楊金剛，王海燕，周岳溪*，楊利偉，高俊發(fā)，魏繼苗

1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100012 3.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

三格厭氧池-垂直流人工濕地處理農(nóng)村灰水

楊金剛1,2，王海燕2，3，周岳溪2，3*，楊利偉1，高俊發(fā)1，魏繼苗1

1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100012 3.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

農(nóng)村灰水；三格厭氧池；垂直流人工濕地

農(nóng)村污水主要包括灰水和黑水，灰水指洗衣、洗浴、洗菜等生活洗滌水，黑水主要指廁所沖洗水。近年來(lái)，農(nóng)村污水的無(wú)組織排放成為導(dǎo)致水質(zhì)惡化的重要因素之一[1-2]。我國(guó)農(nóng)村水體污染呈現(xiàn)出污水排放量小，排放分散，N、P等營(yíng)養(yǎng)成分含量高，污水排放量和有機(jī)負(fù)荷波動(dòng)大的特點(diǎn)[3]?？紤]農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平的限制，必須尋求投資小、運(yùn)行費(fèi)用低、操作簡(jiǎn)便、處理效果好的技術(shù)用于農(nóng)村污水治理[4-5]。

厭氧生物技術(shù)和人工濕地作為生物、生態(tài)污水處理技術(shù)，具有成本低、易管理等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。當(dāng)前，垂直流人工濕地被廣泛用于處理生活污水[8]和部分行業(yè)廢水[9]。人工濕地是由人工基質(zhì)(碎石、砂礫等)和生長(zhǎng)在其上的水生植物組成[10]，是一種經(jīng)濟(jì)有效的處理工藝。Wynn等[11]研究人工濕地在美國(guó)農(nóng)村的實(shí)際應(yīng)用，認(rèn)為其實(shí)際投資費(fèi)用主要取決于土地和基質(zhì)的價(jià)格，宜就近采用基質(zhì)材料。目前，廣泛應(yīng)用的人工濕地基質(zhì)主要有爐渣、土壤、礫石和石灰石等[12-13]?；|(zhì)的類型、級(jí)配等因素會(huì)影響基質(zhì)作用的發(fā)揮，選擇比表面積較大的基質(zhì)有利于生物膜的生長(zhǎng)，更利于脫氮[14]。Liu等[15]分析認(rèn)為，我國(guó)濕地基建投資為1 000～2 800元t，處理費(fèi)用為0.05～0.20元t；基建投資費(fèi)用為傳統(tǒng)二級(jí)處理工藝的13～12，處理費(fèi)用為傳統(tǒng)二級(jí)處理工藝的110。廣州某農(nóng)村采用厭氧水解池-人工濕地-生態(tài)溝處理200 m3d的生活污水和TP的去除率分別為73.6％、85.8％、80.7％、60.3％和75.6％，經(jīng)處理后出水達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)；投資為4 000元t，無(wú)運(yùn)行費(fèi)。浙江某農(nóng)村采用厭氧池-人工濕地-穩(wěn)定塘處理40 m3d的生活污水和TN的去除率分別為75.1％～87.3％、75.2％～94.3％、90.2％～97.6％、65.0％～75.3％、70.6％～85.9％和50.2％～67.8％，出水水質(zhì)達(dá)到GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，投資為3 600～4 000元t，運(yùn)行費(fèi)用為0.08元t，維護(hù)費(fèi)為1 200元a[16]。陳和平等[17]利用厭氧接觸氧化池-垂直流人工濕地處理農(nóng)村生活污水，二級(jí)處理后污水中CODCr、TN和TP去除率分別為92.2％、75.6％和93.3％。

筆者以長(zhǎng)沙縣某農(nóng)戶生活灰水為處理對(duì)象，采用三格厭氧池-垂直流人工濕地組合工藝對(duì)其進(jìn)行處理，考察該組合工藝處理農(nóng)村灰水的可行性及污染物的去除效能。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

三格厭氧池由有機(jī)玻璃制成，尺寸為900 mm×500 mm×600 mm，總體積為270 L，有效體積為225 L。厭氧池由格室Ⅰ、格室Ⅱ和格室Ⅲ組成，各格室的體積比為1∶1∶1，厭氧池的溫度控制在(24±1)℃，格室Ⅰ和格室Ⅱ用攪拌器進(jìn)行慢速攪拌，以4 h為一個(gè)周期，攪拌2 h，靜止2 h。

人工濕地反應(yīng)器為圓臺(tái)狀，高450 mm，最大直徑為400 mm，最小直徑為350 mm，濕地基質(zhì)從下到上依次為粒徑3～5 cm的煤渣、粒徑1～3 cm的卵石以及當(dāng)?shù)丶t壤，厚度分別為125、125和200 mm，反應(yīng)器總體積為49.8 L，有效體積為15 L。濕地栽種蘆葦，密度為20株m2，人工濕地溫度控制在(24±1)℃。三格厭氧池與垂直流人工濕地串聯(lián)，試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental set-up

1.2 試驗(yàn)用水及水質(zhì)

試驗(yàn)用水取自某農(nóng)戶生活灰水，主要為洗浴及廚房廢水，依據(jù)洗浴水與廚房水每日用水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，洗浴水與廚房水量按照3∶1與1∶1的比例混合，通過(guò)水泵抽入進(jìn)水箱，進(jìn)水箱每3 d更換一次進(jìn)水，進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。人工濕地進(jìn)水前期為自來(lái)水稀釋的生活灰水，后期為三格厭氧池出水，人工濕地進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表2。

1.3 污泥接種和運(yùn)行條件

三格厭氧池污泥用取自北京某種豬場(chǎng)的厭氧污泥進(jìn)行接種，接種污泥濃度為10～13 gL，反應(yīng)器HRT為75 h，連續(xù)進(jìn)水，經(jīng)過(guò)13 d的連續(xù)培養(yǎng)，厭氧池格室污泥中有氣泡產(chǎn)生，運(yùn)行35 d后，出水水質(zhì)穩(wěn)定，啟動(dòng)完成。厭氧池總運(yùn)行時(shí)間為192 d。

人工濕地反應(yīng)器在三格厭氧池運(yùn)行后第13天開(kāi)始啟動(dòng)(以開(kāi)始啟動(dòng)的第1天記為第13天)。啟動(dòng)階段進(jìn)水為實(shí)際生活灰水加自來(lái)水稀釋，HRT為30 h，連續(xù)培養(yǎng)61 d，出水穩(wěn)定。運(yùn)行至第75天，進(jìn)水改為三格厭氧池出水，繼續(xù)馴化培養(yǎng)，其他條件不變，連續(xù)運(yùn)行15 d，植物保持旺盛的生長(zhǎng)狀態(tài)， 出水穩(wěn)定，表明濕地植物能夠適應(yīng)該種廢水，完成濕地啟動(dòng)。濕地總運(yùn)行時(shí)間為179 d。

表1 三格厭氧池生活灰水進(jìn)水水質(zhì)

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值表示進(jìn)水平均值。

表2 人工濕地進(jìn)水水質(zhì)

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值表示進(jìn)水平均值。

運(yùn)行至第90天，三格厭氧池與垂直流濕地各自穩(wěn)定運(yùn)行，將兩個(gè)裝置串聯(lián)，90～192 d運(yùn)行期間，每周測(cè)定數(shù)據(jù)1～2次。

2 結(jié)果與分析

2.1 CODCr去除效能

運(yùn)行期間三格厭氧池-人工濕地系統(tǒng)對(duì)CODCr的去除效果如圖2和圖3所示。

圖2 三格厭氧池-人工濕地組合工藝進(jìn)出水CODCr變化Fig.2 The influent and effluent CODCr change of the combined process

圖3 三格厭氧池-人工濕地組合工藝CODCr去除效能Fig.3 The CODCr removal efficiency of the combined process

由圖2和圖3可知，啟動(dòng)初期，三格厭氧池經(jīng)過(guò)13 d的運(yùn)行，出水CODCr高于進(jìn)水，隨后CODCr去除率繼續(xù)升高，啟動(dòng)35 d后去除率提高至38.3％，并在之后保持出水穩(wěn)定，厭氧池完成了啟動(dòng)。啟動(dòng)初期(0～35 d) 進(jìn)水CODCr為365～502 mgL，平均值為452 mgL；出水為309～568 mgL，平均值為429 mgL。厭氧池隨后進(jìn)入運(yùn)行穩(wěn)定期(36～89 d)，進(jìn)水CODCr為420～645 mgL，平均值為526 mgL；出水為243～536 mgL，平均值為393 mgL；CODCr去除率為26.4～54.3％，平均值為35.9％。

垂直流人工濕地啟動(dòng)初期(13～74 d)對(duì)CODCr的去除效果較好，開(kāi)始啟動(dòng)的第1天(記為第13天)，濕地CODCr去除率已經(jīng)高達(dá)82.6％，在運(yùn)行的61 d內(nèi)，去除率較穩(wěn)定，CODCr平均去除率為86.3％，啟動(dòng)初期進(jìn)水CODCr為94～376 mgL，平均值為207 mgL；出水為14～58 mgL，平均值為28 mgL。垂直流人工濕地第75天時(shí)進(jìn)水逐漸馴化至用三格厭氧池出水作為濕地進(jìn)水，此時(shí)出水水質(zhì)穩(wěn)定，垂直流人工濕地進(jìn)入穩(wěn)定期(75～89 d)，進(jìn)水CODCr為124～272 mgL，平均值為194 mgL；出水為23～57 mgL，平均值為36 mgL；濕地CODCr去除率為78.9％～84.9％，平均值為81.7％，相對(duì)啟動(dòng)初期去除率變化不大。在濕地啟動(dòng)初期，水分在濕地的滲濾比較大，顆粒小的有機(jī)物更容易因沉淀而被截留。運(yùn)行穩(wěn)定后，隨著濕地填料上微生物的生長(zhǎng)和濕地填料間空隙的減小，微生物降解作用增強(qiáng)，微生物作用和填料吸附截留作用是去除CODCr的主要途徑[18]。胡小兵等[19]采用垂直流人工濕地處理生活污水，基質(zhì)選用卵石、粗砂、細(xì)砂和土壤，種植鳶尾，連續(xù)進(jìn)水，當(dāng)HRT為2 d，進(jìn)水CODCr為33～144 mgL，濕地系統(tǒng)對(duì)CODCr的去除率達(dá)到60％以上。

第90天，三格厭氧池及垂直流人工濕地串聯(lián)運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)水CODCr為282～684 mgL，平均值為499 mgL；出水為40～60 mgL，平均值為52 mgL；CODCr總?cè)コ蕿?0.7％～95.4％，平均值為88.9％。

上述結(jié)果表明，三格厭氧池-垂直流人工濕地組合工藝對(duì)長(zhǎng)沙縣農(nóng)村灰水中的CODCr有較好的去除效果，當(dāng)三格厭氧池的HRT為75 h、垂直流人工濕地的HRT為30 h時(shí)，出水CODCr滿足GB 18918—2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)[20]。

趙大傳等[21]采用ABR(厭氧折流板反應(yīng)器)-人工濕地組合工藝處理生活污水，進(jìn)水CODCr為372～456 mgL，當(dāng)ABR的HRT為12 h時(shí)，CODCr的平均去除率為76％；人工濕地的HRT為96 h，組合工藝的CODCr總?cè)コ蕿?9％。宋小康等[18]采用ABR-復(fù)合人工濕地組合工藝處理生活污水，進(jìn)水CODCr為94～458 mgL，ABR的HRT為10 h，CODCr的平均去除率為43％，人工濕地的HRT為100.8 h，組合工藝的CODCr總?cè)コ蕿?8％。筆者的研究結(jié)果與之相近。

圖4 三格厭氧池-人工濕地組合工藝進(jìn)出水濃度的變化Fig.4 The influent and effluent N-N concentration change of the combined process

圖5 三格厭氧池-人工濕地組合工藝去除率的變化Fig.5 The N-N removal efficiency of the combined process

2.3 TN的去除效能

對(duì)TN的去除效果如圖6和圖7所示。

圖6 三格厭氧池-人工濕地組合工藝進(jìn)出水TN濃度的變化Fig.6 The influent and effluent TN concentration change of the combined process

圖7 三格厭氧池-人工濕地組合工藝TN去除率的變化Fig.7 The TN removal of the combined process

從圖6和圖7可知，三格厭氧池啟動(dòng)初期處理效果較差，出水TN濃度時(shí)常高于進(jìn)水，去除率在啟動(dòng)初期先降低后逐漸升高，啟動(dòng)35 d后，厭氧池出水穩(wěn)定，啟動(dòng)完成，啟動(dòng)期TN進(jìn)水濃度為14.5～23.4 mgL，平均值為19.8 mgL；出水濃度為12.3～30.8 mgL，平均值為20.1 mgL。隨后進(jìn)入穩(wěn)定期(36～89 d)，在穩(wěn)定期TN進(jìn)水濃度為9.3～25.0 mgL，平均值為18.8 mgL；出水濃度為9.7～39.1 mgL，平均值為24.2 mgL，穩(wěn)定期內(nèi)，TN仍存在濃度升高現(xiàn)象。

垂直流人工濕地啟動(dòng)初期(13～74 d)進(jìn)水TN濃度為8.9～28.6 mgL，平均值為16.2 mgL；出水濃度為0.5～9.2 mgL，平均值為3.5 mgL。由圖6和圖7可知，在13～74 d內(nèi)，TN平均去除率為78.8％，去除率變化不大。在運(yùn)行的第75天，改用三格厭氧池出水作為濕地進(jìn)水(圖6)，濕地出水水質(zhì)波動(dòng)不大，垂直流人工濕地進(jìn)入穩(wěn)定期(75～89 d)，進(jìn)水TN濃度為4.0～15.6 mgL，平均值為11.4 mgL；出水濃度為1.1～5.7 mgL，平均值為3.9 mgL；去除率為63.2％～73.8％，平均值為67.6％，相較啟動(dòng)期的去除率(78.8％)略有下降。李芳等[25]采用復(fù)合垂直流人工濕地對(duì)TN去除效果進(jìn)行正交試驗(yàn)，基質(zhì)選用碎石、爐渣及紅土壤，種植燈芯草和香根草，當(dāng)水力負(fù)荷為200 mmd，HRT為1 d，進(jìn)水TN濃度為40 mgL時(shí)，TN的去除率為64.2％，與筆者的研究結(jié)果相近。

第90天，三格厭氧池與垂直流人工濕地串聯(lián)，系統(tǒng)TN進(jìn)水濃度為13.2～37.4 mgL，平均值為19.7 mgL；系統(tǒng)出水濃度為3.1～8.6 mgL，平均值為5.7 mgL；系統(tǒng)總?cè)コ蕿?3.3％～84.6％，平均值為69.8％?？梢?jiàn)垂直流人工濕地對(duì)TN的去除起到了主要作用。

上述結(jié)果表明，該組合工藝對(duì)TN有較好的去除效果，當(dāng)三格厭氧池HRT為75 h，垂直流人工濕地HRT為30 h，出水TN濃度滿足GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[20]。

宋小康等[18]采用的ABR-復(fù)合人工濕地組合工藝中，當(dāng)TN進(jìn)水濃度為12.0～62.1 mgL，ABR的HRT為10 h，人工濕地HRT為100.8 h時(shí)，TN的總?cè)コ蕿?0％。筆者的研究結(jié)果優(yōu)于該ABR-復(fù)合人工濕地的處理效果。

2.4 對(duì)P的去除效能

運(yùn)行期間系統(tǒng)對(duì)TP的去除效果如圖8和圖9所示。

圖8 三格厭氧池-人工濕地及組合工藝進(jìn)出水TP濃度變化Fig.8 The influent and effluent TN concentration change of the combined process

圖9 三格厭氧池-人工濕地組合工藝TP去除率變化Fig.9 The TN removal efficiency of the combined process

三格厭氧池啟動(dòng)初期(0～35 d)，進(jìn)水TP濃度為1.4～3.6 mgL，平均值為2.7 mgL；出水濃度為2.8～6.3 mgL，平均值為4.3 mgL。啟動(dòng)初期三格厭氧池對(duì)TP的去除率是逐漸升高的，但出水濃度時(shí)常高于進(jìn)水。啟動(dòng)35 d后，厭氧池出水穩(wěn)定，啟動(dòng)完成。進(jìn)入穩(wěn)定期(36～89 d)，進(jìn)水TP濃度為2.3～4.7 mgL，平均值為3.5 mgL；出水濃度為2.1～6.7 mgL，平均值為4.1 mgL。在穩(wěn)定期內(nèi)，三格厭氧池對(duì)TP的釋放較穩(wěn)定。整個(gè)運(yùn)行階段，厭氧出水的TP濃度高于進(jìn)水主要由厭氧條件下微生物釋磷所致。

垂直流人工濕地啟動(dòng)初期(13～74 d)進(jìn)水TP濃度為0.7～3.0 mgL，平均值為1.6 mgL；出水TP濃度為0.2～0.5 mgL，平均值為0.4 mgL。由圖8和圖9可知，在13～74 d內(nèi)，TP去除率較穩(wěn)定，平均去除率為70.9％。第75天時(shí)改用三格厭氧池出水作為濕地進(jìn)水，濕地完成啟動(dòng)。垂直流人工濕地進(jìn)入穩(wěn)定期(75～89 d)，穩(wěn)定期進(jìn)水TP濃度為1.0～1.4 mgL，平均值為1.2 mgL；出水TP濃度為0.3～0.4 mgL，平均值為0.3 mgL，TP去除率為67.9％～78.0％，平均值為73.7％。垂直流人工濕地對(duì)進(jìn)水中磷的去除主要是通過(guò)濕地植物吸收、微生物同化、濕地填料層吸附及沉淀作用等，其中基質(zhì)的吸附作用是最容易、最主要的除磷方式[26]。本研究采用的紅壤廣泛分布于我國(guó)低山丘陵地區(qū)、價(jià)格低廉、易于取用，是一種良好的人工濕地基質(zhì)，對(duì)P有較好的吸附去除作用[1]，其飽和吸附量可達(dá)1.61 mgg[27]。Tong等[24]采用垂直流人工濕地處理生活污水，基質(zhì)選用碎石與細(xì)砂。系統(tǒng)采用間歇進(jìn)水，HRT為5 d，TP進(jìn)水濃度為0.4～4.5 mgL時(shí)，系統(tǒng)TP去除率達(dá)到93％以上。龔琴紅等[28]采用垂直流濕地對(duì)生活污水中磷的去除進(jìn)行試驗(yàn)研究，基質(zhì)為碎石和細(xì)砂，不種植植物，當(dāng)水力負(fù)荷為14.1、21.2、42.4 cmd時(shí)，人工濕地對(duì)TP的去除效率分別為92.7％、81.2％和34.5％。

第90天，三格厭氧池及垂直流人工濕地進(jìn)入串聯(lián)運(yùn)行階段，系統(tǒng)TP進(jìn)水濃度為1.5～6.3 mgL，平均值為3.4 mgL；系統(tǒng)出水TP濃度為0.3～1.0 mgL，平均值為0.7 mgL；系統(tǒng)總?cè)コ蕿?7.5％～94.4％，平均值為73.9％。系統(tǒng)串聯(lián)運(yùn)行后期TP去除率有所下降，運(yùn)行至第157天時(shí)，去除率下降至58.8％，157～192 d，去除率為37.5～77.3％，平均值為61.0％。隨運(yùn)行時(shí)間增加，TP去除率呈下降趨勢(shì)，主要是因?yàn)闈竦匾约t壤為主的填料對(duì)磷的吸附趨于飽和。上述結(jié)果表明，該組合工藝對(duì)TP有良好的去除效果，當(dāng)三格厭氧池HRT為75 h，垂直流人工濕地HRT為30 h的條件下，出水TP濃度滿足GB 18918—2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)[20]，垂直流人工濕地對(duì)TP的去除起主要作用。

宋小康等[18]采用的ABR-復(fù)合人工濕地組合工藝中，TP進(jìn)水濃度為1.3～4.5 mgL，ABR的HRT為10 h，人工濕地的HRT為100.8 h時(shí)，組合工藝TP總?cè)コ蕿?3％。筆者的研究結(jié)果優(yōu)于該ABR-復(fù)合人工濕地的處理效果。

3 結(jié)論

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StudyofCombinedThree-chamberAnaerobicReactorandVerticalSubsurfaceFlowConstructedWetlandProcessforRuralGreyWastewaterTreatment

YANG Jin-gang1,2, WANG Hai-yan2,3, ZHOU Yue-xi2,3, YANG Li-wei1, GAO Jun-fa1, WEI Ji-miao1

1.Environmental Science and Engineering College, Chang'an University, Xi′an 710054, China 2.Research Center for Water Pollution Control Technology, Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China 3.State Key Laboratory of Environmental Criteria and Risk Assessment, Beijing 100012, China

rural grey wastewater; three-chamber anaerobic reactor; vertical subsurface flow constructed wetland

1674-991X(2013)02-0085-07

2012-10-09

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAJ21B01-02)

楊金剛(1987—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲鬯幚恚?26521929@qq.com

*責(zé)任作者:周岳溪(1964—)，男，研究員，博士，主要從事水污染控制技術(shù)研究，zhouyuexi@263.com

X703.1

A

10.3969j.issn.1674-991X.2013.02.015