“IBR+VFCW”联合工艺处理小城镇生活污水应用研究

曹飞华

(深圳市碧园环保技术有限公司，广东 深圳 518028)

“IBR+VFCW”联合工艺处理小城镇生活污水应用研究

曹飞华

(深圳市碧园环保技术有限公司，广东 深圳 518028)

摘要：介绍了“IBR+VFCW”联合工艺，并运用该工艺对小城镇生活污水进行了处理试验研究。IBR集中了生化反应与沉淀功能于一池中，能有效去除颗粒有机物和部分溶解性有机物，防止VFCW堵塞；VFCW具有独特的填料结构和布水模式，能够达到较高的水力负荷，充分地发挥了湿地系统降解污染物的能力。试验结果表明：“IBR+VFCW”联合工艺对小城镇生活污水具有较强的处理能力，当进水中COD、NH3-N、TP的平均质量浓度分别为177.3mg/L、40.3 mg/L、4.8mg/L时，各污染物平均去除率分别达到77.8%、89.6%、90.2%，出水水质优于传统的二级生物处理工艺。

关键词：一体化生化反应池(IBR)；垂直流人工湿地(VFCW)；生活污水；污水处理；小城镇

0引言

近年来随着国民经济的快速发展及新型城市化进程的加快，我国小城镇的建设发展速度和容纳的人口迅速增长，随之而来的是生活污水排放量呈逐年递增趋势。目前小城镇污水处理率很低，缺乏配套的污水处理设施，分散排放的污水成为村镇水体污染的重要原因之一，解决小城镇生活污水污染问题显得尤为紧迫和重要。

小城镇与城市相比，具有居住分散，经济实力弱，污水日排放量小，水质波动大，缺乏运行管理专业技术人员，土地资源较丰富等特点。近年来，人工湿地污水处理系统以其高效、低耗、低运行成本的优势，已经在小城镇污水处理中得到了广泛的应用，取得了比较好的效果[1]。由于单纯的人工湿地工艺存在占地面积过大，秋冬季节运行效率下降，不耐冲击负荷等问题，因此迫切需要一种技术先进可靠、运行经济节能、管理简便的预处理系统与人工湿地组成联合工艺[2]，使污染负荷在预处理系统与人工湿地系统间合理分配，从而降低运行成本，减少人工湿地占地面积，稳定出水水质。

本研究针对小城镇污水的特点，提出了“IBR(即一体化生化反应池，Integration of Biochemical Rreactor;称)+VFCW(即垂直流人工湿地，Vertical Flow Constructed Wetlands VFCW)”联合工艺，IBR集中了生化反应与沉淀于一池中，可有效去除颗粒有机物和部分溶解有机物，防止VFCW堵塞；VFCW具有独特的填料结构和间歇式布水方式，间歇布水使填料层具有良好的氧转移特性，干湿交替的运行方式，既可以使微生物、填料、植物根系与污水的接触更加充分，能够达到较高的水力负荷，充分地发挥湿地系统降解污染物的能力；又有利于湿地填料层渗滤速率的恢复，延长了VFCW的使用年限[3]。试验结果表明，“IBR+VFCW”联合工艺对小城镇生活污水具有较强的处理能力，占地面积相对较小，对水质、水量变化适应性强，试验结果表明，该联合工艺满足了小城镇生活污水“三低一高”(低基建费用、低运行费用、低维持技术、高处理效率)的技术要求。

1试验

1.1试验装置

试验场地为江门鹤城镇污水处理厂，采用“IBR+VFCW”联合处理工艺，处理规模为3000 m3/d，占地面积7500 m2，其中VFCW占地6000m2。试验时间从2013年2月—2014年10月，历时21个月，启动阶段3个月，稳定运行阶段18个月。图1为工艺流程。

(1)IBR。为双层圆形钢筋混凝土构筑物，直径20.0m。外圈为宽3.0m的环形活性污泥池，分为混合段、兼氧段、曝气段，水深4.4m，HRT为4h；污泥负荷为0.25 kgBOD/kg MLSS·d，曝气气水比为1∶6；内圈为辐流式沉淀池，直径14.0m，水深4.0m，表面负荷1.0m3/m2·h；安装有中心桥式刮吸泥机。

(2)VFCW。试验人工湿地长150.0 m，宽40.0m，填料层厚1.2m，人工湿地共分为4块，每块面积为1500m2，采用PLC控制自动分块布水。湿地中的填料为多层级配填料和部分特殊填料(专利产品)，经试验测定填料平均孔隙率为39%。湿地植物有美人蕉、风车草、芦苇、再力花等，种植密度为8株/m2，每株3～6根，所有湿地植物均经过驯化已适应高污染水环境。

1.2试验水质

试验用水为鹤城镇居民生活污水，各项水质指标极值及均值见表1。

1.3分析项目和方法

水质分析项目有COD、NH3-N、TP、pH值、SS等。水质分析方法按照《水和废水监测分析方法》进行[4]。

2结果和讨论

2.1COD去除

联合处理工艺在试验运行期间进出水COD质量浓度变化情况见图2。

由图2可知，联合工艺的COD出水平均质量浓度为39.3mg/L，平均去除率为77.8%。其中冬季出水的COD值较高，平均为45.6mg/L，其他季节出水COD平均为31.7mg/L。

联合工艺通过物理截留、生物吸附和生物降解的途径去除有机物。原水中大量颗粒物质(有机和无机颗粒)和可溶性有机物被IBR系统内的活性污泥截留，在较短的时间内有机物被吸附和分解，防止了颗粒污染物堵塞湿地；部分难降解有机物也被微生物分解成小分子易降解物质，为后续人工湿地进一步处理创造条件。VFCW特有的自上而下的水流方式及布水模式，使大气中的氧气能在布水间歇期通过孔隙进入湿地内部，保持填料具有良好的氧转移特性，同时人工湿地植物大多数根系发育于湿地表面的浅层60cm内的区域，在湿地表层形成一个垫层，有利于捕获氧气，降解有机物，充分发挥湿地降解污染物的潜力。

尽管试验期间进水COD浓度波动较大，但联合工艺的出水COD浓度稳定，表明该联合工艺具有较强的耐负荷冲击能力。在进水污染物浓度较高或冬季温度降低，植物收割进入休眠期和湿地填料层内微生物活性降低的情况下，通过提高IBR系统的曝气量与曝气时间，可有效调节有机物的去除率，使进入VFCW系统的COD浓度保持在可以承受的范围；而在进水污染物浓度偏低或温度较高、人工湿地处理效率高的季节，在保证出水水质达到排放标准的前提下，适当降低IBR系统的曝气量与曝气时间，提升人工湿地的污染物负荷，可以降低运行费用。通过灵活变换联合工艺运行方式，实现了污染负荷在IBR系统和人工湿地系统间的合理分配，有效降低了运行成本，稳定了出水水质。

2.2氨氮去除

联合工艺在试验运行期间进出水NH3-N质量浓度变化情况见图3。由图3可见，联合工艺系统出水NH3-N平均质量浓度为4.2mg/L，其中冬春季为4.6mg/L，夏秋季为3.8mg/L，平均去除率为89.6% ，其中一体化池单元平均去除率为68.3%，VFCW单元平均去除率为56.5%，联合工艺系统出水NH3-N浓度随季节变化幅度较大。出水NH3-N浓度从12月开始逐步升高，一直到次年三四月份，尽管三四月份气温已回升，湿地植物开始发芽，出水的COD值已趋于下降，但出水NH3-N浓度有明显的滞后性，间接说明硝化菌相比其他微生物对温度更敏感[5]。

运行期间，IBR系统出水NH3-N浓度有比较明显的下降，说明IBR系统作为变形的短程活性污泥法工艺，即使在较低曝气量和水力停留时间的情况下，依然具有良好的NH3-N去除率。

VFCW去除NH3-N的效果较好，这与VFCW的流态和内部填料结构有关。首先，VFCW的水流方向为从上向下，污水有充足的时间与填料充分接触，有利于延长硝化细菌的作用时间；其次，同时通过控制布水频率和时间，内部结构使污水反复进行好氧-兼氧/厌氧状态，有利于加强硝化细菌的处理能力，有利于土壤中微生物去除NH3-N。

2.3TP去除

联合工艺试运行期间进出水TP质量浓度变化情况见图4。由图4可见，试验期间进水TP质量浓度的变化范围为2.2～ 7.8mg/L。联合工艺出水TP质量浓度随季节变化幅度不大，与进水TP浓度高度联动，平均为0.48mg/L，平均去除率为90.2% 。

运行期间，IBR单元出水TP平均为2.52mg/L，平均去除率为51.8%，去除率较常规的活性污泥法为低，这是出于提高有机物处理效率和降低运行成本的考虑，在运行中提高了污泥浓度，减少了出泥量，使IBR系统的活性污泥经常出现污泥老化现象，造成微生物过量吸收的磷被重新释放回水体。

试验结果显示，VFCW对磷具有较强的去除效果，湿地出水保持在较低的水平，说明试验采用的多层混合结构填料除磷效果较好。人工湿地对磷的去除是通过微生物、植物和基质等协同作用完成的[6]。物理化学作用包括填料对磷的吸附及填料与磷酸根离子的化学反应，VFCW填料中的沸石及火山石不仅具有巨大的比表面积[7]，而且成分中含的Ca和Fe，可与污水中溶解性的磷酸盐作用生成不溶解性的磷酸钙盐，因而除磷效果较好。磷是生物生长必需的营养元素，污水中的磷流经人工湿地时被湿地植物及微生物作为营养成分直接吸收，将无机磷变成了微生物和植物的组成部分，最后通过湿地填料的定期更换或栽培植物的收割而最终使磷从系统中去除。

3结论

(1)“IBR+VFCW”联合工艺系统在试验期间，当进水中COD、NH3-N、TP的平均质量浓度分别为177.3mg/L、40.3mg/L、4.8 mg/L时，各污染物平均去除率分别达到77.8%、89.6%、90.2% ，出水水质优于传统的二级生物处理工艺。

(2)IBR系统结构紧凑，管理简便，可以根据进水水质和季节变化，通过调节停留时间、曝气量、曝气时间等参数，灵活分配进入VFCW系统的污染负荷，充分利用垂直流人工湿地的污染物处理能力，达到降低运行成本的目的。

(3)VFCW优化了传统人工湿地的水流流态。污水在VFCW填料层内进行垂直流动，使污水与湿地系统中的上中下各层的微生物、根系和基质接触，充分发挥了湿地系统降解污染物的能力。同时由于污水从表层向下渗透，填料层起到了部分过滤作用，大部分悬浮物被截留在了表层，通过适当的清表措施，可以非常容易恢复湿地的过水能力，有效解决了困扰湿地长期运行的堵塞问题。

(4)本试验研究的“IBR+VFCW”联合工艺技术先进，运行稳定可靠，经济节能，操作、管理、维护简便，对水量、水质冲击负荷适应性很强，可在小城镇污水处理领域推广应用。

参考文献：

[1]李羚.人工湿地处理技术及其在我国的应用现状和对策[J].现代城市研究，2004，12(3)：33-39.

[2] 席俊秀，谢协忠.污水湿地处理工艺中存在的问题及对策[J].中国给水排水，2003，19(12)：90-91.

[3] 雷志洪，戴广知.等高效复合垂直流人工湿地系统处理效果与污水回用工程[J]. 给水排水，2002 ，28(9)：22-24.

[4] 国家环保局．水和废水监测分析方法[M]．北京：中国环境科学出版社，1998：252-268．

[5] 张荣，李广贺.潜流人工湿地负荷变化对脱氮效果的影响研究[J].环境科学，2006，27(2):253-256.

[6] 叶建锋，徐祖信.模拟钢渣垂直潜流人工湿地的除磷性能分析[J].中国给水排水，2006，22(9):62-68.

[7] 卢少勇，桂萌.人工湿地中沸石和土壤的氮吸附与再生试验研究[J].农业工程学报，2006，22(11):64-68.

Research on Combined Treatment Process “IBR&VFCW” in the

Small Town Sewage Treatment

CAO Fei-hua

(Shenzhen Biyuan Environmental Protection Technology Limited Company, Shenzhen Guangdong 518028, China)

Abstract：A combined technology of Integration of Biochemical Reactor (IBR) and Vertical Flow Constructed Wetland (VFCW) was presented and applied to the experimental study in the small town domestic sewage treatment. The IBR combines the biochemical reaction and precipitation tank in one pool. It can remove the organic particle andsome dissolved organic matter to prevent VFCW from jamming. VFCW has a unique packing structure, water distribution model, and a higher hydraulic load. Then it gives a full processing capacity to degrade the pollutants in the wetland system. The experiment showed that the IBR&VFCW technology was excellent in the treatment of domestic sewage in the small town. When the concentration of COD, NH3-N, and TP in influent were 177.3mg/L, 40.3mg/L, and 4.8mg/L respectively, the corresponding removal rates were 77.8%, 89.6%, and 90.2%.The water quality of effluent of IBR&VFCW is better than that of traditional bio-treatment technology．

Key words：integration of biochemical reactor; vertical flow constructed wetland; domestic sewage; wastewater treatment; small town

中图分类号：X703

文献标志码：A

文章编号：1673-9655(2015)04-0072-04

收稿日期：2015-01-04