A2O与人工湿地组合工艺处理长三角平原地区农村生活污水的效果

夏斌, 盛晓琳, 许枫, 施君源, 黄召伟, 刘锐. A2O与人工湿地组合工艺处理长三角平原地区农村生活污水的效果[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 181-192. doi: 10.12030/j.cjee.202002103
引用本文: 夏斌, 盛晓琳, 许枫, 施君源, 黄召伟, 刘锐. A2O与人工湿地组合工艺处理长三角平原地区农村生活污水的效果[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 181-192. doi: 10.12030/j.cjee.202002103
XIA Bin, SHENG Xiaolin, XU Feng, SHI Junyuan, HUANG Zhaowei, LIU Rui. Performance of A2O combined with constructed wetland on treating rural domestic sewage in plain areas of Yangtze River delta region, China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 181-192. doi: 10.12030/j.cjee.202002103
Citation: XIA Bin, SHENG Xiaolin, XU Feng, SHI Junyuan, HUANG Zhaowei, LIU Rui. Performance of A2O combined with constructed wetland on treating rural domestic sewage in plain areas of Yangtze River delta region, China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 181-192. doi: 10.12030/j.cjee.202002103

A2O与人工湿地组合工艺处理长三角平原地区农村生活污水的效果

    作者简介: 夏斌(1994—),男,硕士研究生。研究方向:水污染控制工程。E-mail:813278284@qq.com
    通讯作者: 刘锐(1973—),女,博士,研究员。研究方向:水污染控制工程。E-mail:1393612924@qq.com
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07206-004)
  • 中图分类号: X523

Performance of A2O combined with constructed wetland on treating rural domestic sewage in plain areas of Yangtze River delta region, China

    Corresponding author: LIU Rui, 1393612924@qq.com
  • 摘要: 对嘉兴海宁的28座A2O+水平流人工湿地(horizontal flow constructed wetland,HFCWs)和46座A2O+垂直流人工湿地(vertical flow constructed wetland,VFCWs)进行采样,测试了进出水COD、NH3-N、TN、TP和SS,评价了出水稳定性及稳定达标率,比较研究了2种组合工艺对农村生活污水的处理效果及设计和运行问题。结果表明:A2O+VFCWs的出水稳定达标率高于A2O+HFCWs;A2O+VFCWs的出水水质稳定性在冬季较好,但在夏季较差。A2O+VFCWs组合工艺对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率,在冬季为(82.0±18.5)%、(94.8±8.8)%、(49.3±16.8)%和(50.9±16.8)%,在夏季为(72.5±13.2)%、(80.0±16.9)%、(30.0±17.8)%和(30.7±18.9)%,对污染物去除起主要作用的单元是VFCWs。而A2O+HFCWs组合工艺,对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率在冬季为(59.3±21.4)%、(79.1±19.9)%、(42.3±17.3)%和(25.0±10.2)%,在夏季为(62.2±18.0)%、(58.1±30.8)%、(40.6±20.0)%和(28.9±15.7)%,对污染物去除起主要作用的单元是A2O。A2O+VFCWs的A2O单元对TN和TP的平均去除率,在冬季为(20.7±16.3)%和(15.6±10.2)%,在夏季为(20.4±11.9)%和(12.6±13.9)%,而A2O+HFCWs的A2O单元对TN和TP的平均去除率,在冬季为(33.2±16.3)%和(25.0±10.2)%,在夏季为(31.3±24.1)%和(21.9±17.4)%,2种组合工艺中的A2O单元去除效果均不理想,可能与进水碳氮比太低,且排泥少有关。A2O+VFCWs的 A2O单元对各污染物去除率明显低于A2O+HFCWs,主要原因是有效容积偏小且溶解氧控制不够。A2O+VFCWs的VFCWs单元对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率,在冬季为(58.8±25.4)%、(61.4±24.4)%、(22.7±8.5)%和(27.4±21.2)%,比HFCWs分别高出16.0%、36.9%、1.3%和9.5%,在夏季为(59.9±25.0)%、(71.6±26.5)%、(38.3±32.8)%和(39.2±32.9)%,比HFCWs高出28.8%、52.6%、10.5%和5.0%,这主要得益于VFCWs较低的设计水力负荷和较低的出水口位置。综合上述结果,建议该县级市从结构和运行2方面着手进行提升改造。
  • 随着我国工业化和城市化的迅速发展,能源消耗日益增长,城市人口迅速膨胀,机动车保有量激增,导致NOx、一氧化碳(CO)和VOCs等臭氧(O3)前体物排放量不断增加[1-4],O3逐渐成为我国城市环境空气的主要污染物,严重威胁了人类健康和植物生长[5],也引起了众多学者的广泛关注. 近年来,大量研究围绕光化学烟雾和臭氧污染展开,结果表明,在短期内排放源大致不变的情况下,气象条件是影响臭氧污染最重要的因素,臭氧污染典型气象条件表现为太阳辐射强、气温高、相对湿度适宜、地面小风速及特定的风向[6-9].

    宁夏回族自治区地处中国西北部内陆,气候干燥、太阳辐射强,日照时间长[10],为臭氧前体物的转化提供了有利的气象条件,加之近年来,受城市化及宁东能源化工基地(简称“宁东基地”)污染排放影响,造成宁夏臭氧污染天气频发. 特别是2017年银川市日最大8小时浓度(O3−8 h)值超出二级标准,达到轻度及以上污染达48 d,臭氧污染引起了自治区政府及相关部门高度重视. 近年来,学者们对银川市臭氧污染及气象条件特征等方面开展了分析研究[11-14],结果表明,银川市臭氧浓度日变化呈单峰性,午后易出现臭氧超标,臭氧浓度与紫外辐射强度和气温呈正相关、与相对湿度呈负相关. 目前,对宁夏其它地市的臭氧污染的气象条件特征研究较少,宁夏臭氧污染预报预警技术支撑薄弱. 按中国气象局要求,从2018年起,每年5—9月全国各省市开展臭氧污染气象条件等级预报业务,但由于缺乏技术支撑,目前宁夏臭氧污染气象条件等级预报业务也仅是以经验为主,随意性大,精细化程度不够,预报服务效果不理性.

    本文针对宁夏臭氧污染现状及臭氧污染等级客观精细化预报服务业务需求,利用环境和气象数据,采用相关性分析和概率统计方法,从臭氧污染高影响气象因子着手,在分析各地市臭氧污染气象条件特征基础上,综合考虑各气象因子对臭氧生成的贡献大小,建立宁夏臭氧污染气象条件评价指标体系;基于评分及预报效果检验评估结果,参照《全国臭氧气象预报业务规范》,建立臭氧污染气象条件指数预报模型和等级预报标准. 研究结果将为宁夏臭氧污染气象条件客观化精细化预报提供技术支撑,实现臭氧污染气象条件定量化精细化监测,为宁夏各地市臭氧污染预报预警及科学应对臭氧污染提供技术支撑和决策参考.

    环境空气质量数据来源于宁夏回族自治区生态环境监测站提供的2017—2020年宁夏五地市(银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市、固原市)18个环境空气质量国控监测点及宁东基地5个区控监测点O3质量浓度逐小时数据和城市O3−8 h数据. 同期气象数据来源于宁夏气象信息中心,为距离环境监测点最近的自动气象站逐小时气温、相对湿度、风速、风向、总云量、降水等,其中,2017—2019年总云量资料为银川市、中卫市和固原市气象站保留3次人工观测的中午14时总云量数据,用于臭氧污染气象条件指数预报模型建立;另外,还使用了风云4号卫星反演的2020年五地市及宁东地区总云量资料,用于指数预报模型预报效果检验评估. 宁夏行政区划及环境空气监测站点和气象观测站点位置见图1.

    图 1  宁夏环境空气自动监测站点和气象观测站点分布
    Figure 1.  Distribution of ambient air automatic monitoring stations and meteorological observation stations in Ningxia

    臭氧超标率(E)定义:根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633—2012)臭氧二级标准为1 h平均浓度大于200 μg·m−3.

    E=t1t×100 (1)

    式(1)中,t1是某个时间段内臭氧浓度超出200 μg·m−3的时次,t是总时次,E为臭氧超标率.

    太阳辐射强度是影响臭氧浓度变化的重要原因之一,太阳辐射强弱又与温度有关[15],因此分析温度对臭氧污染的影响非常重要. 本文参考相关文献[16],统计不同度区间的臭氧平均浓度和超标率,分别将气温与其他气象因子联立,统计联立后的臭氧平均浓度和超标率,即以气温为参照,研究其他气象因子对臭氧平均浓度和超标率的影响,从而确定所有气象因子的影响权重,最后得出指数预报模型及等级预报分级标准.

    研究表明,臭氧是二次污染物,主要来源于挥发性有机物(VOCs)和氮氧化物(NOx)的光化学反应[17-18]。本文选取了白天的臭氧浓度和气象要素进行相关性分析,结果表明,各地臭氧浓度与气温均呈明显正相关,相关系数为0.64—0.72;与相对湿度均呈较明显负相关,相关系数−0.36—−0.55;与风速呈弱正相关,相关系数0.11—0.32. 由于风向用0—360数值表示,如:北风用0标记,东风用90标记;总云量用0—10的整数数据标记,如晴天无云标记为0,满天云系标记为10成云;宁夏全年降水过程较少,无降水或微量降水自动气象观测均标记为0,而臭氧浓度数值变化范围较大,因此,臭氧浓度与风向、总云量和降水量的相关性不明显(见表1).

    表 1  宁夏五地市及宁东基地气象要素与臭氧浓度相关系数
    Table 1.  Correlation coefficients of meteorological elements and ozone concentration in five cities of Ningxia and Ningdong base
    站点Station气温Temperature湿度Humidity风速Wind speed风向Wind direction云量Cloud cover降水量Precipitation
    银川0.67−0.360.180.013−0.022−0.039
    石嘴山0.71−0.490.24−0.018−0.0210.041
    吴忠0.69−0.420.230.015−0.101−0.059
    中卫0.71−0.490.24−0.102−0.0260.026
    固原0.64−0.550.32−0.0320.025−0.132
    宁东0.72−0.420.110.011−0.011−0.021
    全区平均0.69−0.460.22−0.019−0.026−0.031
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    为进一步探讨气象要素变化对臭氧浓度的影响,通过对2017—2019年宁夏5个地市及宁东基地臭氧浓度和超标率进行分类统计发现,气温、相对湿度、风速、云量、降水等气象要素对臭氧浓度和超标率都有影响. 各地臭氧浓度和超标率均随气温升高而升高,气温超过30℃时,各地平均臭氧浓度和超标率分别为130.3—184.0 μg·m−3、0.1 %—19.2%. 各地臭氧浓度和超标率均随湿度增大而减小,较干燥的环境(相对湿度≤55%)臭氧浓度和超标率相对较高,各地分别为95.1—134.7 μg·m−3、0.1%—6.0%,相对湿度在55%以上时臭氧浓度和超标率较低. 风速小于1 m·s−1时,各地臭氧浓度和超标率均较低,风速在2—3 m·s−1之间时,臭氧浓度和超标率相对较高,各地分别为96.2—124.2 μg·m−3、0.2%—4.9%,风速在5 m·s−1及以上时,臭氧浓度也较高,但不易出现超标. 不同风向下各地臭氧浓度和超标率无明显变化. 云量对臭氧影响表现为:云量在0—3成的晴天各地臭氧平均浓度和超标率均较高,分别为112.4—149.0 μg·m−3、0.9%—7.9%,云量在4—10成的多云或阴天较低. 降水对臭氧浓度和超标率也有一定影响,无雨时臭氧浓度和超标率分别为102.8—135.8 μg·m−3、0.5%—3.0%,小时雨量大于1 mm,臭氧浓度明显降低,除银川超标率为1.6 %外,其它地市未出现臭氧浓度超标.

    为了突出温度对臭氧浓度的影响并兼顾考虑其它气象因子的影响,以银川市为例,对气象因子联合对臭氧浓度的影响进行分析. 结果表明,当气温在30℃以上,相对湿度在15%—55%之间,臭氧浓度和超标率均较高,分别在149.7—189.2 μg·m−3、8.2%—23.9%之间;湿度大于55%,臭氧浓度和超标率相对较低(见图2). 云量对于臭氧浓度和超标率的影响也与温度密切相关,阴天臭氧浓度和超标率均较低;当气温在30℃以上,云量在0—3成的晴好天气,臭氧浓度和超标率均增大,分别在202.1—218.9 μg·m−3、12.5%—19.2%之间(见图3). 风速对于臭氧浓度的影响,在不同的温度区间下表现也不一样,温度在25℃以下,臭氧浓度相对较低,不会引起臭氧超标,当温度大于30℃,风速在2—3 m·s−1之间时,臭氧浓度和超标率均明显增大,分别在157.0—171.0 μg·m−3、10.8%—23.1%之间,风速在5 m·s−1及以上时,臭氧浓度也较高,但不易出现超标(见图4). 风向对臭氧超标率的影响也与温度密切相关,温度在25℃以下,不同风向下的臭氧超标率都很小,当气温在30℃以上,不同风向下的臭氧浓度和超标率都较大,分别在152.1—179.8 μg·m−3、9.4%—29.5%之间(图略),进一步说明温度是影响臭氧浓度的最主要因子,风向对臭氧浓度影响较小.

    图 2  气温与湿度联合对臭氧浓度及超标率的影响
    Figure 2.  The combined effect of temperature and humidity on ozone concentration and over standard rate
    图 3  气温与云量联合对臭氧浓度及超标率的影响
    Figure 3.  The combined effect of air temperature and cloud cover on ozone concentration and over standard rate
    图 4  气温与风速联合对臭氧浓度及超标率的影响
    Figure 4.  The combined effect of temperature and wind speed on ozone concentration and over standard rate

    分析结果表明,气温超过30℃时,当相对湿度在15%—55%之间、云量小于3成、风速在2—3 m·s−1之间时,臭氧浓度和超标率均较高.

    从以上分析看,温度是臭氧污染的高敏感的气象因子[19],臭氧浓度和超标率随着气温升高而明显升高,相对湿度、云量、风速对臭氧浓度的影响也较为明显,降水也有一定影响,但宁夏属于干旱少雨地区,全年各地降水次数少,同时降雨时气温也相对较低,湿度也较大,这两个气象要素也可间接代表降水对臭氧浓度影响,风向对臭氧浓度和超标率的影响不明显.

    基于上述分析结果,选取气温、相对湿度、云量、风速做为臭氧污染气象条件评价气象因子,将温度作为臭氧污染的高敏感的气象因子,综合考虑五地市及宁东地区不同温度区间的臭氧浓度和超标率大小进行气温基础(Ts)评分,平均浓度越大、超标率越高,评分愈大. 评分规则为:臭氧平均浓度在80 μg·m−3以下得0分,80—100 μg·m−3得1分,100—120 μg·m−3得2分,以此类推,浓度每增加20 μg·m−3增加1分;超标率为0时得0分,0—2%得1分,2%—4%得2分,以此类推,超标率每增加2%增加1分,各地市气温基础分为臭氧浓度和超标率得分的平均值(见表2). 从表2可看出,银川市、石嘴山市、吴忠市、中卫市、固原市、宁东气温基础分最高值分别为8分、8分、5分、4分、3分、5分,南北差异较大,由于银川市和石嘴山市是宁夏臭氧污染最严重的区域,臭氧浓度高,易出现臭氧超标[13],气温基础分较高;而固原市臭氧浓度为全区最低,且不易出现臭氧超标,气温基础分最低,评分结果符合宁夏臭氧污染实际状况.

    表 2  气温基础分(Ts)
    Table 2.  Basic temperature score (Ts)
    站点Station 气温/℃ Temperature
    T< 2020≤T<2525≤T<3030≤T<3333≤T<35T≥ 35
    银川平均浓度/(μg·m−370.899.7133.4159.4165.5184.0
    超标率(E)/%0.00.34.210.812.819.2
    气温基础分(Ts)013568
    石嘴山平均浓度/(μg·m−376.4104.9132.9157.1167.0181.1
    超标率(E)/%0.00.01.510.312.118.6
    气温基础分(Ts)012568
    吴忠平均浓度/(μg·m−367.591.9121.8141.3143.5150.4
    超标率(E)/%0.00.10.72.86.510.8
    气温基础分(Ts)012345
    中卫平均浓度/(μg·m−371.4101.8122.9138.2143.0144.5
    超标率(E)/%0.00.00.20.73.16.5
    气温基础分(Ts)012234
    固原平均浓度/(μg·m−369.6101.9118.8130.3144.7
    超标率(E)/%0.00.00.00.12.1
    气温基础分(Ts)01123
    宁东平均浓度/(μg·m−374.499.4121.1141.2144.4165.8
    超标率(E)/%0.00.10.42.26.28.1
    气温基础分(Ts)012345
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    以银川市为例,基于上述分析并结合相关研究成果[13-14],气温与相对湿度联合评分结果(见表3),表明了在同样的气温条件下,不同湿度对臭氧形成贡献不一样,例如温度在33—35℃之间时,相对湿度在15%—55%之间,评分为8分,大于气温基础分6分,说明该等级下相对湿度在15%—55%之间对臭氧的生成有促进作用;温度在33—35℃之间时,相对湿度≥65%,评分为5分,小于气温基础分6分,说明该等级下湿度≥65%对臭氧浓度有削弱作用. 参考相关文献[16],各气象因子单独评分为气温与其它气象因子联合评分减去气温基础分.

    表 3  气温与相对湿度联合评分
    Table 3.  Combined scores of temperature and relative humidity
    相对湿度(Rhs)/%Relative humidity气温/℃Temperature
    T<2020≤T<2525≤T<3030≤T<3333≤T<35T≥35
    Rh<15013679
    15≤Rh<250137810
    25≤Rh<350137810
    35≤Rh<450137810
    45≤Rh<55013568
    55≤Rh<65013568
    65≤Rh<75013457
    Rh≥75013457
    气温基础分(Ts)013568
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    银川市相对湿度单独评分:将气温与相对湿度联合评分减去气温基础分得到相对湿度单独评分(见表4). 从表4可看出,湿度对臭氧浓度的作用,正值表示对臭氧生成有促进作用,负值表示对臭氧的生成有减弱作用. 气温超过30℃时,相对湿度在15%—55%之间,最有利臭氧生成,相对湿度超过65%以上时,不利于臭氧的生成.

    表 4  单独评分(联合评分−气温基础分)
    Table 4.  Individual scores (joint score-basic temperature score)
    气象要素Meteorological element气温/℃ Temperature
    T<2020≤T<2525≤T<3030≤T<3333≤T<35T≥35
    相对湿度/% Rh<15000111
    15≤Rh<25000222
    25≤Rh<35000222
    35≤Rh<45000222
    45≤Rh<55000000
    55≤Rh<65000000
    65≤Rh<75000−1−1−1
    Rh≥75000−1−1−1
    总云量/成 0—3000111
    4—7000000
    8—10000−1−1−1
    风速/(m·s−1V<1000000
    1≤V<2000111
    2≤V<3000111
    3≤V<4000000
    4≤V<5000−1−1−1
    V≥5000−1−1−1
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    银川市云量单独评分:将气温与云量联合评分减去气温基础分得到云量单独评分(见表4). 从表4可看出云量对臭氧浓度的作用,正值表示对臭氧生成有促进作用,负值表示对臭氧的生成有减弱作用. 气温超过30℃时,云量小于3成,最有利臭氧生成,云量超过8成,不利于臭氧的生成.

    银川市风速单独评分:将气温与风速联合评分减去气温基础分得到风速单独评分(见表4). 从表4可看出风速对臭氧浓度的作用,正值表示对臭氧生成有促进作用,负值表示对臭氧的生成有减弱作用. 当气温超过30℃时,风速1—3 m·s−1最有利于臭氧生成,风速大于4 m·s−1不利于臭氧的生成.

    由于气象因子对各地市臭氧浓度的影响较一致,气温基础分差异较大,气温与其它气象因子联合评分也会有明显差异,但两者的差值一致,所以各地市除气温外的其它气象因子单独评分均采用表4评分结果.

    另外,由于宁夏属于高海拔、高辐射地区,五地市及宁东代表站海拔高度在1110.9—1753 m之间,海拔高度最低为银川市,海拔高度最高为固原市,地势南高北低,南北差异明显. 研究也表明,随着海拔高度增加,近地面紫外辐射强度也增加[20],而太阳紫外线辐射强度与臭氧浓度呈正比[13-14]. 从表2也可看出,宁夏自北向南臭氧超标率明显降低,但臭氧浓度降低不明显,由于无紫外线辐射强度客观预报模式产品,为使臭氧污染气象条件指数预报模型算法实现业务化,且突出紫外线辐射对臭氧浓度影响,将海拔高度引入评分体系(Hbs). 综合考虑宁夏各地下垫面特征、污染排放特征等,评分规则为:海拔高度在1500 m以下,评分为0分,超过1500 m评分为1分.

    综合各气象因子并考虑太阳辐射对臭氧污染的影响,将海拔高度引入预报评价模型,给出的宁夏臭氧污染气象条件指数(OPMCI)预报模型为:

    OPMCITsRhsClsWSsHbs (2)

    式(2)中,Ts为各地市气温基础评分,Rhs为相对湿度单独评分,Cls为总云量单独评分,WSs为风速单独评分,Hbs为海拔高度评分.

    根据宁夏臭氧污染气象条件指数OPMCI总评分,参照《全国臭氧气象预报业务规范》,将OPMCI从小到大分为1—6级,从不易臭氧污染到极易臭氧污染,建立了臭氧污染气象条件指数预报模型和等级预报标准. 从2017—2020年宁夏各地市臭氧污染状况看,污染级别为轻度及以下,出现4级中度臭氧污染的天数也较少,未出现5级及以上重度臭氧污染. 为建立与宁夏臭氧污染实际情况相适应且对臭氧污染预报有指导意义的气象条件等级预报标准,等级预报分级标准评分区间的划分预留了5级评分,排除了6级预报结果(见表5).

    表 5  臭氧污染气象条件预报分级标准及等级描述
    Table 5.  Classification standards and descriptions of meteorological conditions for ozone pollution
    臭氧污染气象条件指数OPMCI总评分Classification standards and descriptions of meteorological等级Grade描述Description
    ≤2分1级很不利于臭氧生成
    3—5分2级不利于臭氧生成
    6—8分3级较利于臭氧生成
    9—10分4级有利于臭氧生成
    11—12分5级非常有利于臭氧生成
    >12分6级极有利于臭氧生成
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    基于臭氧污染气象条件评分标准、指数预报模型及等级预报分级标准,对2020年5—9月宁夏五地市及宁东基地进行逐时臭氧污染气象条件等级预报,统计了不同等级下的臭氧浓度和超标率. 并依据《环境空气质量指数(AQI)技术规定》(HJ 633—2012),对2020年5—9月宁夏五地市及宁东基地臭氧浓度进行了分级. 结果表明,银川市、石嘴山市臭氧污染气象条件等级预报为1—5级,吴忠市、中卫市、宁东基地为1—3级,固原市为1—2级,且气象条件等级越高,各地臭氧浓度和超标率也越大(见图5). 臭氧污染气象条件等级预报与臭氧污染等级相一致的准确率银川市为77.4%、石嘴山市为87.9%、吴忠市为89.5%、中卫市为93.4%、固原市为99.9%、宁东基地为92.1% ,各地臭氧污染气象条件等级预报与臭氧浓度实际等级较为一致,其中,银川市等级预报准确率最低,固原市最高,也说明了银川市作为宁夏首府城市,随着城市人口增多,汽车保有量增大,本地及其周边污染企业臭氧前体物的排放和输送,加之有利于臭氧浓度升高的气象条件对臭氧污染的影响较大,而固原市为宁夏经济最不发达地区,人口和污染企业少、海拔高、辐射强,气象条件对臭氧污染的影响较大. 检验评估结果符合宁夏臭氧污染实际情况,指数预报模型算法及等级预报分级标准可为宁夏臭氧污染气象条件客观精细化预报业务提供技术支撑,对臭氧污染预报有指导意义.

    图 5  臭氧污染气象条件等级预报效果检验评估
    Figure 5.  Inspection and evaluation of the forecast effect of ozone pollution meteorological conditions

    (1)宁夏各地市臭氧浓度与气温均呈明显正相关,相关系数为0.64—0.72,臭氧浓度和超标率随着气温升高而明显升高;与相对湿度呈较明显负相关,相关系数−0.36—−0.55,相对湿度≤55%的较干燥的环境臭氧浓度和超标率相对较高;与风速呈弱正相关,相关系数0.11—0.32,风速在2—3 m·s−1之间时,臭氧浓度和超标率较高;与风向的相关性不明显,不同风向下的臭氧浓度和超标率变化不明显;与总云量相关性也不明显,但总云量在3成及以下时,臭氧浓度和超标率较大.

    (2)选取气温、相对湿度、总云量、风速作为臭氧污染气象条件预报的评价因子,并将海拔高度引入预报评价模型,间接表征了太阳辐射对臭氧浓度的影响,建立了宁夏臭氧污染气象条件指数预报模型;考虑宁夏臭氧污染的实际状况,建立了宁夏臭氧污染气象条件预报分级标准.

    (3)预报效果检验评估结果表明,各地臭氧污染气象条件等级预报与臭氧浓度实际等级较为一致,且气象条件等级越高,各地臭氧浓度和超标率也越大. 指数预报模型算法及等级预报分级标准可为宁夏臭氧污染气象条件客观精细化预报业务提供技术支撑,对臭氧污染预报有指导意义.

  • 图 1  2种组合工艺流程图

    Figure 1.  Flow chart of two combination processes

    图 2  稳定达标率、稳定达标率系数与不同变异系数的关系

    Figure 2.  Dependence of the standard compliance rate and the coefficient of the standard compliance rate on the variation coefficient

    图 3  2种组合工艺在冬夏两季的出水标准差系数

    Figure 3.  Standard deviation coefficients of effluents from the two combined processes in winter and summer

    图 4  2种组合工艺的A2O与人工湿地单元在冬夏两季的污染物去除占比

    Figure 4.  Pollutant removal ratio of A2O and constructed wetland units in the two combined processes in winter and summer

    图 5  2种组合工艺的A2O单元在冬夏两季对各污染物的去除效率

    Figure 5.  Pollutant removal of A2O units in the two combined processes in winter and summer

    图 6  2种组合工艺的人工湿地单元在冬夏两季对各污染物的去除率

    Figure 6.  Pollutant removal of constructed wetlands units in the two combined technologies in winter and summer

    表 1  2种组合工艺的冬季和夏季水质

    Table 1.  Water quality of the two combined processes in winter and summer

    季节工艺类型抽检设施/座沿程水质NH3-N/(mg∙L−1)TN/(mg∙L−1)TP/(mg∙L−1)COD/(mg∙L−1)SS/(mg∙L−1)
    冬季A2O+HFCWs16A2O进水28.4±14.138.4±19.12.7±1.240.7±29.615.4±15.0
    A2O出水13.6±12.226.0±12.82.3±1.130.2±26.316.6±23.2
    湿地出水6.8±7.520.4±9.12.0±0.916.1±9.29.6±19.0
    A2O+VFCWs8A2O进水36.2±27.146.6±28.83.7±2.845.8±44.2107.4±189.7
    A2O出水31.4±26.940.0±24.23.2±2.244.1±41.516.1±24.0
    湿地出水4.0±3.133.1±21.41.9±0.912.8±2.913.1±17.3
    夏季A2O+HFCWs29A2O进水45.2±17.353.4±18.65.1±1.8144.8±64.394.0±44.4
    A2O出水25.1±20.641.3±20.04.3±1.664.7133.833.4±16.0
    湿地出水24.0±19.035.7±19.33.8±1.553.0±29.527.0±19.4
    A2O+VFCWs21A2O进水38.2±27.346.6±27.04.9±2.9102.8±84.268.9±61.2
    A2O出水32.1±26.240.9±36.44.3±2.799.5±132.949.3±43.5
    湿地出水11.3±17.036.4±21.53.9±2.528.0±24.317.8±17.6
    季节工艺类型抽检设施/座沿程水质NH3-N/(mg∙L−1)TN/(mg∙L−1)TP/(mg∙L−1)COD/(mg∙L−1)SS/(mg∙L−1)
    冬季A2O+HFCWs16A2O进水28.4±14.138.4±19.12.7±1.240.7±29.615.4±15.0
    A2O出水13.6±12.226.0±12.82.3±1.130.2±26.316.6±23.2
    湿地出水6.8±7.520.4±9.12.0±0.916.1±9.29.6±19.0
    A2O+VFCWs8A2O进水36.2±27.146.6±28.83.7±2.845.8±44.2107.4±189.7
    A2O出水31.4±26.940.0±24.23.2±2.244.1±41.516.1±24.0
    湿地出水4.0±3.133.1±21.41.9±0.912.8±2.913.1±17.3
    夏季A2O+HFCWs29A2O进水45.2±17.353.4±18.65.1±1.8144.8±64.394.0±44.4
    A2O出水25.1±20.641.3±20.04.3±1.664.7133.833.4±16.0
    湿地出水24.0±19.035.7±19.33.8±1.553.0±29.527.0±19.4
    A2O+VFCWs21A2O进水38.2±27.346.6±27.04.9±2.9102.8±84.268.9±61.2
    A2O出水32.1±26.240.9±36.44.3±2.799.5±132.949.3±43.5
    湿地出水11.3±17.036.4±21.53.9±2.528.0±24.317.8±17.6
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    表 2  2种组合工艺出水在冬夏两季的稳定达标率与偏差系数

    Table 2.  Stable compliance rates and deviation coefficients of effluents from the two combined processes in winter and summer

    季节工艺名称稳定达标率/%偏差系数
    NH3-NTPCODSSNH3-NTPCODSS
    冬季A2O+VFCWs99.988.710093.8−1.02−1.21−0.82−0.77
    A2O+HFCWs97.286.510090.8−1.01−1.48−0.75−0.77
    夏季A2O+VFCWs89.844.598.185.3−1.151.13−1.09−1.12
    A2O+HFCWs66.332.393.158.00.281.16−1.270.37
    季节工艺名称稳定达标率/%偏差系数
    NH3-NTPCODSSNH3-NTPCODSS
    冬季A2O+VFCWs99.988.710093.8−1.02−1.21−0.82−0.77
    A2O+HFCWs97.286.510090.8−1.01−1.48−0.75−0.77
    夏季A2O+VFCWs89.844.598.185.3−1.151.13−1.09−1.12
    A2O+HFCWs66.332.393.158.00.281.16−1.270.37
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-19
  • 录用日期:  2020-05-09
  • 刊出日期:  2021-01-10
夏斌, 盛晓琳, 许枫, 施君源, 黄召伟, 刘锐. A2O与人工湿地组合工艺处理长三角平原地区农村生活污水的效果[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 181-192. doi: 10.12030/j.cjee.202002103
引用本文: 夏斌, 盛晓琳, 许枫, 施君源, 黄召伟, 刘锐. A2O与人工湿地组合工艺处理长三角平原地区农村生活污水的效果[J]. 环境工程学报, 2021, 15(1): 181-192. doi: 10.12030/j.cjee.202002103
XIA Bin, SHENG Xiaolin, XU Feng, SHI Junyuan, HUANG Zhaowei, LIU Rui. Performance of A2O combined with constructed wetland on treating rural domestic sewage in plain areas of Yangtze River delta region, China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 181-192. doi: 10.12030/j.cjee.202002103
Citation: XIA Bin, SHENG Xiaolin, XU Feng, SHI Junyuan, HUANG Zhaowei, LIU Rui. Performance of A2O combined with constructed wetland on treating rural domestic sewage in plain areas of Yangtze River delta region, China[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2021, 15(1): 181-192. doi: 10.12030/j.cjee.202002103

A2O与人工湿地组合工艺处理长三角平原地区农村生活污水的效果

    通讯作者: 刘锐(1973—),女,博士,研究员。研究方向:水污染控制工程。E-mail:1393612924@qq.com
    作者简介: 夏斌(1994—),男,硕士研究生。研究方向:水污染控制工程。E-mail:813278284@qq.com
  • 1. 上海师范大学环境与地理科学学院,上海 200030
  • 2. 浙江清华长三角研究院生态环境研究所,浙江省水质科学与技术重点实验室,嘉兴 314006
  • 3. 嘉兴市住房和城乡建设局,嘉兴 314000
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07206-004)

摘要: 对嘉兴海宁的28座A2O+水平流人工湿地(horizontal flow constructed wetland,HFCWs)和46座A2O+垂直流人工湿地(vertical flow constructed wetland,VFCWs)进行采样,测试了进出水COD、NH3-N、TN、TP和SS,评价了出水稳定性及稳定达标率,比较研究了2种组合工艺对农村生活污水的处理效果及设计和运行问题。结果表明:A2O+VFCWs的出水稳定达标率高于A2O+HFCWs;A2O+VFCWs的出水水质稳定性在冬季较好,但在夏季较差。A2O+VFCWs组合工艺对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率,在冬季为(82.0±18.5)%、(94.8±8.8)%、(49.3±16.8)%和(50.9±16.8)%,在夏季为(72.5±13.2)%、(80.0±16.9)%、(30.0±17.8)%和(30.7±18.9)%,对污染物去除起主要作用的单元是VFCWs。而A2O+HFCWs组合工艺,对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率在冬季为(59.3±21.4)%、(79.1±19.9)%、(42.3±17.3)%和(25.0±10.2)%,在夏季为(62.2±18.0)%、(58.1±30.8)%、(40.6±20.0)%和(28.9±15.7)%,对污染物去除起主要作用的单元是A2O。A2O+VFCWs的A2O单元对TN和TP的平均去除率,在冬季为(20.7±16.3)%和(15.6±10.2)%,在夏季为(20.4±11.9)%和(12.6±13.9)%,而A2O+HFCWs的A2O单元对TN和TP的平均去除率,在冬季为(33.2±16.3)%和(25.0±10.2)%,在夏季为(31.3±24.1)%和(21.9±17.4)%,2种组合工艺中的A2O单元去除效果均不理想,可能与进水碳氮比太低,且排泥少有关。A2O+VFCWs的 A2O单元对各污染物去除率明显低于A2O+HFCWs,主要原因是有效容积偏小且溶解氧控制不够。A2O+VFCWs的VFCWs单元对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率,在冬季为(58.8±25.4)%、(61.4±24.4)%、(22.7±8.5)%和(27.4±21.2)%,比HFCWs分别高出16.0%、36.9%、1.3%和9.5%,在夏季为(59.9±25.0)%、(71.6±26.5)%、(38.3±32.8)%和(39.2±32.9)%,比HFCWs高出28.8%、52.6%、10.5%和5.0%,这主要得益于VFCWs较低的设计水力负荷和较低的出水口位置。综合上述结果,建议该县级市从结构和运行2方面着手进行提升改造。

English Abstract

  • 人工湿地对污水中的氮、磷污染物有很好的去除效果,而且具有投资成本低、维护管理方便和不产生二次污染等优点[1],在农村生活污水处理领域具有广阔的应用前景。目前,人工湿地在农村生活污水中的应用以潜流式为主,包括水平流人工湿地(horizontal flow constructed wetland,HFCWs)和垂直流人工湿地(vertical flow constructed wetland,VFCWs),设计时通常参考国家环保部发布的《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ 2005—2010)。该规范主要适用于城镇污水厂出水深度处理,HFCWs与VFCWs水力负荷建议取值为0.015~0.5 m3∙(m2∙d)−1和0.2~0.8 m3∙(m2∙d)−1;针对农村水质水量变化大、地区之间差别大的情况,参数取值的适宜性尚需探讨。

    长三角平原地区人口密度高、环境负荷大、土地资源紧缺,且位于太湖流域,环境敏感性高,近年来对农村生活污水治理与达标排放的要求越来越严格,处理工艺也因此由最初的单纯厌氧池或单纯人工湿地系统慢慢演变为生物处理+人工湿地组合工艺。在生物处理+人工湿地组合工艺中,生物处理被认为担任去除有机污染物、悬浮物和脱氮除磷的主要角色,普遍采用在市政污水处理效果较好的A2O (anaerobic-anoxic-oxic)工艺。污水经生物处理后,可降低后续人工湿地单元的进水浓度,在进一步去除氮磷、稳定出水水质的同时,减少湿地的占地面积[2]。农村生活污水的水量和水质受季节、时段的影响变化大[3],设施进水碳氮比低、运行过程中溶解氧控制调整难[4-7],这些因素均将增加A2O和人工湿地在处理农村生活污水中充分硝化和高效脱氮除磷方面的难度,从而影响设施效果的发挥。

    本研究以嘉兴海宁的农村生活污水处理设施为研究对象,实地抽检了11个乡镇内28座A2O与VFCWs组合工艺(A2O+VFCWs)设施和46座A2O与HFCWs组合工艺(A2O+HFCWs)设施,运用统计学方法比较了2种组合工艺处理农村生活污水的出水稳定性及稳定达标率,分析了A2O单元和人工湿地单元对污染物去除的各自贡献率,剖析了2种组合工艺的设计与运行问题,旨在为组合工艺今后脱氮除磷的性能提升提供参考。

  • 在海宁市11个乡镇随机选取74座A2O与人工湿地组合工艺设施,开展现场调研和水质检测(表1),其中冬季和夏季各抽检A2O+VFCWs设施8和21座,A2O+HFCWs设施16和29座,设计处理规模覆盖10~80 t∙d−1。冬季交予第3方运维企业的设施数量为504座,其中,30 t∙d−1以下(包含30 t∙d−1)为401座,超过30 t∙d−1设施数量为103座,夏季交予3方运维企业的设施数量增多,达到了796座,其中30 t∙d−1以下(包含30 t∙d−1)为604座,超过30 t∙d−1设施数量为192座。2个季度调研选取比例均是按照地区处理规模30 t∙d−1以下(包含30 t∙d−1)按5%的比例随机抽取,超过30 t∙d−1按照10%随机抽取。2种组合类型工艺流程如图1所示。

    A2O单元的厌氧池、缺氧池和好氧池中均填充弹性填料,填充率为55%~70%,好氧池后设有二沉池,二沉池的污泥液通过气提泵回流至厌氧池,排泥较少。A2O+HFCWs的A2O单元有效容积随设计处理规模变化而变化,水力停留时间约为24 h;A2O+VFCWs的A2O单元不论设计规模,池容积固定为12 m³,水力停留时间为3.6~14.4 h。2种组合工艺前端A2O池内曝气均采用涡漩风机,设计规模为30 t∙d−1以下的处理设施,曝气量为0.225 m3∙min−1;设计规模为50 t∙d−1的处理设施,曝气量为0.59 m3∙min−1;设计规模为80 t∙d−1的处理设施,曝气量为0.67 m3∙min−1

    2种类型湿地设计深度为1.2 m,底部均有防渗膜(两布一膜)做防渗处理,以地面为参考面,HFCWs和VFCWs出水口高度为−0.2 m和−0.9 m,HFCWs和VFCWs设计水力负荷分别约为0.93 m3∙(m2∙d)−1和0.36 m3∙(m2∙d)−1,在相同处理规模情况下的HFCWs面积比VFCWs小,水力停留时间短。HFCWs填料类型为轻质页岩陶粒,VFCWs填料类型为砂石颗粒,粒径在1~3 cm。湿地植物包括美人蕉(Canna indica)、菖蒲(Acorus calamus L)、旱伞草(Phyllostachys heteroclada Oliver)、花叶芦竹(Arundo donax)、芦苇(Phragmites australis)和香蒲(Typha orientalis Presl)等挺水植物,按密度9~25 株∙m−2种植,生长情况良好,无死苗、缺苗情况。

  • 采样区域目前执行农村生活污水污染物排放地方标准,具体如下:化学需氧量(chemical oxygen demand, COD)≤100 mg∙L−1、氨氮(ammonia nitrogen, NH3-N)≤25 mg∙L−1、悬浮物(suspended solids, SS)≤30 mg∙L−1、总磷(total phosphorus, TP)≤3 mg∙L−1,未对出水总氮(total nitrogen, TN)进行要求。但是预计不久的将来,会对一部分排入敏感水体的设施提升排放要求,根据修订标准的征求意见稿,预计的标准修订为COD≤60 mg∙L−1、NH3-N≤15 mg∙L−1、SS≤20 mg∙L−1、TP≤2 mg∙L−1、TN≤20 mg∙L−1

  • 调研区域每个站点取样数量为3个,未设置平行样,但在每批水质测试时设置质控样;冬季采样日期为2018年12月,日均气温6 ℃,采样期间存在持续性降雨;夏季采样时间为2019年5月末至7月,日均气温为28 ℃,采样前3 d无降雨。冬季和夏季每个处理设施均依次从集水井、A2O的二沉池和出水井采集3瓶水样于550 mL塑料瓶中密封保存,分别作为A2O单元的进水、A2O单元的出水(亦即湿地单元进水)、以及湿地出水。测试指标为COD、NH3-N、TN、TP、SS,按国标方法[8]进行,试剂无特别说明均为分析纯。水样采集后立即放置于4 ℃冷藏保存,NH3-N和TN在24 h内、TP在48 h内、COD和SS在72 h内完成分析测试。

  • 1)出水水质稳定性分析采用标准差系数法(Vσ),显示处理设施出水各污染指标浓度在中心位置处的集中程度,计算方法如式(1)所示。

    式中:X为各水质指标平均值;Xi为各水质指标监测值;N为样本数量。

    2)出水稳定达标率分析采用偏差系数法和NIKU等[9]开发的模型计算。偏差系数(β),指出水水质各污染指标浓度与规定排放标准浓度的偏离程度,指示判断出水浓度是否集中在小于或大于规定排放标准值的方向上。计算方法如式(2)所示。

    式中:β为偏差系数;Xs为排放标准值浓度,mg∙L−1

    在NIKU等[9]开发的模型计算法中,稳定达标率是指在一定的样本数量中出水浓度符合排放标准浓度的样本数量百分比,计算方法如式(3)所示。

    式中:mx为平均出水浓度,mg∙L−1ϕ为稳定达标系数,是指达到设计出水标准的系数;稳定达标系数可用式(4)计算得到。

    式中:为变异系数,是标准偏差与平均出水浓度的比值;α为不符合排放标准的概率,1−α为符合排放标准的概率;Z1−α为标准正态变量,可由式(5)计算得到,可根据Z1−α值得到稳定达标率。不同稳定达标系数和不同变异系数下出水浓度达标概率如图2所示。

    冬季和夏季2种组合类型的A2O和人工湿地对NH3-N、TN、TP和COD平均去除率,采用单因素方差方法进行差异显著性分析,分析软件为Excel 2019。

  • 1)出水稳定性。2种组合工艺在冬季和夏季的出水标准差系数如图3所示。有研究[10-11]表明,标准差系数Vσ≤0.5是正常波动范围,0.5<Vσ≤1.0是可接受的波动范围,Vσ>1.0则认定为异常波动。在冬季,A2O+VFCWs出水标准差系数分别为NH3-N(0.74)、TN(0.60)、TP(0.44)和COD(0.43),而A2O+HFCWs出水标准差系数则相应为NH3-N(1.06)、TN(0.43)、TP(0.44)和COD(0.55)。与A2O+HFCWs相比,A2O+VFCWs出水稳定性明显较好,特别是NH3-N和COD,浓度标准差系数分别低了0.32和0.12。

    在夏季,A2O+VFCWs出水标准差系数分别为NH3-N(1.45)、TN(0.57)、TP(0.62)和COD(0.81),而A2O+HFCWs出水标准差系数分别为NH3-N(0.81)、TN(0.53)、TP(0.38)和COD(0.54)。A2O+HFCWs出水的各指标标准差系数在夏季与冬季相差不大,甚至比冬季略有改善;而A2O+VFCWs出水的各指标标准差系数在夏季则普遍大幅度升高,显示出水水质的稳定性变差。将2种组合工艺进行比较,则发现夏季A2O+VFCWs出水各指标的标准差系数均比A2O+HFCWs大,出水稳定性较差。

    2)出水稳定达标率和偏差系数。2种组合工艺的稳定达标率和偏差系数如表2所示。利用NIKUS模型进行分析发现在冬季2种组合工艺的出水稳定达标率相差不大,其中NH3-N和COD的稳定达标率接近100%,TP与SS的稳定达标率在90%以上。由于该地区雨污分流不彻底,降雨时雨水通过管网汇入,稀释了进水浓度,此外,部分雨水又通过人工湿地表面进入2级处理单元,降低了出水浓度,在两者的共同作用下,导致出水浓度降低,从而间接提高了设施冬季稳定达标率。在夏季,A2O+VFCWs出水NH3-N、TP、COD和SS稳定达标率比冬季略有下降,分别为89.8%、44.5%、98.1%和85.3%,比A2O+HFCWs高出22.7%、12.2%、5.0%和27.2%。进一步用偏差系数法分析发现在冬季2种组合工艺的出水偏差系数均小于0,这说明其出水浓度集中小于规定浓度排放值,出水稳定达标率较高;在夏季,A2O+HFCWs出水NH3-N、TP、SS与A2O+VFCWs出水TP偏差系数均大于0,2种组合工艺对部分污染物的稳定达标率较低。

    无论是使用NIKUS模型法还是偏差系数法,均表明A2O+VFCWs的稳定达标率高于A2O+HFCWs。在冬季,2种组合工艺的稳定达标率均较高,差别不大;在夏季,A2O+VFCWs的出水TP稳定达标率变差,A2O+HFCWs则是出水NH3-N、TP和SS稳定达标率均变差。夏季出水稳定性下降,这一结论与环境工程学和人工湿地科学研究不一致,通过现场调查发现,该地区农村普遍存在雨污分流不彻底情况,夏季存在强降雨过程,瞬时冲击负荷过大,导致污泥流失,从而影响设施的处理效果。

  • A2O与人工湿地对各污染物去除贡献率占比如图4所示。对整个工艺去除效果进行分析,发现A2O+VFCWs组合工艺对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率,在冬季为(82.0±18.5)%、(94.8±8.8)%、(49.3±16.8)%和(50.9±16.8)%,在夏季为(72.5±13.2)%、(80.0±16.9)%、(30.0±17.8)%和(30.7±18.9)%,对污染物去除起主要作用的单元是VFCWs;而对于A2O+HFCWs组合工艺,对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率在冬季为(59.3±21.4)%、(79.1±19.9)%、(42.3±17.3)%和(25.0±10.2)%,在夏季为(62.2±18.0)%、(58.1±30.8)%、(40.6±20.0)%和(28.9±15.7)%,对污染物去除起主要作用的单元是A2O。在A2O+VFCWs工艺中,各污染物主要由VFCWs去除,贡献率为51%~95%。而在A2O+HFCWs工艺中,对NH3-N、TN和COD起主要作用的为A2O,贡献率为53%~80%。

    1) A2O去除效果及问题分析。2种组合工艺的A2O单元对各污染物去除率如图5所示。对调研处理设施的A2O单元各污染物平均去除率做单因素方差分析,发现无论在冬季还是夏季,NH3-N去除效果差异显著(P<0.01);而TN差异不显著(P>0.05);TP冬季差异显著(P<0.01),夏季则差异显著(0.01<P<0.05);COD冬季差异不显著(P>0.05),夏季差异显著(P<0.01)。A2O+HFCWs中的A2O单元对NH3-N、TN、TP和COD的去除率在冬季为(59.9±31.3)%、(33.6±16.3)%、(25.0±10.2)%和(46.8±23.6)%,在夏季为(56.8±30.4)%、(31.3±24.1)%、(21.8±17.4)%和(54.5±21.8)%,比A2O+VFCWs的A2O单元分别高出39.2%、12.5%、9.4%、5.8%(冬季)和31.4%、10.9%、9.2%、27.4%(夏季),其中,A2O+HFCWs中的A2O单元对TN、TP的去除效果也比A2O+VFCWs略好。

    A2O+VFCWs的A2O单元对各污染物去除效果均远不如A2O+HFCWs的A2O单元,主要是与水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)差异有关。据调研结果,该地区A2O+HFCWs的A2O单元设计HRT在约24 h,而A2O+VFCWs的A2O单元HRT约3.6~14.4 h。2种组合工艺进水浓度差异小,在HRT降低后,微生物与污染物的接触不充分,导致污染物去除效果不佳,这是引起A2O单元污染物去除效果差异的最主要的原因[12]。此外,A2O+VFCWs中的A2O单元好氧池供氧不足也是影响污染物去除效果的重要因素。对各组合工艺A2O单元的好氧池氧化还原电位(oxidation-reduction potential,ORP)检测,发现A2O+HFCWs的A2O单元好氧池ORP值为94~144 mV,基本满足氧化和硝化条件;而A2O+VFCWs的A2O单元好氧池ORP为10~77 mV,比硝化所需ORP低出较多[13]。同时,各组合工艺A2O单元对COD和NH3-N的去除效果其实均不是很高,低于A2O单元在市政污水88.0%和85.0%的去除效果,这与农村生活污水进水水质水量具有时间上非均匀性[14]、2种组合工艺前端调节池过小、间歇进水瞬时水量冲击大有关。

    2种组合工艺对TN去除效率均不高。一方面与进水COD/TN低(1.0~2.4)、碳源不足限制反硝化有关[15],也与硝化不充分有关;另一方面,农村生活污水处理设施的A2O混合液回流往往使用气提泵从二沉池底部把污泥液回流至厌氧池,气提泵由于设计不精细,流量往往很难调节,产生回流量不准确、厌氧池和缺氧池溶解氧过高、不利于反硝化等问题。此外,碳源不足不仅影响脱氮,也影响除磷的效果[16]。A2O的除磷作用主要通过排泥实现,对于我国农村生活污水碳氮比很低的情况,活性污泥产量低,通过排泥进行生物除磷的潜力非常有限。

    2)人工湿地去除效果及影响脱氮除磷效果分析。2种类型组合工艺的人工湿地单元在冬季和夏季对各污染物的去除效果如图6所示。对调研处理设施VFCWs和HFCWs 2种类型人工湿地中各污染物平均去除率做单因素方差分析,发现在冬季VFCWs和HFCWs对TN、TP和COD污染物去效果均差异不显著(P>0.05),而NH3-N去除效果差异显著(0.01<P<0.05);但在夏季NH3-N和COD去除效果差异显著(P<0.01),而TN和TP去除效果均差异不显著(P>0.05)。VFCWs的各污染物去除率均高于HFCWs。VFCWs的各污染物去除率均高于HFCWs。VFCWs单元对NH3-N、TN、TP、COD的去除率在冬季为(61.4±24.4)%、(22.7±8.5)%、(27.4±21.2)%和(58.7±25.4)%,在夏季为(71.6±26.5)%、(38.3±32.8)%、(39.2±32.9)%和(59.6±25.1)%,比HFCWs分别高出34.9%、1.3%、10.0%、16.1%(冬季)和54.9%、10.5%、5.6%、28.9%(夏季)。

    与HFCWs相比,VFCWs对NH3-N、TN、TP、COD的去除率均有所提高,特别是对NH3-N和COD的去除率有明显提高。这首先是因为VFCWs设计得足够大,水力负荷较低,而HFCWs的设计负荷相对偏高。水力负荷低有利于延长水力停留时间,还有利于增加湿地内部的溶解氧[17-18],从而提高了对NH3-N和COD的去除效果。王鹏等[19]发现,当水力负荷由0.153 m3∙(m2∙d)−1降低至0.032 m3∙(m2∙d)−1时,湿地内部溶解氧增加了0.20 mg∙L−1,COD去除率提高了20.0%。此外,由于2种类型人工湿地进出水方式不同,VFCWs的进出水方式更有利于形成好氧环境,从而增加NH3-N和COD的去除率。VFCWs采用上部进水、下部出水的方式,出水口位置比进水口低0.7 m,而HFCWs进水方式为左进右出,出水口比进水口位置仅低0.1 m。有研究[20]显示,当湿地出水口位置由中部0.5 m降低至底部0 m时,则NH3-N去除率可提高26.0%以上,这与湿地内部非饱和区形成好氧环境有关[21],湿地内部溶解氧浓度增加[22-23],有助于NH3-N的去除。HFCWs要想提高污染物去除效果,也可以通过从调节湿地内部水位、优化饱和区和非饱和区的分布和湿地内部添加曝气等途径入手。

    2种类型人工湿地对TN去除率较低,主要与湿地进水碳源供给不足和湿地内部供氧条件受到限制有关,湿地内硝化、反硝化不充分,导致脱氮效果较差[24],这与龙翠芬等[25]的研究结果相差较大。这是由于调研区内人工湿地处理的是A2O尾水,COD/TN较低,仅为1.4~2.4。丁怡等[26]的研究结果也表明,进水碳氮比在3以下时,湿地对TN的去除率较低,只有35.0%左右。WANG等[27]把植物秸秆添加到人工湿地基质层来缓释碳源,在处理碳氮比为3的生活污水时,TN去除率提高到了51.8%。夏艳阳等[28]研究复合垂直流-水平流人工湿地的脱氮效果,通过在垂直流出水增加25%体积比的化粪池污水,TN去除率提高了11.0%。今后,如何针对低碳氮比农村生活污水提高湿地的TN去除效果,还需要持续开展深入的研究。

    VFCWs对TP的去除率比HFCWs略高,但是两者对TP去除效果均不明显。有文献报道湿地内部基质吸附占湿地对TP去除总量的85.0%以上[29],而植被吸收占1.4%~41.2%[30]。本研究区域的2种组合工艺均建于2015—2017年,湿地已运行1~2 a,其中轻质页岩陶粒和砂石颗粒对TP吸附饱和量为190.3 mg∙kg−1和28.3 mg∙kg−1[31]。以设计处理规模为30 t∙d−1为例,按照设计进出水浓度和基质填充量计算,人工湿地运行1 a后,2种基质已达到208.6 mg∙kg−1和36.5 mg∙kg−1,这说明现有的基质已经达到吸附饱和,对磷吸附的潜力已降低。袁东海等[32]的研究结果表明,砂石基质达到吸附饱和后,磷素释放比例较大,增加出水TP超标的风险。因此,需要定期更换湿地内部填料基质,或在湿地末端出水口使用铁碳填料[33]和黄铁矿基质[34],可强化湿地除磷效果。

    3) 2种组合工艺运维管理情况。2种组合工艺分布于11个乡镇,由5家不同的运维公司进行运维。由于浙江省陆续出台《农村生活污水治理设施第3方运维管理导则(试行)》、《农村生活污水治理设施运行维护技术导则》等文件,各运维公司需要按照上述导则的要求进行运维管理。各地方政府则不断加强对设施的运维监管,把农村生活污水治理效果与政府工作绩效考核挂钩,杜绝了处理设施“晒太阳”的情况。分别对同种工艺类型在不同乡镇的污染物去除效果做单因素方差分析,发现无论是A2O+VFCWs 还是A2O+HFCWs,虽然由不同公司设计和运维,但同种组合工艺在不同乡镇的污染物去除效果之间差异不显著(P>0.05),表明不同公司的设计和运维差异并未足以导致处理效果之间的显著性差异。

    此外,各运维企业对生态处理运维效果好,但对生物处理系统的运维效果较差,其主要原因是运维队伍技术力量不足。现场调研中发现,人工湿地的运维情况较好,湿地无堵塞、植物生长良好,但A2O工艺的运维均存在共性问题。A2O工艺的运维均存在的问题主要归为以下2点:一是因调节池内液位计控制不够精确,存在瞬时进水量过大,导致池内微生物流失和水力负荷过大,水力停留时间减小;二是A2O内溶解氧控制不好,厌氧和缺氧池中氧化还原电位太高,而好氧池中溶解氧供给不足、氧化还原电位低,从而影响脱氮除磷效果。

  • 1) A2O+VFCWs的出水稳定达标率在冬夏两季均比A2O+HFCWs高。A2O+VFCWs出水的水质稳定性在冬季较好,但在夏季波动较大,稳定性有所降低。

    2)在A2O+VFCWs组合工艺中,VFCWs对污染物去除起主要作用;而在A2O+HFCWs组合工艺中,则是A2O对污染物去除起主要作用。

    3)由于进水碳氮比太低和排泥较少等原因,A2O+VFCWs中的A2O单元对TN和TP的平均去除率,在冬季为(20.7±16.3)%和(15.6±10.2)%,在夏季为(20.4±11.9)%和(12.6±13.9)%,而A2O+HFCWs中的A2O单元对TN和TP的平均去除率,在冬季为(33.2±16.3)%和(25.0±10.2)%,在夏季为(31.3±24.1)%和(21.9±17.4)%。这是因为A2O+VFCWs的A2O单元的有效容积偏小,且溶解氧控制不足,导致其对各污染物的去除率均明显低于A2O+HFCWs组合工艺中的A2O单元。

    4) A2O+VFCWs的VFCWs单元对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率,在冬季为(58.8±25.4)%、(61.4±24.4)%、(22.7±8.5)%和(27.4±21.2)%,比HFCWs分别提高了16.0%、36.9%、1.3%和9.5%,在夏季为(59.9±25.0)%、(71.6±26.5)%、(38.3±32.8)%和(39.2±32.9)%,比HFCWs提高了28.8%、52.61%、10.5%和5.0%。这主要得益于VFCWs较低的设计水力负荷和较低的出水口位置设计有关。

    5)该地区的A2O+人工湿地组合工艺,在处理农村生活污水方面存在很大的提升改造空间。可以从增大反应单元容积、优化反应器结构,以及优化控制溶解氧、回流比等条件着手,分别提升A2O单元和人工湿地单元的污染物去除效果,充分发挥农村污水处理设施的作用与功能。

参考文献 (34)

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