论文部分内容阅读
【关键词】村镇污水;生物-生态组合装置;跌水接触氧化;跌水方式;人工湿地
【中图分类号】X703.1;TQ031.7【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2021）08-0061-03
为响应“十三五”规划任务及全面建成小康社会，各级政府都在推进“美丽乡村”的建设。其中，完善村镇相应的生活污水处理设施是最重要且极具挑战性的一环。由于村镇人口密度低、水质简单稳定，前期投资小、运行成本低、建设周期短、氮磷可資源化利用的人工湿地相比传统污水处理厂优势巨大，因此受到广泛关注[1-2]。
跌水曝气指利用高位水与低位水间高差，水体在自由跌落过程中进行充氧的曝气方式。跌水接触氧化装置与人工湿地可借助地形因素自然结合，建造费用低且周期短，对COD、NH4+-N、总磷的处理效果有明显提升;极大地减少了运行和维护的成本[3-4]。目前，吴义锋[5]、李文祺[6]等人研究了不同曝气形式与跌水高度对装置内充氧效果的影响;商光琦[7]等人利用一种跌水紊流穿孔板研究了紊流状态对充氧效果的影响;蒋毓婷、许海瀛[8]等人设计了一种单板交替式跌水装置，用于改善跌水状态，从而提高充氧效果及生物氧化效率;张跃峰[9]等人探究了水温、填料对充氧效果及污染物去除效率的影响。目前，大多数研究基于装置改良、工艺组合及水流状态优化提升系统内充氧效果[5，10]，借此提升污染物去除效率。单板交替式跌水-人工湿地组合装置作为一种新型工艺，针对其进水模式的影响研究却鲜有报道。
本文对比了单一人工湿地与单板交替式跌水接触氧化-人工湿地组合设备（简称组合设备）运行状态及对出水COD、NH4+-N、TN、TP等污染物等的去除效果，并探究不同进水条件下组合设备对不同污染物去除效果的影响，以期为此工艺的应用提供一定的参考依据。
1 实验装置及药品
1.1 实验装置
实验采用跌水板左右交错放置的跌水装置，使其与人工湿地装置组合。该跌水装置为有机玻璃制作，跌水装置高1 450 mm（跌水高度在20～120 cm可控），具体尺寸长为1 200 mm，宽500 mm，高400 mm，容积为240 L。每一层跌水隔板上都有悬挂填料的凸起，方便悬挂填料放置污泥随跌落的水体流入下一跌水板。在跌水板外边缘处设计有均匀的齿墩，底部设有3 m高的拔风装置，高度可控。
人工湿地装置单元采用2个湿地池串联。2个湿地处理池从底部向上依次填充20～50 mm的碎石（15 cm左右），2～10 mm的砾石（20 cm左右），0.5～5 mm的粗砂（20 cm左右），0.25～0.35 mm的细沙（20 cm左右），表面有2～4 cm水深[4]。人工湿地整体流态属于混合流态。组合装置示意简图如图1所示。
1.2 实验用水
本实验村镇污水为自配模拟污水，选用葡萄糖维持原水中COD稳定于250 mg/L，模拟污水的配制方法为葡萄糖（0.13 mg·L-1），蛋白胨（0.15 mg·L-1），NH4Cl（0.08 mg·L-1），NaCl（0.1 mg·L-1），NaHCO3（0.14 mg·L-1），KH2PO4（0.012 mL·L-1），另加入些许微量元素（Zn、Ca、Mg）溶液（1 mL·L-1）。
2 人工湿地与组合工艺处理效果比对
2.1 实验条件
为了考查跌水接触氧化装置对于人工湿地装置增氧的具体情况，对人工湿地装置（简称A装置）与跌水接触氧化-人工湿地装置（简称B装置）在相同条件下进行平行对比试验。试验进行条件见表1。
2.2 结果及分析
由图2、图3可看出，B装置对COD、NH4+-N的处理效果更佳，跌水接触氧化装置对COD、NH4+-N处理的平均贡献率分别为47.4%、33.7%。实验进行到第15 d后，两种装置出水COD及NH4+-N趋于稳定，B装置出水COD均在60 mg/L以下、NH4+-N均少于7.7 mg/L，远低于A装置的平均出水COD（250 mg/L）及NH4+-N（20 mg/L）。
3 不同进水条件下B装置对各污染物的去除
3.1 实验条件
相关研究表明，连续的进水会使湿地长期积水，从而制约湿地表层与空气的接触，不利于湿地系统的有效复氧，适时的间歇运行对于人工湿地的脱氮除磷有增益作用[6]，并且人工湿地系统充氧率的增高对COD的去除率也会有一定的提升。为此，在湿地连续运行若干天后选择在进水7 h后停止进水7 h在HRT为14 h的工况下运行，并与连续进水做比较分析。具体运行参数见表2。
3.2 COD处理效果分析
如图4所示，间歇式进水的工况下COD的平均去除率为80.01%，连续式进水工况下平均去除率为77.78%，相比而言，COD的去除率提高了2.87%。
间歇进水组对COD的去除率相对来说更加稳定，但去除率的增长却相对缓慢，这是因为跌水接触氧化装置能提供的生物需氧量有限，并不能过多满足不断增长的微生物。在第17 d更新填料后，去除率有小幅提升后又开始降低至平稳，说明在跌水接触氧化装置中有部分微生物在间歇进水的模式下已经发生厌氧，后续进水阶段难以令这部分微生物恢复其生命力。
3.3 NH4+-N、TN处理效果分析
如图5和图6所示，间歇式进水的工况下NH4+-N的平均去除率为81.27%，TN平均去除率为80.95%;连续式进水工况下NH4+-N平均去除率为80.78%，TN平均去除率为76.81%。相比而言，NH4+-N的去除率增加了0.61%，TN去除率增加了5.39%。
连续式进水的工况下，对NH4+-N、TN的去除效果一直很稳定;间歇式进水工况在第17天更新填料后NH4+-N、TN去除率分别提升12.71%、18.8%。这其中可能是间歇式进水提供的DO不稳定，无法提供硝化菌适宜的好氧环境，使得接触氧化池中的硝化反应不能充分地进行，但间歇式进水使人工湿地保持干湿交替的形态，在内部形成稳定的好氧—缺氧—厌氧区域，从而为微生物的硝化反硝化提供了稳定的反应条件，增强了人工湿地模块的整体脱氮能力。 3.4 TP处理效果分析
如图7、8所示，间歇式进水工况下TP的平均去除率为72.31%，平均出水TP为0.82 mg/L;连续式进水工况下TP平均去除率为67.81%，平均出水TP为1.01 mg/L。相比而言，去除率增加了6.64%。
间歇运行工况下湿地表层与空气经过一定时间的接触后，上层基质中的好氧微生物活性增加更加有利于磷细菌的代谢。通过磷细菌好氧吸磷作用后的出水TP会明显下降，但在较深的下部湿地基质中存在一定程度的厌氧条件，磷细菌厌氧放磷，只能通过基质的吸附沉淀发挥除磷效果。
4 结论
（1）单板交替式跌水接触氧化装置对人工湿地COD、NH4+-N的去除率具有明显的提升作用，平均贡献率分别为47.4%、33.7%;对TN、TP去除率的提升较少，平均贡献率分别为2.8%、2.6%。
（2）在HRT为14 h、间歇周期为7 h的工况下，相较于连续进水模式，COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别提升2.87%、0.61%、5.39%、6.64%。其中，间歇进水模式平均出水COD、NH4+-N、TP可达一级B标准，所以一定时间的间歇运行对于人工湿地来说，既能够起到优化处理效率的效果，又能起到节能的作用。
（3）间歇运行对组合装置污染物去除的促进作用主要表现为使人工湿地保持干湿交替状态，一方面提高上层基质中好氧微生物的活性，另一方面在内部形成稳定的好氧—缺氧—厌氧区域。
参 考 文 献
[1]VO T D H，BUI X T，LIN C，et al.A mini-review on shallow-bed constructed wetlands：a promising innovative green roof[J].Curr Opin Environ Sci H-
ealth，2019，12：38-47.
[2]胡小波，骆辉，荆肇乾，等.农村生活污水处理技术的研究进展[J].应用化工，2020，49（11）：2871-2876.
[3]蔣毓婷，许海瀛.跌水接触氧化-人工湿地技术处理农村污水研究[J].辽宁化工，2018，47（7）：671-673.
[4]张跃峰.生物生态组合型农村生活污水处理系统污染物去除特性及工艺模拟研究[D].南京：东南大学，2018.
[5]ILYAS H，VAN HULLEBUSCH E D.A review on t-he occurrence，fate and removal of steroidal hormones during treatment with different types of co-nstructed wetlands[J].J Environ Chem Eng，2020，8（3）：122086.
[6]熊家晴，孙璐杨，陈浩，等.不同基质磷吸附性能及其在表流人工湿地中应用[J].工业水处理，2015，35（1）：72-76.
[7]商光琦，余太平，孙士权，等.分散式污水处理工艺跌水装置设计与充氧性能研究[J].环境科学与技术，2020，43（8）：156-162.
[8]蒋毓婷，许海瀛.跌水接触氧化-人工湿地技术处理农村污水研究[J].辽宁化工，2018，47（7）：671-673.
[9]张跃峰.生物生态组合型农村生活污水处理系统污染物去除特性及工艺模拟研究[D].南京：东南大学，2018.
[10]LIU R，ZHAO Y，DOHERTY L，et al.A review of incorporation of constructed wetland with other treatment processes[J].Chem Eng J，2015，279：220-230.
【中图分类号】X703.1;TQ031.7【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2021）08-0061-03
为响应“十三五”规划任务及全面建成小康社会，各级政府都在推进“美丽乡村”的建设。其中，完善村镇相应的生活污水处理设施是最重要且极具挑战性的一环。由于村镇人口密度低、水质简单稳定，前期投资小、运行成本低、建设周期短、氮磷可資源化利用的人工湿地相比传统污水处理厂优势巨大，因此受到广泛关注[1-2]。
跌水曝气指利用高位水与低位水间高差，水体在自由跌落过程中进行充氧的曝气方式。跌水接触氧化装置与人工湿地可借助地形因素自然结合，建造费用低且周期短，对COD、NH4+-N、总磷的处理效果有明显提升;极大地减少了运行和维护的成本[3-4]。目前，吴义锋[5]、李文祺[6]等人研究了不同曝气形式与跌水高度对装置内充氧效果的影响;商光琦[7]等人利用一种跌水紊流穿孔板研究了紊流状态对充氧效果的影响;蒋毓婷、许海瀛[8]等人设计了一种单板交替式跌水装置，用于改善跌水状态，从而提高充氧效果及生物氧化效率;张跃峰[9]等人探究了水温、填料对充氧效果及污染物去除效率的影响。目前，大多数研究基于装置改良、工艺组合及水流状态优化提升系统内充氧效果[5，10]，借此提升污染物去除效率。单板交替式跌水-人工湿地组合装置作为一种新型工艺，针对其进水模式的影响研究却鲜有报道。
本文对比了单一人工湿地与单板交替式跌水接触氧化-人工湿地组合设备（简称组合设备）运行状态及对出水COD、NH4+-N、TN、TP等污染物等的去除效果，并探究不同进水条件下组合设备对不同污染物去除效果的影响，以期为此工艺的应用提供一定的参考依据。
1 实验装置及药品
1.1 实验装置
实验采用跌水板左右交错放置的跌水装置，使其与人工湿地装置组合。该跌水装置为有机玻璃制作，跌水装置高1 450 mm（跌水高度在20～120 cm可控），具体尺寸长为1 200 mm，宽500 mm，高400 mm，容积为240 L。每一层跌水隔板上都有悬挂填料的凸起，方便悬挂填料放置污泥随跌落的水体流入下一跌水板。在跌水板外边缘处设计有均匀的齿墩，底部设有3 m高的拔风装置，高度可控。
人工湿地装置单元采用2个湿地池串联。2个湿地处理池从底部向上依次填充20～50 mm的碎石（15 cm左右），2～10 mm的砾石（20 cm左右），0.5～5 mm的粗砂（20 cm左右），0.25～0.35 mm的细沙（20 cm左右），表面有2～4 cm水深[4]。人工湿地整体流态属于混合流态。组合装置示意简图如图1所示。
1.2 实验用水
本实验村镇污水为自配模拟污水，选用葡萄糖维持原水中COD稳定于250 mg/L，模拟污水的配制方法为葡萄糖（0.13 mg·L-1），蛋白胨（0.15 mg·L-1），NH4Cl（0.08 mg·L-1），NaCl（0.1 mg·L-1），NaHCO3（0.14 mg·L-1），KH2PO4（0.012 mL·L-1），另加入些许微量元素（Zn、Ca、Mg）溶液（1 mL·L-1）。
2 人工湿地与组合工艺处理效果比对
2.1 实验条件
为了考查跌水接触氧化装置对于人工湿地装置增氧的具体情况，对人工湿地装置（简称A装置）与跌水接触氧化-人工湿地装置（简称B装置）在相同条件下进行平行对比试验。试验进行条件见表1。
2.2 结果及分析
由图2、图3可看出，B装置对COD、NH4+-N的处理效果更佳，跌水接触氧化装置对COD、NH4+-N处理的平均贡献率分别为47.4%、33.7%。实验进行到第15 d后，两种装置出水COD及NH4+-N趋于稳定，B装置出水COD均在60 mg/L以下、NH4+-N均少于7.7 mg/L，远低于A装置的平均出水COD（250 mg/L）及NH4+-N（20 mg/L）。
3 不同进水条件下B装置对各污染物的去除
3.1 实验条件
相关研究表明，连续的进水会使湿地长期积水，从而制约湿地表层与空气的接触，不利于湿地系统的有效复氧，适时的间歇运行对于人工湿地的脱氮除磷有增益作用[6]，并且人工湿地系统充氧率的增高对COD的去除率也会有一定的提升。为此，在湿地连续运行若干天后选择在进水7 h后停止进水7 h在HRT为14 h的工况下运行，并与连续进水做比较分析。具体运行参数见表2。
3.2 COD处理效果分析
如图4所示，间歇式进水的工况下COD的平均去除率为80.01%，连续式进水工况下平均去除率为77.78%，相比而言，COD的去除率提高了2.87%。
间歇进水组对COD的去除率相对来说更加稳定，但去除率的增长却相对缓慢，这是因为跌水接触氧化装置能提供的生物需氧量有限，并不能过多满足不断增长的微生物。在第17 d更新填料后，去除率有小幅提升后又开始降低至平稳，说明在跌水接触氧化装置中有部分微生物在间歇进水的模式下已经发生厌氧，后续进水阶段难以令这部分微生物恢复其生命力。
3.3 NH4+-N、TN处理效果分析
如图5和图6所示，间歇式进水的工况下NH4+-N的平均去除率为81.27%，TN平均去除率为80.95%;连续式进水工况下NH4+-N平均去除率为80.78%，TN平均去除率为76.81%。相比而言，NH4+-N的去除率增加了0.61%，TN去除率增加了5.39%。
连续式进水的工况下，对NH4+-N、TN的去除效果一直很稳定;间歇式进水工况在第17天更新填料后NH4+-N、TN去除率分别提升12.71%、18.8%。这其中可能是间歇式进水提供的DO不稳定，无法提供硝化菌适宜的好氧环境，使得接触氧化池中的硝化反应不能充分地进行，但间歇式进水使人工湿地保持干湿交替的形态，在内部形成稳定的好氧—缺氧—厌氧区域，从而为微生物的硝化反硝化提供了稳定的反应条件，增强了人工湿地模块的整体脱氮能力。 3.4 TP处理效果分析
如图7、8所示，间歇式进水工况下TP的平均去除率为72.31%，平均出水TP为0.82 mg/L;连续式进水工况下TP平均去除率为67.81%，平均出水TP为1.01 mg/L。相比而言，去除率增加了6.64%。
间歇运行工况下湿地表层与空气经过一定时间的接触后，上层基质中的好氧微生物活性增加更加有利于磷细菌的代谢。通过磷细菌好氧吸磷作用后的出水TP会明显下降，但在较深的下部湿地基质中存在一定程度的厌氧条件，磷细菌厌氧放磷，只能通过基质的吸附沉淀发挥除磷效果。
4 结论
（1）单板交替式跌水接触氧化装置对人工湿地COD、NH4+-N的去除率具有明显的提升作用，平均贡献率分别为47.4%、33.7%;对TN、TP去除率的提升较少，平均贡献率分别为2.8%、2.6%。
（2）在HRT为14 h、间歇周期为7 h的工况下，相较于连续进水模式，COD、NH4+-N、TN、TP的去除率分别提升2.87%、0.61%、5.39%、6.64%。其中，间歇进水模式平均出水COD、NH4+-N、TP可达一级B标准，所以一定时间的间歇运行对于人工湿地来说，既能够起到优化处理效率的效果，又能起到节能的作用。
（3）间歇运行对组合装置污染物去除的促进作用主要表现为使人工湿地保持干湿交替状态，一方面提高上层基质中好氧微生物的活性，另一方面在内部形成稳定的好氧—缺氧—厌氧区域。
参 考 文 献
[1]VO T D H，BUI X T，LIN C，et al.A mini-review on shallow-bed constructed wetlands：a promising innovative green roof[J].Curr Opin Environ Sci H-
ealth，2019，12：38-47.
[2]胡小波，骆辉，荆肇乾，等.农村生活污水处理技术的研究进展[J].应用化工，2020，49（11）：2871-2876.
[3]蔣毓婷，许海瀛.跌水接触氧化-人工湿地技术处理农村污水研究[J].辽宁化工，2018，47（7）：671-673.
[4]张跃峰.生物生态组合型农村生活污水处理系统污染物去除特性及工艺模拟研究[D].南京：东南大学，2018.
[5]ILYAS H，VAN HULLEBUSCH E D.A review on t-he occurrence，fate and removal of steroidal hormones during treatment with different types of co-nstructed wetlands[J].J Environ Chem Eng，2020，8（3）：122086.
[6]熊家晴，孙璐杨，陈浩，等.不同基质磷吸附性能及其在表流人工湿地中应用[J].工业水处理，2015，35（1）：72-76.
[7]商光琦，余太平，孙士权，等.分散式污水处理工艺跌水装置设计与充氧性能研究[J].环境科学与技术，2020，43（8）：156-162.
[8]蒋毓婷，许海瀛.跌水接触氧化-人工湿地技术处理农村污水研究[J].辽宁化工，2018，47（7）：671-673.
[9]张跃峰.生物生态组合型农村生活污水处理系统污染物去除特性及工艺模拟研究[D].南京：东南大学，2018.
[10]LIU R，ZHAO Y，DOHERTY L，et al.A review of incorporation of constructed wetland with other treatment processes[J].Chem Eng J，2015，279：220-230.