一體化生活污水凈化反應(yīng)裝置模擬實(shí)際運(yùn)行效果研究

錢(qián)姍,高賢彪,吳迪, 李玉華,李妍

摘要：通過(guò)試驗(yàn)室模擬生活污水的運(yùn)行，對(duì)一體化生活污水凈化反應(yīng)裝置的生物降解能力進(jìn)行了研究。該裝置日處理生活污水300 L，總水力停留時(shí)間（HRT）為3.8 d。試驗(yàn)結(jié)果顯示，COD和BOD的平均去除率分別為83.48%和95.92%，出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，且抗沖擊能力強(qiáng)。由于二次沉淀區(qū)運(yùn)行不當(dāng)，NH3-N、TN和TP去除效果不理想，但試驗(yàn)證明裝置本身具有脫氮除磷功能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水；一體化生活污水凈化反應(yīng)裝置；A/O工藝；脫氮除磷

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.02.028

Study on the Simulating Operation Performance of Integrated Purifying Reactor for Domestic Sewage Treatment

QIAN Shan，GAO Xian-biao，WU Di，LI Yu-hua，LI Yan

（Tianjin Institute of Agriculture Resource and Environment Sciences. Tianjin 300380,China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ: An experimental study on simulating the operation of integrated purifying reactor for domestic sewage treatment has been conducted for investigating the biodegradation performance. The results indicated that the average percentage removal for COD and BOD was 83.48% and 95.92% respectively, the water quality of effluent water reached the “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant” level 1B and the reactor had a strong ability of minimizing the negative affects associated with influent spikes at a fixed hydraulic retention time (HRT) of 3.8 d and the flow rate of 300 L·d-1.This test proved that the reactor could remove nitrogen and phosphor, but it was also noted the removal of NH3-N, TN and TP was not desired in reality because of the secondary clarifier operating problems.

Key words: rural domestic sewage；integrated purifying reactor for domestic sewage treatment；A/O process；removal of nitrogen and phosphor

伴隨著城市污水處理工藝近20年來(lái)的快速發(fā)展，農(nóng)村水污染治理也受到了人們的重視[1]。不同于城市具有完備的市政污水輸送管網(wǎng)，中國(guó)絕大多數(shù)建制鎮(zhèn)和幾乎所有農(nóng)村由于地理位置分散或資金的缺乏無(wú)力建設(shè)污水集中處理設(shè)施及排水管網(wǎng)系統(tǒng)[2]，因此，適用于農(nóng)村分散式排放、處理水量小等特點(diǎn)的集成式污水處理裝置被廣泛應(yīng)用[3-5]，這種技術(shù)也在不斷地拓展中。

本研究對(duì)象為自主開(kāi)發(fā)的一體化生活污水凈化反應(yīng)裝置，采用缺氧/好氧聯(lián)合生物處理工藝，污水以自流的方式依次完成工藝流程，幾乎沒(méi)有動(dòng)力消耗。為達(dá)到較好的脫氮除磷效果，增加了內(nèi)循環(huán)部分，將二次沉淀區(qū)的泥水混合液回流至缺氧反應(yīng)區(qū)內(nèi)，為缺氧反應(yīng)區(qū)的反硝化過(guò)程提供硝酸鹽，也保證了區(qū)域內(nèi)的活性污泥濃度。通過(guò)模擬生活污水的試驗(yàn)，初步分析了該裝置啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中生物降解的特點(diǎn)和能力，尤其對(duì)氮、磷等物質(zhì)的去除效果，為其實(shí)際運(yùn)行提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1材料和方法

1.1試驗(yàn)裝置與運(yùn)行工況

一體化生活污水凈化反應(yīng)裝置由玻璃鋼制成，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)初次沉淀區(qū)、缺氧反應(yīng)區(qū)、好氧生物膜反應(yīng)區(qū)和二次沉淀區(qū)，其中缺氧反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)一道折流板，增大污水停留時(shí)間。好氧生物膜反應(yīng)區(qū)敷設(shè)圓形懸浮填料，填料直徑15 cm，掛膜后比重約為1，填充率為40%。該裝置總長(zhǎng)2.1 m，寬0.85 m，高1.2 m，缺氧反應(yīng)區(qū)與好氧生物膜反應(yīng)區(qū)的有效容積分別為650 L和500 L，容積比約為13∶10。

污水由儲(chǔ)水箱經(jīng)QDX型潛水泵提升至裝置的初沉區(qū)內(nèi)，儲(chǔ)水箱容積為1 000 L，進(jìn)水量為300 L·d-1，為模擬實(shí)際生活情況，由時(shí)間繼電器控制，分早、中、晚3個(gè)時(shí)段各100 L自動(dòng)間歇進(jìn)水，生物反應(yīng)區(qū)相應(yīng)HRT約為3.8 d。好氧反應(yīng)區(qū)采用24 h連續(xù)曝氣，曝氣系統(tǒng)為1個(gè)215型曝氣盤(pán)，由電磁式空氣壓縮機(jī)控制，曝氣量為80 L·min-1。試驗(yàn)結(jié)束調(diào)試、進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期時(shí)，二沉區(qū)開(kāi)始有泥水混合液回流至缺氧區(qū)，由QDX型潛水泵控制，每隔2 h回流30 min，每次回流量約為500 L。

1.2試驗(yàn)用水與污泥

整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)行期間均采用實(shí)驗(yàn)室配制的模擬污水，配制方法見(jiàn)表1。接種污泥取用天津市某市政污水處理廠二次沉淀池剩余污泥，該廠采用A2O工藝，模擬污水大約經(jīng)86 d的培養(yǎng)、馴化后，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3分析項(xiàng)目與方法

BOD采用220A型微生物法BOD快速測(cè)定儀；COD、NH3-N和TP采用PORS-15便攜式水質(zhì)快速測(cè)定儀；TN使用標(biāo)準(zhǔn)法測(cè)定[6]。

1.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)的時(shí)間零點(diǎn)選為結(jié)束調(diào)試、穩(wěn)定運(yùn)行的第一天（8月18日）。

本試驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室藥品配制污水，反應(yīng)裝置進(jìn)水的各項(xiàng)指標(biāo)理論上應(yīng)為定值，但由于每次所配污水在儲(chǔ)水箱內(nèi)平均停留3 d，不可避免地會(huì)發(fā)生生化反應(yīng)，影響污水實(shí)際水質(zhì)，并且由于無(wú)法保證混合完全均勻造成每次進(jìn)水有所差別，因此，本試驗(yàn)所測(cè)的進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)自于通過(guò)蠕動(dòng)泵從儲(chǔ)水箱所采水樣，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，也符合實(shí)際運(yùn)行時(shí)進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)的狀態(tài)。

2結(jié)果與分析

對(duì)該反應(yīng)裝置進(jìn)行了為期半年的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，仔細(xì)研究了該裝置的運(yùn)行效果，通過(guò)BOD、COD、NH3-N、TN和TP 5項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)其運(yùn)行規(guī)律并對(duì)可能影響其運(yùn)行效果的因素進(jìn)行了初步分析。

2.1對(duì)COD的去除效果

裝置對(duì)COD的處理效果見(jiàn)圖2。進(jìn)水COD波動(dòng)幅度很大，最大值為1 002.5 mg·L-1，最小值為107.25 mg·L-1，但出水水質(zhì)較穩(wěn)定，基本穩(wěn)定在40 mg·L-1左右，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級(jí)A出水標(biāo)準(zhǔn)，平均去除率為83.48%，最高去除率達(dá)到99.15%，表明該裝置對(duì)COD的去除具有明顯效果，且具有良好的抗沖擊能力。反應(yīng)裝置足夠長(zhǎng)的水力停留時(shí)間保證了缺氧反應(yīng)區(qū)和好氧生物膜反應(yīng)區(qū)微生物降解作用的發(fā)揮，水的推流狀態(tài)也可形成良好的反應(yīng)梯度，反應(yīng)推動(dòng)力大，促進(jìn)生物反應(yīng)持續(xù)有效地進(jìn)行。但在試驗(yàn)的最后20～30 d內(nèi)，COD去除率有一定幅度的降低，出水COD值在70～80 mg·L-1之間，可能是由于天津地區(qū)進(jìn)入冬季，溫度降低，導(dǎo)致水中微生物代謝速率減慢，影響了對(duì)有機(jī)物的吸附與分解[7]。

2.2對(duì)BOD的去除效果

BOD測(cè)量方法的標(biāo)準(zhǔn)為HJ/T86-2002，不同于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的GB7488－87，因此僅就數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)而言，裝置對(duì)BOD的處理效果見(jiàn)圖3。進(jìn)水BOD范圍在138～

1 795 mg·L-1之間，相差達(dá)13倍，且為非連續(xù)進(jìn)水，波動(dòng)幅度非常大，但出水水質(zhì)很穩(wěn)定，冬季之前出水濃度在5.3～28.7 mg·L-1之間，進(jìn)入冬季后出水BOD在40.9～59.8 mg·L-1范圍內(nèi)，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的平均去除率為95.92%，最高去除率達(dá)到99.24%。數(shù)據(jù)顯示反應(yīng)裝置的生物系統(tǒng)對(duì)BOD產(chǎn)生了高效的去除作用，而且去除率平均高于COD，說(shuō)明污水中存在一定量的難以生物降解物質(zhì)。總體來(lái)看，凈化槽對(duì)有機(jī)物有非常好的去除效果。

2.3 對(duì)NH3-N與TN的去除效果

污水中的氮元素主要以有機(jī)氮、氨態(tài)氮（NH3-N）、硝酸氮（NO3--N）與亞硝酸氮（NO2--N）4種形式存在。氨氮的去除效果如圖4所示，大部分取樣的出水濃度大于進(jìn)水濃度，即氨氮未被有效去除，反而有更多的氨氮生成。活性污泥反應(yīng)系統(tǒng)中氮循環(huán)的傳統(tǒng)理論認(rèn)為，新鮮污水的主要存在形式——有機(jī)氮，將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；而氮的真正去除則依賴(lài)接下來(lái)的反硝化過(guò)程，在這個(gè)階段，硝酸氮和亞硝酸氮被還原為氣態(tài)氮（N2）排出系統(tǒng)[8]。因此在反應(yīng)的初始，由于有機(jī)氮的氨化，水中氨氮含量必然會(huì)大幅上升，針對(duì)數(shù)據(jù)顯示的出水氨氮異常增高現(xiàn)象，分析有兩種可能的原因：一是氮循環(huán)停留在氨化階段，硝化菌未能成為優(yōu)勢(shì)菌種，導(dǎo)致大量氨氮不能被氧化成硝態(tài)氮，造成氨氮積累，不能進(jìn)行下面的脫氮流程；另外在厭氧條件下微生物也可發(fā)生氨化反應(yīng)，例如腐敗梭菌、兼性大腸桿菌、酵母菌、變形桿菌等都具備這種能力，所以亦或是由于二沉區(qū)運(yùn)行不當(dāng)，沉淀污泥形成厭氧環(huán)境，發(fā)生了厭氧消化反應(yīng)，大部分可生物降解的氮都轉(zhuǎn)化為消化液中的NH3，使出水水質(zhì)惡化。

為驗(yàn)證這兩種推斷，對(duì)TN和NO3--N數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，表2和表3分別列舉了運(yùn)行期內(nèi)每月總氮的平均水平。

數(shù)據(jù)顯示，污泥系統(tǒng)對(duì)水中的TN具有明顯的脫除，且脫除量大于原污水中硝酸氮的進(jìn)、出水差值，說(shuō)明有另外的硝酸氮生成途徑，即活性污泥發(fā)揮了硝化功能，使氨氮正常轉(zhuǎn)化成了硝酸氮。該裝置好氧區(qū)采用生物膜處理法，微生物可附著在填料上生長(zhǎng)，生物固體停留時(shí)間與水力停留時(shí)間分離，從而使世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化菌和亞硝化菌得以繁衍增殖。所以可以推斷該系統(tǒng)出水氨氮與總氮含量過(guò)高、去除效果不理想與工藝本身生物反應(yīng)區(qū)微生物組成無(wú)關(guān)，是由二沉區(qū)運(yùn)行不當(dāng)引起，泥水混合液回流量過(guò)大是重要因素[9]。

2.4 對(duì)TP的去除效果

系統(tǒng)對(duì)TP的去除率較低。Mulkerrins等[10]系統(tǒng)地歸納了影響生物除磷的因素，包括污水組分、揮發(fā)性脂肪酸、陽(yáng)離子、溫度、污泥沉降性能、溶解氧、厭氧釋磷、磷負(fù)荷、pH等，具體到本次試驗(yàn)，反應(yīng)裝置內(nèi)沒(méi)有獨(dú)立的厭氧環(huán)境，聚磷菌始終受到硝酸鹽的抑制，不能有效釋磷再生，且試驗(yàn)期間沒(méi)有剩余污泥排出裝置，這些都是磷無(wú)法離開(kāi)系統(tǒng)徹底去除的原因。

3結(jié)論

（1） 一體化生活污水凈化反應(yīng)裝置對(duì)有機(jī)物具有非常好的去除效果，進(jìn)水COD在107.25～1 002.5 mg·L-1范圍內(nèi)的平均去除率為83.48%，BOD的平均去除率為95.92%，出水水質(zhì)滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)的運(yùn)行效果表明，本工藝運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)水質(zhì)和溫度的適應(yīng)能力較強(qiáng)，具有較好的抗沖擊能力。

（2）一體化生活污水凈化反應(yīng)裝置的工藝本身具備脫氮除磷能力，但二沉區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)可以在很大程度上影響到出水水質(zhì)，在實(shí)際運(yùn)行中，還應(yīng)尋找到二沉區(qū)的最適運(yùn)行參數(shù)，包括泥水混合液回流量、剩余污泥排放量等，使其發(fā)揮出可同步脫氮除磷的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

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