不同碳氮比下分散式生活污水處理裝置處理效果研究

廖偉伶，黃健盛，唐敏，童啟邦，陳婷婷，朱力，張杰，姚源，呂圣紅

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；2.重慶市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，重慶 401147；3.國(guó)內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100069；4.北京澤信地產(chǎn)有限公司，北京 100070)

不同碳氮比下分散式生活污水處理裝置處理效果研究

廖偉伶1，黃健盛1，唐敏2，童啟邦1，陳婷婷1，朱力3，張杰4，姚源1，呂圣紅1

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；2.重慶市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，重慶 401147；3.國(guó)內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100069；4.北京澤信地產(chǎn)有限公司，北京 100070)

為了考察分散式生活污水處理裝置對(duì)不同碳氮比污水的處理效果，本文研究了分散式生活污水處理裝置對(duì)不同碳氮比人工污水和實(shí)際生活污水的COD、NH3-N和TN去除性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該裝置處理碳氮比不低于17：1且COD濃度為500 mg/L的人工污水和處理碳氮比為19∶1～6∶1且COD<253.9 mg/L的實(shí)際污水時(shí)，系統(tǒng)出水COD、NH3-N、TN均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)處理低COD濃度實(shí)際生活污水時(shí)，對(duì)碳氮比的改變具有良好的適應(yīng)性。

碳氮比；分散式生活污水；處理裝置；性能

中國(guó)農(nóng)村每年產(chǎn)生的生活污水量約為90億噸[1]，其中絕大部分都未經(jīng)處理，隨意排放，對(duì)農(nóng)村水源和周圍環(huán)境造成了嚴(yán)重污染[2]。目前，國(guó)內(nèi)外使用的農(nóng)村生活污水治理的技術(shù)主要有人工濕地[3]、凈化槽[4]、Filter[5]、土壤滲濾[6]、穩(wěn)定塘[7]、高效藻類塘[8]、厭氧沼氣池[9]等。首先，由于我國(guó)農(nóng)村人口數(shù)量大，居住分散，造成農(nóng)村生活污水量大且難于收集[10]。根據(jù)農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)，以及受氣候、植物種類的影響，人工濕地、土壤滲濾等技術(shù)的應(yīng)用也受到了限制。因此，較為經(jīng)濟(jì)可行的方法是對(duì)污水進(jìn)行就地分散處理[11]。其次，農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量波動(dòng)大，成分復(fù)雜，各種污染物濃度較低[12]，有機(jī)物與氮磷比例嚴(yán)重失調(diào)[13]。因此，研發(fā)高效除碳脫氮除磷一體化分散式生活污水處理裝置是農(nóng)村生活污水治理的發(fā)展趨勢(shì)。本文重點(diǎn)研究低碳氮比條件下，一體化分散生活污水處理裝置對(duì)人工污水和實(shí)際污水的處理性能影響，為一體化分散生活污水處理裝置的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)設(shè)計(jì)處理水量，結(jié)合項(xiàng)目組已有的生物轉(zhuǎn)籠技術(shù)，與“筒車”技術(shù)相耦合，研制基于生物轉(zhuǎn)籠技術(shù)的農(nóng)村分散式小型生活污水處理設(shè)施。裝置如圖1所示，裝置由缺氧池、生物轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池(好氧池)及沉淀池三部分組成，其有效容積分別為18.7 L、46.9 L、9.4 L。缺氧池內(nèi)安裝干城蔓掛簾填料，生物轉(zhuǎn)籠內(nèi)裝填直徑為25 mm和38 mm的多面空心球填料。

1-電機(jī)、2-轉(zhuǎn)動(dòng)軸、3-轉(zhuǎn)籠反應(yīng)器、4-吸水管、5-轉(zhuǎn)動(dòng)盤、6-過水孔、7-轉(zhuǎn)籠、8-進(jìn)水口9-缺氧反應(yīng)池、10-過水擋板、11-集水槽、12-沉淀池、13-出水口、14-排空管、15-支座圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Diagram of experiment device

系統(tǒng)裝置運(yùn)行，污水首先從進(jìn)水口進(jìn)入缺氧池，經(jīng)過池內(nèi)的干城蔓掛簾填料，水解酸化處理后流入轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池。生物轉(zhuǎn)籠依靠電機(jī)帶動(dòng)，按一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。污水經(jīng)好氧生物膜降解后流入沉淀池并最終排放，剩余污泥從排空管排出。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用了干城蔓掛簾填料和多面空心球填料。干城蔓掛簾填料為高分子纖維填料，密度為1 g/cm3，比表面積為812.5～1625 m2/m3。直徑25 mm的多面空心球填料比表面積為500 m2/m3，孔隙率為80%，堆積系數(shù)為85 000個(gè)/m3，堆積重量為210 kg/m3；直徑38 mm的多面空心球填料的比表面積為300 m2/m3，孔隙率為86%，堆積系數(shù)為28 500個(gè)/m3，堆積重量為100 kg/m3[14]。

1.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

人工污水采用COD∶N∶P質(zhì)量比為100∶5∶1的人工配水，主要由葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀及碳酸氫鈉等試劑配制，并按容積比1∶10 000向配水中投加微量元素溶液。微量元素溶液配制方法[14]:CoSO4·7H2O 3 g/L；MnSO4·H2O 5 g/L；ZnSO4·7H2O 1 g/L；NiCl2·6H2O 0.1 g/L。

實(shí)際生活污水采自重慶市榮昌區(qū)直升鎮(zhèn)某農(nóng)村污水處理設(shè)施格柵井。

1.4 測(cè)試指標(biāo)及測(cè)試方法

測(cè)試指標(biāo)包括COD、氨氮、總氮。分析方法：COD采用快速消解分光光度法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，總氮采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工污水對(duì)系統(tǒng)性能的影響

在系統(tǒng)HRT為14.3 h(轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池HRT為8 h)，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為10 r/min，回流比為2.5，COD濃度為500 mg/L下，通過調(diào)節(jié)人工配水中氯化銨(NH4Cl)投加量，考察進(jìn)水碳氮比分別為20∶1、17∶1、14∶1、11∶1、8∶1、5∶1時(shí)系統(tǒng)對(duì)COD、NH3-N、TN的去除效果。

由圖2可知，隨著NH4Cl的投加量逐漸增大，碳氮比隨之從20∶1逐漸下降至5∶1，COD去除率在83.2%～94.2%范圍內(nèi)波動(dòng)，表明系統(tǒng)對(duì)COD的去除不會(huì)因?yàn)樘嫉鹊母淖兌艿捷^大影響，具有良好的有機(jī)物去除能力。

圖2 碳氮比對(duì)COD去除效果影響Fig.2 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of COD

圖3 碳氮比對(duì)NH3-N去除效果影響Fig.3 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of NH3-N

由圖3可知，NH3-N去除率隨著碳氮比的降低而降低。當(dāng)碳氮比大于17∶1時(shí)，出水NH3-N均小于8.0 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)處于低碳氮比的情況下(碳氮比小于17∶1)，出水NH3-N逐漸增高，最高達(dá)到83.7 mg/L。由于硝化菌是自養(yǎng)型細(xì)菌，有機(jī)物濃度不是它的生長(zhǎng)限制因素，因此碳氮比的改變不會(huì)影響氨氮的去除率。影響硝化反應(yīng)進(jìn)行的是環(huán)境條件。硝化反應(yīng)的適宜溫度是20～30 ℃，15 ℃以下時(shí)，硝化速度下降。在該實(shí)驗(yàn)階段，轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池溫度僅在碳氮比為20∶1和17∶1階段高于15 ℃，其余時(shí)段均低于15 ℃，嚴(yán)重影響了硝化菌的正常反應(yīng)，導(dǎo)致了氨氮去除率的不斷下降。

由圖4可知，隨著NH4Cl用量的增加，TN的進(jìn)水濃度隨著碳氮比的降低而逐漸增高，從碳氮比20:1時(shí)的23.8 mg/L上升至5∶1時(shí)的93.0 mg/L。系統(tǒng)對(duì)TN的去除率隨著碳氮比的降低而逐漸降低。當(dāng)碳氮比大于14∶1時(shí)，出水TN濃度均小于20.0 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)碳氮比小于14∶1時(shí)，出水TN濃度均高于20.0 mg/L。原因?yàn)殡S著碳氮比的降低，系統(tǒng)碳源不足，導(dǎo)致反硝化過程被抑制，影響系統(tǒng)脫氮[15]。結(jié)果顯示，在高碳氮比的條件下較為適合去除TN。

圖4 碳氮比對(duì)TN去除效果影響Fig.4 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of TN

綜上所述，針對(duì)COD濃度為500 mg/L的人工污水，當(dāng)碳氮比不低于17∶1，系統(tǒng)出水COD、NH3-N、TN濃度均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 實(shí)際污水對(duì)系統(tǒng)性能的影響

本文進(jìn)一步考察一體化分散式生活污水處理裝置對(duì)實(shí)際污水的處理性能。在系統(tǒng)HRT為14.3 h(轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池HRT為8 h)，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為10 r/min，回流比2.5的條件下，考察分散式生活污水處理裝置處理碳氮比在19∶1～3∶1波動(dòng)的實(shí)際污水的COD、NH3-N、TN去除效果。

如圖5、圖6、圖7所示，進(jìn)水COD、NH3-N、TN濃度分別為81.8～253.9 mg/L、11.8～25.9 mg/L、12.7～29.6 mg/L，對(duì)應(yīng)的碳氮比在19∶1～6∶1波動(dòng)，出水COD濃度為24.9～42.1 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，COD去除率大于80%且隨碳氮比下降而下降；系統(tǒng)出水NH3-N濃度均低于3.7 mg/L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；出水TN濃度均低于15.0 mg/L，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 碳氮比對(duì)COD去除效果影響Fig.5 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of COD

圖6 碳氮比對(duì)NH3-N去除效果影響Fig.6 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of NH3-N

圖7 碳氮比對(duì)TN去除效果影響Fig.7 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of TN

當(dāng)進(jìn)水碳氮比由6∶1下降至3∶1且進(jìn)水COD、NH3-N、TN濃度分別為81.8～156.5 mg/L、11.8～52.3 mg/L、13.2～52.0 mg/L時(shí)，出水COD濃度仍能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)，但出水NH3-N、TN濃度急劇上升，無法滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

上述結(jié)果表明，基于生物轉(zhuǎn)籠技術(shù)的農(nóng)村分散式小型生活污水處理設(shè)施對(duì)實(shí)際污水有較強(qiáng)的適應(yīng)性，該裝置處理COD<253.9 mg/L，NH3-N<52.3 mg/L，TN<52.0 mg/L且碳氮比不低于6∶1的實(shí)際污水時(shí)具有良好的處理效果，出水COD、NH3-N、TN濃度均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

1)分散式生活污水處理裝置處理COD濃度為500 mg/L的不同碳氮比人工污水時(shí)，碳氮比對(duì)系統(tǒng)處理效果影響大，需碳氮比不低于17∶1才能保證系統(tǒng)出水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

2)分散式生活污水處理裝置處理COD<253.9 mg/L，NH3-N<52.255 mg/L，TN<51.955 mg/L的實(shí)際污水，在碳氮比為19∶1～6∶1，出水COD、NH3-N、TN均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

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Performance of Integration Decentralized Sewage Treatment Device for Treating Wastewater of Different Carbon-Nitrogen Ratios

LIAO Wei-ling1, HUANG Jian-sheng1, TANG Min2, TONG Qi-bang1, CHEN Ting-ting1, ZHU Li3, ZHANG Jie4, YAO Yuan1, LV Sheng-hong1

(1.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 401147, China; 2.Chongqing Environmental Monitoring Center, Chongqing 401147, China; 3.Internal Trade Engineering Design & Research Institute, Beijing 100069, China; 4.Beijing Zexin Estate Co., Ltd., Beijing 100070, China)

In order to explore the performance of integration decentralized sewage treatment device for the sewage with different carbon-nitrogen ratios, the synthetic sewage and actual wastewater were treated by the device, and the removal performance of COD, NH3-N and TN were studied. The results showed that when treating the synthetic sewage with carbon-nitrogen ratio higher than 17:1 and COD concentration of 500 mg/L, as well as the actual wastewater with carbon-nitrogen ratio between 19:1 and 6:1 and COD concentration lower than 253.9 mg/L, the effluent’s concentration of COD, NH3-N and TN could all meet the Level 1-B Standard ofDischargestandardofpollutantsformunicipalwastewatertreatmentplant(GB 18918-2002). In addition, the device has good adaptability to changes of carbon-nitrogen ratio when treating actual wastewater with low COD concentration.

carbon-nitrogen ratio; decentralized sewage; treatment device; performance

2016-12-27

重慶市基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)計(jì)劃項(xiàng)目(2013cstc-jbky-01603、2013cstc-jbky-01611)

廖偉伶(1991—)，女，重慶石柱人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)樗廴究刂?，E-mail:357800894@qq.com

作者簡(jiǎn)介：黃健盛(1980—)，男，廣西藤縣人，正高級(jí)工程師，博士，主要研究方向?yàn)樗廴究刂疲珽-mail:303982960@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.02.017

X703

A

2095-6444(2017)02-0068-04