不同基质厌氧折流-垂直流人工湿地（ABR-VFW）对农村生活污水的处理效果

2018-09-03谢雪东顾儒馨倪九派

农业环境科学学报 2018年8期

刘娟，谢雪东，张洋，雷平，3，顾儒馨，倪九派*

（1.西南大学资源环境学院，重庆北碚400715；2.遂宁市安居区环境保护局，四川遂宁 629006；3.绵阳师范学院城乡与建设学院，四川绵阳 621000）

厌氧折流（Anaerobic Baffled Reactor，ABR）是Mc Carty等于1981年发明的一种高效新型厌氧污水生物处理技术[1]。废水在反应器内沿折流板作上下流动，依次通过每个反应室的污泥床，废水中的有机基质通过与微生物接触而得到去除。人工湿地是由基质、植物和微生物菌落组成的综合性系统[2]，垂直流人工湿地（Vertical Flow Artificial Wetland，VFW）不但具有潜流型人工湿地的优点，而且能充分利用基质表面，提高污水处理效率[3-4]。刘哲[5]指出VFW可显著提升生活污水中NH+4-N和TN的去除率，增加植物和微生物对COD的消耗，净化污水效率显著高于表面流和潜流人工湿地；涂汉等[6]的研究结果表明垂直流湿地对农村生活污水污染物的去除率高于水平潜流。然而，VFW因水力停留时间较短而影响出水水质效果[7]，因此选取合适的基质变得至关重要。

VFW的填料基质选取应遵循易取材、性价比高、投资少、因地制宜及可重复循环利用等原则。目前我国西南地区生活污水治理普遍采用的基质为页岩砖渣（YYZZ）、生物陶粒（SWTL）、无烟煤（WYM）和火山岩（HSY）等材质。其中YYZZ的孔隙率大（比例为62.51%），吸附性能强[8-9]；SWTL具有耐冲刷、抗磨损、理化性能稳定且微孔丰富、表面粗糙、比表面积大，及吸附性能好等优点；WYM和HSY取材方便、价格便宜且SiO2含量高，污水中磷素的吸附去除能力的主要因素是由基质中活性物质Fe、Al、Ca、Mg的含量所决定[10-13]。四种基质对净化生活污水具有重要作用，然而其对农村生活污水净化效果的优劣却存在争议性。因而，本研究利用ABR-VFW比较四种基质（YYZZ、HSY、SWTL和WYM）对不同污染负荷下农村生活污水的处理效果，以期找到最优基质，为人工湿地处理农村生活污水提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验工艺流程

本研究采用ABR-垂直流人工湿地组合工艺进行污水处理，其处理过程如图1所示：生活污水→格栅→沉砂池→ABR→曝气池→高位水箱→垂直流人工湿地→出水。

1.2 试验设计

具体分为ABR反应器挂膜、VFW挂膜和VFW运行等三阶段。其挂膜操作流程为：采集适量污水处理厂沉淀池的活性污泥在200 L的塑料箱中厌氧培养一段时间后，将体积约为100 L的塑料浮球浸泡在该活性污泥之中培养24 h，使塑料浮球内的火山岩表面（或塑料条）及内部空隙形成一层涟漪，球体表面呈黑色。将塑料浮球置于ABR内不同格室，加入活性污泥继续培养24 h，完成ABR反应器预挂膜。以一定浓度的生活污水通过反应器，促使反应器内折流板、塑料浮球及不同格室形成相应的微生物膜及优势菌群，并最终完成挂膜。VFW挂膜是指选取直径为0.3 m，底板开孔（直径0.5 mm和间距10 mm）的渗流柱构建VFW，并将好氧培养后的活性污泥添加在配水箱中，通过管道从有机玻璃柱体的顶端慢慢注入，渗滤液从低端渗出进入有机玻璃柱体下方的渗滤液收集箱，用污水提升泵将渗出液提升至柱体的顶端，如此往复循环运行3 d之后，柱体内部填料的表面与空隙间生长出一层生物膜，达到预挂膜效果。该阶段渗流柱的构建过程为：首先，向柱中装填30 cm高预先洗净的碎石（粒径为30～50 mm）；然后，铺设一层孔径为1 cm钢丝网；之后，将粒径8～15 mm的四种填料（YYZZ、HSY、SWTL、WYM）分别装填在4组湿地内，高度为40 cm；最后，装填高度各为10 cm，粒径5～10 mm的碎石和河沙，上留25 cm保护高度，形成湿地，基质的粒级参考杨俊[14]的研究。VFW运行阶段是通过调控进水污染物浓度（低、中、高）来研究不同基质（YYZZ、HSY、SWTL、WYM）VFW 对农村生活污水中污染物的处理能力。

图1 ABR-VFW组合工艺构建Figure 1 Integrated process of the ABR-VFW

试验运行时间从2017年3月21日开始，到7月5日结束。通过调节进出水口的阀门，采用连续进水、间歇排水的运行方式，进水量约15 L·h-1，每日排水3次，每日运行8～10 h，晚上不运行，水力停留时间为2 d，主要目的是维持湿地内微生物的活性。pH值控制在7.0～8.6之间，运行温度为25～35℃。垂直流人工湿地水力负荷统一设置为4.2 m3·m-2·d-1。主要检测

1.3 供试污水特性

试验采用C6H12O6、NH4NO3、KH2PO4等试剂配水来模拟农村生活污水水质，其组成和浓度如表1所示。配制后的农村生活污水中污染物的浓度如表2所示。

1.4 试验材料

本试验采用的4种填充基质（YYZZ、HSY、SWTL、WYM）的理化性质如表3所示。

1.5 样品采集及测定方法

每隔2 d用预先酸化的塑料瓶在出水口（2#、3#、4#和5#）采集500 mL处理水，放于4℃冰箱内，以供后续测定。

本研究中监测的指标主要为：COD（重铬酸钾法[15]）、TN（过硫酸钾消解-紫外分光光度法[15]）、TP（钼酸铵（紫外分光光度法[15]）。

1.6 数据处理

采用Excel 2013和SPSS 19.0进行数据分析，同时采用Origin 8.5软件进行图表绘制，采用Pearson简单相关系数表征相关性。

表1 人工生活污水的配制（mg·L-1）Table 1 Configuration of artificial life sewage（mg·L-1）

表2 试验用水水质特征（mg·L-1）Table 2 Quality features of the waste water（mg·L-1）

表3 基质填料理化性质Table 3 Physicochemical properties of the fillers

2 结果与分析

2.1 对不同浓度COD的去除效果

不同污染浓度下，四种基质对生活污水中COD的去除效果如图2所示。以YYZZ、HSY、SWTL为基质的VFW在低污染浓度下的COD去除率较好，其中基质YYZZ垂直流人工湿地工艺去除率处理效果最高，高达95.78%，其次为HSY型VFW（93.85%），最后是SWTL型VFW（79.82%）。相比其他三种基质构建的VFW工艺，以WYM为基质构建的VFW在中浓度下的去除率高于低浓度下的去除率。此外，采样时间也是垂直流人工湿地运行的一个重要参数，影响农村生活污水净化效果。在低浓度下，以YYZZ、WYM为基质构建的VFW的最低拐点于采样时间第6 d出现，HSY、SWTL型VFW于第8 d出现最高拐点。

2.2 对不同浓度TN的去除效果

生活污水中N是引起面源污染的重要驱动因子。不同污染浓度下，4种基质对生活污水中N的去除效果如图3所示。中低浓度下，以YYZZ和HSY为基质的VFW对生活污水TN的去除效果显著大于以SWTL基质构建的VFW；高浓度下，以YYZZ和WYM为基质构建的VFW对污水中TN的去除效果大于基质HSY和SWTL构建的VFW。由图3可以发现低浓度下以YYZZ、HSY、WYM为基质的VFW TN去除率在采样时间第6 d出现拐点，中浓度下以SWTL基质构建的VFW在第6 d出现了最高拐点。通过4种基质下的VFW对生活污水中TN的去除效果可知，以YYZZ为基质的VFW的处理效果最好，而以SWTL为基质的VFW处理效果最差。

2.3 对不同浓度的去除效果

图2 四种基质垂直流人工湿地对不同浓度COD的去除效果Figure 2 Removal efficiency of the VFW on COD with different matrices

图3 四种基质垂直流人工湿地对不同浓度TN的去除效果Figure 3 Removal efficiency of the VFW on TN with different matrices

2.4 对不同浓度的去除效果

2.5 对不同浓度TP的去除效果

污水中的P不易转化，只能通过基质吸附或者微生物代谢而去除。四种基质构建的VFW对不同污染物浓度下对TP的去除效果如图6所示：不同污染浓度下，以SWTL为基质的VFW对污水P的处理效果最好（低、中、高浓度分别为：78.43%～80.50%、75.37%～77.21%、77.33%～80.43%），其次为WYM型VFW，在低浓度下采样时间为第4 d时出现了最低拐点。而YYZZ型VFW和HSY型VFW对污水中TP的去除率基本上都处于60%以下。

图4 四种基质垂直流人工湿地对不同浓度的去除效果Figure 4 Removal efficiency of the VFW on with different matrices

图5 四种基质垂直流人工湿地对不同浓度的去除效果Figure 5 Removal efficiency of the VFW on with different matrices

2.6 进水污染物浓度与各处理出水养分的相关性分析

通过比较不同的污染物浓度（低浓度、中浓度及高浓度）和不同基质（YYZZ、HSY、SWTL和WYM）处理后出水中各水质指标（COD、TN、TP、、）的线性相关性程度（表4）。发现进水中的污染物浓度梯度与处理后出水中的TP存在极显著负相关关系，COD、TN、TP、N及相互之间存在极显著正相关关系。

3 讨论

VFW具有占地面积较小、高效节能、投资省、运行费用低等特点，使其在农村生活污水处理中具有重要地位[16]。YYZZ、HSY、SWTL、WYM四种基质都易取且价格便宜，其理化性质的不同导致对农村生活污水的处理效果存在差异。

其中YYZZ具有较高的孔隙率（62.51%），能够通过渗透吸附作用来强烈吸附污水中的COD，这一结果与朱夕珍等[7]研究结果一致。此外，YYZZ对COD去除率随污染浓度的增加而逐渐减少，这是由于YYZZ基质的厌氧微生物生长繁殖不均衡，导致厌氧污泥系统活性下降，从而使COD去除率降低[17]。在低浓度下YYZZ出现了最低拐点，原因可能是运行期间植物生物量较低，根系泌氧量较少，导致了COD去除率降低[17]。另外，WYM在运行初期基质生物量比较少，溶解氧不足，影响好氧微生物代谢活性，浓度的增加有利于微生物的繁殖，COD的去除率上升，所以导致了WYM在中浓度下的去除率高于低浓度，吴海明等[18]研究的人工湿地植物泌氧与污染物降解耗氧关系中也证实了这一点。

不同基质硝化、反硝化强度与其基本理化性质，以及系统内的氧化还原条件存在一定关系。4种基质中YYZZ的Al2O3含量（22.1%）相对较高，为系统内微生物提供了反硝化所需的厌氧环境，保证其反硝化作用，因此降低污水中TN含量。同时，Boylewight等[19]也指出，Al2O3对污水中的TN的转化具有催化作用，促进微生物对N的吸收和代谢，加速水中TN的消耗。

图6 四种基质垂直流人工湿地对不同浓度TP的去除效果Figure 6 Removal efficiency of the VFW on TP with different matrices

表4 不同污染物浓度下垂直流人工湿地处理农村生活污水相关性分析Table 4 Correlation analysis of different pollutants concentration to VFW treated rural domestic sewage

VFW中P的去除效果与基质中发生的吸附/沉淀反应、微生物同化作用以及有机物的吸附有关[22-23]。不同基质对TP的去除率随采样时间的延长而降低，这是由于基质对TP的吸附逐渐饱和所致。本研究结果表明，SWTL对TP的去除率最高，这是由于SWTL具有较高的CaO（3.26%）和MgO（2.04%），而污水中TP能够与CaO和MgO发生化学沉淀反应[24]，生成钙/镁磷酸盐吸附在SWTL表面。Wang等[24-25]研究也表明，基质中含有大量金属，同时具有较高的电导率，能有效地去除污水中的磷。此外，童晶晶等[21]指出比表面积较大的基质能为磷酸盐化合物的着床提供空间，也提升了SWTL对污水中TP的去除效果。此外，聚磷菌的好氧聚磷和厌氧释磷作用也影响磷的去除[20]。本研究构建的VFW结构与曝气管位置，能够在上部形成好氧区，下部形成厌氧区，进水中的磷在好氧区被聚磷菌过量吸收，在厌氧区被释放出来，进一步被基质SWTL吸附。

基质对污水中污染物的去除效果直接影响出水水质是否达到排放标准，本研究中四种基质构建的VFW出水污染物COD、TN、TP及的去除率分别达到了95.5%、59.83%、79.94%及89.19%，其出水水质可以达到《城镇污水处理厂排放标准》（GB 8978—2002）一级标准。

综上所述，使用高效廉价的基质构建垂直流人工湿地系统处理农村生活污水实现了区域水污染防治和污水的再生利用。在利用VFW处理农村生活污水的生产实践中，可以综合农村生活污水中污染物（COD、TN、、TP）的权重和净化要求选择基质。对于COD和TN含量较高的农村生活污水建议采用YYZZ基质构建VFW，而以TP或为主的农村生活污水应选择SWTL基质。