多介质膜复合人工湿地技术处理冬季农村生活污水

摘要 采用多介质膜复合人工湿地技术解决冬季农村生活污水处理效率低的难题，并探究其实际处理效果。结果表明：此工艺在冬季仍有较好的处理效果，在多介质膜池水力停留时间（HRT）0.30 d、曝气量5.0 L/min及聚合氯化铝（PAC）用量8.40 g/d的条件下，TN、NH4+-N、CODCr和TP的去除率分别为41.24%、67.20%、86.55%和87.56%，出水浓度分别为18.39、9.06、15.50和0.43 mg/L，出水水质远优于安徽省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 34/3527—2019）一级A标准。

关键词 多介质生物膜；人工湿地；低温；农村生活污水；处理效果

中图分类号 X 799.3  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）03-0205-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.03.047

Treatment of Rural Domestic Sewage in Winter by Multi-media Membrane Composite Artificial Wetland Technology

CHEN Jian1，WANG Jun1，PAN Cheng-rong2

（1.Anhui Tongyuan Environment Energy Saving Co.，Ltd..， Hefei， Anhui 230031; 2. Ecological Environment Monitoring Center of Anhui Province， Hefei， Anhui 230001）

Abstract The multi-media membrane composite artificial wetland technology was used to solve the problem of low efficiency of rural domestic sewage treatment in winter， and its actual treatment effect was explored. The results showed that this process had a good treatment effect in winter. Under the conditions of HRT 0.30 d， aeration 5.0 L/min， PAC dosage 8.40 g/d in the multi-media membrane tank， the removal rates of TN， NH4+-N ， CODCr and TP were 41.24%， 67.20%， 86.55% and 87.56%， and their effluent concentrations were 18.39， 9.06， 15.50 and 0.43 mg/L， respectively. The effluent water quality was better than Class A standards of DB 34/3527—2019.

Key words Multi-media biofilm；Artificial wetland；Low-temperature；Rural domestic sewage；Treatment effect

基金项目 安徽省现代农业产业技术体系建设专项；典型村镇污水一体化处理工艺集成与装备研发项目。

作者简介 陈建（1993—），男，安徽合肥人，助理工程师，硕士，从事水污染控制研究。通信作者，正高级工程师，博士，从事环境修复与污染控制研究。

收稿日期 2022-03-18

目前，我国农村地区生活污水处理大多采用生物法［1］，污水处理设施运行受季节性温差的影响显著，特别是冬季低水温易导致出水水质超标［2-3］。因为冬季低水温使得污水处理设施中微生物的活性极大地降低，污水处理效率降低，致使出水水质波动［4-6］。此外，低水温环境下污泥比阻将增加，使得活性污泥的沉降性能降低，从而影响污水处理效果［7］。钱程等［8］研究表明，当水温低于5.6 ℃时，活性污泥中的微生物基本处于休眠状态，因此微生物对有机物的降解以及脱氮除磷均受到较大限制，并且低水温状态下活性污泥中的菌群数量也会锐减，进一步降低污水处理效果。当水温低于13 ℃时，微生物处理效果开始加速降低；当水温低于4 ℃时，微生物开始死亡，此时几乎无处理效果［9］。综上所述，冬季低水温导致污水处理设施非正常运行，污水处理效率降低，出水水质波动大，对周边水环境产生影响。为防止冬季农村地区因污水处理不达标而引起的水生生态系统破坏，急需研究适合冬季农村地区生活污水处理的新技术，提高冬季污水处理效果，为乡村环境质量的提升贡献力量。

生物膜法因其生物质浓度高、耐受性强、占地面积小、污泥龄长、出水水质好及抗冲击负荷能力强等优点得到广泛应用［10-13］。笔者以多种介质悬浮填料强化的膜技术与潜流人工湿地技术为核心，针对冬季低温农村生活污水处理需求，应用多介质悬浮填料与高效纳米曝气等技术，结合化学除磷与管道式紫外消毒等技术的优点，设计了多介质膜复合人工湿地技术，处理冬季农村生活污水，通过小试试验探讨此技术在冬季低水温条件下的污水处理效果及机理，以期为实际农村生活污水处理工程提供数据支撑与技术参考。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

多介质膜复合人工湿地试验处理装置室外露天放置，其工艺包括厌氧—缺氧—好氧多介质膜—沉淀—管道式紫外消毒—潜流人工湿地，试验装置间串联。缺氧池设有硝化液回流系统；好氧池分隔3个反应区，上层为2个完全分隔的MBBR反应区，下层为不完全分隔的BAF反应区；沉淀池进水管设有聚合氯化铝（PAC）加药装置。为调控试验装置水力负荷，进水管道设置了水量调节阀。试验装置流程图见图1。

1.2 装置及运行参数

多介质膜复合人工湿地试验装置由8 mm厚的聚丙烯（PP）板构成。好氧多介质膜池底部设有曝气盘及进水管。BAF反应区填有粒径15 mm的石灰石，高度20 cm。上层2个MBBR反应区分别填有粒径20 mm的蜂窝状悬浮填料及粒径50 mm的球形悬浮填料，填充空间比约25%。潜流人工湿地填充粒径15 mm的石灰石，混合栽种鸢尾、再力花及美人蕉。污水日处理量500 L，硝化液回流比150%，好氧多介质膜池曝气量2.5～7.5 L/min，PAC（Al2O3含量28%）用量为8.40 g/d。试验装置水力运行方式为重力自流，沉淀池中间设有折流挡板，出水经管道式紫外消毒器消毒后自流至潜流人工湿地。紫外消毒器为一级出水，潜流人工湿地为二级出水。试验装置尺寸及运行参数见表1。

1.3 试验方法

1.3.1 试验水质。

多介质膜复合人工湿地装置试验期间用水为合肥市某村镇污水处理厂原水。通过定期取装置进、出水水样，检测水质变化，探究其在冬季的处理效果。采样时间为09：00，当天检测完所有水样。试验时间为2021年8月至2022年3月。装置进、水质指标及出水一级A标准详见表2。

1.3.2 水质监测及方法。

水温采用温度计测量；总氮（TN）、总磷（TP）浓度采用过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ 636—2012/GB 11893—1989）检测；NO3--N浓度采用紫外分光光度法（HJ/T 346—2007）检测；NH4+-N浓度采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）检测；CODCr浓度采用重铬酸盐法（HJ 828—2017）检测。

2 结果与分析

2.1 氨氮去除效果

由图2a可知，随着水温的降低，进水NH4+-N浓度逐渐升高，出水NH4+-N浓度呈现波动升高的状态；由图2b可知，NH4+-N的去除率受进水浓度及温度的共同影响呈现出波动下降的状态，其中水温是主要影响因素。当水温为26 ℃时，适合硝化菌生长促进硝化反应的进行［14］，NH4+-N去除率最高。当水温高于16 ℃时，NH4+-N去除率超过85.00%。当水温低于12 ℃时，低水温抑制了硝化及亚硝化细菌的活性［15］，导致NH4+-N去除率明显下降。由图2a可知，当水温低于12 ℃时，一级出水与二级出水NH4+-N浓度基本相同，潜流人工湿地对NH4+-N几乎无去除效果，主要原因是潜流人工湿地内部绝大部分处于厌氧状态，硝化能力不足，加之水温较低，硝化细菌活性受到抑制，导致潜流人工湿地几乎丧失NH4+-N去除能力［16］。试验期间进水NH4+-N平均浓度为27.63 mg/L，出水NH4+-N平均浓度为9.06 mg/L，出水水质远优于安徽省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 34/3527—2019）的一级A标准，平均去除率达67.20%。

2.2 总氮去除效果

由图3a可知，随着水温的降低，出水总氮（TN）浓度逐渐升高；由图3b可知，TN去除率也随着水温的降低呈现波动降低的状态。由图4可知，系统进水硝态氮（NO3--N）浓度接近0 mg/L，NO3--N出水浓度随水温的降低呈现上升的趋势，但出水浓度波动较大，主要与进水NH4+-N浓度波动有关。冬季水温较低，反硝化菌不仅增长速率受到影响，而且其活性也受到抑制，加上试验用水碳氮比较低，可利用的碳源不足，导致反硝化脱氮过程受限，NO3--N去除率低，NH4+-N硝化转为NO3--N积累，使得出水NO3--N浓度最高时超过9.00 mg/L，最终导致TN去除率低［17］。由图3b可知，当水温高于20 ℃时，TN去除率较高，此时水温适宜硝化菌、反硝化菌生存繁殖；当水温低于12 ℃时，TN去除率低于42.00%，因为12 ℃水温远低于反硝化细菌适宜生存的温度，且随着水温的降低，反硝化菌的增殖及代谢速率也将降低［18］。该工艺试验期间进水TN平均浓度为31.30 mg/L，出水TN平均浓度为18.39 mg/L，出水水质优于安徽省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 34/3527—2019）的一级A标准，冬季TN平均去除率可达41.24%。

2.3 总磷去除效果

由图5a可知，随着水温的降低，进水TP

浓度呈现波动状态，但出水TP浓度基本保持在0.50 mg/L左右；由图5b可知，TP去除率呈现上下波动状态，水温的

降低基本不影响TP去除率，这主要是因为该工艺同时采用生物和化学除磷方法［19］，污水中TP的去除受水温的影响较小。其中，生物除磷是由厌氧池中聚磷菌释磷与好氧多介质生物膜池聚磷菌吸磷完成，使磷得以去除，但聚磷菌活性会随着水温的降低而降低，出水TP浓度基本不随水温的变化而变化，主要是因为系统采用化学除磷方法［20-21］。当水温过低时，生物除磷效果锐减，系统需要投加化学除磷药剂维持除磷效果，采用PAC（Al2O3含量28%）8.40 g/d辅助除磷，形成沉淀物以剩余污泥的方式排出，保证了系统在冬季低水温情况下出水TP浓度稳定达标。试验期间进水TP平均浓度为3.43 mg/L，出水TP平均浓度为0.43 mg/L，出水水质远优于安徽省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 34/3527—2019）一级A标准，平均去除率高达87.56%。

2.4 CODCr去除效果

由图6a可知，进水CODCr浓度在60.00～200.00 mg/L内波动变化，随着水温的逐渐降低，出水CODCr浓度基本维持不变，波动幅度较小。由图6b可知，CODCr去除率随水温的下降整体上呈降低趋势。农村生活污水中的有机物主要通过微生物好氧呼吸作用、同化作用以及定期排泥等途径去除［22］。因为悬浮颗粒物可吸附有机物形成沉淀，定期排泥去除，但仅占有机物小部分［23］。试验期间，随着水温的降低，并未出现剩余污泥增多的现象，因此该系统主要是通过好氧多介质生物膜池中生长的大量异养型微生物的降解和吸收作用去除有机物［24］，证实了其在低温情况下仍可高效降解有机物。试验期间系统进水CODCr平均浓度为115.25 mg/L，出水CODCr平均浓度为15.50 mg/L，出水水质远优于安徽省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 34/3527—2019）一级A标准，冬季低水温情况下CODCr平均去除率可达86.55%。