農(nóng)村生活污水生態(tài)綜合治理技術(shù)研究

富英杰 張徐潔 徐小慧

（1 嘉興市生態(tài)環(huán)境應(yīng)急監(jiān)控與事故調(diào)查中心 浙江嘉興 314000 2 浙江清華長(zhǎng)三角研究院 浙江嘉興 314000）

引言

隨著《“十四五”重點(diǎn)流域水環(huán)境綜合治理規(guī)劃》的印發(fā)，各地區(qū)都開(kāi)始逐步啟動(dòng)村莊混合污水綜合治理的項(xiàng)目規(guī)劃，根據(jù)農(nóng)村區(qū)域的水質(zhì)狀況、生活污水排放特點(diǎn)，利用天然沸石、火山巖、頁(yè)巖陶粒等作為組合型濾料、建立生物濾料層，采用活性污泥法掛膜啟動(dòng)曝氣生物濾池，合理調(diào)節(jié)污水進(jìn)水流量、濾池掛膜濾速形成污染物過(guò)濾的內(nèi)循環(huán)，配合氧化塘污水處理系統(tǒng)的生物過(guò)濾去除方案，設(shè)計(jì)“生物—生態(tài)”組合型污水處理系統(tǒng)，基本可達(dá)成農(nóng)村混合污水中CODMn、氨氮、總氮(TN）、總磷（TP）等富營(yíng)養(yǎng)化元素的去除目標(biāo)，提升農(nóng)村生活污水生態(tài)綜合治理的效率與質(zhì)量。

1 農(nóng)村地區(qū)生活污水、污染物排放現(xiàn)狀分析

以××村落為例，對(duì)農(nóng)村地區(qū)生活污水、污染物排放情況進(jìn)行分析?！痢链鍨榈靥巼?guó)道北側(cè)的臨河村落，村域面積3.784km2、河流面積3.33km2，耕地面積360 畝，本村總戶數(shù)468 戶，總?cè)丝跒?065 人。河流流域區(qū)的農(nóng)村生活污水主要包括洗滌與洗浴廢水、廚房污水、廁所污水、沖圈污水等，通過(guò)設(shè)置各類排污口、污水管網(wǎng)、化糞池接通至居民生活空間完成污水處理。在村內(nèi)選取經(jīng)濟(jì)情況高、中、低的3 類家庭作為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)半年（7～12 月）內(nèi)農(nóng)戶各類污水的排放情況。按照式（1）計(jì)算污染物排放負(fù)荷，產(chǎn)污系數(shù)取0.5。

式中C—污染物濃度，mg/L；Q—污水排放量，Ld；M—質(zhì)量負(fù)荷，kg·d-1。

取3 戶平均值表示××村落生活污水的排放量、污水水質(zhì)，乘以總戶數(shù)得到全村每日(每月)污水排放量、污水中污染物濃度均值監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1、表2 所示?！痢链?～12 月全村每日的平均污水排放量分別為17.89m3、17.68m3、16.24m3、15.72m3、12.33m3、12.51m3，其中秋冬寒冷季節(jié)的日平均污水排放量逐漸降低，每月污水排放量基本控制在350～530m3之間。污水分類中洗滌/洗浴廢水內(nèi)含有的污染物指標(biāo)濃度最低，廚房污水、廁所污水、沖圈污水等污水中含有的污染物指標(biāo)濃度呈依次增加趨勢(shì)，且?guī)鬯?、沖圈污水內(nèi)的污染物指標(biāo)濃度過(guò)高，是農(nóng)村生活污水的主要污染源。具體到不同污染物指標(biāo)的濃度高低來(lái)看，CODMn、氨氮、TN 等污染物的濃度較高，TP、固體懸浮物(SS)等污染物的濃度低，針對(duì)這一情況采用相應(yīng)的污水治理技術(shù)予以處理。

表1 全村每日(每月)污水排放量監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 全村生活污水中污染物濃度均值

2 農(nóng)村生活污水生態(tài)綜合治理的相關(guān)技術(shù)

2.1 曝氣生物濾池(BAF)技術(shù)

曝氣生物濾池技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)濾池的曝氣方式作出改良，將濾池分為曝氣區(qū)、濾料區(qū)的功能區(qū)，包括空氣泵、蠕動(dòng)泵、反應(yīng)器、水箱、氣體流量計(jì)、單孔膜空氣擴(kuò)散器等組成裝置，其中水箱用于輸送與存儲(chǔ)待過(guò)濾的污水、容積約為200L[1]。反應(yīng)器由濾料、導(dǎo)流筒、進(jìn)水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、出水系統(tǒng)及反沖洗系統(tǒng)等子模塊構(gòu)成，內(nèi)部濾層高度為110cm，填充濾料為天然沸石、火山巖、頁(yè)巖陶粒的組合型濾料，其中下部10cm 使用粒徑約為5cm 的天然沸石、火山巖填充作為承托層，上部100cm 使用粒徑約為1～3cm 的頁(yè)巖陶粒，利用曝氣生物濾池作出生物氧化AOX(有害物質(zhì))去除、懸浮固體(SS)截留的工藝如圖1 所示。

圖1 曝氣生物濾池的污水處理工藝

根據(jù)圖1 可知，在生活污水進(jìn)入水箱后經(jīng)導(dǎo)流筒流入曝氣區(qū)、濾料區(qū)的功能區(qū)，利用曝氣動(dòng)力使生活廢水水、循環(huán)水在筒內(nèi)充氧，充氧后的壓力差使混合流體向上提升進(jìn)入濾料區(qū)，與環(huán)形濾料區(qū)的濾料充分接觸進(jìn)行CODMn、氨氮、TN、TP 等有害元素吸附、截留的過(guò)濾，使用反沖洗進(jìn)水管、進(jìn)氣管清除留存在濾料層的雜質(zhì)，保證濾池短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)過(guò)濾能力[2]。因此，基于氣升式環(huán)流反應(yīng)器的內(nèi)循環(huán)曝氣生物濾池技術(shù)，是通過(guò)隔離曝氣形成的循環(huán)液流對(duì)進(jìn)入濾池內(nèi)的污水進(jìn)行充分過(guò)濾，由于反應(yīng)器內(nèi)的循環(huán)水量達(dá)到進(jìn)水流量的30 倍以上，可在短時(shí)間內(nèi)快速稀釋污染物濃度，因而能夠直接用于處理高濃度生活污水，提升對(duì)污染物元素、細(xì)菌的抑制作用。

2.2 氧化塘污水處理技術(shù)

氧化塘污水處理是在前期運(yùn)用曝氣生物濾池完成CODMn、氨氮、TN、TP、固體懸浮物等污染指標(biāo)的去除后，利用氧化塘內(nèi)的水生生物、微生物、藻類等凈化系統(tǒng)，作出CODMn、氨氮、TN、TP 污染物的進(jìn)一步去除。氧化塘內(nèi)“藻—菌—原生動(dòng)物—原生植物”的天然代生系統(tǒng)，可在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)水中微生物的代謝活動(dòng)降解有機(jī)物，利用陽(yáng)光照射塘內(nèi)的藻類進(jìn)行光合作用而釋放出大量的氧，再通過(guò)代謝活動(dòng)進(jìn)行氧化分解形成二氧比碳，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)塘內(nèi)有機(jī)污染物、懸浮物的降解，氧化塘作用原理如圖2 所示[3]。

圖2 氧化塘污水處理作用原理

在微生物作用下將有機(jī)氨氮氧化分解為氨和氨化合物，一部分氨溶水成為NH3-N 被植物利用，另一部分由硝化細(xì)菌將氨氧化成硝酸鹽，當(dāng)水中溶氧濃度低于1～2mg/L 時(shí)硝化作用速度明顯降低。在水中溶氧缺乏情況下，反硝化細(xì)菌能將硝酸還原成亞硝酸、次硝酸、羥胺或氮(硝酸還原)，當(dāng)形成的氣態(tài)氮作為代謝物釋放時(shí)就稱為脫氮作用。在絕對(duì)好氧條件下，氨氧化細(xì)菌、硝化細(xì)菌的硝化作用方程式為2NH3+3O2→(氨氧化細(xì)菌)→2HNO2+2H2O+能量、2HNO2+O2→(硝化菌)→2HNO3+能量；在缺氧條件下，反硝化細(xì)菌的反硝化作用方程式為NO3-+CH3OH →(反硝化菌)→N2↑+ CO2↑+H2O+。因此，利用水中的微生物可有效去除污染水內(nèi)的氨氮污染物，且氧化塘使用機(jī)械設(shè)備少、造價(jià)價(jià)格低廉，約為活性污泥處理法運(yùn)行費(fèi)用的1/10～1/4，只需設(shè)置大片的氧化塘便能夠完成對(duì)農(nóng)村生活污廢水的水質(zhì)凈化。

3“曝氣生物濾池+氧化塘”組合系統(tǒng)的污水去除實(shí)驗(yàn)方案

3.1 實(shí)驗(yàn)材料與植物選擇

基于曝氣生物濾池技術(shù)的農(nóng)村生活污水治理實(shí)驗(yàn)，選用天然沸石、火山巖、頁(yè)巖陶粒等組合型濾料，天然沸石、火山巖粒徑為32～50mm 之間，其中天然沸石濾料的比重為2.1～2.3g/cm3、火山巖濾料的比重為2.2～2.5g/cm3、頁(yè)巖陶粒濾料的比重為2.2～2.7g/cm3。使用氧化塘污水處理技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究，選用鳳眼蓮、草蘆、香蒲、燈芯草、旱傘草、梭魚(yú)草、鶯尾花、菹草、浮萍等植物，以及藍(lán)藻、綠狐尾藻等藻類作為污染物去除植株，其中藍(lán)藻能夠?yàn)樗懈黝悇?dòng)植物、微生物提供氧氣，增加水中的溶氧量，其他植物能夠去除污染水內(nèi)含有的CODMn、氨氮、硝酸鹽氮、磷等有害元素[4]。

3.2 實(shí)驗(yàn)裝置與監(jiān)測(cè)方法

模擬曝氣生物濾池實(shí)驗(yàn)選用空氣泵（0.135m3/min）、蠕動(dòng)泵（0～30L/h）、反應(yīng)器、水箱（100cm×100cm）、生物濾池（50cm×100cm）、氣體流量計(jì)(1.5～15L/min)、出水桶(100L)等組成裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)用水模擬××村混合污水中各污染物濃度的總體水平進(jìn)行人工配制，氧化塘底泥取自××村的河湖泥、并添加一定量的營(yíng)養(yǎng)土來(lái)模擬天然氧化塘的生態(tài)環(huán)境。

本實(shí)驗(yàn)中的水質(zhì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括CODMn、氨氮、TN、TP、濁度、溶解氧及pH 等，其中CODMn采用DRB 200 COD 快速消解儀測(cè)定、濁度采用臺(tái)式濁度儀測(cè)定，氨氮和TN、TP 分別采用水楊酸一次氯酸鹽光度法(A)、過(guò)硫酸鉀氧化紫外光度法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，溶解氧和pH 值分別采用HACH HQ30d 溶解氧儀、CT-6021A 型pH 計(jì)監(jiān)測(cè)。

4“曝氣生物濾池+氧化塘”組合技術(shù)的農(nóng)村生活污水治理效果分析

4.1 曝氣生物濾池的掛膜啟動(dòng)

曝氣生物濾池對(duì)農(nóng)村生活污水處理的基本原理，需在生物濾池中加入20kg 天然沸石、20kg火山巖、40kg 頁(yè)巖陶粒進(jìn)行吸附實(shí)驗(yàn)(溫度為23℃)，連續(xù)運(yùn)行1d 并觀察CODMn、氨氮、TN、TP、固體懸浮物等污染物去除的情況[5]。生物濾池內(nèi)部反應(yīng)器的掛膜啟動(dòng)方式分為自然富集啟動(dòng)、人工接種啟動(dòng)等模式，一般實(shí)驗(yàn)中使用人工的活性污泥接種方式，將活性污泥聯(lián)同微生物、好氧菌(厭氧菌)投加到反應(yīng)器中，如投加覆蓋面積約為0.5m3的綠狐尾藻，通過(guò)多次通氣悶曝后形成濾料表面上的生物膜，掛膜后每天監(jiān)測(cè)進(jìn)出水的CODMn、氨氮、TN、TP、固體懸浮物等污染物濃度，以CODMn、氨氮的去除率作為生物掛膜是否成功的判定標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)期間若CODMn、氨氮的去除率分別達(dá)到80%和60%時(shí)則表明掛膜成功。

4.2 組合技術(shù)對(duì)農(nóng)村生活污水生態(tài)綜合治理的效果

按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)的三級(jí)控制指標(biāo)規(guī)定，包括CODMn≤120mg/L、氨氮≤30mg/L、TN&TP≤7mg/L、固體懸浮物SS≤50NTU 的標(biāo)準(zhǔn)，采用“曝氣生物濾池+氧化塘”組合系統(tǒng)，通過(guò)空氣泵、蠕動(dòng)泵提升污水流入生物濾池，在生物濾池中進(jìn)行一級(jí)有機(jī)物處理后，流入氧化塘實(shí)現(xiàn)二級(jí)生態(tài)處理，處理完畢后達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)、《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)的污水排放要求[6]，具體的綜合治理結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 組合技術(shù)對(duì)農(nóng)村生活污水CODMn、氨氮的治理結(jié)果

圖4 組合技術(shù)對(duì)農(nóng)村生活污水TN&TP、固體懸浮物的治理結(jié)果

從圖3、圖4 可知，在進(jìn)入曝氣生物濾池掛膜處理前，CODMn濃度處于740～850mg/L 之間，經(jīng)過(guò)啟動(dòng)反應(yīng)器掛膜處理、氧化塘微生物氧化還原處理后，CODMn濃度降低至70～520mg/L，其中在經(jīng)過(guò)約22d 的靜置處理后CODMn濃度便會(huì)降低至100mg/L 以內(nèi)；從CODMn污染物去除效果方面來(lái)看，在運(yùn)行至第4d 時(shí)濾料的吸附作用趨于飽和、厭養(yǎng)菌對(duì)有機(jī)物的氧化降解速率下降，沖洗與清除生物膜表面的污物后對(duì)CODMn元素的去除效果又緩慢上升，至22d 掛膜運(yùn)行后CODMn的去除率穩(wěn)定在85%以上。

隨后分析氨氮、TN&TP 的污染物治理效果，在反應(yīng)器掛膜后，氨氮濃度由原來(lái)的50～70mg/L下降至15～50mg/L，至26d 掛膜運(yùn)行后氨氮污染物濃度下降至20mg/L 以下，去除率穩(wěn)定在70%～80%之間；TN&TP 污染物在經(jīng)過(guò)曝氣生物濾池掛膜、氧化塘二級(jí)處理后，TN&TP 濃度由原有的7～9mg/L 下降至3～6mg/L，至26d 掛膜運(yùn)行后氨氮污染物濃度下降至5mg/L 左右，但微生物降解作用下降對(duì)污染物的去除有影響，整體去除率穩(wěn)定在70%～80%之間。固體懸浮物SS在組合技術(shù)使用前后的濁度分別為10～26NTU、1～5NTU，去除率為80%～90%之間，表明組合系統(tǒng)對(duì)固體懸浮物具有良好的去除效果，且農(nóng)村生活污水生態(tài)綜合治理的成效顯著。

結(jié)語(yǔ)

由于農(nóng)村生活污水的無(wú)節(jié)制、肆意排放，使得區(qū)域河湖水生態(tài)環(huán)境污染的防治難度增大，需通過(guò)利用一系列物理、化學(xué)、生物相結(jié)合的水污染處理方法，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村地區(qū)生活混合污水的綜合治理。因此，基于“曝氣生物濾池+氧化塘”組合技術(shù)，通過(guò)反應(yīng)器啟動(dòng)“掛膜”，由生物濾料起到污染物的吸附截留作用、濾料上附著的微生物膜起到氧化降解作用，利用生物膜內(nèi)層的厭氧區(qū)完成反硝化反應(yīng)，利用微生物的新陳代謝作用去除SS 固體懸浮污染物，經(jīng)過(guò)處理后的生活污廢水從濾池上部的出水口正常排出，部分固體懸浮物、沉淀物經(jīng)反沖洗排水口排出，可大大提升農(nóng)村生活污水生態(tài)綜合治理效果。