MFWB工藝強(qiáng)化處理農(nóng)村生活污水的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

宋運(yùn)學(xué)

（太原市環(huán)境科學(xué)研究院，山西 太原 030002）

近年來，在農(nóng)村經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的同時(shí)，農(nóng)村環(huán)境污染問題日漸突出。尤其是未經(jīng)處理的生活污水的肆意排放，嚴(yán)重污染了農(nóng)村的水生態(tài)環(huán)境，威脅農(nóng)村居民的健康生活。因此，研究新的適合農(nóng)村生活污水特點(diǎn)的處理工藝，提升農(nóng)村生活污水的處理效果，對農(nóng)村水環(huán)境的改善具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 農(nóng)村生活污水基本特征及常見的處理工藝

1.1 基本特征

據(jù)調(diào)查和研究顯示，不同于工業(yè)廢水，農(nóng)村生活污水的排放和水質(zhì)水量呈現(xiàn)出特有的特征，具體如下：

1）來源較為簡單，排放量隨時(shí)間變化波動(dòng)明顯。農(nóng)村生活污水主要是農(nóng)民在日常生活產(chǎn)生的污水，如，廚房污水、洗滌污水、廁所污水和其他混合污水，來源較為簡單。同時(shí)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和生活習(xí)慣的差異，農(nóng)村生活污水排放的時(shí)間段較為分散，具有極強(qiáng)的時(shí)間分布特征，在早、中、晚3個(gè)時(shí)間段達(dá)到高峰，而在其他時(shí)間段極小。

2）每日產(chǎn)量較小，排放范圍廣且分散。我國農(nóng)村分布方式呈現(xiàn)小規(guī)模聚居、大范圍分散的特點(diǎn)，且農(nóng)村居民的人均用水量低于城市居民，故具有來源分布廣泛、排放點(diǎn)分散以及污水排放量較小的特點(diǎn)。此外，不同時(shí)間排放的農(nóng)村生活污水水質(zhì)差異也較大。

1.2 常見處理工藝

根據(jù)我國農(nóng)村生活污水特點(diǎn)，常見的處理工藝有好氧生物處理和生態(tài)處理兩種［1］。其中，好氧生物處理工藝主要是以活性污泥法和生物膜法為原理，主要有A2／O工藝、生物轉(zhuǎn)盤、曝氣生物濾池、膜生物反應(yīng)器等。生態(tài)處理工藝的污染物去除機(jī)理為土壤、植物及微生物等，主要有穩(wěn)定塘、人工濕地和土地滲濾系統(tǒng)。

1.3 運(yùn)行維護(hù)管理模式

根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)及實(shí)地調(diào)研顯示，目前我國農(nóng)村生活污水主要有屬地管理和第三方運(yùn)維。其中，第三方運(yùn)維模式具有技術(shù)專業(yè)性強(qiáng)、市場化程度較高、運(yùn)維管理制度建設(shè)全面等優(yōu)點(diǎn)［2］。然而，由于農(nóng)村生活污水處理設(shè)施的分散度極高，且數(shù)量龐大，運(yùn)維公司為確保盈利，無法做到專業(yè)運(yùn)維人員高頻率地對每個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)維，從而在一定程度上影響了農(nóng)村生活污水處理站點(diǎn)的處理效果。

2 農(nóng)村生活污水處理效果提升工藝設(shè)計(jì)

2.1 強(qiáng)化除污工藝設(shè)計(jì)原理

在眾多農(nóng)村生活污水處理工藝中，人工濕地的植物系統(tǒng)能有效地將污水中磷進(jìn)行固定，且兼顧了除磷能力與運(yùn)維便捷兩個(gè)因素，故有較強(qiáng)的除磷優(yōu)勢。然而，如果水力負(fù)荷過高，傳統(tǒng)的人工濕地除磷效果會(huì)有明顯的下降，且單純通過擴(kuò)大濕地面積來提升除磷效果的可行度較低。生物濾池以土壤自凈原理為依據(jù)，廣泛運(yùn)用于農(nóng)村生活污水處理中，且具有緩沖容量大，耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，氨氮、COD污染去除效果良好，不產(chǎn)生二次污染等特點(diǎn)，但其除磷效果會(huì)逐步下降。

本文根據(jù)導(dǎo)致人工濕地污染物去除效率較低的原因，同時(shí)基于人工濕地及生物濾池特點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出一種新型混合流人工濕地－生物過濾復(fù)合污水處理工藝（MFWB），以提高農(nóng)村生活污水的處理效果。工藝具體改進(jìn)設(shè)計(jì)如下：

1）采用更高效的功能性填料。為了提升單位濕地面積的污染物去除效率，生物濾池工藝中采用污染物去除效率更高的填料，如，沸石等。

2）增設(shè)曝氣系統(tǒng)和循環(huán)布水系統(tǒng)。該工藝將增設(shè)曝氣系統(tǒng)，將人工濕地劃分為界限清晰的厭氧單元及好氧單元，以進(jìn)一步提高污水去除效果。同時(shí)，將出水以高比例回流垂直布水至填料表層，增加污水中污染物與填料、微生物、植物根系的接觸時(shí)間，提高填料利用率。通過垂直流和水平流結(jié)合以及多次循環(huán)，使循環(huán)污水中氮分別在兩個(gè)單元多次發(fā)生硝化及反硝化作用，以提高去除率。

3）填料模塊化布置。該工藝將設(shè)置更多的填料層，同時(shí)將填料層表層劃分出植物模塊和強(qiáng)化除磷填料模塊，在后期需要進(jìn)行植物收割的部分將植物所在的填料同時(shí)移除，確保其長期穩(wěn)定的除磷效果。值得注意的是，植物模塊和強(qiáng)化除磷填料模塊交錯(cuò)布置，各自分別承擔(dān)著不同污染物的去除功能。

2.2 MFWB設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原理，本文設(shè)計(jì)的新型MFWB工藝的結(jié)構(gòu)主要包括5個(gè)部分，具體結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 新型MFWB工藝運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，新型MFWB工藝結(jié)構(gòu)的5個(gè)部分分別為循環(huán)儲(chǔ)水池、功能填料層（好氧填料層與厭氧填料層）、濕地植物、布水系統(tǒng)和曝氣系統(tǒng)。其中，功能填料層為本次新型MFWB工藝的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，除污反應(yīng)主要發(fā)生在其中。具體的除污作用為，好氧填料層下層填料為粒徑3mm～5mm的沸石，起吸附和處理污水中氨氮等作用，上層為交錯(cuò)分布有強(qiáng)化及植物除磷填料模塊，主要作用為對污水進(jìn)行除磷等；厭氧填料層為濕地原有的填料層，主要填料為粒徑3cm～5cm的碎石。布水管布置于填料頂部，由穿孔布水管進(jìn)行均勻布水。曝氣管布置于好氧填料層底部，確保好氧填料層充足的氧氣。循環(huán)儲(chǔ)水池布置在濕地的出水方向。

2.3 MFWB工藝運(yùn)行方式

由圖1可知，本文設(shè)計(jì)的新型MFWB工藝強(qiáng)化處理農(nóng)村生活污水的主要步驟為：厭氧處理 好氧處理 厭氧處理。具體運(yùn)行方式為：進(jìn)水口 厭氧填料層 循環(huán)池 回流泵 人工濕地頂層（均勻布水） 好氧填料層 厭氧填料層 循環(huán)多次處理 循環(huán)池出口。

3 新型MFWB工藝處理農(nóng)村生活污水試驗(yàn)

為了驗(yàn)證MFWB工藝的應(yīng)用效果，本文選擇山西晉南某村生活污水處理站點(diǎn)作為試驗(yàn)改造站點(diǎn)，參考《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB33／937－2015），探討其污染物去除效果分析。

3.1 CODcr去除效果分析

站點(diǎn)CODcr平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為184mg／L，在改造前去除率僅為12.6%，幾乎沒有去除效果。但進(jìn)行新型MFWB工藝改造后，采用CODcr快速測定試劑盒（HACH）測得，CODcr總的出水質(zhì)量濃度為29mg／L，總平均去除率為84.2%，站點(diǎn)對于CODcr的去除效果提升明顯，且總?cè)コ瘦^為穩(wěn)定，一直穩(wěn)定在80%以上，出水符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A標(biāo)準(zhǔn)。站點(diǎn)CODcr進(jìn)、出水質(zhì)量濃度如圖2所示。

圖2 站點(diǎn)CODcr進(jìn)、出水質(zhì)量濃度

3.2 TP去除效果分析

站點(diǎn)TP平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為7.75mg／L，在改造前去除率為14.2%，去除效果較差。但進(jìn)行新型MFWB工藝改造后，采用過硫酸鉀消解－鉬銻抗分光光度法測得，TP總的出水質(zhì)量濃度為2.9mg／L，總平均去除率為62.2%，站點(diǎn)對于TP的去除效果提升明顯。值得注意的是，不同于新型MFWB工藝對CODcr的去除，由于進(jìn)水濃度過高，有效處理面積過小，而MFWB工藝對磷的去除能力是較為固定的，出水僅達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)。站點(diǎn)進(jìn)、出水TP質(zhì)量濃度如圖3所示。

圖3 站點(diǎn)進(jìn)、出水TP質(zhì)量濃度

3.3 NH3－N去除效果分析

站點(diǎn)NH3－N平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為68.76mg／L，在改造前去除率為15.6%，去除效果較差。但進(jìn)行新型MFWB工藝改造后，采用納氏試劑分光光度法測得，總的出水質(zhì)量濃度為16.57mg／L，總平均去除率為75.9%，站點(diǎn)對于TP的去除效果提升明顯。同時(shí)，不同于原有的對農(nóng)村生活污水中NH3－N的去除工藝，可能是由于出水的大量多次回流，使硝化細(xì)菌有充足的時(shí)間發(fā)生硝化作用，改造后的MFWB工藝受溫度和進(jìn)水濃度的影響較小，對于較高的NH3－N濃度仍保持良好的處理效率，且最終的去除率一直保持較為穩(wěn)定的狀態(tài)，出水能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)。站點(diǎn)進(jìn)、出水NH3－N質(zhì)量濃度如圖4所示。

圖4 站點(diǎn)進(jìn)、出水NH3－N質(zhì)量濃度

3.4 TN去除效果分析

站點(diǎn)TN平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為69.57mg／L，在改造前去除率為19.6%，去除效果較差。但進(jìn)行新型MFWB工藝改造后，采用堿性過硫酸鉀消解－紫外分光光度法測得，總的出水質(zhì)量濃度為33.12mg／L，總平均去除率為52.4%，站點(diǎn)對于TP的去除效果提升明顯。同時(shí)，不同于新型MFWB工藝對農(nóng)村生活污水中CODcr、TP、NH3－N等的去除，改造后的MFWB工藝對TN去除率低于其他三項(xiàng)指標(biāo)，也不能保持較為穩(wěn)定的去除率，出水未能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級標(biāo)準(zhǔn)。究其原因可能是，由于污水在回流后并未完全進(jìn)入?yún)捬鯀^(qū)，導(dǎo)致反硝化反應(yīng)進(jìn)行不充足，且TP進(jìn)水濃度存在極大的波動(dòng)等原因。站點(diǎn)進(jìn)、出水TN質(zhì)量濃度如圖5所示。

圖5 站點(diǎn)進(jìn)、出水TN質(zhì)量濃度

4 結(jié)論

本文采用MFWB工藝對污染物去除效率較低的人工濕地進(jìn)行改造，新型MFWB工藝強(qiáng)化處理農(nóng)村生活污水的主要步驟為：厭氧處理 好氧處理 厭氧處理。總體而言，改造后，CODcr、TP、NH3－N、TN的去除率均得到了大幅度的提升，且出水一直保持在穩(wěn)定的較低濃度，能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》二級標(biāo)準(zhǔn)。可見，本文改造具有良好效果，建議在相似工藝的處理站點(diǎn)進(jìn)行推廣。