生物接触氧化法-人工湿地处理常低温生活污水

赵智超， 张为堂， 崔 鹏， 黄剑明， 史文燕， 陈永志

(1.兰州交通大学 环境与市政工程学院， 甘肃 兰州 730070； 2.北控水务(中国)投资有限公司，北京 100124； 3.成都市建筑设计研究院， 四川 成都 610015)

1 研究背景

生物接触氧化法(Biological contact oxidation，BCO)具有生物量大、污泥产量少、抗冲击负荷能力强、无污泥膨胀之虞等优点[1]。但是，由于其处理方式单一，传统生物接触氧化对氮和磷不能够很好地去除[2]。

人工湿地利用系统中基质-水生植物-微生物的物理、化学、生物三重协同作用实现对污水的高效净化[3]，是一种生态环保的污水处理技术。与传统污水处理技术相比，人工湿地具有出水水质稳定、投资少、耗能低、操作简单、运行费用低等优点[4-6]，但也存在易堵塞、占地面积大、易受气候和运行方式影响等不足[7]。

BCO-人工湿地组合工艺具有生态效应突出、脱氮除磷效果好、运行稳定、成本较低等优点[8-10]。微生物生长的适宜温度在10～35℃之间，一旦温度低于10℃，处理效果会受到明显影响[11-13]，我国北方地区冬季生活污水温度时常低于10℃[13]，因此提高该组合工艺在低温条件下的处理效能是当前的一个研究热点[14-15]，本研究重点考察了在常、低温条件下BCO-人工湿地组合工艺处理实际生活污水的运行效果及水力停留时间对BCO及水力负荷对人工湿地处理效果的影响，以期为该组合工艺在我国北方地区的实际应用提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验装置

“BCO-人工湿地”组合工艺流程见图1。生活污水首先进入初次沉淀池，去除污水中大颗粒悬浮物，并去除部分有机物，后重力自流入一级调节池，调节水量，然后经泵提升进入生物接触氧化反应器，去除大部分COD、氮和磷，出水进入二级调节池，用泵提升到人工湿地，进一步去除有机物、脱氮、除磷。

图2(a)为BCO实体图。反应器采用有机玻璃制成，尺寸为2100×600×1 000 mm，总有效容积0.68 m3，其中缺氧区0.20 m3，好氧一区0.24 m3，好氧二区0.23 m3。组合式填料见图2(b)，其比表面积1 000～2 500 m2/m3。曝气装置为广东省日生集团生产的电磁式空压机，型号为ACO-018，最大曝气量为250 L/min，曝气方式为微孔曝气。

人工湿地实体图见图3(a)。湿地植物选择芦苇进行种植，种植密度为16株/m2。湿地底部有1.50%的坡度。图3(b)为人工湿地结构示意图。湿地规格为1 000 mm×500 mm×900 mm，总有效容积0.30 m3，滤料高度为0.60 m，滤料分别为粗砂填充60.00%，中砂填充30.00%，细砂填充10.00%，填充顺序从上到下依次为粗砂、中砂、细砂。

图1 BCO-人工湿地系统流程

图2 BCO及填料实物图

图3 人工湿地实体及结构示意图

2.2 原水水质与接种污泥

本试验原水来自兰州交通大学校园生活区的生活污水，具体水质见表1。

表1 试验原水水质 ℃，mg/L

接种污泥取自兰州市某污水处理厂曝气池，MLSS=3 000 mg/L，SV30=30%，污泥具有良好的脱氮除磷功能。

2.3 试验方法

(1)BCO的HRT为9 h，回流比为100%，气水比7∶1。垂直流人工湿地的水力负荷为3.65m3/(m2·d)，采用连续进水方式，研究在常温(22～27℃)和低温(7～12℃)条件下组合工艺对实际生活污水的处理效果。

(2)保持BCO的回流比和气水比分别为100%和7∶1，在常、低温下控制BCO的HRT分别为6、9、12 h，人工湿地的水力负荷分别为5.48、3.65、2.74 m3/(m2·d)时，考察组合工艺的污染物去除效能。

2.4 水质分析方法

3 结果与讨论

3.1 对COD的去除特性

在常温(22～27℃)时组合工艺对COD浓度的去除效果见图4(a)。当平均进水COD浓度为244.00 mg/L时，BCO出水平均COD浓度为35.40 mg/L，人工湿地出水稳定，平均值为14.60 mg/L。组合工艺对COD有着良好的去除效果，平均去除率为94.10%。出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 8918-2002)中的一级A标准。

在低温(7～12℃)时组合工艺对COD的去除效果见图4(b)。平均进水COD浓度为269.70 mg/L，相比常温下未见明显升高，BCO平均出水COD浓度为57.20 mg/L，在低温低COD进水条件下，人工湿地平均出水COD浓度为29.60 mg/L，组合工艺对COD的平均去除率为88.93%。相比于常温下，低温下组合工艺对COD的去除率降低，分析原因是因为在低温下BCO中悬浮污泥不稳定[17]，同时植被的生长进入停滞或者休眠状态，影响了COD的去除。

不同温度时BCO和人工湿地对COD的去除率见图4(c)。在常温和低温时，BCO对COD的去除率变化不大，分别为85.80%、79.50%；而人工湿地对COD的去除率都很有限，分别为8.30%、9.50%。

图4 COD的去除效果及各单元的去除率

3.2 对的去除特性

图的去除效果及各单元的去除率

3.3 对TN的去除特性

常温(22～27℃)下组合工艺对TN的去除效果见图6(a)。组合工艺对TN有着高效稳定的去除效果，在进水TN平均浓度70.10 mg/L的条件下，BCO平均出水TN浓度为26.30 mg/L，人工湿地出水TN平均浓度为12.70 mg/L，对TN的平均去除率为81.20%。

低温(7～12℃)下组合工艺对TN的去除效果见图6(b)。平均进水TN浓度为66.10 mg/L，比常温时略有降低，BCO出水平均TN浓度为39.10 mg/L，人工湿地出水TN浓度比较稳定，为19.90 mg/L。组合工艺对TN的去除率为70.50%。

不同温度时BCO和人工湿地对TN的去除率见图6(c)。低温时BCO对TN的去除率为40.90%，远低于常温条件下62.70%的去除率；低温时人工湿地对TN的去除效果优于常温条件下，常温和低温时的去除率分别为18.50%、29.60%。温度降低，BCO对TN去除率受到较大影响，主要是因为在低温下底物和溶解氧的扩散速率变慢，大多数硝化菌和反硝化菌处于生物絮体内部[18]，因此低温下硝化反应和反硝化反应难以进行。与常温下相比，在低温时人工湿地对TN的去除贡献率较大，这是因为人工湿地对TN的去除是通过基质的过滤、吸附作用完成[19]，另一方面低温时人工湿地的进水的COD浓度较高，对反硝化有利。

图6 TN的去除效果及各单元的去除率

3.4 对PO43-—P的去除特性

常温(22～27℃)时组合工艺对PO43-—P的去除效果见图7(a)。在平均进水PO43-—P浓度为5.02 mg/L时，BCO平均出水PO43-—P浓度为1.58 mg/L，大部分PO43-—P都随着BCO中的剩余污泥排出系统而被去除。人工湿地出水相对稳定，平均PO43-—P浓度为0.43 mg/L，组合工艺对PO43-—P的平均去除率为91.10%。BCO对PO43-—P的去除主要依靠剩余污泥的排出。人工湿地去除PO43-—P主要依靠植物吸收和基质吸附完成。人工湿地中有机磷在微生物作用下分解氧化为无机磷,无机磷在植物吸收及同化用下可转化成植物的ATP、DNA、RNA等有机成分，进入到植物体内[20]。基质对磷的吸附主要为化学吸附，即可溶性磷与基质中的Ca、Al、Fe和土壤颗粒吸附、络合，形成难溶性物质沉淀去除[21]。

低温(7～12℃)时组合工艺对PO43-—P的去除效果见图7(b)。在平均进水PO43-—P浓度为4.80 mg/L时，BCO出水PO43-—P浓度较常温时波动较大，平均值为1.82 mg/L，人工湿地出水PO43-—P浓度较常温时增大，平均值为0.88 mg/L，组合工艺对PO43-—P的平均去除率为80.90%。低温时组合工艺对磷的去除率较常温时降低，这可能是由于低温时水中VFA(volatile fatty acid，挥发性脂肪酸)的浓度较低，而VFA又影响聚磷菌厌氧释磷[22-23]，从而导致聚磷菌吸磷能力下降，除磷效果变差。

不同温度时BCO和人工湿地对PO43-—P的去除率见图7(c)。常温和低温时BCO对PO43-—P的去除率变化不大，分别为67.90%、61.30%。不同温度时人工湿地对PO43-—P的去除率分别为23.20%、19.60%。低温条件下，BCO和人工湿地对PO43-—P的去除率均降低。

3.5 水力停留时间(HRT)对BCO及水力负荷对人工湿地处理效果的影响

3.5.1HRT对BCO去除污染物效能的的影响 在常温和低温条件下，HRT对BCO去除污染物效能的影响见表2。

图7 PO43-—P的去除效果及各单元的去除率

温度/℃HRT/hCOD进水浓度/(mg·L-1)出水浓度/ (mg·L-1)去除率/%NH+4—N进水浓度/(mg·L-1)出水浓度/ (mg·L-1)去除率/%TN进水浓度/(mg·L-1)出水浓度/ (mg·L-1)去除率/%PO43-—P进水浓度/(mg·L-1)出水浓度/ (mg·L-1)去除率/% 6150.4251.1466.0148.0025.2847.1656.5733.2841.124.171.9852.4022～27 9173.2819.8688.5646.286.6385.5449.1415.1969.133.900.9874.8112150.7115.4389.6844.854.5089.9252.8514.1273.083.611.3463.48 6219.2887.7559.9452.5730.0242.9559.5740.4332.134.052.3242.847～12 9212.4241.5180.4953.4220.0062.2260.1429.9850.104.371.6163.4012187.7126.8685.6251.2917.1466.5057.2824.2757.634.381.3370.06

3.5.2 水力负荷(HLR)对人工湿地去除污染物效能的的影响 在常温和低温条件，HLR对人工湿地去除污染物效能的影响见表3。

表3 常、低温下HLR对人工湿地处理效能的影响

4 结 论

(3)BCO不但减小了人工湿地的污染负荷，而且避免了人工湿地容易堵塞的风险，同时低温下人工湿地又能很好地弥补BCO对氮、磷去除的不足。该组合工艺运行稳定，受温度影响较小，是一种很有应用价值的工艺。