新型一體化裝置處理村鎮(zhèn)污水試驗(yàn)研究*

劉旭東1 姜 鳳1 馮 欣2 郭爛林1

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168； 2.遼寧省環(huán)境科學(xué)研究院，沈陽(yáng) 110000)

摘要：依據(jù)我國(guó)村鎮(zhèn)污水處理的技術(shù)要求及村鎮(zhèn)污水水質(zhì)、水量特點(diǎn)，提出了一種新型一體化裝置。該裝置采用活性污泥法與厭氧/缺氧相結(jié)合，并運(yùn)用一體化的設(shè)計(jì)理念，集好氧、缺氧、厭氧于同一反應(yīng)池。通過(guò)模擬村鎮(zhèn)污水的運(yùn)行，研究了新型一體化裝置曝氣/攪拌交替運(yùn)行的最佳條件。結(jié)果表明：在水力停留時(shí)間為6 h，當(dāng)曝氣/攪拌交替運(yùn)行的循環(huán)周期和時(shí)間比例分別為120 min和40∶80條件下，裝置能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)COD、TN、TP的去除，COD、TN、TP的平均去除率分別為86.1%、84.3%、77.4%，且出水水質(zhì)保持穩(wěn)定，出水COD、TN達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，出水TP達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：村鎮(zhèn)污水；新型一體化裝置；曝氣/攪拌交替運(yùn)行

0 引 言

近年來(lái)，國(guó)家大力發(fā)展村鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)，農(nóng)民生活質(zhì)量不斷提升，村鎮(zhèn)生產(chǎn)生活污水排放量也呈逐年上升趨勢(shì)。然而，由于大部分村鎮(zhèn)幾乎不存在污水處理設(shè)施，污水直接排入水體或相關(guān)流域，嚴(yán)重污染了土壤和地下水，同時(shí)對(duì)周圍氣體環(huán)境造成不良影響，導(dǎo)致潛在的疾病傳播。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示：2012年我國(guó)城市污水的處理率為82%，縣城為60%，而建制鎮(zhèn)為20%，農(nóng)村僅為7%；90%以上小城鎮(zhèn)的水體受到不同程度的污染，78%的城鎮(zhèn)河段不宜做飲用水，50%的城鎮(zhèn)地下水受到不同程度的污染[1]。村鎮(zhèn)污水未經(jīng)處理直接排放對(duì)環(huán)境造成的污染不容忽視。

相對(duì)于城市而言，村鎮(zhèn)污水具有以下特點(diǎn)：1)管網(wǎng)收集系統(tǒng)不健全，粗放型排放，污水流量小，面廣分散[2]；2)農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量不穩(wěn)定，受季節(jié)的影響，不同時(shí)段的水質(zhì)不同，一般不含重金屬和有毒有害物質(zhì)，但含有較多的合成洗滌劑以及細(xì)菌、病毒、寄生蟲(chóng)卵等[3]；3)農(nóng)村生活污水排放情況的調(diào)查結(jié)果顯示，農(nóng)村生活污水可生化性強(qiáng)[4-5]，ρ(SS)為100～500 mg/L；ρ(COD)為62～314 mg/L；ρ(NH3-N)為3.59～35.50 mg/L；ρ(TN)為13.26～46.9 mg/L；ρ(TP)為0.5～4.58 mg/L。

針對(duì)村鎮(zhèn)污水的特點(diǎn)，本文研發(fā)了一種適用于村鎮(zhèn)污水處理的新型一體化裝置[6]。該裝置采用連續(xù)流間歇曝氣的運(yùn)行方式，研究不同運(yùn)行條件下對(duì)村鎮(zhèn)污水的處理效果，為我國(guó)村鎮(zhèn)污水處理提供新的解決途徑。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用水與污泥

試驗(yàn)裝置自2015年4月8日開(kāi)始啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)30天完成裝置的調(diào)試并成功啟動(dòng)。裝置運(yùn)行期間均采用實(shí)驗(yàn)室配制的模擬村鎮(zhèn)生活污水，配方見(jiàn)表1，進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表2。

表1 模擬生活污水配方

Table 1 Formula of simulated domestic sewage mg/L

葡萄糖蛋白胨碳酸氫鈉NaCl磷酸二氫鉀氯化銨140140150501570

表2 進(jìn)水水質(zhì)

Table 2 Influent water quality mg/L(pH除外)

項(xiàng)目ρ(COD)ρ(BOD)ρ(TN)ρ(TP)pH范圍200.1～290.1156～22835.6～443.24～4.877～8

試驗(yàn)污泥取自沈陽(yáng)市某污水處理廠二沉池剩余污泥，在實(shí)驗(yàn)室條件下取適量污泥進(jìn)行悶曝培養(yǎng)，3周后污泥呈黃色絮狀，經(jīng)顯微鏡鏡檢可發(fā)現(xiàn)鐘蟲(chóng)、輪蟲(chóng)、鞭毛蟲(chóng)，表明活性污泥基本成熟[7]。

1.2 試驗(yàn)裝置及裝置運(yùn)行方法

試驗(yàn)裝置由有機(jī)玻璃制成，采用一體化合建式，如圖1所示。裝置分為4個(gè)格室，待處理污水依次流經(jīng)調(diào)節(jié)池、反應(yīng)池Ⅰ、反應(yīng)池Ⅱ、沉淀池。裝置總長(zhǎng)1 m，寬0.4 m，高0.6 m；其中反應(yīng)池Ⅰ和反應(yīng)池Ⅱ的有效容積為60 L。此外，反應(yīng)池底部設(shè)低氧曝氣頭和攪拌器，通過(guò)自控系統(tǒng)對(duì)曝氣與攪拌間歇運(yùn)行的時(shí)間進(jìn)行控制，同時(shí)反應(yīng)池內(nèi)安裝在線溶氧儀，對(duì)溶解氧進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。沉淀池與反應(yīng)池Ⅰ之間設(shè)置回流裝置，對(duì)污泥進(jìn)行定期回流。

1—調(diào)節(jié)池； 2—反應(yīng)池Ⅰ； 3—反應(yīng)池Ⅱ； 4—沉淀池。
圖1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)
Fig.1 Structure of test equipment

污水首先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，然后順序流經(jīng)反應(yīng)池Ⅰ、反應(yīng)池Ⅱ，處理后的污水流入沉淀池，由沉淀池頂端排水口排出。裝置采用24 h連續(xù)進(jìn)水的方式，進(jìn)水量達(dá)到240 L/d，反應(yīng)池Ⅰ與反應(yīng)池Ⅱ容積與結(jié)構(gòu)相同，水力停留時(shí)間均為6 h。

1.3 試驗(yàn)裝置的運(yùn)行條件

間歇曝氣的運(yùn)行方式有利于好氧反硝化菌和異氧硝化菌的脫氮及PHB的積累和貯存。方茜[8]等證明了低曝氣含氧量和高曝氣頻率的間歇曝氣模式有利于同步硝化反硝化過(guò)程的持續(xù)穩(wěn)定，低曝氣頻率的間歇曝氣模式則有利于順序式硝化反硝化的發(fā)生。因此，試驗(yàn)采用間歇曝氣的運(yùn)行方式，通過(guò)自控系統(tǒng)控制反應(yīng)池曝氣與攪拌交替運(yùn)行的循環(huán)周期及時(shí)間比例，反應(yīng)池Ⅰ和反應(yīng)池Ⅱ同步運(yùn)行，分別設(shè)定30，60，120 min為1個(gè)循環(huán)周期，在每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)考察曝氣與攪拌交替運(yùn)行時(shí)間比例變化對(duì)COD、TN、TP處理效果的影響。具體運(yùn)行條件如表3所示。

表3 反應(yīng)池運(yùn)行條件

Table 3 Operating conditions of reaction tank

循環(huán)周期/min曝氣時(shí)間∶攪拌時(shí)間3020∶1015∶1510∶206040∶2030∶3020∶4012080∶4060∶6040∶80

以上每個(gè)運(yùn)行條件開(kāi)始之前，都先將裝置在特定的試驗(yàn)條件下運(yùn)行2～3 d，待反應(yīng)池內(nèi)的污泥性狀及出水穩(wěn)定后再進(jìn)入正式試驗(yàn)階段，以下試驗(yàn)結(jié)果均為裝置穩(wěn)定運(yùn)行后的數(shù)據(jù)。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目及方法

COD采用哈希CODmax鉻法COD分析儀；TN采用HACH-LangIL 500總氮測(cè)定儀；TP采用過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法。

2 結(jié)果與分析

2.1 曝氣/攪拌最佳循環(huán)周期的確定

2.1.1 對(duì)COD的去除效果

循環(huán)周期分別為30，60，120 min時(shí)，裝置對(duì)COD處理效果如圖2—圖4所示。裝置正常運(yùn)行期間，3種循環(huán)周期的條件下，裝置對(duì)COD的去除效果均較好。進(jìn)水ρ(COD)為93～290.1 mg/L，波動(dòng)較大，出水ρ(COD)一直低于50 mg/L，均值為37 mg/L，COD平均去除率為83.1%，該裝置具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。主要原因是裝置具有兩個(gè)平行的反應(yīng)池，污水經(jīng)調(diào)節(jié)池進(jìn)入反應(yīng)池Ⅰ，部分有機(jī)物得以去除，然后流入反應(yīng)池Ⅱ，在微生物的作用下，有機(jī)物再次被降解，且污水與反應(yīng)池內(nèi)活性污泥的實(shí)際接觸時(shí)間為12 h，保證了出水水質(zhì)良好且穩(wěn)定。裝置對(duì)COD的去除主要依賴于活性污泥中微生物的代謝作用[9]，當(dāng)HRT相同時(shí)，由于循環(huán)周期不同，導(dǎo)致反應(yīng)池內(nèi)3種氧環(huán)境存在的時(shí)長(zhǎng)不同，但對(duì)反應(yīng)池內(nèi)微生物的代謝作用無(wú)較大影響。因此，不同的循環(huán)周期下，裝置對(duì)COD的去除并無(wú)較大差別。

—△—進(jìn)水； —○—出水； —■—去除率。
圖2 循環(huán)周期為30 min對(duì)COD處理效果
Fig.2 Performance of COD treatment when the cycle is 30 min

—△—進(jìn)水； —○—出水； —■—去除率。
圖3 循環(huán)周期為60 min對(duì)COD處理效果
Fig.3 Performance of COD treatment when the cycle is 60 min

—△—進(jìn)水； —○—出水； —■—去除率。
圖4 循環(huán)周期為120 min對(duì)COD處理效果
Fig.4 Performance of COD treatment when the cycle is 120 min

2.1.2 對(duì)TN的去除效果

污水中的氮元素主要以有機(jī)氮、氨氮、硝酸氮與亞硝酸氮4種形式存在[10]。氮是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要元素之一，是衡量污水處理工藝優(yōu)劣的主要指標(biāo)，本試驗(yàn)裝置采用曝氣與攪拌交替進(jìn)行的運(yùn)行方式，達(dá)到高效脫氮。圖5—圖7分別為循環(huán)周期為30，60，120 min時(shí)總氮的去除效果。循環(huán)周期為30 min時(shí)，進(jìn)水ρ(TN)為35.6～42.6 mg/L，出水ρ(TN)為19.4～39 mg/L，最高去除率為49.5%；循環(huán)周期為60 min時(shí)，進(jìn)水ρ(TN)為37.6～42 mg/L，出水ρ(TN)為18.2～24 mg/L，最高去除率為53.3%；循環(huán)周期為120 min時(shí)，進(jìn)水ρ(TN)為37.5～44 mg/L，出水ρ(TN)為5.3～19.6 mg/L，最高去除率為86.1%。

—△—進(jìn)水； —○—出水； —■—去除率。
圖5 循環(huán)周期為30 min對(duì)TN處理效果
Fig.5 Performance of TN treatment when the cycle is 30 min

—△—進(jìn)水； —○—出水； —■—去除率。
圖6 循環(huán)周期為60 min對(duì)TN處理效果
Fig.6 Performance of TN treatment when the cycle is 60 min

—△—進(jìn)水； —○—出水； —■—去除率。
圖7 循環(huán)周期為120 min對(duì)TN處理效果
Fig.7 Performance of TN treatment when the cycle is 120 min

活性污泥反應(yīng)系統(tǒng)中氮循環(huán)的傳統(tǒng)理論認(rèn)為，新鮮污水中氮的主要存在形式為有機(jī)氮。有機(jī)氮首先被氨化菌氧化生成氨氮，氨化菌多為異養(yǎng)菌，此過(guò)程與有機(jī)物的去除同時(shí)進(jìn)行；之后在硝化菌的作用下，氨態(tài)氮進(jìn)一步分解氧化，被轉(zhuǎn)化為亞硝酸氮與硝酸氮；反硝化過(guò)程中，硝酸氮和亞硝酸氮被還原為氣態(tài)氮(N2)排出[11]，從而實(shí)現(xiàn)氮的真正去除。

當(dāng)循環(huán)周期為30 min時(shí)，進(jìn)出水總氮值相差較小，去除率偏低，主要原因是反應(yīng)池曝氣與攪拌交替運(yùn)行的循環(huán)時(shí)間短。曝氣階段與攪拌階段交替的次數(shù)頻繁，反應(yīng)池中無(wú)法保證好氧、缺氧、厭氧環(huán)境交替出現(xiàn)，有機(jī)氮被氨化菌氧化生成氨氮后[12]，無(wú)法完成后續(xù)硝化、反硝化反應(yīng)，導(dǎo)致出水總氮較高。

當(dāng)循環(huán)周期為60 min時(shí)，總氮平均去除率相對(duì)提高，但出水總氮值并不穩(wěn)定，分析原因?yàn)榉磻?yīng)池內(nèi)出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧環(huán)境的交替，使硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)得以進(jìn)行，但是無(wú)法保證硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程維持足夠的時(shí)長(zhǎng)。

當(dāng)循環(huán)周期為120 min時(shí)，總氮去除率最高，主要由于循環(huán)周期的延長(zhǎng)，使待處理污水在整個(gè)水力停留時(shí)間內(nèi)，曝氣階段與攪拌階段的交替次數(shù)減少，保證了池內(nèi)出現(xiàn)某一種氧環(huán)境的時(shí)間，反應(yīng)池內(nèi)好氧、缺氧、厭氧環(huán)境得以出現(xiàn)并維持一定的時(shí)間，使硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)充分完成，從而達(dá)到良好的脫氮效果。

2.1.3 對(duì)TP的去除效果

一體化裝置連續(xù)運(yùn)行8個(gè)月左右，在不排泥的條件下，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)污水中磷的去除，如圖8—圖10所示。當(dāng)曝氣與攪拌的循環(huán)周期分別為30，60，120 min時(shí)，TP的平均去除率分別為49.7%、51.8%、56.6%。循環(huán)周期為120 min時(shí)，TP平均去除率最高，最高去除率達(dá)78%。

—△—進(jìn)水； —○—出水； —■—去除率。
圖8 循環(huán)周期為30 min對(duì)TP處理效果
Fig.8 Performance of TP treatment when the cycle is 30 min

—△—進(jìn)水； —○—出水； —■—去除率。
圖9 循環(huán)周期為60 min對(duì)TP處理效果
Fig.9 Performance of TP treatment when the cycle is 60 min

—△—進(jìn)水； —○—出水； —■—去除率。
圖10 循環(huán)周期為120 min對(duì)TP處理效果
Fig.10 Performance of TP treatment when the cycle is 120 min

深度處理小型一體化裝置盡管無(wú)剩余污泥排放，但仍具有一定的除磷效果。Dévai等[13]對(duì)幾個(gè)污水處理廠系統(tǒng)進(jìn)行磷的物料平衡核算時(shí)，發(fā)現(xiàn)磷有一定的損失，并在污水廠釋放的氣體中檢測(cè)到了磷化氫，證實(shí)了損失的磷中有25%～50%是以氣態(tài)磷形式逸出的。周健等[14]在無(wú)剩余污泥排放的條件下，證明了系統(tǒng)可通過(guò)磷酸鹽的生物還原作用，通過(guò)以氣態(tài)磷化物的形式實(shí)現(xiàn)了對(duì)磷的高效去除。由此判斷，深度處理小型一體化裝置中磷除了供污泥新陳代謝使用外，也可能是通過(guò)磷酸鹽生物還原后以氣態(tài)磷化氫的形式發(fā)生了轉(zhuǎn)化，該現(xiàn)象可作為下一步除磷研究?jī)?nèi)容。

綜上可知，曝氣/攪拌交替運(yùn)行的最佳循環(huán)周期為120 min。

2.2 曝氣/攪拌時(shí)間比例的確定

曝氣/攪拌交替運(yùn)行的時(shí)間比例決定了反應(yīng)池內(nèi)好氧、缺氧、厭氧環(huán)境的時(shí)長(zhǎng)，可影響出水水質(zhì)[15]。在最佳循環(huán)周期的條件下，曝氣∶攪拌時(shí)間比例分別為80∶40、60∶60、40∶80時(shí)，裝置對(duì)COD、TN、TP的去除效果如表4所示。

表4 各時(shí)間比例COD、TN、TP平均去除率

Table 4 The average removal rate of TP, TN and COD in each time scale

時(shí)間比例平均去除率/%CODTNTP80∶4083.153.742.160∶6084.659.650.140∶8086.184.277.4

曝氣/攪拌時(shí)間比例為40∶80時(shí)，裝置對(duì)COD、TN、TP的去除率效果最好；COD平均去除率為86.1%，TN平均去除率達(dá)到84.2%，TP平均去除率達(dá)到77.4%。反應(yīng)池內(nèi)DO的變化規(guī)律如圖11所示。反應(yīng)池內(nèi)DO在開(kāi)始曝氣后的20 min急劇增加，且ρ(COD)>2 mg/L，此時(shí)池內(nèi)為好氧環(huán)境，可保證硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行；停止曝氣并開(kāi)始攪拌后，池內(nèi)DO急劇下降，20 min后ρ(DO)<0.5>[16]研究發(fā)現(xiàn)，間歇曝氣系統(tǒng)內(nèi)反硝化平均速率只有1.0 mg/(g·h),約為硝化速率的1/2。因此當(dāng)裝置曝氣/攪拌的時(shí)間比例為40∶80時(shí)，硝化反應(yīng)與反硝化反應(yīng)可充分徹底地完成。

圖11 曝氣/攪拌為40∶80時(shí)DO變化曲線
Fig.11 DO curves of aeration and agitation in 40∶80

3 結(jié) 論

1)深度處理小型一體化裝置能夠?qū)崿F(xiàn)同步脫氮除磷，且結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小、易于運(yùn)行管理、基建投資低，適用于村鎮(zhèn)小流量分散式生活污水的處理。

2)深度處理小型一體化裝置之所以能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氮的高效去除，在于其一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和曝氣/攪拌交替的運(yùn)行方式，結(jié)合微動(dòng)力曝氣可獲得好氧、缺氧、厭氧環(huán)境的交替出現(xiàn)。

3)裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，當(dāng)循環(huán)周期為120 min，曝氣/攪拌交替運(yùn)行時(shí)間比例為40∶80時(shí)，出水水質(zhì)穩(wěn)定。出水COD、TN均達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)，出水TP達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)B出水標(biāo)準(zhǔn)。

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EXPERIMENTAL STUDY ON THE TREATMENT OF RURAL SEWAGE BY A NEW INTEGRATED DEVICE

LIU Xu-dong1, JIANG Feng1, FENG Xin2, GUO Lan-lin1

(1.Department of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China; 2.Liaoning Environmental Science Research Institute,Shenyang 110000,China)

Abstract：According to the technical requirements of rural sewage treatment in China and the characteristics of water quality and quantity of sewage, a small scale integrated reactor by intermittent aeration was proposed.The reactor adopted activated sludge process combined with anaerobic/anoxic, and used the integrated design concept to set the aerobic, anoxic and anaerobic conditions in the same reaction pool.Laboratory simulation of village life by running sewage, the optimal conditions of small integrated reactor aeration/stirring was studied to run.The results showed that HRT was 6h, when the aeration/stirring alternating operation cycle time was 120 min and the ratio was 40∶80, the removal rate of COD, TN, TP were 86.1%, 84.3%,77.4% and the water quality remained stable. The effluent COD, TN could reach the first level A standard of Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant,TP could reach the first level B standard.

Keywords：town sewage; new integrated reactor; integration/stirring alternately run

收稿日期：2016-03-30

DOI：10.13205/j.hjgc.201612008

第一作者：劉旭東(1966-)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槲廴究刂婆c治理。hj_lxd@sjzu.edu.cn

*“十二五”國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07202-003)。