A/O-改良人工湿地组合工艺处理农村生活污水研究

甘雁飞，周正兵，徐 波

（中交上海航道局有限公司，上海 200002）

近年来，随着国家乡村振兴政策的大力推行，农村生活污水处理成为当前比较重要的一项工作。农村生活污水主要包括卫生间污水和餐厨污水，污水中含有大量有机污染物、无机污染物、病原微生物等，污染物浓度较高，氮磷去除难度大。农村生活污水随处乱排现象非常严重，极易产生农村环境污染问题〔1-2〕。

目前，用于农村生活污水处理的工艺一般有MBR、MBBR、稳定塘、A/O、人工湿地等。其中A/O工艺能够高效脱氮除磷，人工湿地工艺维护简单，2类工艺运行费用均较低〔3-4〕，其组合工艺已逐步用于农村生活污水处理〔5〕。但传统人工湿地常见填料为砾石、卵石、沸石等，存在基质吸附不稳定、易堵塞、溶解氧和碳源不足等问题，对氮磷去除效果有限〔6〕。硫铁矿（主要成分为FeS2）中含有铁元素和硫元素，能够发生自养反硝化反应以强化湿地反硝化脱氮效果，而铁碳填料能够改变微生物群落结构组成，激活和提高微生物活性，也有利于提高湿地对氮磷的去除效果〔7-9〕。基于此，笔者以江苏省泰州市某自然村农村生活污水为处理对象，采用硫铁矿/颗粒碳复合基质作为人工湿地填料，构建改良型人工湿地，研究A/O-改良人工湿地组合工艺对农村生活污水的处理效果，以期为其他农村生活污水处理项目提供参考。

1 工程概况

1.1 项目介绍

江苏省泰州市拟实现村庄生活污水治理全域覆盖。泰州市海陵区某自然村有居民共计80 户，约320 人。经现场踏勘发现，该村部分居民家中安装了砖砌式化粪池，而大部分居民家中未安装化粪池，污水直排河道。对该村排放的生活污水抽样检测，其含有黑色悬浮物，表观浑浊，带有刺激性气味，污水pH=6.92～7.37，COD、NH3-N、TN、TP 分 别 为（177.5～198.7）、（25.1～29.7）、（62.9～73.2）、（2.82～3.29）mg/L。

为解决该村污水散排问题，采取每户均安装1个隔油池和化粪池对日常生活污水进行预处理，预处理之后的污水通过高密度聚乙烯（HDPE）管网集中收集至处理站点统一处理的措施。根据设计文件，按照每人每天60 L 的用水量计算，需采用处理量为20 t/d 的污水处理系统进行该自然村的污水处理，其出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准〔10〕。

1.2 工艺流程

该自然村生活污水处理工艺流程如图1 所示。将村民家中卫生间污水经过一体化化粪池进行厌氧水解预处理，提升污水可生化性〔11〕，厨房餐厨污水经过一体化隔油池进行预处理，预处理后的出水通过管网集中输送至格栅井（尺寸为3.2 m×2.0 m×2.0 m）。在格栅井内大颗粒污染物和其他悬浮物、漂浮物被截留，防止其在废水后续处理中对水泵和设备造成损坏。格栅井出水进入调节池（尺寸为2.5 m×1.1 m×2.0 m），对水质和水量进行调节，之后再通过浮球液位控制水泵自动启停将污水提升至A/O-改良人工湿地组合工艺系统进行集中处理，并通过自然挂膜法挂膜培养微生物。经系统处理，出水达标后就近排放至河道。

图1 农村生活污水处理工艺流程Fig.1 Rural domestic sewage treatment process

1.3 A/O-改良人工湿地组合工艺主要构筑物

A/O-改良人工湿地组合工艺处理能力为20 t/d，依次由厌氧池、好氧池、二沉池和人工湿地等构筑物组成，具体见图2。

图2 A/O-改良人工湿地组合工艺Fig.2 Schematic diagram of A/O-improved constructed wetland combined process

（1）厌氧池（A 池）。采用玻璃钢材质，尺寸为2.0 m×1.9 m×1.9 m，有效深度为1.7 m。池中布置有组合填料，便于微生物附着。在厌氧环境下，微生物将大分子有机物分解成小分子有机物，并充分释磷。

（2）好氧池（O 池）。采用玻璃钢材质，尺寸为2.0 m×1.9 m×1.9 m，有效深度为1.7 m。池中布置有悬浮填料，底部布置有微孔曝气装置。在好氧条件下，悬浮填料与污水充分混合接触，使得污泥活性增大，氨氮经硝化反应生成硝酸盐，同时完成系统内磷的吸收。

（3）二沉池。采用玻璃钢材质，由好氧池输出的固液混合物进入二沉池后进行固液分离，上清液进入人工湿地，部分污泥回流至厌氧池，剩余污泥从池底排出，实现生物除磷。

（4）人工湿地（上升垂直潜流人工湿地）。采用钢混结构，尺寸为4.2 m×1.9 m×1.6 m，有效深度为1.4 m。湿地从下往上依次设有均匀布水器，卵石基质填料20 cm，硫铁矿/颗粒碳复合基质填料60 cm，沸石基质填料40 cm，瓜子片基质填料20 cm，顶部瓜子片内种植鸢尾植物。废水经人工湿地处理后其污染物含量进一步降低，确保出水达标排放。

2 结果与讨论

该组合工艺系统自2021 年6 月1 日开始调试，连 续 运 行 至2021 年9 月29 日，共 计120 d，每 间 隔15 d 对进水、A/O 出水和湿地出水分别取样检测其COD、NH3-N、TN 和TP，分析污水处理效果〔12〕。

2.1 COD 去除效果

农村生活污水可生化性较强，污水首先经过厌氧池进行消化预处理，然后进入好氧池通过悬浮填料上负载的大量好氧微生物吸收和代谢，去除大量有机物，再进入改良人工湿地，通过硫铁矿/颗粒碳复合基质填料的吸附、截留以及鸢尾植物和负载微生物的吸收作用，进一步去除剩余有机物，确保出水COD 能够稳定达标排放〔13〕。

考察了A/O-改良人工湿地组合工艺连续运行120 d 对农村生活污水COD 的沿程去除效果，结果见图3。

图3 COD 去除效果Fig.3 COD removal effect

由图3 可知，进水COD 为177.5～198.7 mg/L，平均188.5 mg/L，随着运行时间的延长，在进水COD 波动的情况下，A/O-改良人工湿地组合工艺对COD 总去除率先逐渐上升，至运行第105 天后保持稳定，达83%左右，说明该工艺抗冲击负荷能力较强。其中A/O 工艺、改良人工湿地工艺在120 d 考察周期结束时对COD 的去除率分别能达到66%和49%左右，并且A/O 工艺和组合工艺对COD 的去除呈现相似的趋势，这说明COD 的去除主要是以A/O 工艺为主，以改良人工湿地工艺为辅。此外，由图3 还可以看出，当系统运行至第75 天时，改良人工湿地出水COD 降至49.1 mg/L，已经达到GB 18918—2002 的一级A 标准（COD≤50 mg/L），此后COD 随时间延长继续下降，直至运行到第105 天后开始趋于稳定，此时改良人工湿地出水COD 为30.1 mg/L。

2.2 NH3-N 去除效果

考察A/O-改良人工湿地组合工艺连续运行120 d 对农村生活污水NH3-N 的沿程去除效果，结果见图4。

图4 NH3-N 去除效果Fig.4 NH3-N removal effect

由图4 可知，进水NH3-N 为25.1～29.7 mg/L，平均28.3 mg/L，随着运行时间的延长，NH3-N 总去除率先明显上升，至第60 天后上升趋势变得较为平缓，在120 d 考察周期结束时NH3-N 总去除率达到86%左右。A/O 工艺对NH3-N 的去除情况与组合工艺对NH3-N 的去除情况相似，也呈现出随运行时间延长NH3-N 去除率逐渐上升的趋势，运行至第120 天时对NH3-N 的去除率达到81% 左右，此时A/O 工艺出水NH3-N 为5.5 mg/L。改良人工湿地工艺对NH3-N 去除率在30%左右上下波动，运行至第120 天时为29%左右，此时出水NH3-N 为3.9 mg/L。A/O 工艺和组合工艺对NH3-N 的去除呈现相似趋势，说明NH3-N 的去除主要是以A/O 工艺为主，以改良人工湿地工艺为辅。当运行至第60 天时，A/O-改良人工湿地组合工艺出水NH3-N 趋于稳定，均值为4.8 mg/L，达到GB 18918—2002 一级A 标准〔NH3-N≤5（8）mg/L〕。

A/O 工艺系统运行稳定，好氧池内悬浮填料通过聚集微生物提高了硝化微生物浓度，硝化作用越来越显著〔14〕，所以能够去除大部分NH3-N，但无法直接达到GB 18918—2002 的一级A 标准。A/O 出水进入改良人工湿地，湿地内部设有鸢尾植物，其植物根系附近存在微型好氧区能够进行硝化反应，对NH3-N 进行深度去除，使出水NH3-N 稳定达标排放〔15〕。

2.3 TN 去除效果

考察A/O-改良人工湿地组合工艺连续运行120 d对农村生活污水TN 的沿程去除效果，结果见图5。

图5 TN 去除效果Fig.5 TN removal effect

由图5 可知，进 水TN 为62.9～73.2 mg/L，平均67.4 mg/L，随着运行时间的延长，在进水TN 波动的情况下，A/O-改良人工湿地组合工艺对TN 的总去除率先逐渐上升，运行至第75 天后达到83%，此后保持稳定，这说明该工艺抗冲击负荷能力较强。运行过程中，A/O 工艺对TN 的去除率呈缓慢上升趋势，运行至第105 天后TN 去除率保持稳定，达到17%。改良人工湿地工艺对TN 的去除情况和组合工艺对TN 去除情况较为类似，TN 去除率最高达80%，这说明TN 的去除主要是以改良人工湿地工艺为主，以A/O 工艺为辅。当运行至第75 天时，改良人工湿地出水TN 趋于稳定，为11.8 mg/L，达到GB 18918—2002 一级A 标准（TN≤15 mg/L）。

A/O 工艺未设硝化液内回流，其主要是利用厌氧池内存在的少量硝酸盐和进水中部分有机碳源进行反硝化反应来脱氮。好氧池硝化反应产生的硝酸盐几乎全部进入改良人工湿地，湿地内部存在大量可作为电子供体的硫元素和铁离子，无需投加碳源即可发生自养反硝化脱氮反应，同时由于铁碳能够改变微生物群落结构组成，可进一步强化脱氮效果。此外，湿地还存在鸢尾植物根系的吸收、填料基质的吸附等作用，共同保障了最终出水TN 稳定达标排放〔16-17〕。

2.4 TP 去除效果

考察A/O-改良人工湿地组合工艺连续运行120 d 对农村生活污水TP 的沿程去除效果，结果见图6。

图6 TP 去除效果Fig.6 TP removal effect

由图6 可 知，进 水TP 为2.82～3.29 mg/L，平 均3.04 mg/L，随着运行时间的延长，组合工艺对TP 的总去除率先明显上升，至第75 天达86%，之后保持稳定。A/O 工艺和改良人工湿地工艺对TP 的去除均与组合工艺对TP 的去除趋势相似，且二者对TP的最高去除率分别为51%和71%，这说明A/O 工艺和改良人工湿地工艺对TP 的去除均有较大作用，但改良人工湿地工艺对TP 的去除贡献更大。由图6还可知，当系统运行至第75 天时，系统出水TP 稳定至0.48 mg/L 左右，达到GB 18918—2002 一级A 标准（TP≤0.5 mg/L）。

A/O 工艺厌氧池内部布置有组合填料，能为聚磷菌提供良好的生长载体，将磷充分释放，然后在好氧条件下发挥好氧吸磷作用，合成聚磷酸盐从而将磷转移至污泥中，通过排放含磷剩余污泥达到部分除磷的效果，但其出水依然无法满足GB 18918—2002 一级A 标准。A/O 出水进入改良人工湿地后，湿地内硫铁矿能够产生游离态铁离子，游离态铁离子与磷酸盐形成磷酸铁沉淀，颗粒碳和其他填料基质能够吸附除磷，鸢尾根系能够吸收除磷，最终使得出水TP 能够稳定达标排放。需要注意的是，为防止植物吸收的磷再度释放到水体中，需要对种植植物进行定期收割〔18〕。

3 效益分析

3.1 建设费用

A/O-改良人工湿地组合工艺系统建设费用主要包括隔油池、化粪池、管网、A/O 设备和人工湿地的建设成本。其中居民每户安装1 个隔油池和化粪池，隔油池建设费用约为120 元/个，化粪池建设费用约为1 800 元/个，以80 户计算，费用约为153 600元；管网建设长度为400 m，单价约为400 元/m，费用约为160 000 元；A/O 设备建设费用约12 000 元/座，人工湿地建设费用约8 100 元/座。以上得出总建设费用约为333 700 元。

3.2 运行费用

该工艺系统无需投加药剂，运行费用主要包括运行电费和日常运维人员工资。按照平均每周1 次的频率对该工艺的进水流量和运行电耗数据进行统计分析，得出平均电耗为0.44 kW·h/m3，按照当地电费缴纳标准0.53 元/（kW·h）计算，则运行电费为0.23 元/m3。研究表明，一般人工湿地工艺处理城镇生活污水和农村生活污水的平均运行电费分别为0.27、0.29 元/m3〔19〕，很明显A/O-改良人工湿地组合工艺系统运行电费更低。另外，日常运维人员费用约为0.6 元/m3。综上所述，运行总费用约为0.83 元/m3。

3.3 社会效益

A/O-改良人工湿地组合工艺的投入运行，彻底解决了农村生活污水随处乱排现象的发生，营造了良好的人文居住环境，且经过处理的污水就近排放至河道，不会再造成环境污染，具有良好的环境效益。

4 结论

（1）2021 年6 月1 日 至2021 年9 月29 日 共120 d的连续运行结果表明，A/O-改良人工湿地组合工艺抗冲击负荷能力较强，运行稳定，对农村生活污水的处理效果良好，出水COD、NH3-N、TN、TP 均可稳定达到GB18918—2002 一级A 标准。

（2）该工艺系统总建设费用约为333 700 元，前期一次性建设成本较高，但设备运行费用约为0.83元/m3，运行费用较低，同时其可有效解决农村生活污水乱排问题，社会效益显著。