SBR与人工湿地组合工艺处理生活污水的试验研究

16建设科技SBR与人工湿地组合工艺处理生活污水的试验研究*何强梁建军柴宏祥魏武强WisaamS.Al-Rekab（重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆，400045）作者简介：何强，（1965－），男，教授，博导，主要从事水处理理论与技术、绿色建筑节水与水资源利用技术研究。收稿日期：2008年7月11日城市污水厂基础设施高投入，城市污水厂高运行费用，管网渗漏造成二次污染，水资源缺乏地区对污水回用的需求，迫切需要运行稳定，低能耗污水处理工艺[1]。本研究将SBR工艺与人工湿地组合，用于处理生活污水。研究了组合工艺的昀优运行参数，研究要求充分发挥人工湿地的处理效能，以降低SBR系统的能耗，从而降低组合工艺的运行费用。1试验流程1.1原水水质试验进水来自重庆某大学宿舍区的生活污水，其水质受学生生活规律影响，水质波动幅度较大，氮、磷浓度高。试验进水水质见表1。摘要:试验将SBR工艺与人工湿地组合在一起，用于处理小区生活污水，研究组合工艺的昀优运行参数。该组合工艺，兼有两种水处理技术的优点，且可以弥补各自的不足。常温下，SBR运行方式3（曝气3h,沉淀1h）与人工湿地（HRT＝24h，每天处理水量1.5m3，水力负荷为0.245m3／m2.d)组合，出水满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》标准(GB/T18921-2002)。在此工况条件下，人工湿地的处理效能昀大，SBR系统的能耗昀低。试验将SBR控制在低溶解氧情况下，COD，氨氮的去除并没有受到明显影响；且出现了同时硝化反硝化与明显的放磷、吸磷现象。关键词：SBR;人工湿地;组合工艺;生活污水处理1.2试验流程试验流程如图1所示。检测项目进水均值出水水质要求COD(mg/L）245~357≤20BOD5114~208≤6NH3-N(mg/L）42.4~50.2≤5TN（mg/L）58.6~69.3≤15TP（mg/L）4.85~6.03≤0.5pH6.4~7.66-9浊度52~64≤5.0表1试验进水水质设计出水水质要求需要满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》(GB/T18921-2002)标准。1.2.1SBR系统图1试验流程图SBR反应器池宽与池长都为1.0m，池深为1.3m，保护高度为0.3m，排水比为1/2，每次进水水量为0.5m3。进水系统采用清水泵从初沉池抽水，其流量为35L/min，清水泵的启动与关闭由SBR池中的液位探头控制。曝气系统由气泵，连接管，曝气砂头构成，曝气砂头的设计安装高度为0.1m，气泵的工作启闭由定时器控制。排水采用潜污泵，水泵的启闭由时间定时器和液位探头控制，每天的排水时间固定。排泥系统采用静压排泥，由人工控图2SBR系统总第127期建设科技中国城镇水网建设科技制阀门开关。1.2.2人工湿地系统人工湿地由三级侧向湿地床和自然复氧槽组成，如图3所示。侧向潜流湿地床内设置有平行交错的导流墙，将湿地床内空间分隔成S形的水流廊道，沿廊道水流方向底坡为1%；由于试验场地限制，人工湿地平面布置成直角三角形。结束，水温都在15℃以上，适合活性污泥微生物生长。在此常温条件下，SBR系统运行了四个周期，具体运行方式见图4。SBR每天运行三个周期，每个周期处理0.5m3水量。图3人工湿地平面构造图在人工湿地中间设置了四道槽宽度为0.4m的复氧槽对其进行自然复氧充氧，使得湿地床体内部出现连续的好氧、缺氧和厌氧状态，这相当于许多个串联或并联的A2/O处理单元，使硝化作用和反硝化作用可以在湿地系统中同时进行。各部分尺寸如表二所示。名称面积（m2）深度(m)宽度(m)净空(m3)填料体积(m3)有效容积（m3）第一级2.60.650.41.691.560.55I复氧槽0.9－0.4－－第二级2.20.60.41.321.210.39Ⅱ复氧槽1.2－0.4－－第三级4.50.550.42.47502.250.61Ⅲ复氧槽1.6－0.4－－求和9.3－0.45.021.55表2人工湿地各部分尺寸图人工湿地内植物选用风车草与水生美人蕉。人工湿地内填料采用自行开发的酶促填料，其粒径级配由前段向后逐渐降低，第一级为20-15mm，第二级为15-8mm，第三级为8-5mm。2试验过程设计试验从2006年5月开始启动，到2007年11月SBR系统的曝气强度和曝气时间是影响该组合工艺的能耗参数，因此本试验将SBR系统控制在低溶解氧状态。低氧曝气SBR工艺是指整个反应过程在曝气条件下完成，系统内溶解氧浓度控制在0.5-1.0mg/L[2]。人工湿地每天的处理水量为1.5m3，水力停留时间约为1d，水力负荷为0.245m3/m2.d。3试验结果与分析3.1常温下，组合工艺对COD的去除规律在低溶解氧下，COD的降解并没有受到明显影响。SBR各种运行方式对COD的去除率均在80%以上，出水COD值都降到较低浓度，并且COD的去除主要集中在第一个小时，这是由于反应器的稀释与活性污泥的生物吸附作用。活性污泥絮体具有强大的吸附力，能将可溶性的，呈胶体状的有机物吸附在絮粒周围，直至吸附达到饱和状态；另一方面，通过生物酶的作用开始对吸附的有机物进行溶解，吸纳进入细胞，将其转化成内碳源，供自身生命活动的需要，使得混合液的COD指标迅速降低。曝气1h后，COD值已降到较低水平，随着曝气时间的延长，其降解速度不明显，降解速率明显下降。人工湿地对COD的降解率受SBR出水水质影响，当SBR的COD出水较高时，人工湿地对COD的去除率也相应提高。经过一年多的运行，附着在填料和植物根系上的微生物量基本保持稳定。前置SBR对COD的高降解率，使得人工湿地降解COD的效能没有完全发挥。组合工艺在各运行方式下，出水COD都在20mg/L以下，能达到出水标准。各运行方式下，组合工艺各部分COD的去除效率如下图所示。图4SBR周期图SBR与人工湿地组合工艺处理生活污水的试验研究2008年第14期中国城镇水网下发挥昀大，暂定运行方式4为昀优运行工况。3.2常温下，组合工艺对氨氮的去除规律常温下，SBR选用限制性曝气，氨氮的氧化没有受到明显影响，SBR出水的氨氮值都在20mg/L以下。氨氮的降解过程受COD的浓度影响，其优先去除COD，而后去除氨氮。在曝气前一个小时，COD浓度较高，增值速度较高的异养型细菌迅速增值，COD降解速度快，使得自养型的硝化菌受到抑制，硝化速率很慢。氨氮浓度以较小的速度降低。曝气一小时后，COD降解基本完成，氨氮降解速率增大。污水中没有被SBR处理完成的氨氮进入人工湿地后，通过微生物的硝化作用将氨氮转化为硝态氮，出水氨氮值都在5mg/L以下。这是由于人工湿地中植物根系的输氧与自然复氧槽的复氧，使得湿地床体内部出现好氧环境，使硝化反应在湿地系统中进行。常温下，组合工艺对氨氮具有很好的去除效果，出水COD都在5mg/L以下，能达到出水标准，组合工艺各部分氨氮的去除效率如图5所示。人工湿地氨氮的处理效能在运行方式4下发挥昀大，暂定运行方式4为昀优运行工况。3.3常温下，组合工艺对总氮的去除规律常温下，在限制曝气情况下，SBR中总氮的去除出现了同时硝化反硝化的现象。在进水过程中，由于稀释作用，污水中的总氮出现了大幅直线下降；由于同步硝化反硝化作用，曝气过程中，总氮一直呈下降趋势。被稀释后的总氮，通过同步硝化反硝化作用被降解了15-20mg/L。人工湿地系统中，氮的去除主要取决于植物的供氧能力。人工湿地内植物生长茂盛，根系发达，根茎上分布着许多须根，根系的维管束可将吸收到的空气中的氧传输到湿地床基质中。试验除了植物根系的输氧以外，还采用自然复氧槽提高人工湿地的含氧量。复氧槽的复氧量随着槽长增加而增加，复氧槽复氧的效果主要取决于槽长，复氧槽的复氧效果与槽长呈正相线性关系[3]。图5组合工艺各部分COD去除效果图6组合工艺各部分氨氮去除效果图7复氧与槽长的关系图8组合工艺各部分总氮去除效果由于前置SBR对氨氮和总氮的降解，总氮在进入人工湿地前已经降解到30mg/L左右。氮类物质进入人工湿地后，由于植物根系的传氧与自然复氧槽的复氧，其降解过程与污水处理的A2/O法工艺相似，即通过氧化区的硝化过程将污总第127期建设科技中国城镇水网建设科技水中的氨氮氧化微硝酸盐氮，而在厌氧区将硝酸盐，通过反硝化菌的作用，还原为NO2-，昀终还原为N2除去[4]；人工湿地通过其兼氧和厌氧区的反硝化过程去除硝态氮，反硝化细菌在无氧而有硝酸盐存在的条件下，利用硝酸盐中的氧进行呼吸，氧分解有机物将硝态氮还原为N2或N2O[5]。总氮经过人工湿地的沉积、挥发、吸附、微生物作用，植物吸收其下降值在15-20mg/L，除运行方式4的出水总氮值不能满足出水要求外，其它都能够达到出水水质要求。组合工艺各部分总氮的去除效率如图8所示。在满足出水要求前提下，人工湿地总氮的去除效能在运行方式3下发挥昀大，运行方式3为昀优运行工况。3.4常温下，组合工艺对总磷的去除规律试验过程中，SBR反应器沉淀1小时后，泥水混合液占反应器的30-35％。SBR反应器从底部排泥水混合液15L，泥龄在20天左右。SBR系统在全程低氧曝气情况下出现了明显的放磷、吸磷现象。在连续低氧曝气初期出现了放磷现象，常温下进水总磷浓度均值为5.84mg/L，经过1h的低氧曝气后，反应器中的磷浓度均值上升到6.73mg/L，经过3-5h的低氧曝气处理后出水磷浓度降至2.34-3.52mg/L，去除率为42-56%。人工湿地系统对磷具有稳定的去除率。磷的去除主要是通过微生物的积累、植物的吸收和填料床基质的物理化学等几方面的协调作用共同完成的[6]。无机磷也是植物生长所必须的营养物质。污水中的无机磷一方面在植物的吸收和同化作用下，被合成ATP、DNA和RNA等有机成分，植物被收割而将磷从系统中去除；另一方面，通过微生物对磷的正常同化吸收，聚磷菌对磷的过量积累，从而通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。由于人工湿地中植物的光合作用及呼吸作用的交替进行，植物根系输氧量的多少随光照强度的交替变化而相应地发生变化，加之湿地床不同，区域内耗氧速率的不同致使系统中出现好氧和厌氧状态，从而有利于微生物对磷的释放和过量积累作用的发生[7]。在人工湿地的除磷过程中，植物，微生物作用虽然不是除磷的主要途径，但是，影响了磷在湿地系统中的循环[8]。组合工艺除各运行方式4外，出水TP都在0.5mg/L以下，能达到出水水质标准。组合工艺各部分总磷的去除效率如图9所示。在满足出水要求的前提下，人工湿地总磷的去除效能在运行方式3下发挥昀大，确定运行方式3为昀优运行工况。3.5常温下，组合工艺昀佳工况的确定在满足出水要求的前提下，人工湿地在运行方式3（限制曝气3小时，沉淀1小时）下，其处理效能发挥昀大，确定其为常温下昀优运行工况。SBR与人工湿地在运行方式3下，COD、氨氮、总氮，总磷的沿时变化关系如下图所示：0501001502002503000123时间（h）浓度（mg/L）01234567COD氨氮总氮总磷图9组合工艺各部分总磷去除效果图10运行方式3下，SBR中COD、氨氮、总氮，总磷的变化关系图11组合工艺对COD、氨氮、总氮，总磷的去除效果SBR与人工湿地组合工艺处理生活污水的试验研究2008年第14期将组合工艺各部分对COD，氨氮，总氮，总磷的去除贡献率进行统计，发现组合工艺中SBR主要去除COD和氨氮，人工湿地主要去除总氮，总磷，其中人工湿地对总磷的去除效果尤为明显。如图12所示：中国城镇水网结论（1）常温下，SBR运行方式3（限制曝气3h,沉淀1h）与人工湿地（HRT＝24h，每天处理水量1.5m3，水力负荷为0.245m3／m2.d)组合，出水满足《城市污水再生利用景观环境用水水质》标准，且组合工艺在满足出水要求的前提下，SBR反应器能