生物膜A2/O 工藝處理度假型鄉(xiāng)村生活污水的實(shí)際運(yùn)行效果

錢(qián) 姍，吳 迪，高賢彪，李 妍

（天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，天津 300380）

近些年，我國(guó)污水的處理再生工藝取得長(zhǎng)足發(fā)展，處理效果隨著國(guó)家及地方標(biāo)準(zhǔn)的提高也在不斷進(jìn)步，但農(nóng)村地區(qū)污水處理率始終不高，制約農(nóng)村水污染治理工程普及的原因主要為經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低及生活習(xí)慣差距。農(nóng)村地理位置分散，鋪設(shè)連接多個(gè)村莊的排水管網(wǎng)難度大，所以通常只能以村為單位修建一個(gè)處理站。而在有條件修建集中污水處理站的村莊，由于人口少、管網(wǎng)滲水、生活習(xí)慣等原因可進(jìn)入處理站的污水量少、變化系數(shù)大、水質(zhì)波動(dòng)明顯高于市政污水處理廠進(jìn)水。因此，城鎮(zhèn)污水處理廠經(jīng)常采用的常規(guī)、成熟的工藝要針對(duì)農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量特點(diǎn)做出適應(yīng)性改變，開(kāi)發(fā)出適用于農(nóng)村生活污水的高效低能新技術(shù)、新工藝。

工程化應(yīng)用的污水處理工藝大多以生物法作為二級(jí)處理，輔以沉淀、過(guò)濾等物理手段以及化學(xué)除磷等化學(xué)手段。因此發(fā)揮作用的主體是活性污泥，任何超過(guò)一般微生物適應(yīng)能力的環(huán)境條件都會(huì)造成活性污泥生態(tài)失衡，從而破壞其污染物降解功能。影響農(nóng)村生活污水處理效果的除了以上提到的水量波動(dòng)外，還包括進(jìn)水污染物濃度、冬季低溫等因素?；谑姓鬯幚韽S的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前普遍認(rèn)為當(dāng)進(jìn)水COD 低于250 mg·L時(shí)即可視為碳源缺乏，不僅不利于微生物的同化作用，也會(huì)同時(shí)影響脫氮除磷過(guò)程。為了保證較為穩(wěn)定的進(jìn)水水質(zhì)，市政污水會(huì)采用高低濃度污水混合的方法，但農(nóng)村生活污水處理不具備這樣的條件。同時(shí)，溫度也是影響污水處理效果的重要因素。北方冬季氣溫大幅降低，污水處理站的進(jìn)水水溫可能低至10~15 ℃左右，這樣的低溫會(huì)導(dǎo)致微生物代謝活性變差，胞外聚合物累積，從而引發(fā)污泥膨脹。另外有研究表明，在水溫低于15 ℃時(shí)，硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌活性受到抑制，氨氮去除率明顯降低；當(dāng)水溫低于8 ℃時(shí)，活性污泥系統(tǒng)的硝化速率會(huì)迅速下降甚至失去硝化能力。

針對(duì)農(nóng)村污水體量小、排放波動(dòng)大等特點(diǎn)，本工程以生物膜A/O 工藝為主體，結(jié)合分段進(jìn)水、出水回流等手段形成一套深度處理工藝。進(jìn)行為期10 個(gè)月的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)期覆蓋冬季、夏季兩個(gè)季節(jié)，重點(diǎn)探究處理工藝對(duì)污染物的去除效果和抗沖擊能力，同時(shí)對(duì)污染物排放濃度隨季節(jié)的變化規(guī)律進(jìn)行初步揭示。

1 材料和方法

1.1 工程概況

本工程修建于北京近郊山地某鄉(xiāng)村，用于處理全村排放的污水。該村由于地理位置優(yōu)越、自然風(fēng)光好，是城市人口就近避暑度假的首選，因此鄉(xiāng)村游產(chǎn)業(yè)成為當(dāng)?shù)刂萎a(chǎn)業(yè)，全村沒(méi)有工業(yè)，沒(méi)有規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)。

排放的污水主要為鄉(xiāng)政府、學(xué)校、家庭和旅舍等產(chǎn)生的生活污水和少量餐廳餐飲廢水。綜合常駐人口、旅游旺季高峰人口、往年自來(lái)水用量和排污系數(shù)等因素，確定設(shè)計(jì)流量為150 m·d，出水設(shè)計(jì)水質(zhì)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)。表1 為監(jiān)測(cè)的進(jìn)水水質(zhì)幾個(gè)重要指標(biāo)與相應(yīng)的出水標(biāo)準(zhǔn)。

表1 進(jìn)水水質(zhì)及出水標(biāo)準(zhǔn) (mg·L-1)

1.2 工藝流程

所有構(gòu)筑物采用平移推流式池型。原污水首先經(jīng)粗細(xì)兩道格柵進(jìn)入沉砂調(diào)節(jié)池，在此初步沉淀并水量調(diào)節(jié)，由兩臺(tái)提升泵分別泵入?yún)捬醭睾徒佑|缺氧池，實(shí)行分段進(jìn)水，厭氧池出水進(jìn)入接觸缺氧池，之后依次進(jìn)入接觸好氧池、二沉池與出水循環(huán)池，接觸好氧池部分出水回流至接觸缺氧池，使富氧條件下生成的硝態(tài)氮在缺氧池中完成反硝化脫氮。接觸缺氧池與接觸好氧池內(nèi)敷設(shè)軟性纖維填料。二沉池放置兩臺(tái)污泥泵分別用于剩余污泥排放與污泥回流，回流污泥至厭氧池。出水循環(huán)池放置一臺(tái)水泵，在水量少或冬季低溫時(shí)將水重新提升循環(huán)至沉砂調(diào)節(jié)池。

圖1 工藝流程圖

1.3 工藝特點(diǎn)

將傳統(tǒng)活性污泥法與生物膜法特點(diǎn)結(jié)合。在缺氧池和好氧池均敷設(shè)填料，硝化微生物可附著在載體上生長(zhǎng)，水力停留時(shí)間和泥齡分離使得世代時(shí)間較長(zhǎng)的硝化菌和反硝化菌易于成長(zhǎng)為優(yōu)勢(shì)菌種。填料采用軟性纖維填料，填充高度3 m，填充率約75%，該種填料便宜耐用，相對(duì)于活性污泥法的同等工藝并不會(huì)有明顯的設(shè)備費(fèi)增加，但基于成熟的運(yùn)行控制卻能達(dá)到更好的出水水質(zhì)。另外在好氧池，推流池型的應(yīng)用使BOD 濃度隨著水流逐漸減小、DO濃度逐漸增大，這種從進(jìn)水端到出水端形成的反應(yīng)梯度有利于各生物反應(yīng)的有效進(jìn)行、使自養(yǎng)型硝化菌易于在池子中后段BOD 濃度較低處的填料上迅速增殖且不易發(fā)生污泥膨脹。

增設(shè)出水的循環(huán)回流步驟。經(jīng)處理后本可排放的水在旅游淡季原污水排放量少時(shí)回流至厭氧池，可保證整個(gè)系統(tǒng)正常的水力流動(dòng)及對(duì)填料上生物膜的水力沖刷，促進(jìn)膜的正常脫落與再生。而在冬季低溫時(shí)回流可提高污水的停留時(shí)間、降低負(fù)荷率，從而改善低溫導(dǎo)致的出水水質(zhì)下降。

1.4 成本分析

本工程總水力停留時(shí)間40.9 h，總投資65 萬(wàn)元，運(yùn)行成本0.75 元·m（詳見(jiàn)表2）。

表2 成本明細(xì)表

1.5 檢測(cè)方法

采樣時(shí)間為1 月至10 月間，每6 d 取1 次樣，取樣日上午取1 次、下午取1 次，總?cè)訑?shù)為101 個(gè)。

CODcr 采用鉻法便攜式分光光度計(jì)測(cè)定、NH3-N 采用納氏試劑法便攜式分光光度計(jì)測(cè)定、TP 采用抗壞血酸-鉬藍(lán)法便攜式分光光度計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 CODcr 的去除

如圖2 所示，從1 月到10 月整個(gè)期間來(lái)看，進(jìn)水CODcr 值波動(dòng)非常大，在10.04～255.0 mg·L之間，平均值87.74 mg·L。上午數(shù)據(jù)和下午數(shù)據(jù)并未看出明顯規(guī)律，但可以發(fā)現(xiàn)隨著一年中氣溫變化，進(jìn)水CODcr 也相應(yīng)波動(dòng)：在1—3 月，氣溫最低的3 個(gè)月中（第1~28 個(gè)數(shù)據(jù)）平均值為52.13 mg·L；4—9月（第29~90 個(gè)數(shù)據(jù)）氣溫較高，平均值為106.39 mg·L，10 月（第91~101 個(gè)數(shù)據(jù)）開(kāi)始轉(zhuǎn)冷，平均值為76.71 mg·L。分析原因有二：一是天氣寒冷時(shí)為旅游淡季，旅社與餐廳關(guān)閉，污染物濃度降低；二是淡季用水人口減少、污水量減少，系統(tǒng)的循環(huán)池回流作用顯現(xiàn)，進(jìn)水處的原污水被回流水稀釋。

圖2 CODcr 去除效果

處理后的出水CODcr 在3.99～63.55 mg·L之間，平均值為24.26 mg·L，除一個(gè)數(shù)據(jù)略超過(guò)60 mg·L之外其余全部達(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)，達(dá)標(biāo)率99%。CODcr 去除率在6.99%～93.02%之間，其中1—3 月平均去除率54.45%、4—9 月平均去除率67.85%、10 月平均去除率70.13%，總平均去除率64.32%。1—3 月的去除率明顯低于其他月份，一方面是進(jìn)水濃度偏低、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的缺乏導(dǎo)致污泥容易進(jìn)入內(nèi)源呼吸狀態(tài)從而影響活性，另一方面從數(shù)據(jù)可以看出，10 月份雖然與1—3 月相同，進(jìn)水濃度大幅度偏低，但平均去除率卻基本相當(dāng)，說(shuō)明CODcr的去除率與氣溫具有顯著相關(guān)性。總體來(lái)看，這種類(lèi)型鄉(xiāng)村的生活污水CODcr 濃度相對(duì)較低，波動(dòng)大，但處理后出水能維持在一個(gè)很穩(wěn)定的水平，具有相當(dāng)高的達(dá)標(biāo)率，說(shuō)明活性污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)良好，面對(duì)濃度不穩(wěn)定的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源及冬季運(yùn)行有能力調(diào)整并維持在一個(gè)穩(wěn)定的代謝節(jié)奏，污水處理工藝具備良好的抗沖擊能力。

2.2 氨氮的去除

如圖3 所示，氨氮進(jìn)水濃度在2.09～35.0 mg·L之間，平均值10.65 mg·L。處理后出水濃度在0.29～15.8 mg·L之間，平均值5.18 mg·L，在全部101 個(gè)數(shù)據(jù)中，夏季高溫時(shí)有4 個(gè)數(shù)據(jù)在8～12 mg·L、溫度較低時(shí)有2 個(gè)數(shù)據(jù)在15～15.8 mg·L，其余全部達(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)，達(dá)標(biāo)率94%。去除率在在5.54%～96.84%之間，平均值51.0%。

圖3 氨氮去除效果

仍然按照1—3 月、4—9 月、10 月3 個(gè)時(shí)間段分段統(tǒng)計(jì)， 氨氮進(jìn)水平均濃度分別為8.21，11.90，10.02 mg·L，平 均 去 除 率 分 別 為38.28%，54.54%，64.09%。在氣溫影響方面，表現(xiàn)出與COD 相同的趨勢(shì)，即溫度最低的1—3 月去除率明顯低于其他月份、進(jìn)水濃度低于其他月份。

氨氮的去除率上下限范圍很大、波動(dòng)劇烈且并不呈現(xiàn)出明顯規(guī)律，但出水氨氮濃度非常穩(wěn)定，達(dá)標(biāo)率很高，一方面是因?yàn)檫M(jìn)水濃度本身不高；另一方面，認(rèn)為處理系統(tǒng)本身的硝化細(xì)菌發(fā)揮了作用。氨氮這個(gè)指標(biāo)是用來(lái)衡量污水處理工藝中硝化作用的有效程度，即硝化菌是否有效累積并保持活性。硝化菌對(duì)氨氮的去除包括兩個(gè)途徑：同化作用和自養(yǎng)氧化為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，而目前的理論認(rèn)為由于細(xì)菌細(xì)胞生理需要而去除的氮元素（同化作用）其去除率僅為20%～40%，也有認(rèn)為是8%～20%。本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)中，以40%為限，高于這一去除率的占60%，若考慮進(jìn)水有機(jī)氮氨化的部分，高于40%的比例還會(huì)更大，而再結(jié)合本處理工藝的一些設(shè)計(jì)特點(diǎn)推斷，硝化細(xì)菌已經(jīng)成為優(yōu)勢(shì)菌種并發(fā)揮硝化作用。

2.3 TP 的去除

如圖4 所示，總磷進(jìn)水濃度在0.34～4.38 mg·L之間，平均值1.78 mg·L。處理后出水濃度在0.01～1.59 mg·L之間，平均值0.86 mg·L。去除率在2.35%～98.12%之間，平均值46.06%。

圖4 總磷去除效果

按照1—3 月、4—9 月、10 月三個(gè)時(shí)間段分段統(tǒng)計(jì)，總磷進(jìn)水平均濃度分別為1.22，2.09，1.54 mg·L，平均去除率分別為39.29%，50.00%，41.79%。1—3月與10 月相比進(jìn)水濃度相近，氣溫差距很大，但去除率并未因溫度差異發(fā)生相同程度的變化，因此與CODcr 和氨氮所呈現(xiàn)出的溫度顯著影響去除率不同，進(jìn)水濃度是相關(guān)性更大的影響因素。

達(dá)標(biāo)率方面，在超標(biāo)的32 個(gè)數(shù)據(jù)中，22 個(gè)數(shù)據(jù)在1.0～1.2 mg·L，10 個(gè)數(shù)據(jù)在1.25～1.59 mg·L，其余全部達(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)，達(dá)標(biāo)率68.3%。雖然出水平均值滿足一級(jí)A 排放，但相對(duì)于CODcr 與氨氮，總磷的去除率和達(dá)標(biāo)率最低，分析原因可能為好氧池增設(shè)生物膜填料，聚磷菌附著于更有利于生長(zhǎng)的填料上，游離菌減少，從二沉池回流至厭氧池再生的菌也減少，聚磷菌長(zhǎng)期釋磷不良而又增殖速率較慢，造成有效作用的菌少且活性不高。

3 結(jié)論

基于足夠長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行監(jiān)測(cè)，從CODcr、NH-N和TP 3 個(gè)污染指標(biāo)的出水平均值和達(dá)標(biāo)率兩方面看，采用的處理工藝充分滿足農(nóng)村生活污水處理需求且運(yùn)行具有高度穩(wěn)定性。其中CODcr 和NH-N的去除率和達(dá)標(biāo)率高于TP 的，這與絕大部分污水處理工藝是一致的，不論是市政級(jí)的污水處理廠還是小型一體化處理設(shè)備，TP 一直是較為難以脫除的污染物，其代謝機(jī)理也是最不明確的。在環(huán)境氣溫對(duì)運(yùn)行效果的影響方面，通過(guò)按季節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，氣溫是CODcr 和NH-N 去除率的主要影響因素，而進(jìn)水濃度是TP 的主要影響因素。但是本工藝基于生物膜污泥體系以及分段進(jìn)、出水回流技術(shù)特點(diǎn)，使得這種冬季低溫造成的處理效果下降處于可接受的范圍內(nèi)。綜上，本工藝在技術(shù)上做出了創(chuàng)新與優(yōu)化，同時(shí)兼顧運(yùn)行成本的經(jīng)濟(jì)性，非常符合農(nóng)村的市場(chǎng)特點(diǎn)，具有廣泛應(yīng)用前景。

得到以下結(jié)論：

（1）本工藝經(jīng)過(guò)10 個(gè)月運(yùn)行監(jiān)測(cè)，其CODcr、氨氮和總磷的平均去除率分別為64.32%，51.00%，46.06%，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率分別為99%，94%，68%。出水平均濃度均達(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。

（2）農(nóng)村生活污水污染物濃度呈現(xiàn)季節(jié)性差異，夏季污染物濃度高，冬季污染物濃度低，同時(shí)氣溫對(duì)COD 和氨氮去除率的影響大于對(duì)總磷去除率的影響。