A2/O生物前處理-人工濕地處理農村生活污水

　　由于農村各地環(huán)境的特殊性，使其無法按照統(tǒng)一的、規(guī)?；幚淼哪Ｊ酵茝V，必須因地制宜綜合考慮各方面因素，因此，筆者在大量現(xiàn)場調研的基礎上，選擇了成都平原地區(qū)極具代表性的一處農村社區(qū)開展生活污水“A2/O生物前處理-人工濕地”組合工藝的探索與示范。本著“因地制宜，分類治理，應集盡集，應治盡治”的原則，在綜合考慮了當地經濟發(fā)展水平、財政狀況、污水規(guī)模和農民需求等多方面因素的情況下，改造并設計了該工藝。實踐證明該工藝投資小、管理維護簡便，運行半年以來生態(tài)環(huán)境效益明顯，受益群眾反應良好，為我省農村社區(qū)生活污水治理模式的選擇積累了較成功的經驗。

　　一、工程概況

　　1.1 小區(qū)情況

　　本項目工程為一集中式農村居民社區(qū)，地處四川省成都市都江堰市大觀鎮(zhèn)西南側，小區(qū)目前有6棟居民樓，共285戶，人口約900人。由于小區(qū)地勢處于全鎮(zhèn)最低，因此，該鎮(zhèn)是目前唯一未接入市政管網的社區(qū)。小區(qū)共設有4個化糞池，生活污水主要包括廚房用水、洗衣和洗浴用水、衛(wèi)生間沖洗廢水等。原污水處理工藝為：化糞池-收集池-好氧池-人工濕地-排入河道。但由于原工藝疏于管理，目前各環(huán)節(jié)均已無法正常運行，污水收集池污泥淤積嚴重。好氧池無曝氣充氧。人工濕地植物發(fā)育不良，雜草叢生。濕地內部管道堵塞，涌水嚴重，散發(fā)惡臭，蚊蠅滋生。濕地后排水河溝生境破壞，岸坡裸露，垃圾遍布，河道水體輕度黑臭，居民生活受到嚴重影響，居民對小區(qū)環(huán)境改造意愿十分強烈。小區(qū)原污水處理工藝參數和流程分別如表1和圖1所示。

　　1.2 生活污水水質水量調查

　　生活污水進水和人工濕地出水分別采集于化糞池前端的破損管道和人工濕地出口，水質監(jiān)測結果見表2。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，進、出水水質差別較小，說明整個工藝流程并沒有正常發(fā)揮作用。同時根據?四川省用水定額?(DB51/T2138-2016)，本地農村居民生活用水定額為120L/人/d，并結合該區(qū)村民生活習慣和建筑給排水設施水平，污水排放量按用水定額的80%計，推算該區(qū)最大污水排放量約86.4m3/d。根據主要污染物的平均排放濃度，推算出小區(qū)主要污染物日排放量情況見表3。根據對本小區(qū)水質水量的調查，對組合工藝設計日處理污水規(guī)模為100m3/d。

　　二、污水處理工程改造

　　2.1 工藝流程改造

　　由于原工藝的有機物去除和脫氮除磷效果不佳，因此在原工藝的基礎上增加一個地埋式“兼氧調節(jié)池”和曝氣池后端的泥水“回流渠”，目的是在原來工藝流程中增加一個兼氧和回流過程，從而形成“A2/O”工藝，一是為了提高營養(yǎng)物和有機物質的去除率，二是提高系統(tǒng)整體脫氮除磷的效果。

　　增加的“兼氧調節(jié)池”一方面可穩(wěn)定從污水收集池溢流而來的污水水質和水量，另一方面還可促進反硝化過程的進行，同時進一步沉淀水體中懸浮物。在“A2/O”前處理工藝后再連接潛流式人工濕地，以實現(xiàn)深度脫氮除磷以及美化農村環(huán)境的作用。

　　2.2 人工濕地改造

　　2.2.1 濕地床體

　　床體內基質填充厚度約100cm，基質粒徑級配從下至上依次為：40mm~50mm礫石(約30cm厚)。20mm~25mm陶粒(30cm厚)。15mm~20mm的小礫石(約20cm厚)。10mm~15mm小礫石+20%石英砂(約20cm厚)。距基質表面上方10cm處布設穿孔布水管，濕地底部及距底部20cm處分別設有排空管與出水取樣口，床體垂直布有通氣管(同時起到溢流作用)。出水取樣口位于尾水池內，尾水池出水直接排入周邊小溝渠。

　　2.2.2 植物配置

　　在植物配置方面，根據當地的氣候、地形和人文景觀條件，優(yōu)先選用了成本低廉、易于管理的本地植物。項目根據濕地進出水水質和植物抗污染負荷能力，首選了有一定觀賞價值且成活率較高、耐污力較強、根系發(fā)達的3種濕地植物，即菖蒲、美人蕉和傘草。根據濕地管網推流特征，濕地前1/3段種植菖蒲，中部1/3段種植美人蕉，后1/3段種植傘草，種植時平均株高為30cm~40cm，種植間距均為20cm×20cm。

　　2.3 排水溝改造

　　人工濕地的出水直接排入一小河溝，該河溝長約70m，平均水深不足30cm，流速緩慢，河溝水流最終匯入同一灌溉渠道。前期勘察發(fā)現(xiàn)該河溝水質污濁，垃圾腐葉漂浮，蚊蠅滋生，水體呈輕度黑臭。因此，河溝的改造首先采取清淤和垃圾打撈措施。其次，岸坡固土植物種植，選取了美人蕉、千蕨菜和梔子花三種“走根”較快且具觀賞性的植物。最后，溝底植物的種植，選擇了金魚藻，以增加水體復氧能力，重建水下生境。

　　2.4 組合工藝運行方式設置

　　小區(qū)所處地區(qū)屬中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，年均氣溫15.2℃，四季分明，夏季最熱為7-8月，平均氣溫約15℃，最高氣溫約28℃。冬季最冷為1-2月，平均氣溫為4.6℃，平均最低氣溫約1℃。由于溫度對整個工藝的影響較大，尤其是水溫對“A2/O”生物工藝酶促反應速率和微生物代謝速率的影響，以及氣溫對濕地植物生長的影響，因此總體來說夏季的處理效果優(yōu)于冬季。通過前期反復測試，本工藝流程分別針對冬、夏季節(jié)設置了不同的運行方式，以盡可能保證穩(wěn)定的出水效果。

　　經“A2/O”生物工藝處理后的污水，由蠕動泵加壓通過穿孔布水管引入濕地。濕地的進、出水均由PLC時控計及電磁閥進行控制。剛種植的濕地植物需經一段時間的緩苗，之后組合工藝中各環(huán)節(jié)按照序批式方式運行。

　　(1)冬季：采取“進水-厭氧3h-兼氧4h-好氧5h-人工濕地10h-出水-濕地空床2h-下一個周期”。

　　(2)夏季：采取“進水-厭氧3h-兼氧4h-好氧3h-人工濕地14h-出水-下一個周期”。

　　“A2/O”工藝好氧段采用變頻羅茨風機供氧，根據DO儀表指數反饋供氧量。此外，在濕地運行中，嘗試采用“進水-反應-排水-空床”的方式(尤其冬季)，一是使床體飽和浸潤面產生周期性變化，將大氣中的氧吸入地基質內，以改善濕地內的氧環(huán)境，從而強化濕地對有機物及氨氮的去除。二是由于冬季濕地植物停止生長甚至枯萎，導致人工濕地的凈化能力降低，因此，設置生物前處理工藝流程時間要多于夏季，以彌補低溫濕地功能的不足。

　　三、組合工藝建設成效

　　3.1 組合工藝運行效果

　　本組合工藝工程完成后，前段“A2/O”生物處理工藝即可開始運行，經過前2個月的運行調試(包括充氧效率、泥水回流比、回流泵參數、MLSS濃度比等)，該段工藝出水水質較穩(wěn)定。后段人工濕地在植物繁育茂密的第3個月后出水水質較為穩(wěn)定。該組合工藝正常運行后，小區(qū)原來存在的主要水環(huán)境問題均得到解決，小區(qū)水體不再散發(fā)惡臭、濕地植物繁茂，排水正常、小區(qū)屋后排水溝水體變得清澈，大大改善了小區(qū)及周邊河溝的生態(tài)環(huán)境，工程運行效果明顯。

　　3.2 水樣水質情況

　　組合工藝正常運行后，每月對進、出水進行采樣監(jiān)測，其中出水樣采集2個：“A2/O”工藝出水(A口)、人工濕地出水(B口)，主要對pH、CODcr、BOD5、NH3-N、SS、TP等6項指標進行考察，水質監(jiān)測數據見表4。

　　通過表4水樣監(jiān)測數據表明，將該組合工藝用于農村生活污水處理，出水效果明顯。前段“A2/O”生物工藝出水指標均達到了?城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準?一級B標準，其中除NH3-N去除率為66%外，其他幾個指標均達到了80%的去除率。而后段人工濕地處理則將污染物去除率進一步提高，出水基本能達到一級A標準，尤其是BOD5、SS、TP三個指標去除率達到了90%以上，表明將人工濕地用于“A2/O”生物前處理措施之后能進一步有效提高污染物的去除率。對于脫氮除磷方面，人工濕地的作用也較明顯，NH3-N去除率由66%提高到79%，TP去除率由80%提高到90%。

　　四、問題及建議

　　4.1 “A2/O”生物前處理工藝

　　4.1.1 污泥膨脹

　　在“A2/O”生物處理工藝中，有可能發(fā)生污泥膨脹的問題，而污泥膨脹分為絲狀菌膨脹和非絲狀菌膨脹兩類。當水溫較低，且污泥負荷較高時，則容易發(fā)生非絲狀菌膨脹，這種情況下細菌由于吸附了大量的有機物，使其沉淀壓縮難度增加，但這并不是壞事，因為當非絲狀菌膨脹時污泥尚具有較好的生化處理效能，出水質量也能保障，但是一旦絲狀菌膨脹發(fā)生，則會影響出水效果，因此應避免絲狀菌膨脹現(xiàn)象的發(fā)生。絲狀菌膨脹現(xiàn)象以污泥鏡和出水水質作為判斷依據，建議可采用投加鐵鹽、鋁鹽等混凝劑的措施來增強污泥沉降性，以保證出水水質。亦可在回流渠中投加過氧化氫，以打破絲狀菌結構，快速降低SVI值，但以上方法僅只作為臨時應急采用，并不是解決污泥膨脹的根本性辦法。長期有效措施則建議動態(tài)監(jiān)控“A2/O”各池中的DO濃度，以確保污泥混菌始終處于交替“缺氧-好氧”狀態(tài)，使有機物濃度能保持周期性變化，這樣才是防止污泥膨脹的根本措施。

　　4.1.2 O段(好氧池)曝氣

　　由于潛流人工濕地內的厭氧狀態(tài)是導致脫氮效果差和胞外聚合物積累的重要原因，因此，通過前端好氧池曝氣水體增氧來改善濕地的氧化環(huán)境是提高其脫氮效果的重要措施之一。該方法已在相關研究中得到印證，Chazarenc等在水平潛流人工濕地中采用了濕地前端曝氣方法，提高了總氮的去除率，同時減少了堵塞物(主要是有機物)的積累，使?jié)竦厍岸宋⑸锏臄盗看蟠笤黾?。但同時要注意曝氣強度和碳源問題，以防反硝化強度不夠導致硝酸鹽過量積累。

　　4.2 人工濕地工藝

　　4.2.1 濕地空床時間

　　本項目中冬季增加人工濕地空床時間主要是為了增強濕地的自然復氧能力。通過調控濕地運行方式，采取“進水-滯留-排水-閑置”的方式運行，使人工濕地的復氧主要包括植物根系泌氧、大氣擴散輸氧、排空瞬間濕地飽和浸潤面變化產生負壓力吸入氧氣，濕地空床期間由于床體與大氣中的氧氣存在濃度梯度而產生的對流輸氧。有研究表明，適當地增加空床時間能提高人工濕地的復氧量，提高濕地內部微生物的數量與活性，從而增強對污染物的去除效果。但目前該類研究較少，因為空床時間會直接影響植物的生長，因此，目前只是做了初步嘗試，還應進一步加強人工濕地最佳空床時間的探索，以及空床時間對濕地脫氮除磷效果和植物生長指標的研究。

　　4.2.2 基質的粒徑及級配

　　本項目中人工濕地類型屬于水平潛流，因此在如何減少短流和死區(qū)等方面做了一些探索。由于不同基質的吸附性能存在明顯差異，且基質的孔隙率、滲透系數、含水率、化學成分等也直接影響著人工濕地堵塞情況的發(fā)展。粒徑較大的基質，其孔隙大，可以有效地防止堵塞的發(fā)生。粒徑較小的基質，其表面積大，有利于增加濕地中微生物的數量。應根據不同基質粒徑下的流體特性，采取合理的基質級配，改善人工濕地內流場分布，這樣不但能減少濕地內的短流和死區(qū)，也能改善基質不同深度上的氧化還原狀態(tài)，以減緩堵塞的發(fā)生。本項目設計的基質粒徑與級配，在運行了6個月后效果良好，未發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

　　4.2.3 濕地植物

　　在濕地植物的選擇和配置方面，建議選擇耐污力強和凈化力強的濕地植物。濕地植物的耐污能力、凈化能力、吸收污染物類型等有所不同，要根據污水類型和污染程度，選擇合適的濕地植物。在本項目中運行第4個月發(fā)現(xiàn)傘草的耐污力較弱，由于前段生物工藝出現(xiàn)過流程調試，濕地進水污染負荷較高，傘草出現(xiàn)了大片倒伏死亡的情況，因此，后期濕地又補種了再力花和梔子花等走根較快的本地植物。因此，人工濕地建議要選擇抗性強的植物。

　　一旦前段工藝出現(xiàn)故障，人工濕地植物會承受較高的污染負荷，因長期接觸濃度較高的污水，同時污水容易滋生細菌，易發(fā)生病蟲害，所以要選擇一些抗逆性強(包括抗病蟲害能力、耐鹽性、耐高溫性以及耐寒性等)的濕地植物，保證生長穩(wěn)定、易于管理，有利于污水凈化。

　　五、結論與展望

　　(1)本項目采用了“A2/O生物前處理-人工濕地”工藝處理農村社區(qū)生活污水，效果明顯、流程控制簡便、運維費用較低、出水較穩(wěn)定。污水中CODcr、BOD5、NH3-N、SS、TP總的去除率分別能達到86%、94%、79%、95%、90%。各指標出水水質基本能達到?城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準?(GB18918-2002)的一級A標準。濕地出水可直接回用于農田灌溉、畜禽飼養(yǎng)、漁業(yè)養(yǎng)殖等，示范效果明顯。

　　(2)本組合技術前期投入主要集中在池體改造、工藝流程改造、人工濕地重構等方面，一旦流程確定，通過時控器和PLC控制，后期可實現(xiàn)自動控制，運行維護簡便。日常運維費則主要包括電費、少量藥劑費和人工費等。項目的環(huán)境效益、經濟效益、社會效益較明顯，運行后受益群眾反映良好。

　　(3)目前各地已有一些人工濕地與其它生物工藝相結合的工程案例，如“好氧+人工濕地”工藝處理屠宰場廢水，“A/O+鋁污泥填料人工濕地”組合工藝處理農村生活污水，加強型化糞池/潛流人工濕地組合工藝處理農村生活污水等，均取得了一定的成效，然而組合工藝的研究更多的是注重實效性和應用性，而對后端濕地植物具體的凈化過程并不十分清楚。因此，在未來的研究中，技術人員應重視以下兩個方面：一是如何實現(xiàn)組合工藝的長效脫氮除磷以及濕地長期運行過程中的污染物去除機理和去除動力模型二是。加強濕地植物在冬季如何保持其原有的去污能力方面的研究，使構建的人工濕地盡可能全年保持其原有設計凈化能力。（來源：四川省水利科學研究院）