農(nóng)村生活污水UASB-噴灑式生態(tài)濾池組合工藝

　　目前農(nóng)村生活污水處理工藝主要包括生物接觸氧化法、穩(wěn)定塘法、膜生物反應(yīng)器法等。基于廣大農(nóng)村的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)處理效果好、能耗低、運(yùn)維簡(jiǎn)單的工藝成為農(nóng)村生活污水處理的關(guān)鍵。很多省份頒布的農(nóng)村污水治理工藝中鼓勵(lì)優(yōu)先使用生態(tài)工程技術(shù)方法，因?yàn)樵摷夹g(shù)方法具有效果好、能耗低、生態(tài)環(huán)境效果好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也符合生態(tài)自?xún)舻脑?。使得生態(tài)工程技術(shù)在廣大農(nóng)村得到了大量的應(yīng)用和實(shí)踐，如，人工濕地、穩(wěn)定塘、生態(tài)濾池等。隨著生態(tài)工程技術(shù)在農(nóng)村地區(qū)的普遍使用，卻也出現(xiàn)了一些困境，即單一的生態(tài)工程技術(shù)方法容易出現(xiàn)堵塞、發(fā)臭和害蟲(chóng)滋生等問(wèn)題，隨后會(huì)出現(xiàn)處理效果低下、蚊蠅滋生和散發(fā)惡臭等問(wèn)題，成為農(nóng)村地區(qū)的”死區(qū)”。

　　大量的研究和實(shí)踐證明，農(nóng)村生活污水來(lái)源廣泛，成分豐富，但水質(zhì)變化非常大，進(jìn)水中帶有大量的雜質(zhì)，如果直接進(jìn)入生態(tài)工程構(gòu)筑物中常常會(huì)引起堵塞而導(dǎo)致死角、短流，使生態(tài)工程技術(shù)凈化作用下降。另外，生態(tài)工程技術(shù)是通過(guò)自然復(fù)氧和水生植物光合作用復(fù)氧，這種復(fù)氧方法效果偏低，生態(tài)工程構(gòu)筑物內(nèi)往往會(huì)出現(xiàn)缺氧和厭氧環(huán)境，不僅發(fā)臭，而且會(huì)導(dǎo)致水生植物枯死或瘋長(zhǎng)等現(xiàn)象。課題組在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上提出，采用生態(tài)處理工程技術(shù)處理農(nóng)村生活污水的關(guān)鍵，必須先對(duì)農(nóng)村生活污水進(jìn)行預(yù)處理，減少進(jìn)入生態(tài)工程構(gòu)筑物的懸浮物、水質(zhì)波動(dòng)，并提高水體的可生化性，使生態(tài)工程構(gòu)筑物與預(yù)處理構(gòu)筑物協(xié)同工作，保證污水可持續(xù)凈化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)工程構(gòu)筑物的良性發(fā)展。利用UASB噴灑式生態(tài)濾池組合工藝處理農(nóng)村生活污水，實(shí)驗(yàn)的目的，研究組合式工藝處理農(nóng)村生活污水的效果和特征， UASB和噴灑式生態(tài)濾池內(nèi)不同水流方向上指示性微生物特性，探討UASB-噴灑式生態(tài)濾池組合工藝污染物去除機(jī)理，為農(nóng)村生活污水設(shè)計(jì)和治理提供借鑒。

　　一、材料與方法

　　1.1 組合工藝流程

　　組合式工藝流程見(jiàn)圖1。

　　其基本原理，生活污水首先在調(diào)節(jié)池中進(jìn)行水質(zhì)水量的均質(zhì)，然后，調(diào)節(jié)池上清液在提升泵的作用下進(jìn)入U(xiǎn)ASB池，池中的懸浮污泥層對(duì)污水中的顆粒物、膠體進(jìn)行沉降和截留，厭氧微生物對(duì)難降解有機(jī)物進(jìn)行礦化分解，并產(chǎn)生沼氣(以甲烷和二氧化碳為主)，最后，UASB池出水在重力流的作用下通過(guò)旋轉(zhuǎn)布水器進(jìn)入生態(tài)濾池，完成充氧和布水作用，生態(tài)濾池基質(zhì)分為3層，上層為無(wú)煙煤(25cm)，中層為絲竹填料(25cm)，下層為火山巖(45cm)，基質(zhì)內(nèi)種植美人蕉，植物相互的間距為15cm，利用微生物、植物等聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)污染物的深度凈化，生態(tài)濾池排放進(jìn)行簡(jiǎn)單沉降后排放。組合式工藝流程圖中各構(gòu)筑物設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

　　1.2 原水水質(zhì)和出水水質(zhì)

　　試驗(yàn)原水來(lái)自江西省南昌市安義縣某農(nóng)村家庭的生活污水和廚房污水，原水水質(zhì)和《江西省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(2019年7月實(shí)施)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(出水標(biāo)準(zhǔn))見(jiàn)表2。

　　1.3 試驗(yàn)方法

　　生活污水在調(diào)節(jié)池中進(jìn)行均質(zhì)和初步沉淀，優(yōu)化UASB池進(jìn)水水質(zhì)，降低UASB池進(jìn)水濁度和懸浮物，UASB出水DO質(zhì)量濃度為0.4~0.7mg/L，利用自然培養(yǎng)馴化形成的污泥層對(duì)污水中的污染物進(jìn)行去除和攔截，UASB池出水進(jìn)入生態(tài)濾池前采用旋轉(zhuǎn)布水方式進(jìn)行充氧和均勻布水，利用高差使水流從UASB池跌入到生態(tài)濾池表面，布水高度80cm，生態(tài)濾池表面DO質(zhì)量濃度為1.6~2.7mg/L。本工程從2018年3月開(kāi)始運(yùn)行調(diào)試，啟動(dòng)和穩(wěn)定運(yùn)行4個(gè)月，正式試驗(yàn)時(shí)間為2018年8月~2019年2月，工程穩(wěn)定運(yùn)行開(kāi)始監(jiān)測(cè)，頻率為1周一次，共設(shè)置了4個(gè)采樣點(diǎn)，分別為進(jìn)水端、調(diào)節(jié)池出水口、UASB池出水口和生態(tài)濾池出水口。

　　1.4 分析方法

　　分析方法COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，NH4+-N采用納氏試劑紫外分光光度法測(cè)定，SS按照標(biāo)準(zhǔn)重量法(GB11901要1989)測(cè)定。TN和TP均由哈希多指標(biāo)分析儀(哈希dr2800，美國(guó))測(cè)定，DO采用溶解氧儀(Oxi3210，WTW，德國(guó))測(cè)定。指示性微生物分析采用可攝像顯微鏡進(jìn)行(AxioScope.A1)，其具體做法是，將生物膜生長(zhǎng)情況的基質(zhì)手工剝離其表面生物膜，溶解于蒸餾水中，滴加于載玻片上進(jìn)行觀察其中的菌膠團(tuán)、原生動(dòng)物和微型后生動(dòng)物等特性。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1 組合工藝對(duì)COD的去除效果

　　組合工藝對(duì)COD的去除效果見(jiàn)圖2。

　　由圖2可知，組合工藝運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為105.8~229.4mg/L(平均值為188.1mg/L)，調(diào)節(jié)池出水COD質(zhì)量濃度為99.9~223.9mg/L(平均值為181.8mg/L)，UASB池出水COD質(zhì)量濃度為64.2~153.1mg/L(平均值為108.7mg/L)，生態(tài)濾池出水COD質(zhì)量濃度為22.9~57.6mg/L(平均值為40mg/L)，出水穩(wěn)定達(dá)到了《江西省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(2019年7月實(shí)施)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，整個(gè)工藝對(duì)COD的平均去除率達(dá)到78.5%(69.2%~86.5%)。試驗(yàn)結(jié)果表明，組合工藝對(duì)有機(jī)物有較好的降解效果，雖然進(jìn)水COD水質(zhì)波動(dòng)較大，但COD出水水質(zhì)較為平穩(wěn)。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，COD的去除主要發(fā)生在UASB池和生態(tài)濾池中，UASB池中利用厭氧污泥層的攔截作用和生物降解作用，將高分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為低分子有機(jī)物或轉(zhuǎn)化為沼氣等物質(zhì)，而生態(tài)濾池依靠調(diào)節(jié)池、UASB池等預(yù)處理構(gòu)筑物的緩沖、調(diào)節(jié)和降解的作用，面對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)，能有效抗擊沖擊負(fù)荷，保障出水水質(zhì)穩(wěn)定。其中調(diào)節(jié)池、UASB池和生態(tài)濾池的去除率分別為3.53%，38.35%和36.65%，COD的去除主要發(fā)生在UASB池和生態(tài)濾池中。

　　2.2 組合工藝對(duì)NH4+-N和TN的去除效果

　　組合工藝對(duì)NH4+-N和TN的去除效果見(jiàn)圖3。

　　由圖3可知，進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為17.8~32.5mg/L，生態(tài)濾池出水TN質(zhì)量濃度為2.07~9.77mg/L，TN去除率56.45%~93.15%(平均值為73.71%)，另外，進(jìn)水NH4+-N質(zhì)量濃度為13.3~26.4mg/L，出水NH4+-N質(zhì)量濃度為0.83~5.87mg/L，NH4+-N去除率68.94%~96.78%(平均值80.66%)。出水TN，NH4+-N濃度低于《江西省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(2019年7月實(shí)施)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分析了NO3--N，NO2--N濃度變化規(guī)律，進(jìn)水ρ(NO3--N)≤0.52mg/L，ρ(NO2--N)≤0.23mg/L，出水ρ(NO3--N)≤2.11mg/L，ρ(NO2--N)≤1.54mg/L。并沒(méi)有出現(xiàn)NO3--N和NO2--N大量積累問(wèn)題。

　　TN去除主要經(jīng)歷硝化和反硝化過(guò)程，調(diào)節(jié)池和UASB池內(nèi)發(fā)生的氮素化合物去除的效果偏低，主要通過(guò)微生物同化吸收和污泥吸附以及沉降等作用實(shí)現(xiàn)TN的部分降低，TN主要在生態(tài)濾池內(nèi)實(shí)現(xiàn)去除，植物吸收作用、微生物膜的氧化分解、固相反硝化作用和吸附作用等等，旋轉(zhuǎn)布水作用強(qiáng)化水體充氧效果，強(qiáng)化了無(wú)煙煤濾層內(nèi)植物和硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)效果，絲竹填料層內(nèi)主要發(fā)生反硝化作用，實(shí)現(xiàn)NO3-N，NO2--N的去除，火山巖濾層主要完成氮素化合物的深度吸附和攔截作用。

　　2.3 組合工藝對(duì)TP的去除效果

　　組合工藝對(duì)TP的去除效果和沿程變化見(jiàn)圖4。

　　由圖4可知，組合工藝穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)水TP質(zhì)量濃度為2.54~4.49mg/L，出水TP質(zhì)量濃度為0.44~0.98mg/L，TP去除率68.59%~86.82%，平均去除率達(dá)到79.06%。分析認(rèn)為，生態(tài)濾池系統(tǒng)是TP去除的主要構(gòu)筑物，而調(diào)節(jié)池和UASB池去除效果相當(dāng)有限。生態(tài)濾池內(nèi)水生植物的吸收、微生物同化、無(wú)煙煤和火山巖的吸附以及絮凝沉降作用等都是TP去除的主要原因。

　　2.4 組合工藝對(duì)SS的去除效果

　　組合工藝對(duì)SS的去除效果和沿程變化見(jiàn)圖5。

　　由圖5可知，裝置在穩(wěn)定運(yùn)行階段，進(jìn)水SS質(zhì)量濃度為66.9~139.4mg/L，調(diào)節(jié)池出水SS質(zhì)量濃度為55.6~112.3mg/L，UASB出水SS質(zhì)量濃度為33.2~63.4mg/L，生態(tài)濾池出水SS質(zhì)量濃度為6.5~15.2mg/L，調(diào)節(jié)池、UASB池和生態(tài)濾池等3個(gè)單元對(duì)SS的平均去除率19.26%，33.39%和36.39%。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，SS的去除主要發(fā)生在UASB池和生態(tài)濾池，調(diào)節(jié)池對(duì)SS的去除能力較弱，主要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉降作用而實(shí)現(xiàn)的，UASB池對(duì)SS的去除包括污泥層的攔截和污泥的吸附作用，生態(tài)濾池對(duì)SS的去除主要包括過(guò)濾、吸附和沉降作用。

　　2.5 指示性微生物表征

　　本組合工藝穩(wěn)定運(yùn)行之后，對(duì)UASB內(nèi)污泥層進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在UASB內(nèi)的污泥層中發(fā)現(xiàn)有大量的顆粒污泥，直徑大約為0.05~0.4cm左右，聚集在UASB池內(nèi)的中下部，呈明顯的黑色，具有很好的過(guò)濾、攔截等作用。

　　生態(tài)濾池表層無(wú)煙煤內(nèi)的生物膜較多，對(duì)其表面微生物膜進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)有少量的鐘蟲(chóng)和輪蟲(chóng)(見(jiàn)圖6)屬于寡污帶常見(jiàn)的指示性微生物，說(shuō)明生態(tài)濾池生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，出水水質(zhì)良好。在一些無(wú)煙煤截留孔隙的污泥內(nèi)也發(fā)現(xiàn)有大量的掃除性微生物(紅斑瓢體蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)等)，生態(tài)濾池具有過(guò)濾功能，無(wú)煙煤之間的孔隙中容易產(chǎn)生很多的污染物和顆粒物，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后容易產(chǎn)生擁堵，掃除性微生物具有指示堵塞和自動(dòng)清除等作用，保證生態(tài)濾池正常運(yùn)行的同時(shí)，獲得自我完善和自我更新的”本能”。

　　三、討論

　　針對(duì)農(nóng)村生活污水污染特點(diǎn)，并基于農(nóng)村區(qū)域現(xiàn)狀，采用UASB+生態(tài)濾池組合工藝處理農(nóng)村生活污水符合生態(tài)凈化原理和污染河流自?xún)粼?，是一種強(qiáng)化的污水自?xún)暨^(guò)程，在不同反應(yīng)器中根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)，培養(yǎng)不同微生物種群，達(dá)到污染物凈化的目的。

　　農(nóng)村生活污水經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量并初步沉淀后。首先經(jīng)過(guò)UASB池進(jìn)行厭氧生物處理，使污水在厭氧條件下實(shí)現(xiàn)自我凈化，符合污水凈化過(guò)程，屬于預(yù)處理工藝段，此過(guò)程類(lèi)似于污染河流的排污口處，污染較重，溶解氧少，以厭氧菌降解和礦化為主，將污染物轉(zhuǎn)化為低分子有機(jī)物、二氧化碳、甲烷等，同時(shí)輔于一定的沉降作用、稀釋作用等物理化學(xué)作用。UASB池類(lèi)似于污染河流的缺氧段，所以試驗(yàn)過(guò)程中仍然有一定的惡臭氣體產(chǎn)生。

　　經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)池和UASB池作用后，污水中的有機(jī)物、氮、磷等污染物都有一定的下降，而且其中的溶解氧也下降到一定水平，故而通過(guò)重力勢(shì)能作用將UASB出水均勻的噴灑在生態(tài)濾池表面，實(shí)現(xiàn)充氧和均勻布水作用，在完全自然條件的生態(tài)濾池內(nèi)實(shí)現(xiàn)深度凈化和污染物攔截等，生態(tài)濾池類(lèi)似于一個(gè)強(qiáng)化的快速滲濾系統(tǒng)，不同的是采用了多層天然濾料作為水生植物生長(zhǎng)基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了基質(zhì)凈化和植物凈化的耦合過(guò)程。此過(guò)程類(lèi)似于污染河流的茁，琢和寡污帶以及清潔帶，以兼性菌、好氧菌和水生植物的凈化為主，將污水中的污染物吸附、攔截和降解掉。

　　四、結(jié)論

　　(1)采用UASB+生態(tài)濾池組合工藝處理農(nóng)村生活污水是可行的，其中COD，TN和SS出水達(dá)到《江西省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(2019年7月實(shí)施)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，出水水質(zhì)透明度非常高，出水濁度很低。

　　(2)組合工藝對(duì)COD，TN，TP，SS的去除率分別為69.2%~86.5%，56.45%~93.15%，68.59%~86.82%和83.51%~93%。

　　(3)組合工藝處理對(duì)農(nóng)村生活污水是一種運(yùn)行費(fèi)用少、無(wú)需維護(hù)的方法，適合在廣大農(nóng)村推廣應(yīng)用。（來(lái)源：江蘇方正環(huán)保集團(tuán)有限公司；徐州工程學(xué)院環(huán)境工程學(xué)院；江蘇蓮洋港環(huán)?？萍加邢薰荆?/p>