厌氧-人工湿地组合工艺在农村生活污水应用研究

陈 尧 胡润夏 倪金雷 汤文艳

（1.杭州国尼环保科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.湖南四环环保科技有限公司昆明分公司，云南 昆明 650000；3.浙江中蓝环境科技有限公司，浙江 杭州 325088；4.湖南子宏生态科技股份有限公司，湖南 长沙 410100）

0 引言

农村生活污水没有经过合理处理，会直接影响农村环境、村民生活质量和卫生状况[1]。农村生活污水处理工艺作为农村污水治理的核心内容，被广泛研究。

目前，根据作用机理，将农村生活污水处理工艺分为3 类：1）生物工艺。代表厌氧工艺、AO 工艺、MBR 工艺。2）生态工艺。代表人工湿地、稳定塘、土地自然消纳。3）生物-生态组合工艺。代表厌氧-人工湿地、AO-人工湿地、MBR-人工湿地[2-3]。生物工艺占地面积小，有机物处理效果好，当不增加化学除磷时除磷效果一般，且机械设备多，能耗高，运行维护过程复杂。生态工艺各污染指标的去除效果都比较好，但是占地面积较大。生物-生态组合工艺是结合了生物和生态2 种工艺的优点，在保证各项污染指标去除的同时，减少占地面积，降低能耗并且提高了污水处理系统耐冲击负荷。生物-生态组合污水处理工艺中厌氧-人工湿地被广泛运用，取得良好的效果。对厌氧-人工湿地实际工程调研案例数据进行分析，进一步对该组合工艺进行研究。

1 试验部分

1.1 调研区域

2014 年浙江全省开展“五水共治”工作，全省各地农村开展污水处理工作，截至2023 年浙江省全省农村生活污水治理行政村覆盖率达到85%以上。调研数据来自于浙江2014—2015 年完成的53 个厌氧-人工湿地农村污水案例水质检测数据。

1.2 工艺介绍

农村污水通过收集进入厌氧-人工湿地污水处理系统，先通过格栅撇去大块漂浮物，污水自流进入厌氧池进行水解酸化，在厌氧池末端再通过水泵将污水提升至人工湿地表面进行布水，污水被均匀分布在湿地表面，在重力作用下，在湿地填料中向下渗透，最后通过湿地底部集水系统收集，排放至厌氧-人工湿地处理系统外部。

厌氧-人工湿地污水处理系统中厌氧部分主要起水解酸化作用，将污水中结构复杂的不溶性或溶解性高分子有机物经过水解和酸化，转化为低分子的有机物。这些有机物适合在人工湿地中被进一步降解处理。厌氧-人工湿地污水处理工艺流程图如图1 所示。

图1 厌氧-人工湿地污水处理工艺流程图

人工湿地是通过模拟自然湿地的结构和功能，将低污染水投配到由填料（含土壤、集配粒料）与水生植物、动物、微生物构成的生态系统中，通过物理、化学和生物等协同作用使水质得以改善的水处理工艺[4-5]。人工湿地根据填料和处理水在湿地中的位置关系，可分为表面流人工湿地和潜流型人工湿地，其中潜流型人工湿地根据水在湿地填料中的走向，分为水平潜流型人工湿地和垂直潜流型人工湿地。不同人工湿地之间工艺对比见表1。人工湿地设计参数基于气候分区，浙江省位于夏热冬冷区，表1 为该区人工湿地参数。

表1 人工湿地工艺对比表

垂直潜流人工湿地在水力负荷、污染物消减负荷上均优于其他2 种湿地。调研案例中人工湿地均为垂直潜流人工湿地。

1.3 工程设计

调研案例厌氧池采用玻璃钢材质或钢筋混凝土结构，水力停留时间约12 h~16 h。

人工湿地外墙采用砖混结构，由上至下依次为植物、布水系统、湿地填料、集水系统、防渗膜。植物采用美人蕉、菖蒲，种植密度分别为1 株/m2、20 株/m2。湿地填料由上至下依次包括以下3 层：1）覆盖层。粒径8~16mm 砾石，厚度200~300mm。2）滤料层。粒径为0.2~6mm 无泥粗砂，厚度200~400mm。3） 过渡层。粒径4~8mm砾石，厚度100~200mm。4）排水层。粒径8~16mm 砾石，厚度200~300mm。湿地布水由时间继电器控制的泵按照固定时间间隔间歇布水。

1.4 分析方法

分析项目及测定方法见表2。

表2 水质指标检测方法

1.5 进水及排放标准说明

为保证厌氧-人工湿地系统能正常运行，CODCr、总氮、氨氮、总磷进入污水处理系统最高浓度应分别低于400mg/L、50mg/L、40mg/L、7mg/L。

污水处理系统排放标准执行农村生活污水集中处理设施水污染物排放标准DB 33/973—2021，具体数据见表3。

表3 DB 33/973—2021 标准污水处理设施水污染物最高允许排放浓度限值（单位：mg/L）

根据排放标准DB 33/973—2021，只有排入封闭、半封闭水体且评价是否达到一级标准时才会有总氮指标限制，该项目调研案例出水均排入农田灌溉沟渠，总氮指标不作为判断水质是否达到一级标准污染项目。该文为全面评价厌氧-人工湿地处理农村污水效果，总氮作为该工艺脱氮效果评价指标。根据DB 33/973—2021，同时结合调研案例排水情况，厌氧-人工湿地出水达到二级标准即满足排放要求。

2 数据分析

2.1 去除CODCr

如图2 所示，总共53 个调研案例中有1 个案例出水CODCr浓度超过60 mg/L且低于70 mg/L，52个案例出水CODCr浓度小于60 mg/L，即有1 个案例，占比1.9%，出水CODCr浓度满足DB 33/973—2021 中二级标准要求，52 个案例，占比98.1%，满足一级标准要求。厌氧-人工湿地工艺对所有案例CODCr处理达标率100%。53 个调研案例出水CODCr浓度平均值为22.1 mg/L，中位值为17.6 mg/L，结合出水平均值、中位值与排放要求数值，该工艺对CODCr处理效果可靠。

图2 出水CODCr 浓度分布图

厌氧-人工湿地对CODCr去除主要分为2 个阶段：第一阶段是厌氧中的水解酸化阶段，将水中大分子有机物包括难降解有机物水解酸化为小分子有机物，降低水中CODCr同时，提高了污水的可生化性；第二阶段是污水在人工湿地的去除，该阶段对CODCr去除起主要作用的是人工湿地填料上附着的微生物[6]，通过植物根部输氧[7]和湿地填料间隙自然复氧，湿地中营造出氧气浓度分布不均匀的环境，有厌氧、兼氧、好氧微生物，人工湿地中微生物种类和数量丰富，微生物通过分解代谢、微生物合成代谢和内源呼吸对CODCr去除。

2.2 对氨氮和总氮的去除

如图3 所示，总共53 个调研案例中有49 个案例出水氨氮浓度小于8mg/L，4 个案例出水总磷浓度为8mg/L~25mg/L，即有49 个案例，占92.5%，出水总磷浓度满足DB33/973—2021 中一级标准要求，4 个案例，占7.5%，满足二级标准要求。厌氧-人工湿地工艺对所有案例氨氮处理达标率为100%。53 个调研案例出水氨氮浓度平均值为1.76mg/L，中位值为0.17mg/L，结合出水平均值、中位值与排放要求数值，该工艺对氨氮的处理效果可靠。

图3 出水氨氮浓度分布图

如图4 所示，总共53 个调研案例中有39 个案例出水总氮浓度小于20 mg/L，占73.6%，满足出水直排进入封闭水体或半封闭水体时DB 33/973—2021 中一级标准，剩余14 个案例，占26.4%，出水总氮浓度在20 mg/L~30 mg/L，不满足直排进入封闭水体或半封闭水体时DB 33/973—2021 中一级标准。由于该项目53 个调研案例排水均直接进入农田灌溉沟渠，非封闭水体或半封闭水体，总氮不作为一级标准要求。厌氧-人工湿地工艺对控制总氮指标有一定的作用，但是不能达到20 mg/L 这一标准。

图4 出水总氮浓度分布图

氨氮是总氮中的一部分。在厌氧-人工湿地组合工艺中厌氧阶段，污水在氨化细菌的作用下，将部分有机氮转化为氨氮，即经过厌氧阶段氨氮浓度会升高。污水进入人工湿地后，污水氨氮的去除分为2 个部分，一部分是被植物根本吸收，合成植物蛋白质等有机氮，成为植物的一部分，通过植物收割从人工湿地系统中完全去除；还有一部分氨氮在人工湿地内通过填料上的微生物进行硝化作用，转化为硝态氮。总氮的去除全部在人工湿地中，一部分总氮被植物吸收，这部分总氮除被植物吸收的氨氮外还有部分硝态氮，还有一部分总氮在湿地中反硝化微生物作用下将总氮中硝态氮的氮通过一系列中间产物（NO2−、NO、N2O）还原为氮气（N2），去除总氮[8]。

2.3 去除总磷

如图5 所示，总共53 个调研案例中有52 个案例出水总磷浓度小于2mg/L，1 个案例出水总磷浓度在2mg/L~3mg/L，即有1 个案例，占1.9%，出水总磷浓度满足DB33/973—2021中二级标准要求，52 个案例，占98.1%，满足一级标准要求，厌氧-人工湿地工艺对总磷处理达标率100%。53 个调研案例出水总磷浓度平均值为0.56mg/L，中位值为0.43mg/L，结合出水平均值、中位值与排放要求数值，该工艺对总磷处理效果良好。

图5 农村生活污水经厌氧-人工湿地处理出水总磷浓度分布图

厌氧-人工湿地对总磷去除主要是 人工湿地去除，人工湿地对总磷去除主要为填料化学吸附和植物吸收。污水经厌氧池水解酸化，水中pH 值会在一定范围内降低，提高了湿地填料中钙盐和镁盐水解，钙离子和镁离子和水中磷酸盐反应，吸附在填料上。厌氧-人工湿地组合工艺中，厌氧阶段未直接去除总磷，但是提高了填料化学吸附作用。湿地中植物吸收水中的磷酸盐作为养分，经同化作用变成植物的ATP、DNA 及RNA 等有机成分，通过植物的收割去除[9]。

3 结论

结合调研数据和机理分析，得出以下4 个结论：1）经过分析调研的53 个应用厌氧-人工湿地工艺处理农村生活污水的案例，53 个案例，占比100%出水CODCr、氨氮、总磷都满足浙江省农村生活污水集中处理设施水污染物排放标准DB 33/973—2021 中二级标准，即厌氧-人工湿地运用在农村生活污水处理中适用性好。2） 经过分析调研的53 个案例，CODCr、氨氮、总磷、总氮4 项指标达到DB 33/973—2021 中一级标准要求率为98.1%、92.5%、98.1%和73.6%，如果要提高厌氧-人工湿地出水标准，就要提高总氮去除率。3）总氮去除限制条件为反硝化需要碳源，农村生活污水中碳源偏低，可考虑将收割植物投入厌氧部分，提高系统整体碳源水平，同时将湿地出水部分回流至厌氧池前端，将厌氧-人工湿地系统进行内部循环，在厌氧池中也实现部分反硝化反应，提高系统脱氮效率，同时实现了部分运维废弃物的减量化、无害化处理。4）厌氧-人工湿地组合工艺中厌氧、人工湿地两部分，充分利用了各自工艺特点，实现了协同处理，在各污染指标去除过程中都有良好的表现，同时该组合工艺还具有运行能耗低、机械设备少和运行维护简单等特点，这些特点适合该工艺在农村生活污水中的应用。