農(nóng)村生活污水膜處理工藝

0 引言

農(nóng)村污水高氮磷特點(diǎn)，對(duì)河流湖泊等受納水體造成嚴(yán)重污染，使其成為中國(guó)面源污染的主要污染源之一。解決農(nóng)村水污染問題已引起水處理學(xué)者們的普遍關(guān)注，隨著市政和工業(yè)污水處理技術(shù)的快速發(fā)展，中國(guó)城市污水的處理能力和效果得到根本改善,使這種關(guān)注更加普遍。村莊分散，排水設(shè)施落后，給農(nóng)村污水的集中處理帶來了困難，導(dǎo)致農(nóng)村污水處理必然采用因地制宜，就地處理模式。當(dāng)今世界性的水危機(jī)，使污水處理與利用結(jié)合的更加緊密，許多國(guó)家和地區(qū)依據(jù)自身開發(fā)出農(nóng)村生活污水處理工藝，一些工藝作為永久性的處理方式延續(xù)至今，例如，日本的“生物凈化槽”，美國(guó)的“分散處理系統(tǒng)”，澳大利亞的“菲爾托”，還有一體化集成凈化裝置、人工濕地和土地處理系統(tǒng)等都得到了廣泛的應(yīng)用。

中國(guó)農(nóng)村生活污水處理與利用正處在起步階段，村莊分散、人口不集中等問題給處理工藝提出了新的要求，又因?yàn)檗r(nóng)村污水量小、分散、日變化系數(shù)大給收集和利用帶來一定的困難，使分散處理與直接利用成為農(nóng)村污水處理技術(shù)的主要研究方向[8-12]。新農(nóng)村建設(shè)在濱海地區(qū)加快進(jìn)行，使水資源的供需矛盾更加突出，處理后的農(nóng)村生活污水不僅僅作為農(nóng)業(yè)灌溉，逐步應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，村莊綠化，景觀水體等多領(lǐng)域，尤其是補(bǔ)充景觀水體和河道成為現(xiàn)階段新農(nóng)村再生水資源利用的主要方面，這也對(duì)進(jìn)入環(huán)境的再生水中的營(yíng)養(yǎng)鹽提出了更高的要求。

根據(jù)農(nóng)村污水排放特點(diǎn)，在間歇曝氣連續(xù)回流工藝基礎(chǔ)上，自主開發(fā)了兩級(jí)交替回流連續(xù)曝氣生物膜新工藝。污水 經(jīng)1 次提升后以自流的方式依次完成后續(xù)工藝流程，耗能低。厭氧段只進(jìn)行到水解酸化階段，在二次沉淀池和循環(huán)水池中分別設(shè)置污泥回流泵和循環(huán)水泵，污泥回流泵提高了厭氧池和接觸氧化池內(nèi)的混合液污泥濃度（mixed liquid suspended solids），延長(zhǎng)污泥齡為反硝化過程提供硝酸鹽以提高脫氮效率，排泥設(shè)在厭氧段末端，減小排泥量延長(zhǎng)排泥周期，循環(huán)水泵保證了間歇進(jìn)水系統(tǒng)的連續(xù)處理能力。在進(jìn)一步控制有機(jī)物和營(yíng)養(yǎng)鹽的環(huán)境進(jìn)入量同時(shí)，有效控制了投資成本，運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用，簡(jiǎn)化操作程序，筆者以實(shí)際運(yùn)行的污水處理站為研究對(duì)象，重點(diǎn)探討了間歇性進(jìn)水，低碳氮比條件下，系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物和氮、磷的去除效果。

1 材料與方法

1.1 工藝流程

本處理系統(tǒng)由集水調(diào)節(jié)池、厭氧水解池、接觸氧化池、二次沉淀池、循環(huán)水池和風(fēng)機(jī)房構(gòu)成，構(gòu)筑物總有效容積270 m3，其中集水調(diào)節(jié)池18 m3，厭氧水解池207 m3和接觸氧化池24 m3，二次沉淀池14 m3，出水循環(huán)池7 m3。其中，厭氧水解池兼具缺氧反硝化脫氮功能，與接觸氧化池容積比約8.6∶1。整個(gè)生化反應(yīng)區(qū)組合填料填充深度為1.0 m，其中厭氧水解段填充率為60%，水力負(fù)荷為0.48 m3/(m3·d)；接觸氧化段填充率為75%，水力負(fù)荷為4.17 m3/(m3·d)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力100 m3/d，運(yùn)行期間實(shí)際進(jìn)水量為90 t/d，進(jìn)水方式為液位自動(dòng)控制波段式進(jìn)水，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)水泵日工作時(shí)間約8 h，主要集中在早、中、晚3 個(gè)時(shí)段，其中早間集中工作2～3 h，午間集中工作1～2 h，晚間集中工作3～5 h，曝氣方式為三葉羅茨風(fēng)機(jī)連續(xù)鼓風(fēng)，2 臺(tái)風(fēng)機(jī)交替工作，污泥回流泵為每4 h工作15 min，循環(huán)水泵保證系統(tǒng)在無進(jìn)水和污泥回流情況下的正常水力推流，系統(tǒng)回流比為2∶1。

工藝流程見圖 1，本污水處理站位于天津市寧河縣大北澗沽村，服務(wù)290 余戶，約1 100 人。該村2010 年完成集中污水收集管網(wǎng)建設(shè)，并在檢查井內(nèi)安放清淤井和攔污網(wǎng)，所以污水處理站未設(shè)初沉池。同時(shí)該村地勢(shì)低洼，存在雨污合流現(xiàn)象，故集水池又兼顧泄洪功能。該項(xiàng)目于2011 年5 月進(jìn)行了設(shè)備運(yùn)行調(diào)試，并于6 月開始監(jiān)測(cè)分析處理效果。

 1.2 試驗(yàn)水質(zhì)與采樣

系統(tǒng)于2011 年5 月底完成設(shè)備運(yùn)行調(diào)試，在調(diào)試過程中系統(tǒng)一直以交替回流連續(xù)曝氣的方式運(yùn)行。從2011 年6 月開始，分別在月初和月中（1號(hào)、16 號(hào)）采集水樣，連續(xù)采集12 個(gè)月，進(jìn)水水質(zhì)見表1。

注：CODcr、BOD5、NH3-N、TN、TP 和SS 分別為：化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總氮、總磷和固體懸浮物。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

水質(zhì)分析方法采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[20]，其中CODcr：重鉻酸鉀法；BOD5：稀釋與接種法；SS：烘干稱重法；NH3-N：瑞典 Foss Flastaar 5000全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀；pH 值：pH-HJ90B 型酸度劑；TP：鉬酸銨分光光度法；TN：德國(guó)Analytikjena公司multi N/2100S。

2 結(jié)果與討論

對(duì)該反應(yīng)裝置進(jìn)行了為期12 個(gè)月的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，通過COD、BOD、NH3-N、TN、TP 和SS6 項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其運(yùn)行規(guī)律和可能影響其運(yùn)行效果的因素進(jìn)行了分析。

2.1 對(duì)有機(jī)物的去除效果

系統(tǒng)對(duì)有機(jī)污染物的去除效果如圖2a、2b 所示。運(yùn)行期間COD 平均去除率為75.7%，出水COD平均質(zhì)量濃度為51.0 mg/L，BOD 平均去除率為84.8%，出水BOD 平均質(zhì)量濃度為15.8 mg/L。二級(jí)交替回流連續(xù)曝氣生物膜技術(shù)較間歇曝氣連續(xù)回流工藝對(duì)有機(jī)物的去除效果更加穩(wěn)定，去除能力有所增強(qiáng)（間歇曝氣連續(xù)回流工藝COD、BOD 去除率分別為74.8%和83%）。分析原因，主要是厭氧控制在水解酸化階段，為接觸氧化提供了大量可直接利用碳源和氮源，加快了生化反應(yīng)進(jìn)程，從數(shù)據(jù)上可以看出污水中的85%有機(jī)物均可被生物分解利用。其次，厭氧水解段填充了大量組合填料，并與泥水循環(huán)系統(tǒng)協(xié)同作用，不僅填料上附著大量的腐解微生物，污水中也夾雜著大量的回流污泥，使固定化生物膜法和活性污泥法同時(shí)存在系統(tǒng)中，極大的發(fā)揮了系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的截流與降解能力，同時(shí)，也為好氧脫碳提供了有利條件。整個(gè)運(yùn)行期間，BOD 的平均去除率高于COD，同時(shí)BOD 的去除率波動(dòng)范圍較小，也顯示出了兩級(jí)交替回流連續(xù)曝氣生物膜工藝提高了生物膜抗沖擊能力，氣溫的驟然變化對(duì)本系統(tǒng)有一定的影響，冬季低溫降低了生物膜上微生物活性。對(duì)低碳氮比農(nóng)村生活污水中有機(jī)物的去除效果表明，改進(jìn)后工藝對(duì)進(jìn)水負(fù)荷和冬季低溫環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，但仍要加強(qiáng)極端氣候條件下的運(yùn)行可靠性。

2.2 對(duì)NH3-N、TN 的去除效果

活性污泥反應(yīng)系統(tǒng)中氮循環(huán)的傳統(tǒng)理論認(rèn)為，生活污水中氮的主要存在形式——有機(jī)氮，將首先被氨化菌分解成氨態(tài)氮，此過程需要有機(jī)物作為碳源和能量來源；之后在一系列自養(yǎng)的硝化細(xì)菌作用下，氨態(tài)氮進(jìn)一步氧化分解為亞硝酸氮和硝酸氮。而氮的真正去除則依賴接下來的反硝化過程，反硝化細(xì)菌以硝酸氮和亞硝酸氮為電子受體，在無氧的條件下利用有機(jī)物作為能量來源將硝酸氮和亞硝酸氮還原為氣態(tài)氮（N2）排出系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)氮的脫除。

進(jìn)水中含有大量有機(jī)碳，系統(tǒng)調(diào)試后，厭氧水解池前段形成一個(gè)缺氧區(qū)，反硝化細(xì)菌利用進(jìn)水中豐富碳源為能源將循環(huán)水中的硝酸氮和亞硝酸氮還原為氣態(tài)氮（N2），實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)氮的去除。進(jìn)水中的有機(jī)氮經(jīng)過厭氧氨化后，大部分以氨態(tài)氮的形式進(jìn)入接觸氧化池，有機(jī)物在反硝化的過程中被大量消耗，為硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)提供了優(yōu)越的條件；使污水中的氨態(tài)氮順利的轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，系統(tǒng)中的生物膜和污泥回流工藝強(qiáng)化此目的，生物固體停留時(shí)間與水力停留時(shí)間分離，使世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化菌和亞硝化菌得以繁衍增殖，硝酸氮的生成得以實(shí)現(xiàn)。從而實(shí)現(xiàn)脫氮的3 個(gè)主要因素——碳源、無氧條件和硝酸鹽的積累在系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)（見圖3a、3b），NH3-N 平均去除率為69.2%，出水NH3-N 平均質(zhì)量濃度為10.8 mg/L。從數(shù)據(jù)中也證明了好氧區(qū)硝化細(xì)菌占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了氨氧化，也證明了大量的碳源用于反硝化過程。出水的TN 平均去除率為68%，出水TN 平均質(zhì)量濃度為16.5 mg/L，去除率分別比改造前提高了17.8%和7.7%（間歇曝氣連續(xù)回流工藝NH3-N、TN 去除率分別為51.4%和60.3%）。氮的最終去除是通過反硝化實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于低碳氮比農(nóng)村生活污水，碳源不足一直是系統(tǒng)脫氮的主要制約因素，本系統(tǒng)利用厭氧水解過程將有機(jī)氮氨化，節(jié)約了大量的碳源，同時(shí)為生物反硝化提供了可直接利用的碳源和能源，硝酸氮和亞硝酸氮的還原需在無氧的條件下進(jìn)行，所以系統(tǒng)利用出水的循環(huán)使厭氧水解池前段形成缺氧區(qū)，在水深為0.5 m以下，水中的溶解氧接近0，足以證明反硝化作用的存在。整個(gè)監(jiān)測(cè)期間出水NH3-N 和TN 濃度均達(dá)到了GB-18918-2002 中的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，也說明厭氧水解池為有機(jī)氮的氨化提供了有利的條件，生物接觸氧化池為硝化細(xì)菌提供了生長(zhǎng)空間，出水循環(huán)工藝為反硝化脫氮提供了電子受體，也加快了生物膜的更新，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的高效脫氮。

2.3 對(duì) TP 的去除效果

由圖4 可知，系統(tǒng)對(duì)TP 的去除偏低。整個(gè)運(yùn)行過程中系統(tǒng)對(duì)TP 平均去除率為58.9%，進(jìn)水TP的平均質(zhì)量濃度為6.1 mg/L，出水TP 平均質(zhì)量濃度為2.3 mg/L，只達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB-18918-2002）中的二級(jí)。分析原因，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以厭氧水解-缺氧/好氧脫氮為核心，將污泥的外排設(shè)置在厭氧水解的末端，污泥必須經(jīng)過厭氧水解消化后才能排出系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的目的是增加厭氧水解段的污泥濃度，提高聚磷菌生物量，并使外排污泥減量化。但是，當(dāng)泥水混合物進(jìn)入?yún)捬跛�解階段后必然會(huì)釋放一部分磷進(jìn)入水中，這可能是系統(tǒng)去除磷不理想的主要原因[26]。排泥周期不合理，使大量污泥在厭氧水解池中停留時(shí)間過長(zhǎng)，可能是磷去除不理想的又一因素[27]。生物好氧吸磷需要大量的碳源作為能源，碳源的不足是磷去除不高的另一個(gè)原因。

 2.4 對(duì)SS 的去除效果

由于采用了生物膜法，裝置中的生物填料對(duì)懸浮物起到很好的吸附、過濾的作用，形成生物膜。同時(shí)，污泥回流技術(shù)使污水中的懸浮物迅速被污泥吸附、沉降排出系統(tǒng)，循環(huán)水技術(shù)使系統(tǒng)始終保持流動(dòng)狀態(tài)，污泥懸浮于水中增加了與懸浮物接觸的機(jī)會(huì)，進(jìn)而提高了懸浮物沉降的機(jī)率。從數(shù)據(jù)分析看系統(tǒng)對(duì)SS 的去除率穩(wěn)定在79.1%～92.7%，平均為87.9%，出水平均值在15.7 mg/L 以下（見圖5）。從而解決了常規(guī)工藝對(duì)分散型低碳氮比農(nóng)村生活污水中懸浮物去除不理想這一難題。

 3 結(jié)論

1）以實(shí)際農(nóng)村生活污水水質(zhì)和排放規(guī)律，考察了改進(jìn)后的兩級(jí)回流連續(xù)曝氣生物膜工藝的處理效果，經(jīng)分析出水化學(xué)需氧量、五日生化需氧量、氨氮、總氮、總磷和固體懸浮物的平均質(zhì)量濃度分別在51.0、15.8、10.8、16.5、2.3 和15.7 mg/L 以下，除總磷（達(dá)到GB-18918-2002 中的二級(jí)）外，其他5 項(xiàng)指標(biāo)均符合GB-18918-2002 中的一級(jí)B 要求。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

2）試驗(yàn)將間歇曝氣連續(xù)回流工藝調(diào)整為兩級(jí)回流連續(xù)曝氣模式，通過各項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)表明系統(tǒng)對(duì)低碳氮污水的脫氮能力有較大提高，調(diào)整后工藝有利于硝酸氮的生成和反硝化作用的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了NH3-N、總氮平均去除率69.2%和68%以上。其中，氨氮去除率較間歇曝氣連續(xù)回流工藝提高了17.8%，全氮去除率提高了7.7%。

3）工藝的調(diào)整并沒有提高系統(tǒng)的除磷性能，分析原因可能有以下3 點(diǎn)：當(dāng)泥水混合物進(jìn)入?yún)捬跛�解階段后必然會(huì)釋放一部分磷進(jìn)入水中，這可能是系統(tǒng)去除磷不理想的主要原因；排泥周期不合理，使大量污泥在厭氧水解池中停留時(shí)間過長(zhǎng)，可能是磷去除不理想的又一因素；生物好氧吸磷需要大量的碳源作為能源，碳源的不足是磷去除不高的另一個(gè)原因。鑒于以上原因，在以后的設(shè)計(jì)上應(yīng)重點(diǎn)研究污泥回流比、回流區(qū)間、排泥周期和生物接觸氧化段碳源補(bǔ)償技術(shù)等以提高磷的去除效率，另外也可以考慮新增后續(xù)處理工藝，如人工濕地或土壤滲濾等手段。