人工湿地组合工艺在农村生活污水处理中的应用
作者: 付笑凡
作者简介:付笑凡(1996—),男,硕士,助理工程师,研究方向:生态环境监测。
摘 要:为科学合理处理农村生活污水,改善农村生态环境,综合分析了厌氧-人工湿地、A/O-人工湿地、生物滤地-人工湿地、SBR-人工湿地组合工艺在农村生活污水处理中的应用现状及处理效果,发现采用人工湿地组合工艺能有效处理农村污水并改善农村生态环境,也可降低后期运维管理难度。农村地区应根据当地实际情况,将污水处理与其资源化利用相结合,因地制宜探索和选择适合当地的人工湿地组合工艺进行污水处理。
关键词:农村生态环境;人工湿地;农村生活污水;组合工艺
中图分类号:X522 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2024)1-127-5
DOI:10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.032
0 引言
截至2020年11月,我国共有约2.5×106个自然村,有农村人口约5.1亿人[1]。目前,我国农村居民的生活质量已经得到较大提升和改善,改善乡村人居环境、打造美丽乡村成为乡村建设的首要任务。但由于农村地区污水处理设施相对缺失,农村生活污水还得不到良好处理。截至2021年,我国农村生活污水处理率仅为28%[2]。农村污水处理已然成为当下改善农村生态环境的主要难题,极大地影响美丽乡村建设进度。近年来,人工湿地被广泛应用于生活污水、工业废水等的深度处理,但单一的人工湿地在处理农村生活污水时往往存在处理效率不高的问题[3]。人工湿地组合工艺在处理污水时具有运行稳定、出水水质较好的优势,且兼具环境效益,已成为当下农村生活污水处理研究和应用的重点。
1 我国农村生活污水排放及处理现状
我国农村生活污水排放具有分散性、日变化系数大、排放时间集中等特点,且污水中的氮、磷营养物质较多,可生化性较好[4]。但目前,我国农村污水因水量、管道布设、处理成本及地域等因素无法得到良好处理,农村地区的生活污水往往仅能依赖自然形成的沟渠直排,其排放去向以水体、农田沟渠为主[5]。这种粗放型的排污方式容易造成农村水体污染、蚊虫滋生及地下水污染等问题,不利于农村居住环境改善及美丽乡村建设。此外,现阶段建成并投入使用的农村生活污水处理设施在运行出现问题或发生故障时,往往缺乏专业人员维护;部分地区相关监管部门对农村污水处理设施的监管不到位,导致多数污水处理设施在运行一段时间后便被闲置,这种现象也不利于农村生活污水处理的健康发展[6]。在相同处理标准下,农村污水处理若采用城镇污水或工业废水处理工艺,相关处理设施建设和运行成本较高。基于此,在农村污水排放现状及现有条件下,选择一种经济、对环境友好、易维护的污水处理工艺尤为重要。
2 人工湿地组合工艺
人工湿地主要由湿地基质、水生植物和微生物三部分构成,形成基质-植物-微生物生态系统,污水进入人工湿地后会在该生态系统的物理、化学和生物作用下得到净化处理[7]。人工湿地是一种处理效果好、管理简单的污水处理设施,可以以较低的成本处理污水,同时能提高水资源利用率、改善局部气候、涵养水土、缓解干旱问题[8]。但单一的人工湿地抗冲击负荷能力较差,直接用其处理COD较高和含有大量氮、磷等污染物的农村生活污水时,出水水质往往不理想。而采用人工湿地组合工艺能够实现优势互补,既可以降低农村生活污水进水量波动大及有机负荷高等因素对人工湿地的不利影响,提高农村污水中污染物的总去除率,又可以减少人工湿地的占地面积,扩大人工湿地在农村地区的应用范围[9]。人工湿地组合工艺是一种典型的“生物+生态”污水处理工艺,多采用污水预处理工艺与人工湿地串联的模式。污水在进入该组合系统后,先经前端污水处理设施进行初步处理,然后再进入人工湿地进行深度处理,以达到较高的出水水质标准[10]。综合考虑污水处理成本、出水水质标准及后期污水处理设施的运维管理难度等因素,目前在农村生活污水处理中应用较多的人工湿地组合工艺主要有厌氧-人工湿地、A/O-人工湿地、生物滤池-人工湿地、SBR-人工湿地。
3 人工湿地组合工艺在农村污水处理中的应用
3.1 厌氧-人工湿地组合工艺
在厌氧-人工湿地污水处理系统中,污水先进入前端厌氧池进行水解酸化(将污水中大分子有机物转化为易处理的小分子有机物),再进入人工湿地进行后续处理,以达到良好的处理效果。厌氧-人工湿地组合工艺一般工艺流程如图1所示。
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图1 厌氧-人工湿地污水处理系统工艺流程
陈尧等[11]调研53个采用厌氧-人工湿地组合工艺处理农村污水的典型案例后发现,经该组合工艺处理,出水的COD、NH4+-N、TP、TN 4项指标能够达到浙江省人民政府批准发布的《农村生活污水集中处理设施水污染物排放要求》(DB 33/ 973—2021)中一级标准要求的案例占比分别为98.1%、92.5%、98.1%和73.6%,全部案例的出水COD、NH4+-N、TP检测指标全部达到上述文件中二级标准,表明厌氧-人工湿地组合工艺在浙江省农村生活污水处理中具备较好的适用性。
冀建平[12]针对成都市农村地区居民居住分散、农村闲置土地较多的特点,采用多级厌氧-人工湿地组合工艺对农村污水进行处理,使污水在多个厌氧池和人工湿地的共同作用下得到处理。该组合工艺具体流程如图2所示。采用该组合工艺,污水COD、NH4+-N、TP、TN的去除率分别达到87.44%、78.75%、83.97%、73.58%,出水水质达到《城镇污水厂污染物排放标准》(GB 18198—2002)中一级标准[12]。
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图2 多级厌氧-人工湿地组合生活污水处理工艺流程
梁锦堃[13]提出采用厌氧水解酸化-人工湿地组合工艺,并在早、中、晚3个主要污水排放时间段进行监测分析,发现该组合工艺对生活污水具有较好的处理效果,对SS、COD、NH4+-N、TP的去除率均在80%左右。该污水处理工艺设计充分考虑农村污水排放现状,利用地形级差,采用无动力污水处理方式,具有投资少、管理简单、运行成本低、不受气候影响等特点。
综上所述,厌氧-人工湿地组合工艺在典型分散式农村生活污水处理中具有很高的适用性,且对农村生活污水中污染物的去除效果较好。
3.2 A/O-人工湿地组合工艺
A/O-人工湿地组合工艺的污水处理流程如下:污水先经过厌氧池进行反硝化作用脱氮,再进入好氧池由聚磷菌吸收污水中的磷,经A/O工艺处理的污水再进入人工湿地进行深度处理。
熊仁等[14]采用“厌氧+跌水曝气+人工湿地”的组合工艺,认为采用该组合工艺可节省机械曝气的能耗,降低处理成本。该组合工艺具体流程如图3所示。采用该组合工艺时,污水先经过厌氧反应池,通过厌氧氨化和反硝化作用去除TN,经跌水曝气富氧的污水再进人工湿地进行深度处理。该组合工艺对COD、TN、TP、NH4+-N、SS的平均去除率分别为74.5%、57.2%、59.5%、59.0%、91.6%,对农村生活污水的处理效果较好。
<E:\2024年工作\乡村科技\1月份\1上内文与目录\《乡村科技》2024年1上正文\Image\image3.png>图3 “厌氧+跌水曝气+人工湿地”组合工艺流程
有研究提出,传统人工湿地填料存在基质吸附不稳定、易堵塞等问题,使用改良基质可提高人工湿地对污水的处理效率[15-16]。甘雁飞等[17]采用硫铁矿/颗粒碳复合基质作为人工湿地填料,构建改良型人工湿地,研究A/O-改良人工湿地组合工艺对农村生活污水的处理效果;发现该组合工艺运行稳定,具备较强的抗冲击负荷能力,改良人工湿地对污水中的TN、TP去除效果更好,对污水中COD、NH4+-N、TN、TP的总去除率分别为83%、86%、83%、85%左右;提出在污水处理过程中应充分考虑污水的资源化利用,如将污水处理和蔬菜种植相结合,在提高氮、磷等污染物去除率的同时培育出优质蔬菜,实现污染物的资源化利用。
陶昱明等[18]提出采用A/O滤池-人工湿地系统,具体工艺流程如图4所示:污水先由蠕动泵自下而上打入A滤池,其中的有机氮分解为无机氮;A滤池出水依靠自重进入有机械曝气的O滤池,污水中的NH4+-N在O滤池中经硝化作用得以去除;通过控制A/O滤池的水力负荷及滤池出水硝铵比、调整人工湿地种植蔬菜种类和配植比例,可在提高NH4+-N和TN处理效率的同时促进蔬菜生长。采用该组合工艺,出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放》(GB 18918—2002)一级A标准[18]。
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图4 A/O滤池+人工湿地工艺流程
王鸯妮[19]采用微动力A/O+人工湿地系统处理农村生活污水:该工艺中的污水处理构筑物全部采用地埋式,污水在前端经水泵提升后进入处理系统,在整个处理过程中污水仅依靠重力流动,大大降低了能源的使用,且系统运维方便,占地面积小;试验结果表明,该工艺组合对污水中SS、BOD、COD、TN、NH4+-N、TP的去除率分别为75.81%、86.91%、82.52%、86.54%、91.38%、69.74%;使用处理后的污水进行农业灌溉,对土壤安全与蔬菜品质有一定的提高,但也会使蔬菜硝酸盐含量增高。
3.3 生物滤池-人工湿地组合工艺
污水在进入生物滤池-人工湿地组合处理系统后,先经生物滤池填料缝隙与滤池表面的生物膜充分接触,其中的污染物在滤池内被微生物初步分解,然后进入人工湿地做进一步处理[20]。
苏功平等[21]采用复合生物滤池-潜流人工湿地组合工艺处理农村生活污水:该复合生物滤池采用比表面积大、质量轻的填料填充,填料室充足的孔隙能确保氧气供给;后端人工湿地设置检修反冲洗设施,可提高处理效率和使用寿命;该组合工艺可应对农村污水进水水质和水量波动较大的情况,在进水COD、BOD5、TN、TP、NH3-N平均质量浓度分别为98.92 mg/L、44.19 mg/L、27.19 mg/L、2.41 mg/L、16.90 mg/L的情况下,对污染物的去除效果良好,出水水质稳定,出水COD、BOD5、TP、TN、NH4+-N指标达到《城镇污水处理厂污染物排放》(GB 18918—2002)一级B标准。该组合工艺中的设备安装方便、占地面积小、抗冲击负荷能力强、运行成本低,且管理简便,适合在农村地区使用。
金秋等[22]针对农村居民居住相对集中地区,提出采用脉冲双层生物滤池-人工湿地组合工艺处理生活污水。在该组合工艺中,滤池采用脉冲布水方式,每隔相等时间进行一次布水,可应对农村地区间歇性排水的特点;污水经排水管网收集先进入脱氮池,后由潜污泵提升到高位脉冲水箱,经布水装置布水后进入脉冲双层生物滤池进行处理;滤池部分出水回流至脱氮池进水端,部分回流至脱氮池出水端,其余出水进入人工湿地进行深度处理。该组合工艺流程如图5所示。在该组合工艺稳定运行期间,应控制滤池出水量与回流量之比为3∶1,高回流量虽然提高了工艺运行成本,但其处理效果较好[对COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分别为85.6%、96.2%、68.5%、89.8%,出水COD、NH4+-N、TN及TP的平均质量浓度仅为26.6 mg/L、1.7 mg/L、3.1 mg/L和0.4 mg/L,出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准]。