水污染已成为现代社会发展的严重问题,尤其是对于像中国这样经济快速发展、社会活动日益增加的发展中国家尤为严重。由于农村地区缺乏有效和可持续的污水处理系统,农村水污染构成了全球最主要的水污染问题。近几年,为构建环境友好型污水处理和重利用系统,发展中国农村地区污水处理方法和保护农村水环境得到越来越多的关注。本论文研究了新型生态污水处理技术对于农村生活污水的适用性。本论文中所用的设施系统主要由改良A~2/O工艺和人工湿地构成,其中改良A~2/O工艺由上流式厌氧过滤器(UAF)和缺氧过滤器(ANF)两阶段及其四个跌水曝气生物膜反应器(WABR)组成。本研究的主要目的在于探索新型生物生态污水处理系统对于农村生活污水种有机物和营养物质的去处效果。整个实验期间,分别评估了水力停留时间(HRT)、有机负荷率(OLR)、温度,以及硝化液回流比对于系统处理效果的影响。整个实验在东南大学无锡分校进行,实验期分为2012年6月至2013年1月和2013年10月至2014年1月两段。该研究主要分为三个部分,分别为改良A~2/O工艺的中试、改良A~2/O工艺的实验室试验,以及水平潜流式人工湿地(HFCW)。改良A~2/O工艺的中试:该实验部分中,对于改良A~2/O工艺的中试试验对农村生活污水的处理效果进行了评价。为期六个月的实验中,在不同操作条件下,对各反应器的化学需氧量(COD)、总氮(TN)、氨态氮(NH4+-N)以及总磷(TP)的去除率效果进行研究。系统所接收污水的COD浓度介于105.5～361.1mg/l, TN 浓度在 17.4～56.8mg/l 范围内变化,TP 浓度在 0.83～4.1 mg/l。根据污水中COD和NH4+-N去除率达到稳定所需的时间确定厌氧菌和缺氧菌的驯服时间分别为34天和1周之内。UAF反应器在夏季(7月15日至10月15日)和冬季(10月22日至次年1月15日)两时段内进行评价。在第一时段(夏季),当HRT在1～4天范围内变化,OLP在0.2～0.072 kg COD/m3.day范围内变化,平均温度在19.6 ～ 30.4 ℃范围内变化时,COD平均去除率介于30.9% ～ 48.12%之间。当HRT为3天,平均温度为30.4 ℃时,系统达到COD最大去除率48.12%。相比较下,在第二时段(冬季),当HRT 分别为 3、4、5 天,OLR 分别为 0.065、0.065、0.033 kgCOD/m3.day,平均温度分别为14.5、10.7、6.1 ℃时,系统的平均COD去除率分别为34.5%、38.2%和29.1%。另外,由厌氧处理单元产生的沼气主要受控于HRT、温度和COD去除率,在夏季和冬季,其产生量分别为6.18和1.24 L/d。上述结果显示系统处理效果随着HRT和温度的增加、OLR的减少而增大,且在夏季和冬季,UAF反应器内的平均COD去除率分别为42.4%和34.7%。此外,营养物质主要在一体化A/O系统中去除。整个实验过程中,HRT在1～5h范围内变化,回流比设置为2或3,而TN、NH4+-N和TP的进水和出水浓度分别为 38.4、26.1 mg/l,1.84、11.6 mg/l,以及 6.94、1.12 mg/l。中试试验的结果表明该系统具有良好的处理效果,系统中COD、TN、NH4+-N和TP分别达到了 69.42%、69.08%、75.5%和46.41%的平均去除率以及65.68、11.6、6.94和1.12 mg/l的最终出水浓度。改良A~2/0工艺的实验室试验研究:在该实验部分中,主要为达到两个目标:其一,通过研究主要的影响因素如pH、温度、HRT和OLR来优化UFA反应器中COD的去除率;其二,研究WABR中水滴滴落高程对于NH4+-N去除率的影响。为达到以上两个目标,应用了 Taguchi正交矩阵方法(TOA)构建实验模型,从而确定最大化COD去除率下的各操作因素组合。另外,WABR中研究了在水滴滴落高程分别为0.25、0.3、0.35和0.4 m时的NH4+-N去除率。根据TOA法,并基于S/N比和ANOVA分析,结果表明当达到最优COD去除率时影响因素组合为A~2B3C3D1,即pH值为7,温度为25℃,HRT为36h,OLR为0.166kgCOD/m3.day。此外,实验模型表明各操作因素都十分重要,其中HRT、温度、OLR和pH对COD去除率的影响比分别为39.92%、33.78%、13.37% 和 9.18%。在长实验期 2013 年 10 月 15 日至 2014年1月15日内,在不同温度和HRT影响下,对UAF反应器内的处理效果进行评估,其结果表明在整个实验期,平均COD去除率在39.9%～56.5%范围内变化,且总COD去除率为50.8%。除此之外,在对水滴滴落高程研究过程中,对污水滴落高程分别为0.25、0.3、0.35和0.4 m的情况,分别评估了其和NH4+-N的去除率。其结果说明水滴中DO浓度随着滴落高程和流速的增加而增加,而结果显示NH4+-N的去除率也会随之增加。最佳的跌水高度为0.35m。在长实验期中,结果表明当HRT为10h,温度为25 ℃,水滴滴落高程为0.35m,回流比为2时,系统达到最优去除率,对COD和NH4+-N的平均去除率分别为68.3%和82.24%。水平潜流式人工湿地(HFCW):最后一个实验部分在夏季和冬季进行,并在人工湿地中种植多种有经济价值的水生植物(水菠菜、芹菜)。在不同的水力负荷率和温度下,研究HFCW对营养物质的去除率。种植水菠菜的HFCW 中 COD、NH4+-N、TN 和 TP 的平均去除率分别为 67.4%、65.1%、59.3和79.1%,而种植芹菜的HFCW中分别为61.8%、53.4%、45.3%和70.9%,均有所降低。HFCW处理法结果显示该系统对于有机物和营养物质具有很好的去除效果,平均COD、NH4+-N、TN和TP出水浓度可达到32.8、5.04、9.82和0.39 mg/l的最终出水浓度。复合型生态处理系统的中试效果:该研究中,对于复合型生态处理系统处理农村污水的效果进行研究。结果显示,该系统COD、TN、NH4+-N和TP最终分别达到85.1%、74.1%、81.3%和80%去除率以及32.8、9.82、5.04和0.39mg/l的最终出水浓度。该结果表明,系统的COD、TN、NH4+-N和TP均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准。该研究解释了复合型生态处理系统对于农村地区生活污水的处理是一种高效、易于操作、可持续和简便的方法。本论文提供了污水处理技术上的新思路,同时也能帮助研究者和读者更进一步了解水平潜流式人工湿地和跌水曝气法,从而更好地运用到污水处理系统中。