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、膜生物反應器法等?；趶V大農(nóng)村的現(xiàn)實問題，開發(fā)處理效果好、能耗低、運維簡單的工藝成為農(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優(yōu)先使用生態(tài)工程技術(shù)方法，因為該技術(shù)方法具有效果好、能耗低、生態(tài)環(huán)境效果好等優(yōu)點，同時也符合生態(tài)自凈的原理。使得生態(tài)工程技術(shù)在廣大農(nóng)村得到了大量的應用和實踐，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)臭和害蟲滋生等問題，隨后會出現(xiàn)處理效果低下、蚊蠅滋生和散發(fā)惡臭等問題，成為農(nóng)村地區(qū)的”死區(qū)”。

　　大量的研究和實踐證明，農(nóng)村生活污水來源廣泛，成分豐富，但水質(zhì)變化非常大，進水中帶有大量的雜質(zhì)，如果直接進入生態(tài)工程構(gòu)筑物中常常會引起堵塞而導致死角、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)是通過自然復氧和水生植物光合作用復氧，這種復氧方法效果偏低，生態(tài)工程構(gòu)筑物內(nèi)往往會出現(xiàn)缺氧和厭氧環(huán)境，不僅發(fā)臭，而且會導致水生植物枯死或瘋長等現(xiàn)象。課題組在充分調(diào)研的基礎上提出，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，必須先對農(nóng)村生活污水進行預處理，減少進入生態(tài)工程構(gòu)筑物的懸浮物、水質(zhì)波動，并提高水體的可生化性，使生態(tài)工程構(gòu)筑物與預處理構(gòu)筑物協(xié)同工作，保證污水可持續(xù)凈化的同時，實現(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，實驗的目的，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理，為農(nóng)村生活污水設計和治理提供借鑒。

　　一、材料與方法

　　1.1 組合工藝流程

　　組合式工藝流程見圖1。

　　其基本原理，生活污水首先在調(diào)節(jié)池中進行水質(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入UASB池，池中的懸浮污泥層對污水中的顆粒物、膠體進行沉降和截留，厭氧微生物對難降解有機物進行礦化分解，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旋轉(zhuǎn)布水器進入生態(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)合作用實現(xiàn)污染物的深度凈化，生態(tài)濾池排放進行簡單沉降后排放。組合式工藝流程圖中各構(gòu)筑物設計參數(shù)見表1。

　　1.2 原水水質(zhì)和出水水質(zhì)

　　試驗原水來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)村生活污水處理設施水污染物排放標準》(2019年7月實施)一級標準(出水標準)見表2。

　　1.3 試驗方法

　　生活污水在調(diào)節(jié)池中進行均質(zhì)和初步沉淀，優(yōu)化UASB池進水水質(zhì)，降低UASB池進水濁度和懸浮物，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污水中的污染物進行去除和攔截，UASB池出水進入生態(tài)濾池前采用旋轉(zhuǎn)布水方式進行充氧和均勻布水，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月開始運行調(diào)試，啟動和穩(wěn)定運行4個月，正式試驗時間為2018年8月~2019年2月，工程穩(wěn)定運行開始監(jiān)測，頻率為1周一次，共設置了4個采樣點，分別為進水端、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采用重鉻酸鉀法測定，NH4+-N采用納氏試劑紫外分光光度法測定，SS按照標準重量法(GB11901要1989)測定。TN和TP均由哈希多指標分析儀(哈希dr2800，美國)測定，DO采用溶解氧儀(Oxi3210，WTW，德國)測定。指示性微生物分析采用可攝像顯微鏡進行(AxioScope.A1)，其具體做法是，將生物膜生長情況的基質(zhì)手工剝離其表面生物膜，溶解于蒸餾水中，滴加于載玻片上進行觀察其中的菌膠團、原生動物和微型后生動物等特性。

　　二、結(jié)果與討論

　　2.1 組合工藝對COD的去除效果

　　組合工藝對COD的去除效果見圖2。

　　由圖2可知，組合工藝運行穩(wěn)定，進水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)定達到了《江西省農(nóng)村生活污水處理設施水污染物排放標準》(2019年7月實施)一級標準，整個工藝對COD的平均去除率達到78.5%(69.2%~86.5%)。試驗結(jié)果表明，組合工藝對有機物有較好的降解效果，雖然進水COD水質(zhì)波動較大，但COD出水水質(zhì)較為平穩(wěn)。從試驗數(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，將高分子有機物轉(zhuǎn)化為低分子有機物或轉(zhuǎn)化為沼氣等物質(zhì)，而生態(tài)濾池依靠調(diào)節(jié)池、UASB池等預處理構(gòu)筑物的緩沖、調(diào)節(jié)和降解的作用，面對進水水質(zhì)的波動，能有效抗擊沖擊負荷，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NH4+-N和TN的去除效果

　　組合工藝對NH4+-N和TN的去除效果見圖3。

　　由圖3可知，進水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)村生活污水處理設施水污染物排放標準》(2019年7月實施)一級標準，分析了NO3--N，NO2--N濃度變化規(guī)律，進水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。并沒有出現(xiàn)NO3--N和NO2--N大量積累問題。

　　TN去除主要經(jīng)歷硝化和反硝化過程，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，主要通過微生物同化吸收和污泥吸附以及沉降等作用實現(xiàn)TN的部分降低，TN主要在生態(tài)濾池內(nèi)實現(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)布水作用強化水體充氧效果，強化了無煙煤濾層內(nèi)植物和硝化細菌的生長效果，絲竹填料層內(nèi)主要發(fā)生反硝化作用，實現(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TP的去除效果

　　組合工藝對TP的去除效果和沿程變化見圖4。

　　由圖4可知，組合工藝穩(wěn)定運行階段，進水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%，平均去除率達到79.06%。分析認為，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池去除效果相當有限。生態(tài)濾池內(nèi)水生植物的吸收、微生物同化、無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SS的去除效果

　　組合工藝對SS的去除效果和沿程變化見圖5。

　　由圖5可知，裝置在穩(wěn)定運行階段，進水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個單元對SS的平均去除率19.26%，33.39%和36.39%。從試驗數(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SS的去除能力較弱，主要通過長時間的沉降作用而實現(xiàn)的，UASB池對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SS的去除主要包括過濾、吸附和沉降作用。

　　2.5 指示性微生物表征

　　本組合工藝穩(wěn)定運行之后，對UASB內(nèi)污泥層進行分析，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，具有很好的過濾、攔截等作用。

　　生態(tài)濾池表層無煙煤內(nèi)的生物膜較多，對其表面微生物膜進行分析后發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)有少量的鐘蟲和輪蟲(見圖6)屬于寡污帶常見的指示性微生物，說明生態(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、線蟲等)，生態(tài)濾池具有過濾功能，無煙煤之間的孔隙中容易產(chǎn)生很多的污染物和顆粒物，長時間運行后容易產(chǎn)生擁堵，掃除性微生物具有指示堵塞和自動清除等作用，保證生態(tài)濾池正常運行的同時，獲得自我完善和自我更新的”本能”。

　　三、討論

　　針對農(nóng)村生活污水污染特點，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凈原理，是一種強化的污水自凈過程，在不同反應器中根據(jù)水質(zhì)特點，培養(yǎng)不同微生物種群，達到污染物凈化的目的。

　　農(nóng)村生活污水經(jīng)過調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量并初步沉淀后。首先經(jīng)過UASB池進行厭氧生物處理，使污水在厭氧條件下實現(xiàn)自我凈化，符合污水凈化過程，屬于預處理工藝段，此過程類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)化為低分子有機物、二氧化碳、甲烷等，同時輔于一定的沉降作用、稀釋作用等物理化學作用。UASB池類似于污染河流的缺氧段，所以試驗過程中仍然有一定的惡臭氣體產(chǎn)生。

　　經(jīng)過調(diào)節(jié)池和UASB池作用后，污水中的有機物、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，故而通過重力勢能作用將UASB出水均勻的噴灑在生態(tài)濾池表面，實現(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)實現(xiàn)深度凈化和污染物攔截等，生態(tài)濾池類似于一個強化的快速滲濾系統(tǒng)，不同的是采用了多層天然濾料作為水生植物生長基質(zhì)，實現(xiàn)了基質(zhì)凈化和植物凈化的耦合過程。此過程類似于污染河流的茁，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出水達到《江西省農(nóng)村生活污水處理設施水污染物排放標準》(2019年7月實施)一級標準，出水水質(zhì)透明度非常高，出水濁度很低。

　　(2)組合工藝對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)組合工藝處理對農(nóng)村生活污水是一種運行費用少、無需維護的方法，適合在廣大農(nóng)村推廣應用。（來源：江蘇方正環(huán)保集團有限公司；徐州工程學院環(huán)境工程學院；江蘇蓮洋港環(huán)?？萍加邢薰荆?/p>