曝气生物活化滤池-人工快滤-人工氧化塘组合技术处理农村高浓度废水的研究

梁文寿，唐名富，余 谦

(1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司，广西 桂林 541004；2.广西环境治理工程技术研究中心，广西 桂林 541004；3.广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004)

0 引言

我国是农业大国，据统计我国农村每年产生的生活污水达80多亿吨[1]，农村生活污水的无序排放是造成农村水体污染的一个重要原因，改善农村水环境必须着手处理农村生活污水[2]。近年来农村污水排放量在污水总排放量中的比例越来越大[3-5]。农村生活污水主要来源于以下六类[6]：以人类尿液为主的污水，家畜类粪便的污水，废弃垃圾腐化产生的污水，厨房洗涤用，淋浴水，洗衣水等。

目前大部分污水处理技术适合于县城以及中心城镇的水量规模，不适合小城镇以及农户集中居住地区的污水处理[7]；鉴于农村废水水量、水质不稳定，开发出一种能够适应各种水质及水量变化且运行简单、投资成本和运行成本都较低的农村高浓度废水处理技术的研究，有广泛的应用前景。

人工快速渗滤是我国科研人员通过借鉴污水快速渗滤与人工构造湿地等处理工艺的优点而自主研发出来的一种新型土地处理技术[8]。目前国外对人工快速渗滤技术研究不多，Merlin G和Mann AT等国外学者对人工快速渗滤系统的生物学和除污机理做了探讨[9-10]。

人工快滤系统(Constructed Rapid Infiltration，简称CRI)，即采用渗透性较好的砂石及其他填充料代替天然土层营建新型土地污水处理技术。针对人工快速渗滤系统对总氮的去除尚不理想，学者们对其进行了进一步的研究[11-16]，如不同渗滤介质组成、人工快虑深度、硝化反硝化时间、力负荷周期的推荐值、干段和湿段的时间变化等。人工快滤系统去除有机物的能力远强于人工湿地等土地处理技术，可有效去除BOD、COD、TN等污染物，因此，人工快滤多用于农村污水、废水深度处理等领域[17-18]。

人工氧化塘又称人工稳定塘，是人工适当修整或人工修建的设有围堤和防渗层的污水池塘，主要依靠自然生物净化功能，该技术较适合应用于南方地区[19-21]。

1 实验部分

1.1 实验工艺

为了提高废水各污染物的处理效率，本研究在常规的人工快滤基础上，在前端增加曝气的工艺和生物挂膜，在末端增加人工氧化塘的工艺，设计“曝气生物活化滤池-人工快滤-人工氧化塘”试验处理工艺，采用农村高浓度废水水样进行试验。试验采用两段进水方式，通过液位高压差使废水自行流动，一段进水方式为下进水、上出水，水箱规格为1.0 m×1.0 m×1.5 m，内置填料约占总体积的35%，储水量约为0.8 m3，废水处理方式为曝气加生物挂膜；二段进水方式为上进水、下出水，水箱规格为1.0 m×1.0 m×1.2 m，内置填料约占总体积的85%，最底层为鹅卵石作为承托层，中间为改性浮石吸附材料。人工氧化塘规格为1.5 m×3.0 m×0.5 m，氧化塘由鹅卵石、河沙、改性浮石、黏土、藻类及水生植物组成。

经过多次试验，本试验直接采用前期获得的最佳试验方案：进水流量约为0.4 m3/h，废水停留时间约2.8 h，一段废水处理量与曝气量为1∶1，二段废水处理水力负荷约为1 m/d，每天持续运行8 h，连续运行12 d，每天分别对一段出水、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水样，监测出水水质。

1.2 监测项目及监测方法

本试验监测项目为pH值、BOD、CODcr、TN、SS等，监测方法见表1。

表1 污染物指标监测方法Table 1 Monitoring method of pollutant index

2 结果与分析

2.1 BOD去除效果分析

试验方式为连续进水，每天持续运行8 h，连续运行12 d，每天分别对一段、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水样，出水的BOD因子监测结果见表2。

表2 BOD出水浓度和去除率Table 2 BOD effluent concentration and removal rate

由表2可见，第1天的一段、二段和人工氧化塘出水的BOD浓度较低，总去除率为93.52%，为12 d连续试验的最高去除率，第2天至第6天BOD总去除率缓慢降低，第6天总去除率为91.43%，为最低的去除率，第7～9天BOD总去除率缓慢上升，第9～12天的BOD总去除率较为稳定，均约为92%，说明本试验BOD在第9天达到稳定运行，其总去除率为92%。由于前期填料的生物膜尚未完全生长起来，BOD去除主要是各种填料的吸附作用，在第6天出现吸附饱和现象，致使污染物穿透，后来穿透现象随着生物膜生长而减轻，处理效果回升，人工氧化塘也是前期去除率高，第6天稳定，本试验系统BOD总去除率也逐步稳定。

2.2 CODcr去除效果分析

试验方式为连续进水，每天持续运行8 h，连续运行12 d，每天分别对一段、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水样，出水的CODcr因子监测结果见表3。

表3 CODcr出水浓度和去除率Table 3 CODcr effluent concentration and removal rate

由表3可见，第1天的一段、二段和人工氧化塘出水的CODcr浓度较低，总去除率为92.01%，为12d连续试验的最高去除率，第2天至第5天CODcr总去除率缓慢降低，第5天总去除率为88.12%，为最低的去除率，第6～9天CODcr总去除率缓慢上升，第9～12天的CODcr总去除率较为稳定，均约为89.80%，说明本试验CODcr在第9天达到稳定运行，其总去除率为89.80%。由于前期CODcr首先被填料和系统内生物膜进行截留吸附，此时填料的生物膜尚未完全生长起来，而本系统真正对CODcr进行降解去除的是填料内生存的微生物，第9天填料的生物膜稳定后，CODcr的总去除效果也趋于稳定，说明系统内微生物丰富且具有较高的活性。

2.3 TN去除效果分析

试验方式为连续进水，每天持续运行8 h，连续运行12 d，每天分别对一段、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水样，出水的TN因子监测结果见表4。

表4 TN出水浓度和去除率Table 4 TN effluent concentration and removal rate

由表4可见，塘出水的TN浓度较低，总去除率为82.02%，为12 d连续试验的最高去除率，第2天至第5天TN总去除率缓慢降低，第6天总去除率为78.12%，为最低的去除率，第7～9天TN总去除率缓慢上升，第9～12天的TN总去除率较为稳定，均约为80.20%，说明本试验TN在第9天达到稳定运行，其总去除率为80.20%。带正电荷的氨氮离子被带负电荷的滤料颗粒和微生物吸附，好氧条件下，被吸附的氨氮在硝化细菌的作用下转化为硝态氮，在厌氧条件下，硝态氮在反硝化细菌作用下转化成气态氮进行脱氮，由于前期填料的生物膜尚未完全生长起来，TN去除主要是各种填料的吸附作用，在第6天出现吸附饱和现象，致使污染物穿透，后来穿透现象随着生物膜生长而减轻，处理效果回升，并趋于稳定。

2.4 SS去除效果分析

试验方式为连续进水，每天持续运行8 h，连续运行12 d，每天分别对一段、二段出水以及人工氧化塘出水取1次水样，出水的SS因子监测结果见表5。

表5 SS出水浓度和去除率Table 5 SS effluent concentration and removal rate

由表5可见，第1天的一段、二段和人工氧化塘出水的SS浓度较低，总去除率为84.45%，为12 d连续试验的最高去除率，第2天至第7天SS总去除率缓慢降低，第7天至第12天SS总去除效率基本稳定，其总去除率约为80.40%。说明SS前期去除主要是各种填料的吸附作用，在第7天出现吸附饱和现象，其后主要依据微生物吸附和人工氧化塘沉淀及吸附等。人工氧化塘的鹅卵石、河沙、改性浮石的吸附机制主要有化学吸附、物理吸附、离子交换吸附及过滤截留，其中占主导地位的是离子交换吸附、化学吸附和物理吸附，特别是沸石内部通道固定且大小均匀，能吸附小于沸石直径物质，沸石对离子、分子的吸附具有一定的选择性，其SS具有较强的吸附性。

3 技术经济分析

农村高浓度污水的BOD、CODcr、TN和SS浓度在167.64～172.10 mg/L、348.88～354.35 mg/L、65.23～66.51 mg/L、87.91～89.20 mg/L的浓度范围内，实验采取“曝气生物活化滤池-人工快滤-人工氧化塘”一体化处理工艺，废水停留时间约为2.8 h，一段废水处理量与曝气量约为1∶1时，处理后BOD、CODcr、TN和SS等污染物总去除率分别为92.00%、89.80%、82.20%和80.40%，出水水质可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准要求，处理后水质优于普通人工快滤系统处理后的水质。

由于试验时间短，工艺的稳定性、人工快虑填料的寿命以及堵塞等问题有待于进一步试验或者应用验证。