基于填料技術(shù)的村鎮(zhèn)生活污水脫氮處理研究進(jìn)展

張楊明稼 譙華 方振東

摘 ?????要： 村鎮(zhèn)生活污水，因其水質(zhì)水量波動(dòng)大、C/N比偏低、缺乏專業(yè)管理等難點(diǎn)，如何高效脫氮是其治理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。從穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境、截留大顆粒污染物、強(qiáng)化菌種優(yōu)勢(shì)、強(qiáng)化傳質(zhì)作用、形成脫氮微系統(tǒng)等角度，解釋了填料強(qiáng)化生活污水脫氮的原理;從實(shí)踐角度探討了填料對(duì)村鎮(zhèn)生活污水脫氮的改善效果。提出在今后村鎮(zhèn)生活污水治理中，應(yīng)充分利用填料自身技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)因地制宜并能高效脫氮的生活污水處理設(shè)備。

關(guān) ?鍵 ?詞：生活污水;脫氮;生物填料;村鎮(zhèn)污水

中圖分類號(hào)：X505 ??????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2019）01-0107-04

Abstract： Due to the large fluctuation in water quality and water quality， low C/N ratio， lack of professional management， etc.， the problem of rural domestic sewage treatment has become increasingly serious. Removing nitrogen effectively is the key to its governance. In this paper， the principle of nitrogen removal from domestic sewage by bio-carriers was discussed in terms of stabilizing the ecological environment， retaining large particle pollutants， strengthening the advantages of bacteria， enhancing the mass transfer， and forming denitrification micro-systems. From the perspective of practice， the effect of bio-carriers on the denitrification of rural domestic sewage was explored. It's proposed that in the future treatment of rural domestic sewage， the advantages of various bio-carriers should be fully utilized to develop domestic sewage treatment equipment that can be adapted to local conditions and can efficiently remove nitrogen.

Key words： Domestic sewage; Denitrification; Bio-carriers; Rural sewage

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，水資源污染問(wèn)題日益突出，如何實(shí)現(xiàn)村鎮(zhèn)生活污水高效脫氮，是其治理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生物填料法因具有占地小、能耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)、處理效果好等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于村鎮(zhèn)生活污水處理中，并取得了豐碩的實(shí)驗(yàn)成果。

1 ?村鎮(zhèn)生活污水脫氮主要問(wèn)題

1.1 ?水質(zhì)水量波動(dòng)大

由于村鎮(zhèn)居民外出務(wù)工現(xiàn)象普遍，村鎮(zhèn)居住人口常發(fā)生較大變化，污水流量的季節(jié)性變化特別顯著，且我國(guó)村鎮(zhèn)污水地域性差異較大，許多村鎮(zhèn)污水處理裝置無(wú)法做到因地制宜，致使村鎮(zhèn)污水處理設(shè)備往往超低負(fù)荷甚至間歇性運(yùn)行，難以達(dá)到設(shè)計(jì)的脫氮效能[1-3]。

1.2 ?碳氮比（C/N）低

現(xiàn)階段村鎮(zhèn)生活污水廠多接管于居民的化糞池排水，長(zhǎng)期的生物消解使其C/N普遍偏低。以三峽庫(kù)區(qū)村鎮(zhèn)生活污水水質(zhì)為例，其C/N比往往小于5，遠(yuǎn)低于大部分工藝設(shè)計(jì)規(guī)范的C/N大于7以上。導(dǎo)致脫氮關(guān)鍵環(huán)節(jié)——反硝化所需的碳源不足，這也降低了村鎮(zhèn)生活污水脫氮效能[4-6]。

1.3 ?缺乏專業(yè)管理

目前村鎮(zhèn)污水廠建設(shè)運(yùn)營(yíng)多參考城鎮(zhèn)市政水廠設(shè)計(jì)管理經(jīng)驗(yàn)，因此在實(shí)際運(yùn)行中，由于缺乏專業(yè)技術(shù)人員管理，村鎮(zhèn)污水廠很難穩(wěn)定運(yùn)行。大多數(shù)村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施只是在竣工驗(yàn)收時(shí)進(jìn)行工程調(diào)試和水質(zhì)監(jiān)測(cè)，而對(duì)后期的運(yùn)行維護(hù)監(jiān)管不到位，使得一些設(shè)施建成后基本無(wú)法正常運(yùn)行，產(chǎn)生了大量“曬太陽(yáng)”工程，致使村鎮(zhèn)水污染問(wèn)題日益惡化[7-9]。

2 ?填料工藝分類及特點(diǎn)

填料法最早起源于生物膜法，19世紀(jì)二、三十年代，當(dāng)時(shí)生物膜法和活性污泥法并列。由于當(dāng)時(shí)這兩種方法相比，生物膜法去除效果不太理想，環(huán)境衛(wèi)生條件也較差，處理構(gòu)筑物又有可能堵塞等缺點(diǎn)，于是在40至60年代污水處理普遍采用活性污泥法。但自60年代以來(lái)，新型材料技術(shù)的迅速發(fā)展和環(huán)境保護(hù)對(duì)水質(zhì)要求的進(jìn)一步提高，生物膜法又獲得了新的關(guān)注[10]。近年來(lái)，由填料生物膜法衍生的生物接觸氧化法、生物流化床、人工濕地和生物濾池得到比較多的研究和應(yīng)用。表1[11]列舉了這幾種代表工藝的特點(diǎn)，并參考近年來(lái)相關(guān)研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)其優(yōu)勢(shì)和限制進(jìn)行總結(jié)，便于針對(duì)不同處理要求和實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

工藝類型 填料類型 工藝特征 應(yīng)用優(yōu)勢(shì) 應(yīng)用限制

生物接觸氧化法 彈性填料、軟性填料、半軟性填料、組合填料 在池內(nèi)設(shè)置填料，池底曝氣，將污染物質(zhì)吸附在填料表面，并利用填料表面生物膜進(jìn)行生化降解 掛膜簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，污泥產(chǎn)量少，節(jié)能效果好 易堵塞，使用壽面短，填料改性能力一般，廢氣易產(chǎn)生二次污染

移動(dòng)床生物膜法 球型填料、鮑爾環(huán)、活性炭、蜂窩填料 依靠曝氣和水流使懸浮載體處于流化狀態(tài)，利用填料表面附著的生物膜和游離的活性污泥互補(bǔ)處理水中污染物 抗沖擊性能強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)，容積負(fù)荷高，生物膜自新快 填料易流失，能耗較高，廢氣易產(chǎn)生二次污染

人工濕地 蛭石、沸石、粉煤灰、鋼渣 利用推流方式將污水與填料層及植物根系接觸而獲得凈化 運(yùn)維費(fèi)用低，污水處理深度高，抗負(fù)荷能力強(qiáng)，可產(chǎn)生間接經(jīng)濟(jì)效益 系統(tǒng)可控程度不高，易受蟲害影響，占地面積大

生物濾池 陶粒、蒙脫石、火山巖、石英砂、活性炭 污染物被填料間隙的生物膜截留吸收，使污水得到凈化，可根據(jù)不同目的選擇是否曝氣和推流方式 占地小，工藝靈活，填料改性效果好，自動(dòng)化程度高 易產(chǎn)生死區(qū)，水頭損失大，抗沖擊負(fù)荷能力較差

3 ?填料強(qiáng)化污水脫氮原理

3.1 ?提供穩(wěn)定生態(tài)環(huán)境

填料為微生物，尤其是硝化、反硝化菌提供棲息和繁殖的穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境。填豐富的內(nèi)表面能為微生物提供附著的場(chǎng)所和內(nèi)部空間，使反應(yīng)器盡可能保持較多的微生物量，填料表面有效孔容和比表面積越大，附著的微生物量越多，也意味著污水的脫氮效果越強(qiáng)。龔鈺涵[12]等通過(guò)投加MFD（Multiple Fluidized Dynamic）型填料利用FBBR（流化床生物膜反應(yīng)器）工藝處理生活污水，結(jié)果表示在填充率為40%、溶解氧（DO）3.0～4.0 mg以及快速排泥法的啟動(dòng)條件下，填料能夠達(dá)到最適的掛膜效果，掛膜時(shí)間小于7 d，附著生物量≥70 mg VSS·g/Carrier，該填料具有生物量高和掛膜時(shí)間短的特點(diǎn)，該工藝最終出水COD的去除率為92.61%，NH4+-N去除率為84.63%，總氮去除率為67.93%，符合一級(jí)A標(biāo)。孫鵬[13]等利用纖維填料和菖蒲構(gòu)建的菌—藻—浮床復(fù)合系統(tǒng)處理低濃度污水，結(jié)果顯示，該復(fù)合系統(tǒng)對(duì)于不同濃度污水具有相應(yīng)的種群結(jié)構(gòu)，原因是其填料-植物-浮床系統(tǒng)具有豐富的群落結(jié)構(gòu)，在高濃度水體環(huán)境中，浮游植物的群落結(jié)構(gòu)的調(diào)整，生物多樣性的更加豐富，而在低濃度水體環(huán)境中，浮游植物的生長(zhǎng)則受到抑制。

3.2 ?截留大顆粒污染物

填料對(duì)懸浮物的截留作用是通過(guò)對(duì)污水中懸浮物的擴(kuò)散攔截、表面沉淀、水動(dòng)力、表面電性作用和吸附等諸多物理化學(xué)作用以及生物膜的生物絮凝作用實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于水中的一些大顆粒有機(jī)氮而言，其處理不再全部需要復(fù)雜的消解、硝化反、硝化過(guò)程，而是可以直接通過(guò)填料的截留、吸附作用進(jìn)行去除。且填料對(duì)磷的高效吸附作用，大大減少了除磷所需碳源，緩解了低C/N的脫氮碳源不足問(wèn)題，一定程度上強(qiáng)化了氮的去除效果。吳鵬[14]等，發(fā)現(xiàn)沸石經(jīng)NaOH和AlCl3改性后具有更大的有效孔容以及更強(qiáng)的吸附作用，脫氮性能較未改性前提高1.8%，除磷效果提高1倍以上，SS去除效果也更好，原因可能是改性沸石表面的Al3+對(duì)氮素有更強(qiáng)的吸附效果，因此脫氮效果也得到了增強(qiáng)。羅義涌[15]等研究生物濾池處理低濃度廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，較未種植植物的生物濾池相比，種植植物的生物濾池具有更好的處理效果，COD、NH4+-N、TN和TP的平均去除效率分別提升了13.03%、25.30%、14.80%和2.32%，出水滿足地表IV類水的標(biāo)準(zhǔn)，植物的存在強(qiáng)化了填料的截留效果，氮素去除效率的強(qiáng)化是根系截留、微生物同化、硝化和反硝化作用去除與基質(zhì)所吸附積累的有機(jī)氮分解釋放作用疊加的表現(xiàn)。

3.3 ?截留大顆粒污染物

投加了填料的反應(yīng)器微生物總量一般較未投加的反應(yīng)器多，同時(shí)隨著生物膜不斷更新，也能讓微生物保持較高的活性。而在污水處理中，硝化反硝化菌與其他微生物往往存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，填料則可以利用其表面特性對(duì)硝化、反硝化菌進(jìn)行一定程度上的選育，強(qiáng)化其競(jìng)爭(zhēng)能力，進(jìn)一步優(yōu)化脫氮效果。李川川[16]等考察了褐鐵礦填料反硝化生物濾池的運(yùn)行及其微生物群落結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果顯示相較于普通的石英砂填料，褐鐵礦表面具有反硝化能力的變形菌門豐度更高，種群結(jié)構(gòu)也更為穩(wěn)定，出水硝氮去除率高15%以上，亞硝氮累積也大大降低。楊樂[17]等研究通過(guò)填料法降低污水廠占地研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，投加填料有利于提高硝化細(xì)菌的比例，厭氧氨氧化菌比例投加填料組也高于空白組，推測(cè)填料內(nèi)部形成了厭氧空間，該系統(tǒng)有利于厭氧氨氧化菌的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)填料強(qiáng)化脫氮性能的目的。

3.4 ?利于形成脫氮微系統(tǒng)

對(duì)于好氧段填料而言，當(dāng)填料表面的生物膜生長(zhǎng)到一定厚度時(shí)，可分缺氧層和好氧膜層。工藝運(yùn)行中，好氧區(qū)增殖，缺氧區(qū)脫落，在一定程度上維持了生物的活性。外層好氧膜區(qū)進(jìn)行硝化反應(yīng)，而內(nèi)層缺氧則進(jìn)行反硝化，在微觀層面上形成了硝化-反硝化系統(tǒng)，強(qiáng)化了同步硝化反硝化（SND），進(jìn)而提高氮的去除效果。張建華[18]等利用聚氨酯海綿填料為生物載體（填料填充率25%），采用逐步提高氮負(fù)荷的方式，在較短的時(shí)間內(nèi)（98 d）成功啟動(dòng)了同步硝化反硝化，平均SND率為70.57%，TN去除率高達(dá)82.95%，有效節(jié)省了動(dòng)力消耗，強(qiáng)化裝置脫氮效果。詹博[19]等在研究珊瑚砂填料流離生化工藝的啟動(dòng)與SND性能研究，通過(guò)珊瑚砂作為生物填料處理園區(qū)生活污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器在運(yùn)行60 d后完成同步硝化反硝化啟動(dòng)，珊瑚砂表面產(chǎn)生大量生物膜，反應(yīng)器的SND率為（80.50±9.38）%，表現(xiàn)出良好的同步硝化反硝化性能。

4 ?填料在村鎮(zhèn)生活污水脫氮中的研究與運(yùn)用

4.1 ?改善裝置抗沖擊負(fù)荷能力

填料可以通過(guò)生物量的豐富，達(dá)到改善微生物種群結(jié)構(gòu)的目的，眾多研究結(jié)果表明反應(yīng)器在投加填料后，會(huì)出現(xiàn)生物相改善，生物多樣性豐富的現(xiàn)象，抗沖擊負(fù)荷能力增強(qiáng)的效果。劉濤[20]等考察基于火山巖填料的亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮工藝（CANON）處理生活污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，在常溫低基質(zhì)條件下，CANON濾層不同高度處微生物分布差異顯著，在濾層下方微生物數(shù)量較多，且成簇生長(zhǎng)，氨氧化細(xì)菌（AOB）的群落多樣性很高，具有更高的脫氮能力以及抗沖擊負(fù)荷性能，出水滿足一級(jí)A標(biāo)，同時(shí)還可以通過(guò)投加軟性或半軟性填料、增設(shè)反沖洗、降低溶解氧等途徑進(jìn)一步提高系統(tǒng)的脫氮性能。于函平[21]等利用懸浮-缺氧/好氧復(fù)合式平板膜生物反應(yīng)器處理園區(qū)生活污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，投加懸浮填料提升了反應(yīng)器中的生物量及微生物種類，使得裝置抗沖擊負(fù)荷能力明顯增強(qiáng)，在進(jìn)水COD 200～450 mg/L波動(dòng)較大的情況下，出水保持較強(qiáng)的穩(wěn)定性，最終確定最佳工況回流比為200%、HRT為8 h、DO濃度為2.5 ～3.5 mg/L下，除總磷外其余指標(biāo)均能達(dá)到一級(jí)A標(biāo)。印度的Jariwala[22]等在研究連續(xù)批量生物膜反應(yīng)器（SBBR）處理生活污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，與SBR相比，投加填料的SBBR具有更多的生物質(zhì)和更高的去除效率，更少的污泥和污泥聚集，更大的體積負(fù)荷和抗沖擊負(fù)荷的工藝穩(wěn)定性，其COD、BOD、TN的去除率分別為89%、92%、65%。

4.2 ?改善系統(tǒng)碳源利用率

投加填料可以通過(guò)控制工況等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化、厭氧氨氧化等高效脫氮途徑，提高碳源利用率，同時(shí)部分填料還具有緩釋碳源的作用，一定程度上改善了系統(tǒng)的碳源利用效果。曹貴華[23]等在研究改良A2/O工藝處理低C/N生活污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，投加填料可有效提高系統(tǒng)碳源利用率，分析有兩點(diǎn)原因：一是好氧段投加填料后，參與SND作用的菌種或微生物絮體實(shí)現(xiàn)了填料中生物膜量的增加;二是生物膜內(nèi)部易形成的缺氧微環(huán)境，為反硝化細(xì)菌利用內(nèi)碳源進(jìn)行反硝化脫氮?jiǎng)?chuàng)造條件，而且生物膜具有的吸附和儲(chǔ)碳能力，能在反應(yīng)初期將部分有機(jī)物吸附輸送到生物膜內(nèi)部作為反硝化的碳源。明駒[24]等研究MBBR—多級(jí)A/O耦合工藝處理處理低碳源生活污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，填料表面生物膜的形成可以促進(jìn)同步硝化反硝化作用的發(fā)生，提高碳源利用率，改善脫氮效果，NH4+-N和COD去除率分別為96.84%和84.31%，出水水質(zhì)滿足一級(jí)A標(biāo)。Young[25]等研究不用填料類型下MBBR對(duì)氮的去除效果時(shí)提出運(yùn)行工況對(duì)填料表面生物結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，微生物群落分析表明，所有載體的主要氨氧化細(xì)菌（AOB）是亞硝化單胞菌，而主要亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）是亞硝螺菌，可以通過(guò)提高AOB/NOB的比例改善碳源利用效果，達(dá)到提升MBBR裝置的脫氮效果的目的。

4.3 ?改善工藝的運(yùn)維成本

投加填料可以有效降低裝置體積、減少剩余污泥產(chǎn)量、提高裝置耐久性能，進(jìn)而達(dá)到減少基建和運(yùn)維費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)良好的環(huán)境與經(jīng)濟(jì)雙贏的效益。林好斌[26]等，在開展污水處理廠提標(biāo)改造時(shí)也提出，填料法改造具有不新征地、不新建反應(yīng)池、不改變主體工藝的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能節(jié)地，對(duì)于村鎮(zhèn)污水治理具有很大的借鑒價(jià)值。劉麗[27]等研究了復(fù)合平板膜生物反應(yīng)器處理園區(qū)污水，結(jié)果顯示A/O-MBR系統(tǒng)的運(yùn)行管理費(fèi)用在扣除人工費(fèi)用的條件下，投加填料后運(yùn)行管理費(fèi)用由2.27元/m3降為2.13元/m3，添加填料前后的膜的更換費(fèi)分別占運(yùn)行管理費(fèi)用的15%和9.4%，表明添加填料后膜壽命增長(zhǎng)，更換次數(shù)減少，費(fèi)用降低。韓誠(chéng)[28]等利用交替曝氣生物濾池工藝處理低C/N比生活污水時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)采用投加填料和交替曝氣的方式，在進(jìn)水流量為65 L/d（水力負(fù)荷為0.81 m3/（m2·d）），回流比為200%的工況下，污泥表觀產(chǎn)率系數(shù)為0.06 kg MLSS/kg COD，遠(yuǎn)低于A2/O工藝，僅為后者的1/5到1/10，進(jìn)一步降低了運(yùn)維成本。

5 ?結(jié) 語(yǔ)

隨著國(guó)家“廁所計(jì)劃”提出，標(biāo)志著我國(guó)村鎮(zhèn)的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)入新的階段。據(jù)報(bào)道，我國(guó)未來(lái)村鎮(zhèn)污水治理投資規(guī)模將超過(guò)3萬(wàn)億元，而如何針對(duì)村鎮(zhèn)生活污水特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效脫氮是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。生物填料法能提高反應(yīng)器生物含量，豐富生物相的組成，有效強(qiáng)化反應(yīng)器脫氮性能，同時(shí)還可降低膠體物質(zhì)含量進(jìn)而延長(zhǎng)裝置使用壽命，利于設(shè)備可持續(xù)、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，是理想的村鎮(zhèn)生活污水處理技術(shù)手段。但目前，在投加填料同時(shí)仍存在技術(shù)、應(yīng)用瓶頸，今后有待在以下幾方面開展深入研究：（1）目前填料技術(shù)的工況優(yōu)化多基于單因素分析，忽視了各影響因子之間的相互影響，應(yīng)對(duì)多種影響因子作系統(tǒng)性的研究，確實(shí)找到不同裝置系統(tǒng)的最優(yōu)工況;（2）目前相關(guān)研究多基于單一種類填料或工藝而展開，缺乏對(duì)不同填料工藝的比選，應(yīng)對(duì)比不同工藝的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，發(fā)掘各自優(yōu)勢(shì)和不足，為今后的工程實(shí)踐提供參考;（3）目前相關(guān)研究多基于宏觀效能的比較，缺少微觀層面上的機(jī)理分析，今后有望從脫氮菌群調(diào)控與填料反應(yīng)器脫氮模型的構(gòu)建等微觀角度形成更加系統(tǒng)穩(wěn)定的村鎮(zhèn)生活污水高效脫氮技術(shù)體系。

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