粉煤灰分子筛强化砂生物滤池处理农村生活污水效果研究

2017-11-01王艳芹付龙云杨光袁长波姚利罗加法

山东农业科学 2017年10期

关键词：滤池分子筛粉煤灰

王艳芹，付龙云，杨光，袁长波，姚利，罗加法

(1．山东省农业科学院农业资源与环境研究所，山东济南 250100；2．山东省农业面源污染防控重点实验室，山东济南 250100；3．新西兰皇家农业科学院，新西兰 3240 )

粉煤灰分子筛强化砂生物滤池处理农村生活污水效果研究

王艳芹1,2，付龙云1,2，杨光1，袁长波1，姚利1,2，罗加法3

农村生活污水；砂生物滤池；粉煤灰分子筛；化学需氧量;氨氮;总氮;总磷

近年来，随着农村经济收入和生活水平的不断提高，山东省农村生活用水量和生活污水排放量急剧增加[1]。大量污水随意排放，不仅污染了环境，还危害农民的身体健康[2，3]，并造成了水资源的严重浪费。根据“山东省农村环境保护现状调查表”统计，山东省(不含青岛市)农村生活污水年产生量为12.2811×108t，年人均产生量为19.72 t，而处理率仅为16.62%。农村生活污水与城市生活污水不同，具有如下特点：污水浓度偏高，基本上不含重金属和有毒有害物质[4]，含一定量氮磷[5]，污水排放量较城市少但水量变化系数较大。

多年来，很多学者针对农村生活污水进行了大量研究，工艺也多种多样。House等[6]利用人工湿地技术，使生活污水回用于农田灌溉和景观水体，取得了良好的效果。张文艺等[7]研究表明，人工植物浮岛湿地一年四季对农村生活污水均有较好的处理效果，出水指标可达《污水综合排放标准(GB8978—1996)》一级B 排放要求。孙楠等[8]研究了凹凸棒土-稳定塘模式处理严寒地区农村生活污水，出水能满足国家二级排放标准。吴迪等[9]研究表明，两级回流连续曝气生物膜工艺处理农村生活污水效果较好。潘碌亭等[10]对接触氧化-强化混凝工艺处理崇明农村生活污水特性进行了研究，出水可达《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)》一级排放标准。

近几年国家也加大了对农村环境整治的力度，建设了村镇污水处理设施，农村环境有了很大的改善，就目前山东省农村生活污水处理工艺而言，人工湿地、地埋式一体化及稳定塘均有应用，技术相对较为成熟。但这3 种工艺都有其一定的适用性[11]。山东是水资源缺乏地区，水资源总量严重不足，全省多年平均淡水资源总量为303×108m3，仅占全国水资源总量的1.1%，人均占有水资源量仅334 m3(按2000年末统计人口数)，不到全国人均占有量的1/6，位居全国各省(市、自治区)倒数第三位。而目前已经推广的农村生活污水处理技术对氨氮和磷的去除效果差，出水不能达到回用标准。

针对山东省农村生活污水情况，山东省农业科学院农业资源与环境研究所开发粉煤灰分子筛强化砂生物滤池生活污水处理工艺，并在国家科技部和山东省科技厅先后资助下，对该工艺技术进行熟化、创新，在山东省章丘市乐家村进行了应用，考察了其净化处理效果，探讨了在“美丽乡村”建设过程中的推广。

1 材料与方法

1.1试验地点与工程

粉煤灰分子筛强化砂生物滤池生活污水处理工程(图1)建于山东省章丘市普集镇乐家村村旁，占地面积 300 m2，由集水池、沉淀池、调节池、粉煤灰分子筛强化砂滤池和植物净化池组成。集水池、沉淀池和调节池内部有效容积分别为 2.0、6.0、16.0 m3，且3个池体连通。调节池内设置进水泵，用时间控制间歇进水。粉煤灰分子筛强化砂滤池面积 200 m2，填料厚度 80 cm。植物净化池面积 75 m2。

图1乐家村生活污水处理工程

为保证该工程在冬季能够正常运行，集水池、沉淀池、调节池和植物净化池上方设置阳光板温棚保温，沉淀池上面铺设了40 cm厚土层，土层上面种植草坪，池体四周加设10 cm厚苯板保温。滤层有效砂粒径为0.30～1.50 mm，不均匀系数小于4.0，粉煤灰分子筛是以粉煤灰为原料，采用改进的水热合成法研制的具有高氨氮吸附性能的新型分子筛，粉煤灰分子筛与黄砂滤料的投加质量配比为1∶50。工程布水层和底层都铺有10 cm厚、直径为2～3 cm 的卵石。布水管介于上层卵石之间，采用DN32的PVC 管，底部每隔60 cm 打有φ10 mm 的孔以便布水均匀。植物净化池种植芦苇，一侧上部进水，出水从另一侧底部排出，芦苇购自苗圃市场。

1.2进水水质

进水为乐家村生活污水，乐家村现有120户，400人，人均水资源量为424 m3，人均日用水量为40～50 L，村民产生的生活污水通过管道收集，污水产生量为16～20 t/d。工程进水水力负荷为0.08 m3/(m2·d)。进水组成和水质指标见表1和表2。

表1 试验期间进水组成

表2 试验期间进水水质指标

1.3测定项目及方法

工程运行期间，每20 d取一次水样，每次取300 mL。水质于山东省农业科学院农业部黄淮海平原农业重点实验室测定，每个测定指标重复3次。试验期间环境温度和进出水温度为测定所得。试验运行时间为2015年3月20日—2016年2月20日。

2 结果与分析

2.1有机物的去除效果

试验期间，生活污水处理工程运行稳定，进水、沉淀池出水、滤池出水和植物池出水的化学需氧量(COD)体积质量随时间变化如图2a所示。从图中可以看出，工程进水COD值波动较大，夏季因用水量大COD值偏低，其他季节较高。在工程运行一年期间，进水COD平均浓度为390.18 mg/L，滤池出水COD能达到50 mg/L以下，最终植物净化池出水平均值为15.29 mg/L，出水COD能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。从图3各构筑物去除效果来看，整个示范工程对COD的总去除率为96.08%，沉淀池、滤池和植物净化池对COD的平均去除率分别为23.24%、87.91%和57.77%。

在该示范工程中，生活污水经沉淀池后，污水中一些洗菜或洗衣服带来的泥砂及一些大的悬浮物就会被去除，在降解部分有机物的同时，避免了对后续粉煤灰分子筛强化砂生物滤池的堵塞。粉煤灰分子筛强化砂生物滤池对生活污水中有机物的高效去除主要是依靠砂粒的物理截留作用和砂粒表面形成的生物膜的接触絮凝、生物氧化作用[12]，还依靠植物净化池中植物根系对污染物的拦截吸附作用[13]。

2.2氨氮的去除效果

2.3总氮和总磷的去除效果

如图2c、2d和图3所示，工程运行期间，废水进水总氮(TN)和总磷(TP)的平均值分别为35.23 mg/L和3.04 mg/L。经系统各构筑物处理后，最终出水平均值分别为5.74 mg/L和0.34 mg/L，出水都能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，工程总去除率分别为83.71%和88.82%。从各构筑物处理效果来看，沉淀池出水总氮(TN)和总磷(TP)的平均值分别为31.32 mg/L和2.57 mg/L，去除率分别为11.10%和15.46%。滤池出水总氮(TN)和总磷(TP)的平均值分别为6.58 mg/L和0.40 mg/L，去除率分别为78.99%和84.44%。植物净化池出水为最终出水，对总氮(TN)和总磷(TP)的去除率分别为12.77%和15.00%。

图2试验期间工程进出水各污染物浓度变化

图3 试验期间工程各污染物去除率

有研究表明，总氮(TN)的去除主要依靠微生物的硝化反硝化作用[17]，氮的最终去除主要是依靠微生物的反硝化作用使其转化为气体逸出系统[18]。本工程砂层上面土层厚度40 cm，土层上种植三叶草，砂粒间可形成好氧、兼氧微环境，提高对总氮的去除效果。另外，还依靠粉煤灰分子筛的吸附作用及芦苇的吸收作用，是微生物、填料和植物共同作用的结果。生活污水中的磷主要来自于洗涤剂和食物残余等，主要以溶解态和颗粒态存在。粉煤灰分子筛强化砂生物滤池对磷的去除主要包括基质的高效吸附、络合和沉淀作用[19，20]以及后续植物的吸收作用。

2.4环境温度对工程效果的影响

该工程冬季比非冬季对污染物去除效果稍有降低，分析是因为集水池等采用阳光板保温，滤池也采取了覆土和四周保温的措施，出水经过植物净化池，而植物净化池也采用了阳光板保温，这些保温措施能使进出水保持较高温度。2016年1月23日是试验期间最冷的一天，也是章丘市近几年同期气温最低的一天，最高气温-10℃，最低气温-18℃，在这种恶劣天气下，工程仍能正常运行，进出水温度达到10℃以上，可见工程具有很好的抗冻性能，在冬季也能正常运转。

图4 冬季工程进出水温度变化

图5 冬季和非冬季污染物去除效果

2.5工程经济指标分析

乐家村生活污水工程建设总费用10.6万元，每天处理水量16～20 t，按照20 t设计，则工程建设成本5 300元/吨水。

工程运行成本：水泵耗电1.8 kWh/d，电费按0.56元/kWh计算，每天电费1.0元；人工为兼职，每月补助100元，每天3.33元；分子筛每2年添加一次，花费1 200元，每天1.64元，则污水处理工程每天运行费用1.0+3.33+1.64=5.97元，每天运行成本5.97元/20吨=0.30元/吨水。

3 讨论

(1)粉煤灰分子筛强化砂生物滤池农村生活污水示范工程在运行过程中需严格控制进水负荷为0.08 m3/(m2·d)，在此负荷下运行，砂生物滤池不会堵塞，也不用反冲洗系统。若负荷过大会导致砂生物滤池堵塞，污水外溢，若负荷过小可能会导致污水处理效果差。

(2)该试验点在山东，冬季气温较低，最低为-10℃以下，若不采取保温措施，冬季池体将会被冻坏。考虑到农村污水处理的实际情况，为保证该工程冬季正常运行，采用了设置阳光板温棚保温，砂滤池上面铺设40 cm厚土层，池体四周加设10 cm厚苯板保温等保温措施。

(3)当前中国农村富裕程度还不够，生活污水处理工程的运行费用决定了工程的使用率，若运行费用太高，农民无法承担。该示范工程在运行过程中，仅需进水泵的运行电费及人工管理费，运行费用较低，适于在广大农村推广使用。

4 结论

(1)粉煤灰分子筛强化砂生物滤池农村生活污水处理工程建设及运行成本低，每天处理废水仅为0.30元/吨水，维护使用方便，适于在农村推广使用。

(3)该工程采用了覆土、苯板及阳光板多种保温措施，冬季进出水温度在10℃以上，保证了工程的正常稳定运行。

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ResearchonTreatmentEffectsofRuralDomesticWastewaterwithFlyAshZeoliticEnhancedSandBiofilter

Wang Yanqin1,2，Fu Longyun1，Yang Guang1，Yuan Changbo1，Yao Li1,2，Luo Jiafa3

(1.InstituteofAgriculturalResourceandEnvironment，ShandongAcademyofAgriculturalSciences，Jinan250100,China；2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofAgriculturalNon-PointSourcePollutionControlandPrevention，Jinan250100,China；3.NewZealandRoyalAcademyofAgriculturalSciences,NewZealand3240)