回收塑料填料厌氧滤池/人工湿地处理农村生活污水的研究*

徐兴愿 唐智洋 纪荣平

(扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

回收塑料填料厌氧滤池/人工湿地处理农村生活污水的研究*

徐兴愿 唐智洋 纪荣平

(扬州大学环境科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

采用以回收塑料为填料的厌氧滤池与人工湿地这一组合工艺对农村生活污水进行处理，研究其性能特点和脱氮除磷效果。结果表明：在厌氧滤池水力停留时间(HRT)为6h，人工湿地水力负荷为0.12m3/(m2·d)，气水比(体积比)为6∶1条件下，该组合工艺对COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分别为84.99%、69.31%、65.11%、73.58%，平均出水质量浓度分别为20.44、6.82、12.53、1.00mg/L，均满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级B标准，其中COD和TN平均出水浓度还满足一级A标准。

农村生活污水 回收塑料 厌氧滤池 人工湿地

Abstract: The combined process of recycled plastics anaerobic filter and constructed wetland for the treatment of rural sewage was used to study the performance characteristics and the effect of nitrogen and phosphorus removal. The operating parameters were set as hydraulic retention time (HRT) of 6 h in the anaerobic filter,hydraulic load of 0.12 m3/(m2·d) in the constructed wetland and air-water ratio (volume ratio) of 6∶1. Under these operation conditions,the average removal efficiencies of COD,ammonia nitrogen,TN and TP were 84.99%,69.31%,65.11% and 73.58%,and their average concentrations in effluent were 20.44,6.82,12.53 and 1.00 mg/L,respectively,meeting the 1B standard of “Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant” (GB 18918-2002),while COD and TN also met the 1A standard.

Keywords: rural sewage； recycled plastics； anaerobic filter； constructed wetland

近年来，城镇生活污水处理逐步完善，相比城镇而言，农村生活污水缺乏良好的收集以及处理系统，已经严重影响到农村环境[1-3]。但由于农村地区经济基础薄弱，人才匮乏，人们对污水治理观念淡薄，制约了农村生活污水处理的进展[4-6]。农村生活污水较为分散，集中处理难度高，并且日夜变化较大[7-8]。因此，针对农村生活污水的特点，并结合农村的社会环境条件考虑，厌氧滤池/人工湿地组合工艺适合用于处理农村生活污水[9-11]。该组合工艺是由厌氧滤池和垂直潜流人工湿地串联而成。厌氧滤池属于预处理单元，进水中的大分子有机物水解成小分子有机物颗粒，预先降低有机物浓度，以减轻人工湿地的处理负荷[12-13]。人工湿地可进一步降低有机物、氮和磷的浓度，同时进行供氧，以提高对氮、磷的去除率[14-17]。本研究在此组合工艺的基础上，选用回收塑料作为填料，并将回收塑料与实验室常用的悬浮填料球进行对比试验，从而验证该填料的可行性，并在保证出水达标的前提下，探索适合该组合工艺的运行参数。此研究能为厌氧滤池/人工湿地处理农村生活污水的工程化推广提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料

图1为厌氧滤池/人工湿地示意图。农村生活污水通过蠕动泵打入厌氧滤池底部，水流向上流动，经过填料以及填料上生长的生物膜处理后，依靠蠕动泵打入人工湿地中，再经过人工湿地中植物以及基质的层层处理，最后出水。

1—蠕动泵；2—阀门；3—曝气机；4—玻璃转子流量计；5—曝气头；6—填料；7—泥土层；8—粗砂层；9—碎石层；10—砾石层图1 厌氧滤池/人工湿地示意图Fig.1 Schematic diagram of anaerobic filter/constructed wetland process

试验装置分为两组，一组以回收塑料为填料，另一组以悬浮填料球为填料，除填料不同外，两组试验其他参数均相同。厌氧滤池为圆柱形池体，由有机玻璃制成，池体内径130 mm，高度800 mm，填料高度600 mm，填料参数见表1。人工湿地为垂直流人工湿地，规格为0.6 m×0.6 m×1 m，内部有4层，自上而下为泥土层、粗砂层、碎石层和砾石层，其中泥土层高200 mm，粗砂层高200 mm，碎石层高300 mm，砾石层高200 mm，人工湿地内密植香蒲(Typhadavidiana)，在距离人工湿地土壤表面400 mm处布设2个曝气头。

1.2 测定方法

COD采用重铬酸钾法测定；TN采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定；氨氮采用纳氏试剂光度法测定；TP采用钼酸铵分光光度法测定；污泥沉降比(SV)采用沉降法测定；混合液悬浮固体(MLSS)采用重量法测定；溶解氧(DO)采用HD30d型DO仪测定；pH采用PSH-3C型pH计测定。

1.3 试验方法

厌氧滤池的挂膜启动方式分为低负荷启动与高负荷启动。经测试，高负荷启动方式的挂膜效果不太理想，因此本研究改用低负荷启动方式。从扬州六圩污水处理厂采集厌氧污泥作为接种污泥，测得SV为83%(体积分数)，MLSS为13 300 mg/L。试验

用水取自扬州大学扬子津东校区4号楼生活区，其水质指标见表2，可用以模拟农村生活污水。投加接种污泥后，先间歇通入试验用水，待填料上附着少量生物膜后开始连续进水，控制进水MLSS为3 000～4 000 mg/L。

两组试验装置运行1个月后，对COD的去除率均达到60%以上，并且相对稳定，此时观察到填料表面均有黑色絮状物包裹，认为挂膜完成。挂膜成功后连续进水并确定以回收塑料为填料的厌氧滤池(以悬浮填料球作对比)的最佳运行工况，结合相关规范和工程实际，设置3种工况，其水力停留时间(HRT)分别为12、6、3 h，每种工况依次运行1周，比较COD、TP、TN和氨氮出水浓度和去除率。

2 分析与讨论

2.1 回收塑料作为填料的可行性试验

回收塑料和悬浮填料球的填充比均为60%，试验运行1～7 d时，HRT设置为12 h；8～14 d时，HRT设置为6 h；15～21 d时，HRT设置为3 h。不同HRT下，厌氧滤池对COD、TN和TP的去除效果依次如图2至图4所示。

由图2可以看出：HRT为12 h时，以回收塑料为填料的厌氧滤池(记为厌氧滤池Ⅰ)的COD平均出水质量浓度为66.23 mg/L，平均去除率为69.72%；以悬浮填料球为填料的厌氧滤池(记为厌氧滤池Ⅱ)的COD平均出水质量浓度为61.30 mg/L，平均去除率为72.33%。HRT为6 h时，厌氧滤池Ⅰ的COD平均出水质量浓度为65.01 mg/L，平均去除率为62.84%；厌氧滤池Ⅱ的COD平均出水质量浓度为57.03 mg/L，平均去除率为67.16%。HRT从12 h降至6 h后，两种厌氧滤池对COD的去除效果相差不大。当HRT进一步下降至3 h时，厌氧滤池Ⅰ的COD平均出水质量浓度为96.32 mg/L，平均去除率为59.60%；厌氧滤池Ⅱ的COD平均出水质量浓度为85.44 mg/L，平均去除率为65.62%。可见，厌氧滤池Ⅰ与厌氧滤池Ⅱ对COD的去除效果均较好。

表1 填料参数

表2 试验用水水质指标

注：出水(回收塑料)、出水(悬浮填料球)分别表示以回收塑料和悬浮填料球为填料时，某水质指标(COD、TN、TP)的平均出水质量浓度；去除率(回收塑料)、去除率(悬浮填料球)分别表示以回收塑料和悬浮填料球为填料时，某水质指标(COD、TN、TP)的平均去除率。图3、图4同。

图2不同HRT下厌氧滤池的COD去除效果比较
Fig.2 Comparison of COD removal effect of anaerobic filters under different HRT

图3 不同HRT下厌氧滤池的TN去除效果比较Fig.3 Comparison of TN removal effect of anaerobic filters under different HRT

由图3可以看出：HRT为12 h时，厌氧滤池Ⅰ和厌氧滤池Ⅱ的TN平均去除率分别为7.75%、10.41%；HRT为6 h时，厌氧滤池Ⅰ和厌氧滤池Ⅱ的TN平均去除率分别为10.37%、8.25%；HRT为3 h时，厌氧滤池Ⅰ和厌氧滤池Ⅱ的TN平均去除率分别为9.11%、9.40%。可见，厌氧滤池Ⅰ与厌氧滤池Ⅱ对TN的处理效果均较差，这是因为试验用水中的硝态氮和亚硝态氮含量不高。

图4 不同HRT下厌氧滤池的TP去除效果比较Fig.4 Comparison of TP removal effect of anaerobic filters under different HRT

一般情况下，生物除磷主要依靠聚磷菌的超量吸磷反应，但该反应主要在好氧条件下发生。因此，在厌氧滤池中TP的去除主要依赖填料而不是聚磷菌。填料本身对TP有吸附作用，可以去除少量的磷。由图4可知，厌氧滤池Ⅱ对TP的平均去除率高于厌氧滤池Ⅰ，这是由于悬浮填料球比表面积明显大于回收塑料造成的。

总体上看，以回收塑料作为厌氧滤池填料是可行的。

2.2 组合工艺试验

2.2.1 HRT的影响

厌氧滤池(以下均采用回收塑料填料)/人工湿地连续运行时，控制人工湿地水力负荷为0.12 m3/(m2·d)，厌氧滤池HRT分别为12、6、3 h，其对COD、TP、氨氮和TN的平均去除率如表3所示。在HRT为12、6 h的工况下，出水COD平均浓度能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准(限值为50 mg/L)，COD平均去除率稳定，基本在80%以上，说明该组合工艺对于COD的去除效果较好。

由于厌氧滤池的预处理难以去除TP，因此TP的去除主要依靠人工湿地的作用。HRT为12、6 h的工况下，TP平均去除率较稳定，保持在35%左右；HRT缩短为3 h时，TP平均出水浓度高于平均进水浓度，因此HRT不宜小于3 h。TP平均出水浓度均高于GB 18918—2002一级B标准(限值为1 mg/L)，因此需要对厌氧滤池/人工湿地进行优化，以提高TP去除率。

表3 不同HRT下厌氧滤池/人工湿地对COD、TP、氨氮和TN的去除效果1)

注：1)表中出水质量浓度与去除率均以平均值计。

氨氮平均去除率不高，平均出水浓度均高于GB 18918—2002一级B标准(限值为8 mg/L)。氨氮的去除主要在人工湿地中发生，依赖硝化菌在好氧条件进行硝化作用，因此需要对人工湿地曝气来增加DO浓度，从而提高氨氮去除效果。

HRT分别为6、12 h时，TN平均出水浓度均接近GB 18918—2002一级B标准(限值为20 mg/L)，平均去除率分别为35.32%、41.53%。

综合考虑4项水质指标的去除效果，选择6 h为适宜HRT。

2.2.2 气水比的影响

为了探究不同气水比对厌氧滤池/人工湿地去除效果的影响，设置人工湿地气水比(体积比)分别为3∶1、6∶1和12∶1，采用间歇曝气的方式(试验运行1～7 d时，气水比设置为3∶1；8～14 d时，气水比设置为6∶1；15～21 d时，气水比设置为12∶1)，并且选择在HRT为6 h的工况下运行。COD、TP、氨氮和TN的出水浓度和去除率如图5至图8所示。

由图5可以看出，在HRT为6 h的工况下，虽然气水比发生改变，COD出水浓度均满足GB 18918—2002一级A标准。当气水比为6∶1时，平均出水质量浓度为20.44mg/L，平均去除率为84.99%。

图5 不同气水比下厌氧滤池/人工湿地对COD的去除效果Fig.5 The removal effect of COD of anaerobic filter/constructed wetland under different gas-water ratios

图6 不同气水比下厌氧滤池/人工湿地对TP的去除效果Fig.6 The removal effect of TP of anaerobic filter/constructed wetland under different gas-water ratios

图7 不同气水比下厌氧滤池/人工湿地对氨氮的去除效果Fig.7 The removal effect of ammonia nitrogen of anaerobic filter/constructed wetland under different gas-water ratios

图8 不同气水比下厌氧滤池/人工湿地对TN的去除效果Fig.8 The removal effect of TN of anaerobic filter/constructed wetland under different gas-water ratios

对比表3和图6可以看出：不曝气的情况下，TP平均去除率只有33.15%；低曝气(气水比3∶1)时，TP平均去除率上升至63.91%，但出水浓度仍然不能满足GB 18918—2002一级B标准；中曝气(气水比6∶1)时，TP平均去除率为73.58%，平均出水质量浓度为1.00 mg/L，基本能够满足GB 18918—2002一级B标准；高曝气(气水比12∶1)时，TP平均去除率为82.04%，平均出水质量浓度为0.70 mg/L，满足GB 18918—2002一级B标准。综上，人工湿地DO浓度对TP去除有重要影响，曝气后的TP平均去除率可达曝气前的2倍，并且随着气水比增加，TP平均去除率不断上升。人工湿地除磷主要是通过基质、微生物和植物的协同作用，通过过滤、吸收、沉淀和离子交换等作用实现对水中磷酸盐的去除；同时植物根系的分泌物可以促进嗜磷菌生长，嗜磷菌属好氧菌，提高DO浓度可以促进嗜磷菌进行超量吸磷，有效提高磷的去除率。

由图7可以看出，氨氮平均去除率随着气水比的增加而上升。人工湿地DO浓度升高，促使硝化菌活性增强，氨氮更容易经硝化作用生成硝态氮和亚硝态氮。曝气前，氨氮平均去除率为25.18%(见表3)；低曝气时，氨氮平均去除率上升至62.02%；中曝气时，氨氮平均去除率为69.31%，平均出水质量浓度为6.82 mg/L，满足GB 18918—2002一级B标准；高曝气时，氨氮平均去除率为72.25%，出水质量浓度也在8 mg/L以下，满足GB 18918—2002一级B标准。

由图8可以看出：低曝气时，TN平均去除率为46.95%，平均出水质量浓度为23.92 mg/L；中曝气时，TN平均去除率为65.11%，出水平均质量浓度为12.53 mg/L，满足GB 18918—2002一级A标准(限值为15 mg/L)；高曝气时，TN平均去除率为59.97%，平均出水质量浓度为14.71 mg/L，满足GB 18918—2002一级A标准。高曝气时的TN去除效果不及中曝气，可能是由于高曝气时DO浓度过高，抑制了反硝化反应。

可见，氨氮和TP的平均去除率都是随着气水比的增加而升高。氨氮平均去除率升高是因为硝化菌在好氧情况下更为活跃。TP平均去除率升高一方面因为聚磷菌活跃；另一方面，人工湿地中TP的主要去除方式是化学作用，依靠基质对含磷物质的吸收，其中最重要的是配位交换反应，Fe3+可与磷络合成稳定的化合物，但在厌氧条件下，Fe3+发生还原反应生成Fe2+，原本稳定的化合物被破坏，磷可能被重新释放出来。

3 结 论

(1) 采用回收塑料作为厌氧滤池的填料是可行的。

(2) 回收塑料作为填料的厌氧滤池与人工湿地组合运行的最佳HRT为6 h。

(3) 厌氧滤池HRT为6 h，人工湿地水力负荷为0.12 m3/(m2·d)，气水比为6∶1的条件下，厌氧滤池/人工湿地对COD、氨氮、TN和TP的平均去除率分别为84.99%、69.31%、65.11%、73.58%，平均出水质量浓度分别为20.44、6.82、12.53、1.00 mg/L，均满足GB 18918—2002一级B标准，其中COD和TN平均出水浓度还满足GB 18918—2002一级A标准。

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Recycledplasticsanaerobicfilter/constructedwetlandforruralsewagetreatment

XUXingyuan,TANGZhiyang,JIRongping.

(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,YangzhouUniversity,YangzhouJiangsu225127)

徐兴愿，男，1993年生，硕士研究生，研究方向为水污染控制研究。

*“十二五”农村领域国家科技支撑计划课题(No.2012BAJ24B06)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.006

2016-04-25)