李金中，李學菊

(天津市水利科學研究院，天津 300061)

近年來，農村人口的快速增長和農村城鎮(zhèn)化建設速度的加快，使農村水資源和水生態(tài)環(huán)境面臨著越來越大的壓力［1-2］。由于水資源嚴重短缺，農業(yè)大量引污灌溉，河流水體污染嚴重，水質惡化;而且農村人口居住分散，地域面積廣，排水系統(tǒng)及生活污水凈化系統(tǒng)不完善，生活污水未經處理直接排放，嚴重污染了環(huán)境。

農村生活污水處理技術的研發(fā)在我國尚屬起步和探索階段，主要有厭氧沼氣池技術、土地滲濾技術、固定化微生物技術、人工濕地技術。厭氧沼氣池技術將污水處理與生物質能源回用有機結合，實現了污水資源化［3］，但出水仍難以達到國家排放標準的要求。土壤滲濾系統(tǒng)具有處理效果好、投資低的優(yōu)點［4］，但也存在占地面積大、冬季不能運行、長期運行易堵塞等不足。固定化微生物技術具有微生物密度高、產物易分離、處理設備小型化等特點［5-7］，但其技術的主要缺點是對N、P 去除效果較差，出水與地表水水質標準仍有一定的差距。人工濕地具有負荷率高、占地面積小、效果可靠、耐受沖擊負荷等優(yōu)點［8-13］，但在處理生活污水時必須采取有效措施或預處理方法防止污染物對濕地內部的堵塞。綜上所述，現有污水處理技術用于農村生活污水處理，在運行和管理方面尚存在諸多問題［14-15］，難以適應農村生活污水處理的要求。

鑒于此，筆者針對農村生活污水水質特征、排放特點和處理要求，將物理沉降、固定化微生物、太陽能增氧和人工濕地等多項技術優(yōu)化集成，構建出一個鏈式生物生態(tài)凈化系統(tǒng)，實現對村鎮(zhèn)生活污水的高效低耗處理，并在天津薊縣劉相營村建立了示范工程，通過對示范工程近1a 的監(jiān)測，分析該凈化系統(tǒng)對生活污水中TP 的去除效果。

1 材料與方法

生物生態(tài)凈化系統(tǒng)由沉砂過濾池、固定化微生物濾池、太陽能增氧池和人工濕地4 個功能單元組成，在空間布局上采用串聯方式連接:沉砂過濾池位于系統(tǒng)的最前端，固定化微生物濾池安排在物化預處理區(qū)下游，太陽能增氧池位于微生物強化區(qū)下游，人工濕地安排在系統(tǒng)的最末端。污水依次流經沉砂過濾池、固定化微生物池、太陽能增氧池和人工濕地，4 個功能單元既保持在空間上的相對獨立性，功能上又相互聯系、互為補充、形成一體化、功能化、園藝景觀化、自然生態(tài)化的生物通道，既充分發(fā)揮各單項技術的優(yōu)勢，又形成了優(yōu)勢互補，發(fā)揮多技術的協同凈化的作用。

沉砂攔污池由3 個相互連通的密封沉淀池組成，夾帶泥沙、漂浮物及糞便的生活污水由第1 池依此順流至第3 池。第1 池主要截留粗顆粒泥沙、漂浮物及含蟲卵較多的糞便，松散的糞塊因發(fā)酵膨脹而浮升，與污水中漂浮物一起漂浮截留于池體上部，比重大的泥沙在重力作用下沉于池底，寄生蟲比重大也自然沉降于池底。第2 池起進一步沉淀分離作用，與第1 池相比，第2 池的漂浮物和淤泥數量減少，廢水處于比較靜止狀態(tài)，有利于細小懸浮顆粒物的繼續(xù)分離。第3 池主要起儲存清液的作用。經前2 池處理后的廢水進入第3 池，基本上已經不含寄生蟲卵和漂浮物及懸浮物，達到了固液分離的要求，中層清液進入下一級處理單元。

固定化微生物池是裝有填料的生物反應器，在濾料表面有以生物膜形態(tài)生長的微生物群體，在濾料空隙中則截留了大量懸浮生長的微生物，廢水通過濾料層時，通過厭氧微生物將高分子有機物降解為低分子有機物、有機氮降解為無機氮、有機磷降解為無機磷等，以提高后續(xù)濕地處理系統(tǒng)對污染物的去除效率。同時固定化微生物池的厭氧環(huán)境將蛋白性有機物發(fā)酵分解成氨，具有殺滅寄生蟲卵及病菌的作用。

生活污水經固定化微生物池處理后，水中溶解氧濃度進一步降低，處于嚴重虧氧狀態(tài)，不利于后續(xù)濕地處理系統(tǒng)中好氧微生物的分解。太陽能增氧池的主要作用是以太陽能為動力，通過人工措施增加污水中溶解氧濃度，為后續(xù)濕地處理工藝中好氧微生物提供氧源。太陽能增氧裝置主要構件包括太陽能板、蓄電池、曝氣機及與之連接的曝氣管，太陽能板連接蓄電池，蓄電池連接曝氣機，曝氣機連接伸入水中的曝氣管。

人工濕地結構采用波式流人工濕地，其處理單元由人工基質、水生植物和附著在基質及植物根區(qū)的微生物組成，是一種獨特的“基質-植物-微生物”生態(tài)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，植物扎根于基質床的表層，植物根系和填料為微生物提供附著的載體［16］，同時植物根系為微生物提供氧源，在靠近根區(qū)的填料層形成好氧區(qū)，而在遠離根區(qū)的填料層形成厭氧或兼氧區(qū)，水體以波浪式流經填料表層和底層時，反復經過好氧、厭氧以及硝化和反硝化的過程，從而實現對有機污染物和氮磷的高效去除［17-19］。與自然濕地相比，波式流人工濕地在相同面積條件下處理能力大幅度提高，能夠克服天然濕地比較脆弱的缺點，具有負荷率高、占地面積小、效果可靠、耐沖擊負荷等優(yōu)點，而且水流在填料表層以下流動，不易滋生蚊蠅。濕地表面可種植水質凈化能力強、景觀效果好的水生植物，在凈化水質的同時，起到良好的景觀效果。

2 示范工程

示范工程位于天津市薊縣穿芳峪鄉(xiāng)劉相營村，收水范圍包括劉相營、大辛莊、小辛莊、姚白莊等4個村莊，匯水區(qū)面積2.25 km2，人口4 010 人。污水處理規(guī)模為4000 m3/d，主要包括生活污水、分散養(yǎng)殖廢水和初期雨水。示范工程于2009 年12 月開始建設，2010 年9 月26 日開始進行水質監(jiān)測。共設置了5 個監(jiān)測點，其中沉砂攔污池進水口(1 號)、沉砂攔污池出水口(2 號)、固定化微生物池出水口(3 號)、太陽能增氧池出水口(4 號)、人工濕地出水口(5 號)各設一個監(jiān)測點。工藝流程及監(jiān)測點設置見圖1。

監(jiān)測頻率為每周取樣1 次，TP 分析方法采用過硫酸鉀消解—鉬銻抗分光光度法，儀器為UV-7504c 紫外分光光度計(上海生產)。

圖1 工藝流程及監(jiān)測點設置示意圖

根據各監(jiān)測點污染物濃度，分別計算各處理單元對TP 的去除率以及整個處理工藝對TP 的去除率。去除率的計算公式為

式中:P 為TP 去除率，%;ρ進水、ρ出水分別為進、出水口處的TP 質量濃度，mg/L。

3 結果與分析

各處理單元出水TP 質量濃度變化如圖2 所示。

圖2 各處理單元進、出水TP 質量濃度變化

由圖2 可以看出，示范工程的進水TP 質量濃度較高且變化幅度較大，在1.74 ～15.72 mg/L 之間波動。2011 年6 月18 日TP 質量濃度較高的主要原因是取樣前該區(qū)域有小強度降雨，積蓄在村內坑洼內的糞便浸泡水隨雨水進入村內溝渠中，并隨之進入污水處理示范工程，而糞便浸泡水中TP 質量濃度極高，造成該時間段內進水溝渠中TP 質量濃度較高。示范工程出水TP 質量濃度相對低，且水質較為穩(wěn)定，說明集成工藝系統(tǒng)對生活污水中磷具有較高的去除效果，系統(tǒng)最終出水穩(wěn)定在0.04 ～0.24 mg/L 之間，穩(wěn)定達到地表水Ⅳ類水質標準。

從TP 濃度的沿程變化趨勢來看，在濕地內TP質量濃度的下降幅度大，而在沉砂攔污池、固定化微生物池和太陽能曝氣池中TP 質量濃度雖然有不同程度的下降，但下降幅度相對較小，說明對TP 起最終去除作用的主要是濕地單元，而其他單元對TP的去除主要是起輔助作用。沉砂池、固定化微生物池和太陽能曝氣池雖然對TP 的最終去除量較小，但在系統(tǒng)中所起的作用也是不可或缺的。沉砂池內TP 質量濃度略有降低，其主要原因是P 吸附于懸浮顆粒上，說明沉砂攔污池除具有固液分離作用外，對TP 也有一定的去除效果。

而固定化微生物池主要是利用兼氧、厭氧性微生物對水體中P 進行不完全分解，這種不完全降解對提高后續(xù)濕地單元對污水中的P 去除是極其有利和必要的。固定化微生物池中小部分P 通過微生物積累、沉降作用得以去除，因此表現出該單元內TP 質量濃度仍有小幅度下降。

人工濕地對P 的去除途徑主要有3 種方式:①植物吸收作用，P 是植物體生長所需的重要營養(yǎng)元素，植物通過根系吸收水體中的P，并通過同化作用轉化為自身的營養(yǎng)物質，最終通過植物的收割將P 帶出水體［20-21］;②物理化學作用，人工濕地填料中含有大量的Ca、Fe、Al 等礦物成分，這些元素在微生物分解下逐步釋放，并與P 結合形成Ca-P、Fe-P 和Al-P 沉淀，通過物理沉淀作用將P 從水體中去除［22］;③通過微生物作用，P 是組成微生物細胞膜的重要組成部分，微生物繁殖過程中利用水體中的P 進行增殖，最終以淤泥形式進行沉積［23-25］。從濕地內部TP的變化來看，對TP 降低最大的是濕地前部。

示范工程各處理單元對TP 去除率的變化見圖3。

圖3 各處理單元TP 去除率的變化

由圖3 可以看出，示范工程對TP 的總去除率達到95.4% ～99.59%。各單元對TP 的去除率中以濕地單元最大，達到93.63% ～99.44%，太陽能曝氣單元對TP 的去除率達到0.55% ～25.4%，固定化微生物池對TP 的去除率達到2.46% ～23.07%，沉砂攔污池對TP 的去除率達到2.88% ～35.63%。

此外，根據對COD 和TP 濃度同步監(jiān)測結果表明，集成工藝對COD 的去除率可達到84.53% ～96.74%，對TN 的去除率達到88.03% ～97.98%。示范工程利用地勢差形成自流，利用太陽能增氧，污水處理過程中不需消耗電能。水處理規(guī)模為4 000 m3/d，冬季可正常運行，處理成本低于0.15 元/m3，主要為設備折舊和植物維護費用。

4 結 論

通過示范工程1 a 的水質監(jiān)測，可以得出以下結論:

a. 生物生態(tài)集成技術在生活污水處理應用中具有投資與運行費用低、處理效果好、TP 去除能力強、景觀效果好、運行維護管理方便等諸多優(yōu)點。

b. 生物生態(tài)集成技術對TP 具有極好的去除效果，去除率達到95.4% ～99.59%，出水TP 濃度達到地表水Ⅳ類水質標準，截污減排效果明顯。

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