的空气形成无阻式的对流交换，另一方面避免填料进入通风系统造成堵塞。滤床上层形成好氧微环境，下层则形成兼氧微环境，整体促进滤床的硝化和反硝化作用，增强对氮的去除。

自充氧层叠生物滤床在结构确定的情况下，其主要通过滤床填料和水生植物两部分基质来净化污水。目前诸多对于生物滤床的研究结果表明，多种本地属植物搭配混种对污染物的去除效果要优于每种植物单种，且生物量越大其对污水中氮、磷等污染物的去除率也越高。本研究设计在相同进水和通风条件下，将原有的自充氧层叠生物滤床沿水流方向用隔墙从中间平均分为两套平行系统，左右两侧床体均填充经煅烧处理后的石灰石填料，上层和下层均根据不同粒径从上至下平均分为3 层铺设，粒径从上至下依次增大，分别为3mm～5mm、10mm～12mm 和18mm～20mm。对于填料表层水生植物的选择则采取了两种不同的植物配置，其中左侧系统a 种植美人蕉、菖蒲和黑麦草，右侧系统b 种植花叶芦竹、千屈菜和梭鱼草，两侧系统植物尽量合理密植且种植密度相当。工程现场处理设施实体如图3 所示。

图3 自充氧层叠生物滤床现场工程实体图

工程处理设施结构、工程设计参数及设备材料配置如表2 所示。

表2 工程处理设施一览表

2.3 监测项目及分析方法

通入农村生活污水并稳定运行30 天后，开始对工程中两套平行系统进出水的CODCr、NH+4-N、TP 和TN 四项主要水质指标浓度进行长期监测，监测时期为夏季6 月至9 月，平均气温为29.89℃，水样采集检测频率为每2 周3 次。检测方法如表3 所示。

表3 检测水质指标及其检测方法

水质指标检测中应用到的主要仪器如表4所示。

表4 主要检测仪器

水质指标检测中应用到的主要试剂如表5所示。

表5 主要检测试剂

续表

3 试验结果及讨论

自充氧层叠生物滤床现场工程稳定运行后，对工程中两套平行系统进出水的CODCr、-N、TP 和TN 开展持续监测，取稳定运行后前100 天的监测数据进行整理，并对每项水质指标的浓度及其去除率进行分析，其结果如下。

3.1 CODCr处理效果分析

自充氧层叠生物滤床系统进出水CODCr的浓度及其去除率随时间的变化如图4 所示。

图4 自充氧层叠生物滤床对CODCr的去除效果

由图4 可见，自充氧层叠生物滤床在工程监测期间运行总体稳定。CODCr进水浓度基本在12mg/L～224mg/L 之间波动，进水水质波动性较大，而出水CODCr浓度除了第36 天系统b 出水为65mg/L 外，其余均维持在50mg/L 以下，系统a出水平均为17.22mg/L，系统b 出水平均为18.52mg/L，均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A 标准。整个运行阶段系统a 的CODCr去除率为13.33%～94.87%，平均值为69.2%；系统b 的CODCr去除率为15.58%～96.43%，平均值为68.25%。随着时间的变化，在第64 天之后，系统整体对CODCr的去除效果和稳定性不断增强且保持较好态势，说明填料基质中微生物挂膜已趋于稳定。两套平行系统对CODCr的总体去除效果和稳定性相差不大，而前期进水浓度较高则是造成前期处理效果波动较大的原因之一。

图5 自充氧层叠生物滤床对-N 的去除效果

由图5 可见，自充氧层叠生物滤床在工程监测期间运行总体稳定。-N 进水浓度基本在2.68mg/L～23.9mg/L 之间波动，进水水质波动性较大，而出水-N 浓度除了第67 天系统b 出水为11.1mg/L 外，其余均维持在5mg/L 以下，系统a 出水平均为0.61mg/L，系统b 出水平均为0.93mgLl，均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A 标准。整个运行阶段系统a 的-N 去除率为57.69%～99.66%，平均值为94.42%；系统b 的-N 去除率为10.95%～99.64%，平均值为91.25%。当系统运行到第15 天时，其对-N 的去除效果就达到一个较高的状态，且随着时间的变化趋于稳定，而第64 天后出现的轻微波动主要原因是由于农村污水来水量突然增大所致，但整体去除效果保持良好稳定，系统a 的-N 去除率相较于系统b更加稳定且平均去除率优于系统b。

3.3 TP 处理效果分析

自充氧层叠生物滤床系统进出水TP 的浓度及其去除率随时间的变化如图6 所示。

图6 自充氧层叠生物滤床对TP 的去除效果

由图6 可见，自充氧层叠生物滤床在工程监测期间运行总体稳定。TP 进水浓度基本在0.768mg/L～3.24mg/L 之间波动，进水水质波动性较大。两套系统的出水TP 浓度均有半数以上监测天数超过0.5mg/L，其中三分之一以上监测天数超过1mg/L。系统a 出水TP 的平均浓度为0.9mg/L，系统b 出水TP 的平均浓度为0.99mg/L，基本满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级B 标准。整个运行阶段系统a 的TP 去除率为4.07%～85.77%，平均值为58.83%；系统b 的TP 去除率为12.57%～85.77%，平均值为56.56%。两套平行系统对TP的去除效果均较低，且随着时间变化其去除率均有下降趋势。通过对TP 的去除机理进行分析可知，生物滤床主要通过填料吸附和植物吸收达到除磷目的，而后期当填料中微生物挂膜趋于成熟时其去除率反而下降，说明微生物的除磷效果相对不明显。初步分析前43 天去除率较高是由于填料吸附起主要作用，43 天之后去除率不断下降且波动较大，说明其除磷功能主要转为以植物吸收为主，填料吸附已趋于饱和状态。78 天之后去除率略显提升，则是由于植物生长逐渐茂盛、根系不断发达、生物量不断增加的原因，植物除磷功能有所增强。长期稳定运行后该系统的除磷效果达到一个平衡状态，但其去除率并未达到预期的高度。

3.4 TN 处理效果分析

自充氧层叠生物滤床系统进出水TN 的浓度及其去除率随时间的变化如图7 所示。

图7 自充氧层叠生物滤床对TN 的去除效果

由图7 可见，自充氧层叠生物滤床在实验期间运行总体稳定。TN 进水浓度基本在4.2mg/L～39.9mg/L 之间波动，进水水质波动性较大，而出水TN 浓度除了第67 天系统b 出水为18.6mg/L外，其余均维持在15mg/L 以下，系统a 出水平均为1.5mg/L，系统b 出水平均为1.82mg/L，均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002)一级A 标准。整个运行阶段系统a的TN 去除率为41.61%～99.2%，平均值为89.57%；系统b 的TN 去除率为25.11%～99.22%，平均值为88%。系统a 的TN 去除率相较于系统b 更加稳定且平均去除率优于系统a。系统对TN 的去除率与其对-N 的去除趋势相同，说明系统独特的层叠结构和自充氧通风系统对脱氮效果的提升较为明显，在无风机曝气增氧的条件下依然有一个良好的去除效果。

4 研究结论

本研究对自充氧层叠生物滤床的两套平行系统采用了不同的植物配置进行设计，通过对CODCr、-N、TP 和TN 四项污染物去除效果的长期监测分析，进一步明确了层叠生物滤床技术的污染物去除机理和技术优势，同时也发现了工程优化设计的关键点和不足之处，总体得出以下结论。

(1)系统a 对CODCr、-N、TP、TN 的平均去除率分别为69.2%、94.42%、58.83%、89.57%，系统b 对CODCr、-N、TP、TN 的平均去除率分别为68.25%、91.25%、56.56%、88%。系统a 对各污染物的去除率和稳定性整体上优于系统b，说明系统a 植物配置的协同作用效果优于系统b，验证了植物多样性配置有利于提升污水中污染物的去除率。

(3)两套平行系统对TP 的去除率均较低，说明针对除磷，填料的选择比植物搭配更为重要，前期填料吸附的除磷贡献率高于植物吸收，而后期随着植物的不断生长，虽然系统除磷效果有所增加，但去除率增高缓慢，改善情况并不显著。

(4)为了充分发挥自充氧层叠生物滤床的处理效果，尤其是除磷效果，在今后的工程设计中需对填料的制备工艺进行研究。应多采用经改性处理的牡蛎壳、山核桃壳、竹纤维等生物质填料，同时研究提升系统的排泥功能，在增强处理效果的同时尽量控制成本。