厌氧池-集水池-阶梯跌水充氧曝气塔-人工湿地处理农村生活污水研究

桂伦 马吉平 姚健 陈柳萌 徐德胜 陈庆隆

摘要 采用厌氧池-集水池-阶梯跌水充氧曝气塔-人工湿地组合工艺处理农村生活污水，考察了工艺的运行效果及各处理单元对去除污染物的贡献率。实验结果表明，该组合工艺对污染物具有较好的去除效果，且处理效果稳定，其对化学需氧量（COD）、氨氮（NH4+-N）、总磷（TP）、悬浮物（SS）的平均去除率分别为87.90%、90.70%、93.69%、91.23%。阶梯跌水充氧曝气塔对COD、NH4+-N、TP的去除贡献率较大。将阶梯跌水充氧曝气塔与厌氧池、集水池、人工湿地相结合可以发挥组合的优势，并提高出水水质和系统运行的稳定性。

关键词 农村生活污水;厌氧处理;阶梯跌水充氧曝气塔

中图分类号 X703文献标识码 A文章编号 0517-6611（2018）33-0179-03

近年来，随着经济和社会的發展，环鄱阳湖流域农村面源污染日益严重，且已成为主要的水体和土壤污染源，危害农业安全，制约了环鄱阳湖流域的经济、社会、民生的发展。根据2007年《江西省第一次农业污染源普查》的统计结果，环鄱阳湖流域的27县市化学需氧量（COD）排放量约占江西省总排放量的21.83%，总磷（TP）为28.56%，总氮（TN）为32.54%，氨氮（NH4+-N）为33.98%。近年来，环鄱阳湖区农村生活污水的排放量呈上升趋势，从2001年的35 799.75万t增加到2007年的37 338.59万t，对环境造成很大的影响[1]。因此，确保农村污染的达标排放是控制面源污染的源头，是解决鄱阳湖流域的水体污染的最主要、最根本的措施之一。

农村生活污水主要表现出2种类型：一是低水量，高浓度;二是高水量，低浓度，水质变化大，相对分散等特点[2]。笔者针对农村生活污水的特点及江西农村丘陵地区的实际状况，设计一套抗冲击、负荷强的以生物和生态处理工艺相结合的污水处理工艺。该工艺投资小、管理方便、高效低耗，能有效降低污水中的氮、磷含量，在减少我国农村生活污水排放方面具有广泛的推广应用前景。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置建设在江西省农业科学院畜牧研究所，采用厌氧池-集水池-阶梯跌水充氧曝气塔-人工湿地工艺处理农村生活污水。具体流程如图1所示。

污水首先经过格栅拦截后，进入地埋式厌氧折流池，经过充分的厌氧发酵，溢流到集水池，然后由泵提升进入阶梯跌水充氧曝气塔，污水由上而下经过填料和其上的生物膜接触反应，完成有机物的降解和氨氮的硝化反应，使污水得到净化，部分出水回流至集水池进行前置反硝化脱氮，污水经过厌氧、曝气等处理后，出水流入人工湿地进行深度处理。人工湿地为水平潜流型人工湿地，出水在湿地中做从下到上的交替流，与人工湿地中的填料介质接触吸附，进行微系统生物处理氨氮、磷等，且湿地表面种植吸附型水生植物，进一步吸附去除污染物。

设计处理规模为5 m3/d，各单元的设计参数：

①地埋式厌氧折流池。内部设有折流挡板，规格为10 m×4 m×2 m，有效容积75 m3，水力停留时间（HRT）为15 d，砖混结构。

②集水池。规格为2.0 m×3.5 m×1.5 m，有效容积9 m3，砖混结构。

③该曝气塔采用无动力阶梯式跌水曝气充氧，塔体为梯形，跌水倾斜角度为45°，尺寸为高7 m，长8 m，上部宽2.40 m，下部宽10.66 m。该塔设有9级阶梯单体，池体内装有填料，单池尺寸为8.0 m×0.3 m×0.4 m，底部设有沉淀池，尺寸为8.0 m×0.6 m×0.8 m。

④人工湿地采用水平潜流型人工湿地，尺寸为6.5 m×2.5 m×1.2 m，沿程分为两格，中间用隔墙分开，池底坡度为5°，池体中从下到上依次装填60 cm厚卵石、30 cm厚河沙。试验初期，人工湿地内种植水浮莲和香蒲。

1.2 实验条件

以江西省农业科学院内生活污水为原水，连续运行监测18个月，进水水质如下：

COD 1 634.9 mg/L，NH4+-N 712.05 mg/L，TP 84.18 mg/L，SS 1 448.41 mg/L。

1.3 测定指标和方法

COD：重铬酸钾法;NH4+-N：纳什试剂分光光度计;TP：钼酸盐分光光度法;SS：重量法（GB 11901-89）[3]。

2 结果与分析

2.1 对COD的去除效果

由图2可知，出水COD浓度为159.10～249.60 mg/L，平均为195.95 mg/L，组合工艺对COD 的平均去除率为87.9%。出水的COD浓度波动不大，出水水质稳定，受进水浓度的影响比较小。例如2月份和5月份的进水COD浓度最低，但出水与其他月份的相差不大。从出水去除率看，在长达18个月的运行期间，该系统均维持了80%以上的COD去除率。即便进入气温最低的1—3月，虽然低温状态下微生物普遍生长缓慢，但是系统仍然保持了较为高效的去除效果，说明该系统具有较高的稳定性。

2.2 对氨氮的去除效果

由图3可知，出水NH4+-N浓度为54.30～79.70 mg/L，平均为65.89 mg/L，组合工艺对NH4+-N的平均去除率为 90.7%。 总体上，NH4+-N的出水浓度比较稳定，受进水浓度的影响比较小。例如2月NH4+-N进水浓度最低，5月NH4+-N进水浓度最高，出水的NH4+-N浓度稳定在80 mg/L以下，与其他月份的相差不大，说明该系统对NH4+-N的去除，具有一定耐温度、浓度变化冲击的能力。

2.3 对总磷的去除效果

由图4可知，出水TP浓度为4.4～6.3 mg/L，平均为 5.3 mg/L，组合工艺对TP的平均去除率为93.69%。总体上，TP的出水浓度比较稳定，受进水的浓度影响比较小。例如2月TP进水浓度最低，6月和8月TP进水浓度最高，出水的TP浓度稳定在6.0 mg/L以下，与1—3月低温月份的相差不大，说明该系统对TP的去除，具有一定耐温度、浓度变化冲击的能力。

2.4 对悬浮物的去除效果

由图5可知，出水SS浓度为102.00～153.00 mg/L，平均为 126.11 mg/L，组合工艺对SS的平均去除率为 91.23%。总体上，SS的出水浓度比较稳定，受进水的浓度影响比较小。例如2月SS进水浓度最低，4月进水浓度最高，出水的SS浓度稳定在150 mg/L左右，与其他的月份相差不大，说明该系统对SS的去除，具有一定耐温度、浓度变化冲击的能力。

2.5 组合工艺各处理单元对去除污染物的贡献率

由图6所示，厌氧池对COD的去除贡献率最大，为48.45%;曝气塔次之，为28.89%，集水池为14.68%;人工湿地为8.00%，贡献率最少。但是各单元降解有机物的途径不同。在厌氧池中，主要通过水解、酸化、甲烷化3个阶段将有机物分解为小分子溶解性有机物，再转化为CH4和CO2[4];在阶梯跌水曝气塔中，通过组合填料上的生物膜将部分可生物降解的小分子有机物降解为CO2和H2O;集水池通过回流反硝化，以污染物（COD）为碳源，消耗分解有机物[5]。在人工湿地中，通过化学分解和异养微生物的降解作用及基质的截留作用进一步去除有机物。厌氧池和阶梯跌水曝气塔，可以大幅度分解去除污水中的有机物，减轻了人工湿地的负荷，减缓了湿地易堵塞的问题[6]。

NH4+-N的去除主要由阶梯跌水曝气塔和厌氧池2个阶段贡献，阶梯跌水曝气塔对去除NH4+-N的贡献率最大，为50.98%;厌氧池的贡献率为24.69%;集水池和人工湿地的贡献率为12%左右。阶梯跌水曝气塔主要依靠充足的溶解氧，填料中的形成大量活性生物膜，通过化能自养硝化细菌，对氨氮进行硝化反应，形成硝酸根和亚硝酸根产物，达到较好的硝化效果。NH4+-N浓度经过厌氧池有所降低，主要通过厌氧氨氧化反应，以氨（NH4+）为电子供体，亚硝酸盐（NO2-）为电子受体，生产氮气的生物反应去除氨氮[7]。

对TP量的去除贡献率，阶梯跌水曝气塔最大，占组合工艺除磷量的50.33%;厌氧池和集水池的去除TP的贡献率为20%左右。阶梯跌水曝气塔在好氧状态下，通过聚磷菌过量拾取磷，以富磷污泥的形式从系统中排出而去除磷[8]。TP浓度经过厌氧池后有所下降，这应该是由于厌氧池HRT长，通过沉积污泥吸附，使颗粒性TP发生沉淀的原因。

对SS的去除主要集中在厌氧阶段和集水池，达到去除效果的90%以上，其中集水池贡献率最大，为52.60%。厌氧阶段主要通过微生物分解成小分子溶解物，去除大部分的悬浮物;集水池主要通过沉淀的方式，去除悬浮物。

综上所述，厌氧池具有预处理功能，有效地降低了污染物负荷，减轻了后续处理单元的负担;阶梯跌水曝气塔主要用于脱氮除磷，并具有一定的去除有機物功能;集水池主要通过沉淀去除悬浮物，减轻对曝气塔和人工湿地填料的堵塞问题;人工湿地具有脱氮除磷和进一步去除有机物的功能。

3 结论

用厌氧池-集水池-阶梯跌水曝气塔-人工湿地组合工艺处理农村生活污水，对COD、NH4+-N、TP、SS的平均去除率分别为87.90%、90.70%、93.69%、91.23%，出水稳定，受进水浓度波动影响不大，耐温度变化，系统具有较强的抗负荷能力。

厌氧池对去除COD贡献率最大，具有稳定的前处理功能;阶梯跌水曝气塔对去除NH4+-N、TP的贡献率最大，对去除COD的贡献率相对较大，对有机物的去除效果稳定;集水池对去除SS的贡献率最大;由于前面3个阶段的有机物的平均去除率达到90%左右，人工湿地对去除COD、NH4+-N、TP、SS的贡献率相对较小。

组合工艺出水的水质：COD为159.1～209.9 mg/L、NH4+-N为54.3～79.7 mg/L、TP为4.4～5.9 mg/L、SS为102～153 mg/L，达到《农田灌溉水质标准》（GB5084）二级排放标准。说明该组合工艺，既能有效地达标处理农村分散型生活污水，用于农田灌溉，又具有低耗能、维护简便、费用低等优点，是一种适宜于农村生活污水的处理工艺。

参考文献

[1] 罗珍珍.环鄱阳湖区农村面源污染成因及控制对策研究[D].南昌：南昌大学，2009：1-111.

[2] 刘晓璐，牛宏斌，闫海，等.农村生活污水生态处理工艺研究与应用[J].农业工程学报，2013，29（9）：184-191.

[3] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

[4] 薛媛，武福平，李开明，等.农村生活污水处理技术应用现状[J].现代化农业，2011（4）：41-44.

[5] 王红强，朱慧杰，张列宇，等.人工湿地工艺在农村生活污水处理中的应用[J].安徽农业科学， 2011，39（22）：13688-13690.

[6] 唐晶，吕锡武，吴琦平，等.生物、生态组合技术处理农村生活污水研究[J].中国给水排水，2008，24（17）：1-4.

[7] 郝晓地，汪慧贞，钱易，等.欧洲城市污水处理技术新概念——可持续生物除磷脱氮工艺（上）[J].给水排水，2002，28（6）：6-11.

[8] 余浩.水解池-滴滤池-人工湿地处理农村生活污水研究[D].南京：东南大学，2006：1-51.