人工湿地技术在农村生活污水中的应用

牛丽萍,刘 祥,柏义生,孔德芳

(1.郑州市生态环境局新郑分局,河南郑州 451100;2.河南省科学技术交流中心,河南郑州 450003;3.郑州大学环境技术咨询工程有限公司,河南郑州 450002)

随着国家和河南省对农村环境政策的颁布,农村生活污水的处理已经越来越受到重视[1-3]。农村生活污水水量变化大,污水排放呈不连续状态,有机物含量高,含一定量的氮和磷,可生化性好[4-6]。目前针对农村生活污水的处理方法较多,生化处理方法包括化粪池、净化沼气池、A/O、A2/O、序批式活性污泥法(SBR)、生物接触氧化、膜生物反应器法(MBR)等[7-8],现今常见的处理方法有一体化生化处理设备+人工湿地、一体化生化处理设备+深度处理等组合工艺[9-10]。在实际应用中,生物生态组合工艺具有较好的应用前景[11-12]。生物生态组合工艺不仅具有较好的处理效果,而且能够克服生化处理工艺的缺点。笔者以河南省新郑市某自然村农村生活污水为处理对象,采用“预处理+复合潜流人工湿地+稳定塘”组合工艺对农村生活污水进行处理,以期为其他区域农村生活污水处理提供参考依据。

1 工程概况

1.1 项目简介以新郑市某自然村(280户,1 100人)产生的生活污水为研究对象,经过户厕改造后,每家每户产生的生活污水通过HDPE管网集中收集至处理站点统一处理。按照每人每天60 L的用水量计算,设计规模为50 m3/d。经现场踏勘,农村污水处理设施选址在村庄南侧的大片低洼坑塘,占地面积1 300 m2。

1.2 设计进出水水质某自然村排放生活污水悬浮物含量较高,呈现乳白色浑浊状,并带有刺激性气味。现场取样,并对水质进行检测,根据检测结果,平均值取整后作为设计进水水质。出水水质执行河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 41/1820—2019)一级标准。具体进、出水水质见表1。

表1 设计进、出水水质Table 1 The designed influent and effluent quality

2 工艺流程及主要构筑物

2.1 工艺流程采用“化粪池+格栅井+调节池+厌氧反应器+跌水复氧+复合潜流人工湿地+稳定塘”作为主体工艺,如图1所示。每家每户管网通过管网进入大三格化粪池,经过逐室发酵分解及分离,污水中的污染物被差异化降解。然后,经过格栅井、调节池,进入折流厌氧反应器,逐个通过反应室内的污泥床层,进水中的底物与微生物充分接触后得以降解去除。污水经过厌氧处理,再经过2级跌水坝,跌水复氧后进入复合潜流人工湿地,污水在复合流人工湿地单元内以水平和垂直复合流态流动,湿地内部采用隔墙形式,使污水在湿地内折流,氧可通过大气扩散和植物传输进入人工湿地系统。该工艺充分利用植物、基质及微生物的协调作用,具有较好的处理效果,同时采用水平潜流与上升式复合垂直布水方式,有效避免了基质床堵塞。最后进入稳定塘,利用稳定塘的作用稳定出水水质后,最终就近排放至河道。

图1 工艺流程Fig.1 The process flow

2.2 主要构筑物该工程设计处理规模为50 m3/d,采用生物生态组合工艺,主要构筑物为大三格化粪池、厌氧反应器、复合潜流人工湿地及稳定塘。

2.2.1大三格化粪池。3座大三格化粪池采用玻璃钢材质(地埋式),单体结构尺寸(φ×L)为2.80 m×8.15 m,有效容积为50 m3。

2.2.2厌氧反应器。2座厌氧反应器采用玻璃钢材质(地埋式),单体结构尺寸为8.0 m×3.0 m×3.0 m,有效容积为72 m3。池中有组合填料,便于微生物附着。

2.2.3复合潜流人工湿地。采用钢混结构(半地埋式),单体结构尺寸为19.5 m×8.0 m×1.0 m,有效深度为0.8 m,水力负荷为0.32 m3/(m2·d),水力停留时间24 h,占地面积156 m2。湿地内部采用隔墙形式,使污水在湿地内折流,并设有均匀布水器,湿地中基质填充孔隙率为40%,植物种植间距30 cm×30 cm,湿地中基质配置如表2所示。湿地水生植物有西伯利亚鸢尾(IrissibiricaL.)、黄花鸢尾(IriswilsoniiC.H.Wright)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、芦苇[Phragmitesaustralis(Cav.) Trin.ex Steu],每种水生植物的种植密度均为9～25株/m2、种植面积均为39 m2、数量均为780株。

表2 湿地基质填料配置Table 2 The configuration of wetland matrix filler

2.2.4稳定塘。根据地形设计土石结构,有效深度为0.5～0.8 m,水力停留时间36 h,占地面积117 m2。稳定塘驳岸及底部根据高低起伏种植不同种类的水生植物,稳定塘中植物的具体配置如表3所示。通过稳定塘再次吸收和分解水体中污染物,保证出水水质能够稳定达标。

3 运行效果分析

该工程完工后进入试运行阶段,连续运行150 d,每隔10 d 对进水和出水分别取样并检测水质,分析污水处理效果。水质指标包括COD、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)、总氮(TN)。系统在运行初期1～30 d出水浓度较高,去除率较低。

表3 稳定塘植物配置Table 3 The plant configuration in stabilization pond

3.1 COD去除效果系统进水COD浓度为236.8～258.5 mg/L,平均进水浓度为241.7 mg/L。随着时间的推移,运行至第40天后系统出水COD浓度为49.8～59.7 mg/L,出水COD平均浓度为53.6 mg/L,已经达到河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 41/1820—2019)一级标准。系统稳定后,最高去除率达到80.0%,平均去除率达到72.1%(图2)。

图2 COD去除效果Fig.2 The removal effect of COD

3.2 氨氮去除效果随着时间的推移,复合潜流人工湿地中硝化微生物浓度增加,硝化作用越来越明显。运行至第40天出水NH3-N浓度均保持在8.0 mg/L以下,平均去除率为66.8%,可满足系统出水设计要求。系统中NH3-N去除率受溶解氧(DO)浓度的影响较大,较高的DO浓度可以提高系统硝化效果,因此系统在复合潜流人工湿地前增加两级跌水复氧,增加水体DO浓度,有利于人工湿地硝化作用,同时在人工湿地中植物根系附近存在微型好氧区也能进行硝化反应。系统运行的第40～150天NH3-N去除率基本保持稳定(图3)。

3.3 总磷去除效果系统进水TP浓度为2.80～3.30 mg/L,TP平均进水浓度3.00 mg/L。随着系统逐渐稳定,第40～60天系统出水平均TP浓度为0.92 mg/L,TP平均去除率为64.2%(图4)。这说明整个系统对TP的去除有较大的效果,可满足系统出水设计要求,但以复合潜流人工湿地工艺为主。其主要原因是预处理的厌氧池中聚磷菌将磷充分释放,然后进入复合潜流人工湿地,湿地内页岩能够产生游离态铁离子,与磷酸盐形成磷酸铁沉淀,砾石、沸石等基质能够吸附除磷,复合潜流人工湿地和稳定塘中挺水植物根系能够吸收磷,最终保证出水TP稳定达标排放。

图3 氨氮去除效果Fig.3 The removal effect of ammonia nitrogen

图4 总磷去除效果Fig.4 The removal effect of total phosphorus

3.4 总氮去除效果系统进水TN浓度为38.9～43.1 mg/L,TN平均进水浓度为41.3 mg/L;随着系统逐渐稳定,第40～60天系统出水TN平均浓度为17.8 mg/L,TN平均去除率为54.8%(图5)。其主要原因是因为厌氧反应器和稳定塘对TN的去除仅通过厌氧状态下存在少量的硝酸盐和利用进水中部分有机物充当碳源发生反硝化反应进行脱氮。进入复合潜流人工湿地内部的厌氧、缺氧、好氧等环境为硝化与反硝化反应脱氮提供条件,同时湿地内的植物吸收、基质填料吸附等可以进一步除氮,最终保证出水TN能够稳定达标排放。

图5 总氮去除效果Fig.5 The removal effect of total nitrogen

4 结论

该工程将“预处理+复合潜流人工湿地+稳定塘”组合工艺应用于河南省新郑市某农村生活污水治理中,该工艺出水水质满足河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 41/1820—2019)一级标准。试运行阶段中连续运行150 d,运行效果良好,运行成本0.92元/t。该系统采用生物生态组合方式,利用村内废弃坑塘处理生活污水,处理后的污水可用于景观利用、浇灌及道路喷洒等,为河南省农村生活污水处理的技术选择提供参考。