無(wú)回流生物濾床凈化槽脫氮效果的研究

王 昶，胡 潔，王耀琛，馬越凡，曾 明，李 麗

（天津科技大學(xué)海洋與環(huán)境學(xué)院，天津 300457）

水是人類生存必不可少的一種生活資源，是保證社會(huì)和諧穩(wěn)定與生產(chǎn)發(fā)展的重要因素[1]。2010年第一次全國(guó)污染源普查結(jié)果顯示[2]，農(nóng)業(yè)源污染物化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）的排放量分別占總排放量的43.7%、57.2%。農(nóng)村污水具有排放源分散、污水產(chǎn)生量小、水質(zhì)水量波動(dòng)大等特點(diǎn)，因此，在處理農(nóng)村污水時(shí)需因地制宜，選擇投資費(fèi)用少、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單的分散式處理工藝[3-5]。小型污水凈化槽是一種非常適合農(nóng)村生活污水原位處理的技術(shù)，具有抗沖擊性好、固液分離、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)方法已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外生活污水處理的一種新理念[3，6]。

到2010年我國(guó)沿海地區(qū)全面實(shí)行了自來(lái)水化，改變了農(nóng)村的生活環(huán)境，提高了農(nóng)民的生活質(zhì)量。但由于后續(xù)的家庭生活污水處理設(shè)施未能銜接，生活污水已逐步成為農(nóng)村水環(huán)境污染的重要原因之一。為了加快農(nóng)村水環(huán)境的污染治理，建設(shè)美麗鄉(xiāng)村，農(nóng)村生活污水的處理需要更加嚴(yán)格。眾所周知，傳統(tǒng)的凈化槽雖然采用了厭氧和好氧的組合工藝，但出水TN往往很高[7]，仍然會(huì)消耗水體溶解氧[8]并造成農(nóng)村水環(huán)境的富營(yíng)養(yǎng)化[9－11]，為此，開(kāi)辟節(jié)能減排的脫氮工藝成為必要。

本研究采用無(wú)回流的方法，降低過(guò)程的能耗，建立了A/O/A/O工藝系統(tǒng)。通過(guò)濾床掛膜的形式，提高了生物反應(yīng)器內(nèi)部的有效利用率，減少過(guò)程中污泥的產(chǎn)生。對(duì)比傳統(tǒng)A/O工藝[12－15]，探討生物濾床對(duì)生活污水處理的效果，研究各區(qū)域在生物濾床的作用下，出水COD、TN、氨氮（）、硝態(tài)氮（）、亞硝態(tài)氮（）等濃度變化。調(diào)查一級(jí)好氧產(chǎn)生的在后續(xù)厭氧反硝化的過(guò)程中借助剩余的碳源或者分點(diǎn)投加污水碳源脫氮的作用，構(gòu)建凈化槽脫氮的新工藝。為今后的實(shí)際應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 生活污水一體化凈化槽裝置Figure1 Schematic diagram of the integrated purifying tank for the treatment of domestic sewage

表1 生活污水主要水質(zhì)參數(shù)Table1 Main water quality parameters of domestic sewage

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與工藝流程

本研究所使用的無(wú)動(dòng)力自流式反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成，共分為六個(gè)區(qū)域，前四個(gè)區(qū)域采用水平推流模式，各區(qū)域之間不存在返混，第二和第四個(gè)區(qū)域可以通過(guò)曝氣的方式實(shí)現(xiàn)有氧全混。由于不采用回流，各區(qū)域內(nèi)相應(yīng)的微生物不易流失[16]。采用生物濾床，降低了過(guò)程的能耗，后續(xù)再連接沉淀槽和消毒槽，形成一個(gè)完整的處理裝置。采用小型曝氣機(jī)為所需要的區(qū)域供給氧氣。凈化槽總體積為48 L，前四個(gè)區(qū)域體積均為10 L，后兩個(gè)區(qū)域體積分別為4.5、1.5 L。小型凈化槽裝置及工藝流程如圖1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

1.2.1 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水樣為天津科技大學(xué)泰達(dá)校區(qū)生活污水，其水質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。由表可知，校園污水水質(zhì)雖然有較大波動(dòng)，但仍屬于常規(guī)生活污水。

1.2.2 填料

填料是本研究小組專門(mén)開(kāi)發(fā)的有孔波紋聚乙烯材料，不同區(qū)域充填體積有所不同，基本占整個(gè)體積的40%～60%，具體情況見(jiàn)參考文獻(xiàn)[17]。

1.2.3 分析儀器與試劑

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用生活污水動(dòng)態(tài)培養(yǎng)自然掛膜法，填料經(jīng)表面活性劑全面清洗，去除油垢，交叉疊合捆扎一體，分別占厭氧槽和好氧槽體積的60%和40%。

好氧掛膜采用常規(guī)的活性污泥法，取生活區(qū)污水和污水廠活性污泥放入容器內(nèi)，進(jìn)行連續(xù)曝氣，每天用生活污水更換三分之一的上清液，大約一周后基本形成如圖2A所示的絮狀棕褐色好氧膜[18]。厭氧掛膜是將填料置于天津科技大學(xué)校園生活區(qū)化糞池出水的厭氧井中，不定期攪拌水體并跟蹤觀察。厭氧污泥親水性很差，掛膜較難，需要微生物分泌粘性代謝物質(zhì)在填料表面附著，增加微生物的附著能力。約一個(gè)月后，波紋板填料表面形成了不易剝落、質(zhì)地均勻的黑色厭氧生物膜，如圖2B所示。

圖2 掛膜完成的好氧（A）和厭氧波紋板料表面（B）Figure2 The pictures of aerobic（A）and anaerobic（B）biofilm on the surface of support media

將掛好的膜根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求置于相應(yīng)的區(qū)域，調(diào)節(jié)曝氣量以及進(jìn)水流量，定期觀察各區(qū)域生物膜的顏色以及運(yùn)行狀況的變化，同時(shí)分別從各區(qū)域取水樣進(jìn)行分析，檢測(cè)各區(qū)域中COD等水質(zhì)指標(biāo)，研究其變化規(guī)律和去除率。

為強(qiáng)化工藝脫氮效果，解決A1/O1/A2/O2工藝厭氧反硝化區(qū)污水中碳源不足造成的出水濃度高的現(xiàn)象[18]，對(duì)A2區(qū)進(jìn)行分段進(jìn)水，保持進(jìn)水總流量13 L·d－1不變，A1和 A2反應(yīng)區(qū)污水流量配比 Q1∶Q2為2∶1[19－22（]即Q1=8.7 mg·L－1，Q2=4.3 mg·L－1）。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物濾床對(duì)凈化槽出水水質(zhì)的影響

眾所周知，大多數(shù)生活污水處理都是采用活性污泥法，但對(duì)于農(nóng)村單戶型或多戶型凈化槽而言，活性污泥法因污泥回流等原因，能耗大，需要?jiǎng)恿ρb置和人員管理，所以生物濾床更具有適用性。

2.1.1 一級(jí)好氧區(qū)中生物濾床對(duì)凈化槽出水水質(zhì)的影響

本研究采用了四個(gè)區(qū)域分段連續(xù)處理，最后一段實(shí)行曝氣，讓前段厭氧水解的污水在好氧生物濾床作用下進(jìn)一步降解。圖3表示的是各區(qū)域COD的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律，橫坐標(biāo)為連續(xù)的處理時(shí)間，縱坐標(biāo)表示COD濃度及去除率。實(shí)驗(yàn)條件為連續(xù)進(jìn)水，進(jìn)水流量為 13 L·d－1，反應(yīng)器平均停留時(shí)間為 72 h。

圖3 僅添加好氧濾床條件下凈化槽各區(qū)COD濃度及去除率的變化Figure3 Variations of COD concentration and COD removal efficiency when support media was put in oxide stage of purifying tank

由圖3可知，進(jìn)水COD濃度在213～285 mg·L－1范圍波動(dòng)（平均 237.2 mg·L－1），由于各區(qū)域沒(méi)有攪拌裝置，且前三個(gè)區(qū)域的厭氧微生物自身具有不親水性，再加上平推流的作用，往往底部微生物濃度高，單位體積有效利用率低。即使經(jīng)過(guò)三級(jí)厭氧處理，COD平均濃度仍然在158 mg·L－1，平均去除率也只有33.2%，其作用和普通化糞池一樣。該污水進(jìn)入生物濾床好氧區(qū)后，COD濃度明顯降低，其平均濃度降低至103.2 mg·L－1，這不僅說(shuō)明好氧微生物的降解能力大，而且還表明好氧微生物負(fù)載在填料上，提高了單位體積利用率，降低了出水中的污泥濃度，使最終沉淀槽出水COD的平均濃度為103.7 mg·L－1，平均去除率達(dá)到56.0%。

圖4 僅添加好氧濾床條件下凈化槽沿程各區(qū)及TN濃度變化Figure4 Variations of-N and TN concentration in each reaction zone when support media was put in oxide stage of purifying tank

2.1.2 三級(jí)厭氧一級(jí)好氧生物濾床對(duì)凈化槽出水水質(zhì)的影響

一級(jí)好氧區(qū)生物濾床穩(wěn)定運(yùn)行下，將在學(xué)校化糞井中掛膜一個(gè)月的波紋板填料分別置于前置的三個(gè)厭氧區(qū)內(nèi)，形成三級(jí)厭氧一級(jí)好氧生物濾床生物反應(yīng)器。連續(xù)進(jìn)水，7 d之后，分別取樣，測(cè)定其COD、TN、濃度，考察這些水質(zhì)指標(biāo)的變化情況。

圖5表示在生物濾床存在條件下各區(qū)域COD濃度及其去除率的經(jīng)時(shí)變化。由圖可知，污水經(jīng)過(guò)第一級(jí)生物濾床厭氧反應(yīng)區(qū)后，COD濃度明顯下降，平均去除率為34.2%，最大可達(dá)41.4%。污水經(jīng)過(guò)第三級(jí)生物濾床厭氧反應(yīng)區(qū)后，COD濃度大幅下降，從原水平均 358.2 mg·L-1，下降到平均 94.2 mg·L-1，平均去除率為73.0%，遠(yuǎn)高于僅添加好氧生物濾床的情況（33.2%），這是由于厭氧生物濾床的添加，增加了反應(yīng)器厭氧微生物的平均濃度以及單位體積利用率，促進(jìn)污染物的酸化水解。污水再經(jīng)過(guò)生物濾床好氧反應(yīng)區(qū)的進(jìn)一步氧化分解，沉淀槽出水水質(zhì)穩(wěn)定，COD平均濃度55.6 mg·L-1，平均去除率84.0%。從各區(qū)COD濃度的經(jīng)時(shí)變化看，第一級(jí)、第二級(jí)厭氧過(guò)程受進(jìn)口濃度影響較大，而第三極厭氧和好氧區(qū)域相對(duì)穩(wěn)定，表明生物濾床的抗沖擊性能較強(qiáng)。

圖5三級(jí)厭氧一級(jí)好氧生物濾床凈化槽各區(qū)COD濃度及去除率變化Figure5 Variations of COD concentration and COD removal efficiency in A/A/A/O operation mode

2.1.3 A/O/A/O生物濾床對(duì)凈化槽出水水質(zhì)的影響

將上述三級(jí)厭氧一級(jí)好氧生物濾床凈化槽中的第二級(jí)厭氧生物濾床改換成好氧生物濾床，并進(jìn)行曝氣，形成A/O/A/O工藝，觀察其填料表面生物膜生長(zhǎng)狀況和出水水質(zhì)情況，穩(wěn)定進(jìn)水運(yùn)行7 d后，定期檢測(cè)各區(qū)COD和TN濃度變化。

圖7表示A/O/A/O生物濾床對(duì)COD濃度及其去除率的影響。污水經(jīng)過(guò)第一級(jí)厭氧反應(yīng)區(qū)（A1）后，COD濃度變化基本與圖5相同；經(jīng)過(guò)第一級(jí)好氧區(qū)（O1）后，COD 明顯下降，其平均濃度在 65 mg·L－1左右。經(jīng)過(guò)第二級(jí)厭氧區(qū)（A2）后，由于COD濃度很低，厭氧過(guò)程的降解效果不如第一級(jí)厭氧效果明顯。最后污水經(jīng)過(guò)第二級(jí)好氧區(qū)（O2）后，COD濃度降低至平均20.6 mg·L－1，沉淀槽出水 COD平均濃度為21.6 mg·L－1，遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)（GB 18918—2002）一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50 mg·L－1。A/O/A/O生物濾床反應(yīng)器因增加了一個(gè)好氧過(guò)程，處理效果顯著增加，處理能力也相應(yīng)增加。

圖6 三級(jí)厭氧一級(jí)好氧生物濾床凈化槽沿程各區(qū)及TN濃度的變化Figure6 Variations of and TN concentration in each reaction zone in A/A/A/O operation mode

圖7 A/O/A/O生物濾床凈化槽各區(qū)COD濃度及去除率變化Figure7 Variations of COD concentration and COD removal efficiency in A/O/A/O operation mode

圖8 A/O/A/O生物濾床凈化槽沿程各區(qū)及TN濃度的變化Figure8 Variations of and TN concentration in each reaction zone in A/O/A/O operation mode

2.2 A/O/A/O生物濾床工藝下分段進(jìn)水對(duì)凈化槽出水水質(zhì)的影響

為強(qiáng)化A1/O1/A2/O2工藝脫氮效果，對(duì)A2區(qū)進(jìn)行分段進(jìn)水，保持進(jìn)水總流量13 L·d-1不變，A1和A2反應(yīng)區(qū)污水流量配比 Q1∶Q2為 2：1（即 Q1=8.7 mg·L-1，Q2=4.3 mg·L-1），穩(wěn)定7 d左右，定期測(cè)量各反應(yīng)區(qū)COD、和 TN 濃度變化，測(cè)定結(jié)果分別見(jiàn)圖9、圖10。

圖9表示分段進(jìn)水后各區(qū)的COD濃度及其去除率的經(jīng)時(shí)變化。由圖可知，連續(xù)進(jìn)水經(jīng)過(guò)第一級(jí)A/O后，COD濃度下降很多，后續(xù)的第二級(jí)A/O的作用則顯示不出。采用分段進(jìn)水，不僅有效利用了第一級(jí)A/O的降解作用，而且還加大了第二級(jí)A/O的降解功能。沉淀槽出水的COD濃度已降至12.3 mg·L-1左右，平均去除率達(dá)到95.3%。

圖10表示A/O/A/O生物濾床工藝分段進(jìn)水條件下凈化槽各級(jí)反應(yīng)區(qū)沿程和TN濃度變化。由圖可知，雖然進(jìn)水和分段進(jìn)水各水質(zhì)濃度有波動(dòng)，但這些水質(zhì)指標(biāo)沿著各段的變化規(guī)律相同。第一級(jí)好氧區(qū)（O1）出水濃度明顯下降N濃度明顯升高，而TN濃度下降較少。由于第二級(jí)厭氧區(qū)（A2）分段進(jìn)水提供了碳源，強(qiáng)化了該段的反硝化脫氮效果濃度下降顯著-N 和 TN 平均濃度分別為 12.6、3.1、17.4 mg·L-1。污水經(jīng)過(guò)第二級(jí)好氧區(qū)后進(jìn)一步氧化，沉淀槽出水和TN平均濃度分別為2.7、10.0、13.0 mg·L-1，其濃度均低于國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)和TN的平均去除率分別為93.1%、73.8%。由此可見(jiàn)，在凈化槽第二級(jí)厭氧區(qū)實(shí)行分段進(jìn)水可以很好地解決碳源不足的問(wèn)題，強(qiáng)化了工藝的脫氮功能。

圖9 A/O/A/O生物濾床工藝分段進(jìn)水凈化槽各區(qū)COD濃度及去除率變化Figure9 Variations of COD concentration and COD removal efficiency in step-feed A/O/A/O operation mode

圖10 A/O/A/O生物濾床分段進(jìn)水凈化槽沿程各區(qū)及TN濃度的變化Figure10 Variations of N and TN concentration in each reaction zone in steep-feed A/O/A/O operation mode

3 結(jié)論

（1）凈化槽在A/A/A/O運(yùn)行條件下，當(dāng)只在好氧區(qū)添加生物濾床時(shí)，出水COD、TN平均濃度分別為 103.7、42.4、105.1 mg·L-1，水質(zhì)不佳，平均去除率分別為56.0%、50.0%、8.9%；當(dāng)各區(qū)填料全部放入且穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，出水COD、、TN平均濃度分別為 55.6、15.2、55.8 mg·L-1，平均去除率分別為84.0%、74.4%、28.7%，出水水質(zhì)仍然未達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。但生物濾床的添加有助于過(guò)程的去除效率。

（2）凈化槽在A/O/A/O運(yùn)行條件下，各段均添加生物濾床時(shí)，出水水質(zhì)顯著提高，出水COD、TN 平均濃度分別為 20.6、2.5、34.9 mg·L-1，平均去除率分別為94.1%、95%、51.3%，只有TN濃度欠佳，這是由于二級(jí)厭氧反應(yīng)區(qū)碳源不足所致。

（3）凈化槽在添加生物濾床，A/O/A/O運(yùn)行且分段進(jìn)水條件下，出水COD、、TN平均濃度分別為 12.3、2.7、13.0 mg·L-1，平均去除率分別為 95.3%、93.1%、73.8%，出水水質(zhì)均達(dá)到國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)。

（4）A/O/A/O生物濾床新型凈化槽不僅在結(jié)構(gòu)上形成一體化，而且由于生物濾床的使用，不需要污泥回流，節(jié)省能耗，通過(guò)分段進(jìn)水可以實(shí)現(xiàn)過(guò)程脫氮，解決了傳統(tǒng)凈化槽不易脫氮難題，可對(duì)農(nóng)村分散式生活污水處理發(fā)揮重要的指導(dǎo)作用。

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