陳登美 朱 彬 康 媞
(貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計院,貴陽 550081)
貴州省作為西部欠發(fā)達(dá)省份,受經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及喀斯特地形條件等限制,污水的收集和處理面臨較大的困難,全省農(nóng)村生活污水處理較全國而言處于較低水平,由于農(nóng)村居民分布零散,污水排放量小,水量波動大,難以集中收集處理等自身特點,宜采用分散式生活污水處理方式,推進(jìn)農(nóng)村污水治理[1]。
目前,貴州省農(nóng)村生活污水處理技術(shù)主要以生物處理為主,其中人工濕地由于具有建造和運行費用低、易于維護(hù)等優(yōu)點[2-4],被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理,但由于人工濕地所能承受的水力負(fù)荷較小,污染物去除能力較低,在推廣運用上有一定的局限性,而生態(tài)濾池具有水力負(fù)荷較高、占地面積較小等優(yōu)點,在貴州污水處理中具有較好的適用性。
生態(tài)濾池主要是由填料基質(zhì)以及植物等組成。通常認(rèn)為,生態(tài)濾池主要是通過物理作用、化學(xué)作用以及生物作用這三個方面的協(xié)同作用達(dá)到對污水凈化的目的[5-7]。目前對溶解氧與污染物的去除影響主要研究對象為人工濕地[8-9],對生態(tài)濾池中DO變化情況與污染物去除關(guān)系的研究較少。為研究生態(tài)濾池出水中DO含量與污染物的去除關(guān)系,為貴州省農(nóng)村污水處理設(shè)計參數(shù)提供依據(jù),在實驗室內(nèi)構(gòu)建了生態(tài)濾池,研究出水中DO含量和污染物的去除率關(guān)系。
有研究表明,貴州本土耐污能力相對較強的野生水生植物有水蔥、藨草、菰、羊蹄、莕菜、白水苦菜6種植物[10],通過與廣泛應(yīng)用于污水處理試驗研究的菖蒲、美人蕉和旱傘草進(jìn)行對比,結(jié)果表明:以上6種本土植物對污水中污染物有一定的凈化效果,但相比菖蒲、美人蕉和旱傘草其凈化效果較差,且由于6種本土植物沒有規(guī)模化種植,獲取難度較大,因此選取美人蕉和旱傘草作為本次生態(tài)濾池試驗裝置中的配置植物,栽種時植株高15~20 cm。
設(shè)計3組生態(tài)濾池小型試驗裝置,每組設(shè)置兩個平行,分別種植美人蕉、旱傘草、美人蕉+旱傘草,分組情況見表1,植株種植密度為30株/m2,除種植植物不同外,其余均相同。試驗裝置采用直徑400 mm有機玻璃管制作,反應(yīng)器裝置見圖1。填料從下至上采取粒徑逐漸變小的級配方式,填料總高度為80 cm,采用蠕動泵控制進(jìn)水和十字架布水管布水,
表1 植株種植與分組
圖1 室內(nèi)試驗裝置示意圖
濾池底部設(shè)置采樣點。該裝置于2018年7月開始運行,2018年9-12月對出水中溶解氧含量與污染物去除效果進(jìn)行研究。
試驗污水進(jìn)水取自貴州省環(huán)??萍紙@化糞池,進(jìn)水指標(biāo)見表2,平均C/N比為4.39。
表2 試驗進(jìn)水水質(zhì) 單位:mg/L
進(jìn)水水力負(fù)荷為0.8~0.9 m3/m2·d之間,以24 h連續(xù)進(jìn)水方式運行。每周對進(jìn)出水取樣進(jìn)行水質(zhì)檢測和分析,監(jiān)測指標(biāo)為:COD、NH3-N、TN、TP、DO、水溫、pH值。具體測試方法與使用儀器見表3,具體操作步驟參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[11]。由于本次進(jìn)水為貴州省環(huán)保科技園化糞池污水,受污水中懸浮物等的影響,流量在一定范圍內(nèi)有波動。
表3 分析項目與方法
植物在種植兩周后全部成活,試驗前期平均每月凈生長高度約6~10 cm,長勢總體良好;到11月,植株總高度為40~45 cm。試驗期間出現(xiàn)老葉枯黃狀態(tài)時及時將枯黃的老葉去除;進(jìn)入11月,由于受低溫影響,植物生長較緩慢,進(jìn)入12月,基本處于生長停滯狀態(tài)。整個試驗期間,污水24 h連續(xù)進(jìn)入,未出現(xiàn)水淹狀態(tài)。
從9月至12月,COD去除率與出水DO的關(guān)系見圖2。
對三組裝置的COD去除率與出水的DO進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明,美人蕉裝置的COD去除率與出水DO含量有很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)在0.815以上;美人蕉+旱傘草裝置在9月相關(guān)性不明顯,從10月以后,相關(guān)系數(shù)為0.93;旱傘草裝置除11月上旬外,相關(guān)性達(dá)到了0.9以上,總體上,三組裝置出水中DO與COD去除率呈較好正相關(guān)。試驗表明,在DO充足的情況下,好氧微生物在降解有機物的過程中,氧能得到有效供應(yīng),好氧微生物的生長代謝能持續(xù)進(jìn)行,由于COD去除主要為好氧微生物的作用,因此其去除率也較高;而當(dāng)出水中DO含量較低時,在裝置系統(tǒng)反應(yīng)后端,裝置中無足夠的氧去維持好氧微生物的生長代謝,降解有機物的過程受到DO不足的制約,COD去除率下降。同時,由于受低溫影響,微生物活性降低,植物生長緩慢甚至停滯,根系輸氧能力降低,處理效果下降。
圖2 COD去除率與出水中DO關(guān)系圖
從進(jìn)出水DO變化情況來看,在9月至11月上旬,三個裝置出水中DO均高于進(jìn)水中的DO,在這期間植物長勢良好,說明這期間裝置中可能存在植物根系泌氧的情況。而在11月下旬至12月,進(jìn)水中的DO均高于出水中DO,這可能是由于受低溫影響,植物生長處于停滯狀態(tài),根系泌氧能力減弱,而系統(tǒng)中的好氧微生物生長耗氧,出水中DO濃度降低。
從出水濃度達(dá)標(biāo)情況來看,以上三個裝置在整個試驗期間出水均達(dá)到或優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級B排放標(biāo)準(zhǔn),其中在12月由于受低溫影響,出水COD較其他月偏高,但均達(dá)到了一級B排放標(biāo)準(zhǔn),也全部達(dá)到了《貴州省農(nóng)村生活污水處理污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB52/1424-2019)中的一級標(biāo)準(zhǔn)。
從實驗室結(jié)果來看,在工程設(shè)計中,對于生態(tài)濾池布水管孔徑及孔間距需要根據(jù)處理水量、濾池面積等進(jìn)行合理設(shè)計,使進(jìn)水盡可能的均勻分布,對于填料的選擇和布置需兼顧到處理效果及防堵塞情況,防止進(jìn)水發(fā)生短路現(xiàn)象。同時根據(jù)研究表明,在一定水力負(fù)荷調(diào)節(jié)下,降低水力負(fù)荷有助于處理效率提升[12-13],因此在冬季溫度較低情況下可通過適當(dāng)減小水力負(fù)荷提高出水水質(zhì)。
從9月至12月,NH3-N去除率與出水DO的關(guān)系見圖3。
圖3 NH3-N去除率與出水中DO關(guān)系圖
對9月至12月出水DO監(jiān)測發(fā)現(xiàn),從11月開始,氣溫低于12℃時,由于受低溫影響,植物生長處于休眠狀態(tài),根系輸氧能力弱,出水中DO 均顯著降低,受低溫影響微生物生長代謝受到抑制。
對三組裝置的NH3-N去除率與出水的DO進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明,美人蕉裝置的NH3-N去除率與出水DO含量有較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)在0.820以上;美人蕉+旱傘草裝置在9月無明顯相關(guān)性,從10月下旬開始,相關(guān)系數(shù)為0.932,相關(guān)性較高;旱傘草裝置除11月上旬外,其余相關(guān)性也達(dá)到了0.87以上。氨氮去除率與出水中DO相關(guān)性與COD基本一致。由于氨氮的去除主要為硝化菌類作用,而硝化菌類主要為好氧微生物,當(dāng)出水DO含量高,說明濾池中的DO較充足,好氧微生物在發(fā)生硝化作用時,由于氧能得到有效供應(yīng),硝化菌的生長代謝能得到持續(xù)進(jìn)行,促進(jìn)了硝化作用的發(fā)生,氨氮得以去除,這與COD去除率的變化基本一致。
從出水濃度達(dá)標(biāo)情況來看,三組裝置出水濃度均都能達(dá)到或優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級B排放標(biāo)準(zhǔn),也全部達(dá)到了《貴州省農(nóng)村生活污水處理污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB52/1424-2019)中的一級標(biāo)準(zhǔn)。
試驗期間通過對出水中的DO進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)TN的去除率和出水中的DO有一定的相關(guān)性,但相關(guān)性并不明顯。通過2018年10月對裝置中10 cm土壤層的微生物檢測發(fā)現(xiàn),裝置中存在好氧、厭氧和兼氧性反硝化菌,而反硝化作用是以上幾類反硝化菌共同作用的結(jié)果,這可能是導(dǎo)致TN的去除與出水中DO無相關(guān)性的原因,另外,進(jìn)水C/N比低也可能是導(dǎo)致裝置后端反硝化作用不明顯的原因之一。
從出水濃度達(dá)標(biāo)情況來看,三組裝置NH3-N出水濃度除12月外,其余月均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級B排放標(biāo)準(zhǔn),在12月由于受低溫影響,出水略有超標(biāo)情況。
在實際工程中,可通過前端曝氣或自然通風(fēng)方式加強前端的硝化作用,使前端的氨氮盡可能的轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮,為反硝化的順利進(jìn)行提供前體物質(zhì),后端若碳源不足時可通過回流、多點進(jìn)水方式在不額外增加碳源的情況下為反硝化作用提供碳源,使反硝化過程能充分進(jìn)行。同時在冬季低溫情況下合理調(diào)節(jié)水力負(fù)荷,增加水力停留時間,從而提高處理系統(tǒng)的除氮效率。
COD和NH3-N的去除率總體來說與出水中的DO呈正相關(guān),但TN由于裝置中存在厭氧、好氧和兼氧性反硝化菌,反硝化作用是以上幾類反硝化菌共同的結(jié)果,因此TN去除率與出水中DO無明顯相關(guān)性。在實際工程中,為提高系統(tǒng)對COD、NH3-N去除率,可考慮在系統(tǒng)的前端采取自然通風(fēng)或強制通風(fēng)方式,保持系統(tǒng)前端處于好氧環(huán)境,利于硝化作用的進(jìn)行。而在裝置后端為維持反硝化階段有足夠的碳源,可通過回流、多點進(jìn)水等方式在不外加碳源的情況下補充反硝化所需碳源,同時微生物的豐富性和多樣性也可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和污染物的處理率。