曝气生物滤池+人工湿地深度处理污水厂尾水的研究

魏铭君，黄向阳，刘弥高

(长江大学 城市建设学院，湖北 荆州 434000)

1 引言

近年来城市用水量随着城市建设的需求和工业化速度的加快而急剧增加，而污水厂尾水中多种污染因子处理不达标，不仅导致了环境的污染，也给水源带来了恶化的风险。随着我国工业水平的现代化进程的加速、农业的发展、城市人口的快速增长，我国城镇污水厂的负荷量、城市污水的污染源数量逐年增加。由于城市尾水的排放标准日益严格，城市污水厂尾水的再处理势在必行。更重要的是，尾水深度处理对于城市缺水问题的解决同样也有重要意义，也有利于城市的开源节流和环境保护。

在常用的污水处理工艺中，曝气生物滤池工艺(简称BAF)能够使水体中的污染物在同一容器中进行反应，无需进行二次沉淀，并且BAF具有占地面积较小、耐冲击性强、流程简单和能耗低的特点，因而被广泛应用。刘雷[1]采用改良型BAF工艺对污水厂尾水进行了深度处理试验，结果表明改良型曝气生物滤池氨氮的去除率达到92.06%，对于化学需氧量和总磷的去除率分别为89.82%和75.38%。国外学者Feng Y[2]和 An Y[3]研究表明，曝气生物滤池在污水脱氮方面有较大优势，人工湿地对于污水中氮和磷有较好的去除效果。而人工湿地作为一种较为成熟的水处理工艺，具有结构简单、费用少、出水水质效果较好的特点。人工湿地作为一个小型的独立生态系统，还拥有一些生态功能[4]。王翔[5]对于污水厂尾水的处理采用人工湿地和曝气氧化塘组合工艺进行处理，结果显示该组合工艺对COD、NH3-N、TP平均去除率分别为47.4%、72.6%、45.8%。从国内外学者对BAF和人工湿地的研究可知，这两种工艺具有良好的发展前景[6～8]。

本研究采用曝气生物滤池和人工湿地对某污水厂尾水进行深度处理。拟通过中试试验，得到最优运行条件，以实现较好的脱氮除磷效果。预期出水的各项水质均能达到国家地表水Ⅳ类水质标准，为污水厂尾水再生利用提供条件。

2 实验装置与方法

2.1 曝气生物滤池

本实验所选取的曝气生物滤池(钢结构材质，尺寸为1.5 m×1.5 m×4 m，处理规模为30 m3/d)承托层采用粒径为 8～16 mm 的砾石，承托层上填装滤池填料。一共分为两格，在运行时相互交替。滤池的进水形式是上流式，尾水先经由水泵加压提升到污水储水箱，然后通过加压水泵排入曝气生物滤池。通过滤料自身的截留作用和滤料表面附着生物膜的生物吸附降解，去除尾水中的污染物[9]。曝气生物滤池处理后的尾水一部分被反冲洗水箱接收，另一部分排入中心公园人工湿地，经人工湿地进一步净化后排入公园景观湖。本研究分别对曝气生物滤池的滤料、滤速和滤料厚度相关参数进行优化[10]。试验取水为某滨河污水厂处理尾水，水质指标如表1所示。

表1 进水水质指标浓度

2.2 人工湿地

人工湿地工艺流程如图1所示，拟在A区、B区和C区分别建设垂直流人工湿地深度处理工艺，该工艺由进水提升、高效垂直流人工湿地系统和生态净化带组成，处理规模为7万m3/d。部分尾水先自流进入一次提升泵房，然后将尾水分别提升至C区(2.5万m3/d)和B-2地块二次提升泵房(4.5万m3/d)，沿途直接向C区、B-3地块、B-2地块进行压力配水；再将提升至B-2地块的部分尾水经二次提升后，直接向B-2地块、B-1地块进行压力配水，并输送至A-3地块(0.5万m3/d)进行压力配水。A区深度处理系统出水主要作为该区景观补水和绿化等杂用水，B区和C区深度处理系统的出水大部分排入河流，少部分作为项目区域景观补水、绿化等杂用水及中水回用水源。人工湿地对尾水处理效果的影响因子较多，外部因素一般不可控制，因此本实验主要针对人工湿地的填料这一内部因素探究其优化的可能。

图1 人工湿地工艺流程

2.3 曝气生物滤池+人工湿地处理组合试验

中试试验地点位于某污水资源化示范工程项目现场，该项目地处河流流域，主要处理集成电路芯片生产线生产废水及生活污水[11]。

试验用水取自某污水资源化示范工程生化处理系统出水，试验阶段其水质稳定在国家污水厂一级A标准，具体水质参数如表2。

表2 进水水质指标

3 结果与讨论

3.1 曝气生物滤池对污水厂尾水的处理效果

实验采用生活污水进行反应器的启动挂膜，采取连续曝气的方式，在气水比为3∶1，尾水的进水量为10 L/h的前提下连续曝气10 d左右。经过12个月的连续观察，陶粒填料表面逐步长满了一层黄褐色絮状生物膜，生物膜健康、稳定。虽然挂膜量小于传统弹性填料，但是内置式陶粒填料处理效果优于弹性填料，并且未出现生物膜团结、填料内部堵塞、水面浮泥的现象，这表明该填料具有优良的挂膜性能[12]。

3.1.1 滤料对曝气生物滤池运行效果的影响

试验所选用的比选填料分别为：自制的内置式填料挂膜模块，普通陶粒和沸石，3种填料的粒径分别为20～25、10～15和15～25 mm。在该试验中，分别以内置式填料挂膜模块、普通陶粒和沸石3种滤料作为曝气生物滤池滤料，各反应器出水以及原水的COD和氨氮浓度如图2所示，原水的进水COD浓度平均值为48.6 mg/L，在不同滤料的反应器出水中，内置式陶粒、沸石和普通陶粒滤料反应器出水COD平均值分别为37.1、40.8和43.2 mg/L。由此可见，COD去除效果大小为内置式陶粒>沸石>普通陶粒。

图2 不同填料的进、出水COD和氨氮浓度

在气水比5∶1，水力停留时间为8 h前置条件下，当原水NH3-N的平均浓度在6.15 mg/L时，内置式陶粒、沸石和普通陶粒滤料反应器出水NH3-N平均浓度分别为0.30 mg/L，1.96 mg/L和2.51 mg/L。3种反应器对于原水氨氮的去除效果大小依次是：内置式陶粒>普通陶粒>沸石。综上，将内置式陶粒作为最优滤料，进行后续实验。

3.1.2 滤速对曝气生物滤池运行效果的影响

滤速对BAF运行效果的影响如图3所示，从图3(a)中可以看出，在不同滤速下，曝气生物滤池对于原水有机物都有一定的去除效果。其中，当曝气生物滤池滤速为0.6 m/h，出水COD浓度为37.3 mg/L，明显低于其他2种滤速的出水浓度。由图3(b)中可以看出，出水中氨氮的浓度随着滤池滤速的升高先升高后降低。在气水比为6∶1，反应器进水水温维持在15 ℃左右前置条件下，当滤池的滤速由0.4 m/h提高到0.6 m/h时，出水的氨氮的浓度有明显的降低，出水的平均氨氮浓度达到了0.35 mg/L。当滤池的滤速提高到0.8 m/h时，出水中氨氮的浓度反而会有一定程度的升高。对于出水的各项污染因子综合考虑，当滤速为0.6 m/h时，BAF对污水处理效果最佳。

图3 不同滤速对于COD和氨氮的处理效果

3.1.3 滤料厚度对曝气生物滤池运行效果的影响

反应器中BOD和COD的去除率随滤料高度的变化情况如图4所示，尾水中COD和BOD的去除率随着滤池滤料厚度的增加呈现升高趋势。当滤池的滤料厚度在0.6 m内增加时，污水中COD和BOD的去除率升高较快,其中BOD的去除率达到了70.4%，COD的去除率达到51.3%。当滤池的滤料厚度继续增加时，COD和BOD去除率呈现平缓增加。当滤池滤料厚度达到1.8 m后，COD和BOD的去除率基本稳定。此外，原水氨氮的去除率在滤料厚度升高的过程中也逐渐升高。其中在0～0.9 m滤层中原水氨氮去除率增加的趋势较为平缓，在滤料层厚度为0.9～1.6 m的范围内，原水氨氮的去除率增加较快，在滤料层厚度范围为1.6～2.0 m时，原水氨氮的去除率升高极为缓慢。

图4 滤层厚度对BOD、COD和氨氮去除的影响

由此可得，该反应器滤料高度为1.6～2.0 m时，能够有效去除原水中的各项营养盐，继续增加滤料层的高度对于营养盐的去除提升效果不明显，且会使工艺的基建成本加大。因此，确定该曝气生物滤池高度为1.8 m。

3.2 人工湿地对污水厂尾水的处理效果

选取石英砂、沸石、火山岩和生物陶粒作为试验填料进行实验。先进行单一填料基质的去除实验。结果如图5，在吸附作用开始阶段，4种填料对于氨氮的去除率有所差别。其中生物陶瓷和火山岩作为基质填料在开始阶段的吸附率相对较高[13]。随着时间的增加，4种填料对于氨氮的吸附随着时间的增加趋于饱和。

图5 单一填料的氨氮和TP的去除率

对于TP来说，生物陶瓷和火山岩两种填料对于TP的去除率相对较高，在25 h左右都达到了约70%。砾石和石英砂填料TP的去除率则相对较低，分别只有43.5%和38.0%。25 h后，火山岩，砾石对于TP的去除率有所下降，这是因为这两种基质对于磷元素吸附的不稳定性造成的，吸附饱和后的部分磷发生了解析。

结合4种基质填料对于污水中氨氮和总磷的去除效果，选择生物陶瓷和火山岩为填料基质，并且将两者进行一定质量比的组合，从而确定出污水中氨氮和总磷的去除效果最好的填料级配比。

配比后处理效果如图6所示，由图6(a)可以看出在接触处理时间为50 h时，生物陶瓷和火山岩的各个质量比的组合对于氨氮的去除率分别为MIX1∶1:64.2%，MIX1∶2:67.5%，MIX1∶3:68.3%，MIX2∶1:81.7%，MIX3∶1:76.3%。5种质量组合对于氨氮的去除率大小：MIX2∶1>MIX3∶1>MIX1∶3>MIX1∶1>MIX1∶2。2种填料基质各种质量比对于氨氮的的去除率均要大于火山岩单独吸附的去除率。其中最大的NH3-N去除率提高了9.0%，生物陶瓷和火山岩两种填料基质组合提高了污水的氨氮去除率。

对于TP的去除，从图6(b)可以看出在吸附反应时间为50 h，生物陶粒和火山岩两种基质填料各种质量组合对于TP的去除率最好的质量比为：2∶1(生物陶瓷：火山岩)，去除率可达到82.1%。5种质量比的填料组合对TP的去除率大小为:MIX2∶1 >MIX3∶1 > MIX1∶3>MIX1∶1> MIX1∶2 。组合填料基质与单一火山岩填料基质相比，生物陶瓷和火山岩的组合填料对于总磷的去除率并不一定比单一生物填料基质高，但组合填料基质对于TP的去除率在同一时间内都大于火山岩填料。因此，最优的生物陶粒和火山岩的质量配比为2∶1。

图6 生物陶粒和火山岩柱状组合对氨氮和TP的去除率

3.3 曝气生物滤池+人工湿地对污水厂尾水的处理效果

采用曝气生物滤池+人工湿地组合工艺处理上述污水厂尾水，在分别实验所得到的最优参数下，对其处理能力进行中试试验[14～16]。结果如图7。由图7(a)可以看出经过曝气生物滤池+人工湿地工艺的处理后，出水的氨氮和总氮浓度均比进水有了明显的降低，其中进水氨氮的平均浓度从6.9 mg/L降至1.36 mg/L，总氮(TN)的平均浓度则从为14.64 mg/L降至6.66 mg/L。对于COD和BOD而言，经过曝气生物滤池+人工湿地工艺的处理后，出水的COD和BOD浓度均比进水有了明显的降低，其中进水COD的平均浓度从46.5 mg/L降至35.5 mg/L，BOD的平均浓度则从为8.8 mg/L降至4.4 mg/L (图7b)。此外，经过曝气生物滤池+人工湿地工艺的处理后，出水的TP浓度比进水有了一定的降低，进水TP的平均浓度从0.325 mg/L降至0.226 mg/L (图7c)。

图7 组合工艺进、出水COD、BOD、氨氮TN和TP浓度

4 结论

通过曝气生物滤池+人工湿地组合工艺对某污水厂尾水的处理，在进水水质为污水厂出水一级A标准的前提下，出水中的COD、BOD、氨氮、总氮、TP去除率分别达到23.7%，50%，80.3%、54.5%，30.5%。进水中主要污染因子均得到了一定程度上去的去除，出水的各项水质标准均可达到《地表水环境质量标准》Ⅳ类水质标准。经过处理达标的尾水可以被用做公园景观湖补水和绿化用水，在解决了尾水带来的环境污染问题同时，也实现了水的循环利用，符合国家对于污水厂尾水资源化处理的相关规定。