当前小区污水处理大多采用生物法+过滤组合工艺或者膜生物反应器工艺^[1], 这两种处理工艺优点是运行稳定、处理效果好, 能够达到处理要求;缺点是能耗都比较高, 处理与回用费用比较高, 而且膜生物反应器需要定期清洗, 运行管理要求高。

　　 本文研究了磁分离与装配式人工湿地组合工艺对小区污水的处理效果。磁分离技术属于物化技术, 对污水中悬浮物、总磷有很好的去除效果, 而且启停方便、停留时间短、占地面积小^[2]。人工湿地技术具有处理效果好运转维护管理方便、投资和运行费用低以及对负荷变化适应能力强等特点。对于小区来说, 可以将绿地改造成湿地, 既减少功能湿地的占地面积, 又可节省绿化时的动力费用, 小区污水经过磁分离处理后, 绝大部分悬浮物被去除, 降低了湿地负荷, 延长湿地的运行寿命。通过考察组合工艺对各项污染物的去除效果, 为小区尤其是北方小区污水处理和回用工程的建设提供参考。

　　 试验采用磁分离与装配式人工湿地组合工艺处理小区生活污水, 其工艺流程如图1所示。

　　 生活污水首先进入混凝反应器, 在磁粉、混凝剂和助凝剂的作用下与原水中的悬浮物形成以磁种为“核”的絮团^[3]。混凝系统提供反应所必要的动力和水力停留时间。分两段反应, 前段为混合单元, 投加混凝剂和磁种, 后段为絮凝单元, 投加助凝剂。

　　 长大的微磁絮团在水流的带动下进入磁分离装置, 利用稀土永磁材料的高强磁力, 将混凝系统形成的磁性絮团吸附分离去除。试验装置如图2所示。主要构筑物和设备设计参数见表1。

　　 磁分离装置出水进入装配式人工湿地进一步净化。装配式人工湿地 (见图3) 为水平潜流式, 尺寸:2 100 mm×560 mm×330 mm, 外结构采用厚度2cm的透明玻璃板, 在前后出水处分别设置穿孔板, 将整个湿地分隔成进水区、填料区和出水混合区。

　　 湿地垂直方向从上往下依次是植物系统、土壤层、透水透气层、承托层、装配式填料单元、集水管、垫层。植物以常用绿化植物为主如冬青、麦冬、鸢尾等。装配式填料单元采用15PVC-U管作为外框骨架, 间距150mm, 单元填料尺寸:1 950mm×1 000mm×1 000mm;单元填料内置特制弹性填料 (标准市购) , 150, 束状, 材料为聚酰胺、聚烯烃类特制弹性填料, 具有比表面积大、易挂膜、耐腐蚀、强度大等特点。单丝直径为0.35 mm, 比表面积380m²/m³。弹性填料采用尼龙绳上下分别固定于外框骨架上, 间距150mm;单株填料两端垂直固定于框架上, 形成一体框架式填料单元 (见图4) 。

　　 试验用水采用的是北方某小区的生活污水, 试验期间水质COD为250~280 mg/L, NH₃-N为23~39 mg/L, TN为32~56 mg/L, TP为4.2~5.9mg/L, SS为62~90mg/L。

　　 主要试剂:磁粉 (主要成分Fe₄O₃, 黑色粉末, 粒径为50μm左右) ;聚氯化铝 (PAC, 工业纯) ;聚丙烯酰胺 (PAM, 工业纯) 。

　　 装置运行时间从2016年10月~2017年5月, 低温数据截取2016年10月~2017年1月上旬, 室内温度7~9℃, 水温3~6℃, 进水流量为200L/h, 磁分离装置中PAC配药浓度为3.0%, 投加量80mg/L, 反应时间4 min;磁粉配药浓度为10%, 投加量250 mg/L;PAM配药浓度为0.03%, 投加量1.0mg/L, 反应时间3min。混合搅拌机转速为300r/min, 絮凝搅拌机转速为60r/min。

　　 人工湿地以连续方式进水, 通过脉冲泵流量调节改变人工湿地的水力负荷, 稳定运行时, 水力负荷为0.2m³/ (m²·d) , 停留时间为4d。

　　 试验期间每天对进水, 磁分离出水和湿地出水进行水质检测, 分析其各项指标的去除效果, 同时与常温条件下 (20~25℃) 各单元对污染物的平均去除效果进行对比分析。

　　 设计磁粉回收率的试验, 步骤如下:

　　 (1) 在磁分离中试设备稳定运行的条件下 (进水流量200L/h, 磁粉投加量250mg/L) , 用已恒重烧杯连续1h接取中试设备分离出来的磁性絮团样品, 称量此时烧杯的重量, 记为M (g) 。

　　 (2) 将称好的混合液样品放在高速搅拌机中搅拌, 搅拌一定时间后, 用磁铁将打散的磁性絮团中磁粉吸出, 称重, 反复多次, 直到恒重, 记为M₁ (g) 。

　　 则磁粉回收率ω的数值, 以%表示, 按式 (1) 计算为:

　　 整个试验装置位于室内, 试验期间室内温度保持在7~9℃, 人工湿地模拟实际室外运行条件, 没有特殊的保温措施, 仅仅通过收割植物覆盖的方法保证湿地运行。

　　 COD:快速检测法;NH₃-N:纳式试剂分光光度法;TN:碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;TP:钼酸铵分光光度法;SS:重量法^[4]。

　　 每天电耗约8.16kW·h, 电价按0.6元/ (kW·h) 计, 则单位水量电费为:0.6×8.16/4.8=1.02 (元/m³) (实际工程中, 当处理量大于1 000 m³/d时, 电费小于0.05元/m³) 。

　　 根据进水水质的变化, 混凝剂和助凝剂的投加量稍有变化, 试验中, PAC投加量80 mg/L, PAM投加量1.0 mg/L。PAC价格按3元/kg计, PAM价格按照10元/kg计, 则单位水量PAC费用为0.24元, PAM费用为0.01元。

　　 通过试验测出磁粉回收率98.6%, 磁粉绝大部分回收重复利用, 折合成本0.01元/m³, 则药剂费用0.26元/m³。

　　 直接费用:0.26+1.02=1.28 (元/m³) (设备折旧费不计入内) 。

　　 组合工艺对COD的去除效果见图5。

　　 由图5可以看出, 进水COD浓度保持在200~260mg/L, 人工湿地出水相对稳定, 基本在35~40mg/L。组合工艺对COD的去除率在80%~95%, 平均86.8%。整个试验是在冬季运行, 组合工艺在低温条件下对有机物有着良好的去除效果, 保持了良好的COD去除率。

　　 由图6可以看出, 低温条件下磁分离对COD的去除效果要优于常温条件下, 这是因为在低温条件下, 污水中悬浮物水解速度低, 悬浮态有机物占总有机物比例高于常温条件, 磁分离技术对有机物去除的贡献高于常温条件。溶解态COD的去除主要依靠装配式人工湿地来完成。

　　 低温条件下人工湿地对COD的平均去除率为59.26%, 比常温的去除效果要差, 说明低温对湿地中有机物的降解有一定的影响。湿地中的有机物主要通过微生物的生物降解作用去除, 装配式的填料易于微生物挂膜, 但低温会抑制微生物的活动, 进而影响去除效果。

　　 组合工艺对NH₃-N的去除效果见图7。

　　 由图7可知, 进水NH₃-N的浓度在25~45mg/L, 人工湿地出水基本稳定, 在9~15mg/L。尽管进水的NH₃-N浓度有一定波动, 但组合工艺对NH₃-N的去除基本保持稳定, 去除率在40%~60%, 平均52.5%。

　　 由图8可以看出, 低温与常温条件下磁分离对NH₃-N的去除效果都不理想, 仅有10.46%。而人工湿地虽然对NH₃-N有着一定的去除效果, 平均去除率46.58%, 但去除效果比常温条件下要差很多。人工湿地中氨氮的去除主要是通过微生物的硝化作用将氨氮转化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮。

　　 植物吸收对氨氮的去除起到一定的作用。低温条件下, 硝化作用受到抑制^[5], 植被生长缓慢, 氨氮的去除效果降低。

　　 组合工艺对TN的去除效果见图9。

　　 由图9可知, 进水TN的浓度在35~55mg/L, 组合工艺对TN的去除效果基本稳定, 出水在15~20mg/L, 去除率在40%~60%, 平均52.29%。

　　 由图10可以看出, 低温与常温条件下磁分离对TN的去除效果都不理想, 仅有17.25%。而低温条件下人工湿地对TN的去除率为40.52%, 远低于常温条件下88.49%的去除率。人工湿地去除TN的主要途径是通过硝化与反硝化作用, 显然, 低温条件下, 硝化反硝化作用受到抑制, 总氮去除效果不佳。

　　 组合工艺对TP的去除效果见图11。

　　 由图11可看出, 进水TP基本稳定在4.5~5.6mg/L。人工湿地出水TP保持在0.1~0.2mg/L。组合工艺对TP的去除率在96%~98%, 平均为96.8%, 组合工艺对TP有着良好的去除效果。

　　 由图12可以看出, 磁分离对TP的去除贡献率最高, 达到92.95%, 对比低温与常温条件, 磁分离去除TP的效果相差不大。

　　 不同温度下装配式人工湿地对TP的去除效果均有限, 去除率分别在29.69%和32.06%。人工湿地对磷的去除主要是要靠介质吸附和微生物同化作用, 植物吸收作用在表面流人工湿地中占主要地位, 在潜流人工湿地中作用不明显。可以推断, 温度对湿地总磷的去除影响较小, 而装配式填料吸附磷较快, 但是由于吸附量不大, 致使磷去除效果有限。

　　 组合工艺对SS的去除效果见图13。

　　 由图13可以看出, SS进水浓度维持在65~80mg/L, 出水水质相对稳定, 基本稳定在11mg/L左右, 组合工艺对SS的平均去除率在84.8%。

　　 由图14可知, 不同温度下磁分离和人工湿地都对SS有着较高的去除率, 分别为68.9%和50.4%。悬浮物质在湿地中被去除一方面是由于胶体颗粒的絮凝沉淀, 另一方面是靠填料和植物茎叶及根系的过滤截流而去除, 因此温度对于悬浮物的去除效果影响较小。特别指出的是, 在整个试验期间, 人工湿地并没有出现於塞现象。

　　 工艺各单元的处理效果及出水水质见表3。

　　 (1) 小区污水处理大多以中水回用为目的, 磁分离+装配式人工湿地组合工艺提供了一种回用于绿化的小区污水处理及回用技术, 低温条件下的运行效果表明, 该技术在我国南北方小区都能适用。实施过程中, 将小区绿地按湿地的结构建设, 既能减少处理设施占地面积, 节省投资, 还能省去绿化灌溉时的动力费用。

　　 (2) 低温对人工湿地中氨氮和总氮的去除效果影响较大, 这主要是由于硝化和反硝化在低温条件下会受到一定的抑制, 而对悬浮物和总磷的去除影响较小。此外, 人工湿地在实际应用中一定要考虑低温下的防冻措施。

　　 (3) 磁分离对TP和SS的去除效果较好, 去除率分别可达92.9%和68.9%。在低温条件下, 磁分离净水技术表现出对温度较好的适应能力, 几乎不受温度的影响, 同时98.6%的磁粉可以回收利用, 污泥产率小于0.1%, 含水率96%, 可直接脱水。氨氮和溶解态有机物的去除主要由人工湿地完成, 两种工艺优势互补, 可通过工艺参数的合理设计实现小区污水回用目标。