人工濕地技術在農村生活污水中的應用

牛麗萍,劉 祥,柏義生,孔德芳

(1.鄭州市生態環境局新鄭分局,河南鄭州 451100;2.河南省科學技術交流中心,河南鄭州 450003;3.鄭州大學環境技術咨詢工程有限公司,河南鄭州 450002)

隨著國家和河南省對農村環境政策的頒布,農村生活污水的處理已經越來越受到重視[1-3]。農村生活污水水量變化大,污水排放呈不連續狀態,有機物含量高,含一定量的氮和磷,可生化性好[4-6]。目前針對農村生活污水的處理方法較多,生化處理方法包括化糞池、凈化沼氣池、A/O、A2/O、序批式活性污泥法(SBR)、生物接觸氧化、膜生物反應器法(MBR)等[7-8],現今常見的處理方法有一體化生化處理設備+人工濕地、一體化生化處理設備+深度處理等組合工藝[9-10]。在實際應用中,生物生態組合工藝具有較好的應用前景[11-12]。生物生態組合工藝不僅具有較好的處理效果,而且能夠克服生化處理工藝的缺點。筆者以河南省新鄭市某自然村農村生活污水為處理對象,采用“預處理+復合潛流人工濕地+穩定塘”組合工藝對農村生活污水進行處理,以期為其他區域農村生活污水處理提供參考依據。

1 工程概況

1.1 項目簡介以新鄭市某自然村(280戶,1 100人)產生的生活污水為研究對象,經過戶廁改造后,每家每戶產生的生活污水通過HDPE管網集中收集至處理站點統一處理。按照每人每天60 L的用水量計算,設計規模為50 m3/d。經現場踏勘,農村污水處理設施選址在村莊南側的大片低洼坑塘,占地面積1 300 m2。

1.2 設計進出水水質某自然村排放生活污水懸浮物含量較高,呈現乳白色渾濁狀,并帶有刺激性氣味。現場取樣,并對水質進行檢測,根據檢測結果,平均值取整后作為設計進水水質。出水水質執行河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 41/1820—2019)一級標準。具體進、出水水質見表1。

表1 設計進、出水水質Table 1 The designed influent and effluent quality

2 工藝流程及主要構筑物

2.1 工藝流程采用“化糞池+格柵井+調節池+厭氧反應器+跌水復氧+復合潛流人工濕地+穩定塘”作為主體工藝,如圖1所示。每家每戶管網通過管網進入大三格化糞池,經過逐室發酵分解及分離,污水中的污染物被差異化降解。然后,經過格柵井、調節池,進入折流厭氧反應器,逐個通過反應室內的污泥床層,進水中的底物與微生物充分接觸后得以降解去除。污水經過厭氧處理,再經過2級跌水壩,跌水復氧后進入復合潛流人工濕地,污水在復合流人工濕地單元內以水平和垂直復合流態流動,濕地內部采用隔墻形式,使污水在濕地內折流,氧可通過大氣擴散和植物傳輸進入人工濕地系統。該工藝充分利用植物、基質及微生物的協調作用,具有較好的處理效果,同時采用水平潛流與上升式復合垂直布水方式,有效避免了基質床堵塞。最后進入穩定塘,利用穩定塘的作用穩定出水水質后,最終就近排放至河道。

圖1 工藝流程Fig.1 The process flow

2.2 主要構筑物該工程設計處理規模為50 m3/d,采用生物生態組合工藝,主要構筑物為大三格化糞池、厭氧反應器、復合潛流人工濕地及穩定塘。

2.2.1大三格化糞池。3座大三格化糞池采用玻璃鋼材質(地埋式),單體結構尺寸(φ×L)為2.80 m×8.15 m,有效容積為50 m3。

2.2.2厭氧反應器。2座厭氧反應器采用玻璃鋼材質(地埋式),單體結構尺寸為8.0 m×3.0 m×3.0 m,有效容積為72 m3。池中有組合填料,便于微生物附著。

2.2.3復合潛流人工濕地。采用鋼混結構(半地埋式),單體結構尺寸為19.5 m×8.0 m×1.0 m,有效深度為0.8 m,水力負荷為0.32 m3/(m2·d),水力停留時間24 h,占地面積156 m2。濕地內部采用隔墻形式,使污水在濕地內折流,并設有均勻布水器,濕地中基質填充孔隙率為40%,植物種植間距30 cm×30 cm,濕地中基質配置如表2所示。濕地水生植物有西伯利亞鳶尾(IrissibiricaL.)、黃花鳶尾(IriswilsoniiC.H.Wright)、菖蒲(AcoruscalamusL.)、蘆葦[Phragmitesaustralis(Cav.) Trin.ex Steu],每種水生植物的種植密度均為9～25株/m2、種植面積均為39 m2、數量均為780株。

表2 濕地基質填料配置Table 2 The configuration of wetland matrix filler

2.2.4穩定塘。根據地形設計土石結構,有效深度為0.5～0.8 m,水力停留時間36 h,占地面積117 m2。穩定塘駁岸及底部根據高低起伏種植不同種類的水生植物,穩定塘中植物的具體配置如表3所示。通過穩定塘再次吸收和分解水體中污染物,保證出水水質能夠穩定達標。

3 運行效果分析

該工程完工后進入試運行階段,連續運行150 d,每隔10 d 對進水和出水分別取樣并檢測水質,分析污水處理效果。水質指標包括COD、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)、總氮(TN)。系統在運行初期1～30 d出水濃度較高,去除率較低。

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

3.1 COD去除效果系統進水COD濃度為236.8～258.5 mg/L,平均進水濃度為241.7 mg/L。隨著時間的推移,運行至第40天后系統出水COD濃度為49.8～59.7 mg/L,出水COD平均濃度為53.6 mg/L,已經達到河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 41/1820—2019)一級標準。系統穩定后,最高去除率達到80.0%,平均去除率達到72.1%(圖2)。

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

3.2 氨氮去除效果隨著時間的推移,復合潛流人工濕地中硝化微生物濃度增加,硝化作用越來越明顯。運行至第40天出水NH3-N濃度均保持在8.0 mg/L以下,平均去除率為66.8%,可滿足系統出水設計要求。系統中NH3-N去除率受溶解氧(DO)濃度的影響較大,較高的DO濃度可以提高系統硝化效果,因此系統在復合潛流人工濕地前增加兩級跌水復氧,增加水體DO濃度,有利于人工濕地硝化作用,同時在人工濕地中植物根系附近存在微型好氧區也能進行硝化反應。系統運行的第40～150天NH3-N去除率基本保持穩定(圖3)。

3.3 總磷去除效果系統進水TP濃度為2.80～3.30 mg/L,TP平均進水濃度3.00 mg/L。隨著系統逐漸穩定,第40～60天系統出水平均TP濃度為0.92 mg/L,TP平均去除率為64.2%(圖4)。這說明整個系統對TP的去除有較大的效果,可滿足系統出水設計要求,但以復合潛流人工濕地工藝為主。其主要原因是預處理的厭氧池中聚磷菌將磷充分釋放,然后進入復合潛流人工濕地,濕地內頁巖能夠產生游離態鐵離子,與磷酸鹽形成磷酸鐵沉淀,礫石、沸石等基質能夠吸附除磷,復合潛流人工濕地和穩定塘中挺水植物根系能夠吸收磷,最終保證出水TP穩定達標排放。

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

圖4 總磷去除效果Fig.4 The removal effect of total phosphorus

3.4 總氮去除效果系統進水TN濃度為38.9～43.1 mg/L,TN平均進水濃度為41.3 mg/L;隨著系統逐漸穩定,第40～60天系統出水TN平均濃度為17.8 mg/L,TN平均去除率為54.8%(圖5)。其主要原因是因為厭氧反應器和穩定塘對TN的去除僅通過厭氧狀態下存在少量的硝酸鹽和利用進水中部分有機物充當碳源發生反硝化反應進行脫氮。進入復合潛流人工濕地內部的厭氧、缺氧、好氧等環境為硝化與反硝化反應脫氮提供條件,同時濕地內的植物吸收、基質填料吸附等可以進一步除氮,最終保證出水TN能夠穩定達標排放。

圖5 總氮去除效果Fig.5 The removal effect of total nitrogen

4 結論

該工程將“預處理+復合潛流人工濕地+穩定塘”組合工藝應用于河南省新鄭市某農村生活污水治理中,該工藝出水水質滿足河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 41/1820—2019)一級標準。試運行階段中連續運行150 d,運行效果良好,運行成本0.92元/t。該系統采用生物生態組合方式,利用村內廢棄坑塘處理生活污水,處理后的污水可用于景觀利用、澆灌及道路噴灑等,為河南省農村生活污水處理的技術選擇提供參考。