農(nóng)村生活污水膜處理技術

點擊次數(shù)：622 發(fā)布時間：2018/01/04

引言

農(nóng)村污水高氮磷特點，對河流湖泊等受納水體造成嚴重污染，使其成為中國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者們的普遍關注，隨著市政和工業(yè)污水處理技術的快速發(fā)展，中國城市污水的處理能力和效果得到*,使這種關注更加普遍。村莊分散，排水設施落后，給農(nóng)村污水的集中處理帶來了困難，導致農(nóng)村污水處理必然采用因地制宜，就地處理模式。當今世界性的水危機，使污水處理與利用結合的更加緊密，許多國家和地區(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*性的處理方式延續(xù)至今，例如，日本的“生物凈化槽"，美國的“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用。

中國農(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，又因為農(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)村污水處理技術的主要研究方向[8-12]。新農(nóng)村建設在濱海地區(qū)加快進行，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，逐步應用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，村莊綠化，景觀水體等多領域，尤其是補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，這也對進入環(huán)境的再生水中的營養(yǎng)鹽提出了更高的要求。

根據(jù)農(nóng)村污水排放特點，在間歇曝氣連續(xù)回流工藝基礎上，自主開發(fā)了兩級交替回流連續(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。厭氧段只進行到水解酸化階段，在二次沉淀池和循環(huán)水池中分別設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），延長污泥齡為反硝化過程提供硝酸鹽以提高脫氮效率，排泥設在厭氧段末端，減小排泥量延長排泥周期，循環(huán)水泵保證了間歇進水系統(tǒng)的連續(xù)處理能力。在進一步控制有機物和營養(yǎng)鹽的環(huán)境進入量同時，有效控制了投資成本，運行、維護費用，簡化操作程序，筆者以實際運行的污水處理站為研究對象，重點探討了間歇性進水，低碳氮比條件下，系統(tǒng)對有機物和氮、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)水池和風機房構成，構筑物總有效容積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。整個生化反應區(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%，水力負荷為0.48 m3/(m3·d)；接觸氧化段填充率為75%，水力負荷為4.17 m3/(m3·d)。系統(tǒng)設計處理能力100 m3/d，運行期間實際進水量為90 t/d，進水方式為液位自動控制波段式進水，經(jīng)實際運行監(jiān)測，進水泵日工作時間約8 h，主要集中在早、中、晚3 個時段，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機連續(xù)鼓風，2 臺風機交替工作，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290 余戶，約1 100 人。該村2010 年完成集中污水收集管網(wǎng)建設，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初沉池。同時該村地勢低洼，存在雨污合流現(xiàn)象，故集水池又兼顧泄洪功能。該項目于2011 年5 月進行了設備運行調(diào)試，并于6 月開始監(jiān)測分析處理效果。

1.2 試驗水質與采樣

系統(tǒng)于2011 年5 月底完成設備運行調(diào)試，在調(diào)試過程中系統(tǒng)一直以交替回流連續(xù)曝氣的方式運行。從2011 年6 月開始，分別在月初和月中（1號、16 號）采集水樣，連續(xù)采集12 個月，進水水質見表1。

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

1.3 測定項目及方法

水質分析方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》[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全自動流動注射分析儀；pH 值：pH-HJ90B 型酸度劑；TP：鉬酸銨分光光度法；TN：德國Analytikjena公司multi N/2100S。

2 結果與討論

對該反應裝置進行了為期12 個月的運行監(jiān)測，通過COD、BOD、NH3-N、TN、TP 和SS6 項指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對其運行規(guī)律和可能影響其運行效果的因素進行了分析。

2.1 對有機物的去除效果

系統(tǒng)對有機污染物的去除效果如圖2a、2b 所示。運行期間COD 平均去除率為75.7%，出水COD平均質量濃度為51.0 mg/L，BOD 平均去除率為84.8%，出水BOD 平均質量濃度為15.8 mg/L。二級交替回流連續(xù)曝氣生物膜技術較間歇曝氣連續(xù)回流工藝對有機物的去除效果更加穩(wěn)定，去除能力有所增強（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，加快了生化反應進程，從數(shù)據(jù)上可以看出污水中的85%有機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存在系統(tǒng)中，極大的發(fā)揮了系統(tǒng)對有機物的截流與降解能力，同時，也為好氧脫碳提供了有利條件。整個運行期間，BOD 的平均去除率高于COD，同時BOD 的去除率波動范圍較小，也顯示出了兩級交替回流連續(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。對低碳氮比農(nóng)村生活污水中有機物的去除效果表明，改進后工藝對進水負荷和冬季低溫環(huán)境有較強的適應能力，但仍要加強氣候條件下的運行可靠性。

2.2 對NH3-N、TN 的去除效果

活性污泥反應系統(tǒng)中氮循環(huán)的傳統(tǒng)理論認為，生活污水中氮的主要存在形式——有機氮，將首先被氨化菌分解成氨態(tài)氮，此過程需要有機物作為碳源和能量來源；之后在一系列自養(yǎng)的硝化細菌作用下，氨態(tài)氮進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)實現(xiàn)氮的脫除。

進水中含有大量有機碳，系統(tǒng)調(diào)試后，厭氧水解池前段形成一個缺氧區(qū)，反硝化細菌利用進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），實現(xiàn)系統(tǒng)氮的去除。進水中的有機氮經(jīng)過厭氧氨化后，大部分以氨態(tài)氮的形式進入接觸氧化池，有機物在反硝化的過程中被大量消耗，為硝化細菌的生長提供了*的條件；使污水中的氨態(tài)氮順利的轉化為硝酸鹽，系統(tǒng)中的生物膜和污泥回流工藝強化此目的，生物固體停留時間與水力停留時間分離，使世代時間較長的硝化菌和亞硝化菌得以繁衍增殖，硝酸氮的生成得以實現(xiàn)。從而實現(xiàn)脫氮的3 個主要因素——碳源、無氧條件和硝酸鹽的積累在系統(tǒng)中的實現(xiàn)。根據(jù)監(jiān)測的數(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)硝化細菌占據(jù)優(yōu)勢，實現(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zui終去除是通過反硝化實現(xiàn)的，對于低碳氮比農(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氮氨化，節(jié)約了大量的碳源，同時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。整個監(jiān)測期間出水NH3-N 和TN 濃度均達到了GB-18918-2002 中的一級標準，也說明厭氧水解池為有機氮的氨化提供了有利的條件，生物接觸氧化池為硝化細菌提供了生長空間，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，zui終實現(xiàn)了系統(tǒng)的脫氮。

2.3 對 TP 的去除效果

由圖4 可知，系統(tǒng)對TP 的去除偏低。整個運行過程中系統(tǒng)對TP 平均去除率為58.9%，進水TP的平均質量濃度為6.1 mg/L，出水TP 平均質量濃度為2.3 mg/L，只達到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準（GB-18918-2002）中的二級。分析原因，整個系統(tǒng)的設計以厭氧水解-缺氧/好氧脫氮為核心，將污泥的外排設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)，設計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，當泥水混合物進入?yún)捬跛怆A段后必然會釋放一部分磷進入水中，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間過長，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原因。

2.4 對SS 的去除效果

由于采用了生物膜法，裝置中的生物填料對懸浮物起到很好的吸附、過濾的作用，形成生物膜。同時，污泥回流技術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)水技術使系統(tǒng)始終保持流動狀態(tài)，污泥懸浮于水中增加了與懸浮物接觸的機會，進而提高了懸浮物沉降的機率。從數(shù)據(jù)分析看系統(tǒng)對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 結論

1）以實際農(nóng)村生活污水水質和排放規(guī)律，考察了改進后的兩級回流連續(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（達到GB-18918-2002 中的二級）外，其他5 項指標均符合GB-18918-2002 中的一級B 要求。

2）試驗將間歇曝氣連續(xù)回流工藝調(diào)整為兩級回流連續(xù)曝氣模式，通過各項指標的監(jiān)測表明系統(tǒng)對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行，實現(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：當泥水混合物進入?yún)捬跛怆A段后必然會釋放一部分磷進入水中，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間過長，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原因。鑒于以上原因，在以后的設計上應重點研究污泥回流比、回流區(qū)間、排泥周期和生物接觸氧化段碳源補償技術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。