光伏驅(qū)動(dòng)一體化裝置處理農(nóng)村生活污水的性能研究

張永平,李妮,溫靜靜,孫甲玉*,孟凡坤,吳雅文,夏夕雯

光伏驅(qū)動(dòng)一體化裝置處理農(nóng)村生活污水的性能研究

張永平1,李妮2,溫靜靜1,孫甲玉2*,孟凡坤2,吳雅文2,夏夕雯1

1. 水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司, 山東 濟(jì)南 250001 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利土木工程學(xué)院, 山東 泰安 271018

針對(duì)北方丘陵地區(qū)農(nóng)村生活污水的排放特征，本論文構(gòu)建了一套基于光伏系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的生物接觸氧化污水一體化處理裝置，并研究了該裝置對(duì)模擬農(nóng)村污水的處理效能。研究結(jié)果表明，在處理量為50和100 L·d-1條件下，該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)COD、NH3-N、TN和TP 的穩(wěn)定去除，出水均能滿足山東省《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37/3963-2019）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。與其他常規(guī)生物處理工藝相比，該裝置具有便于安裝，無需大規(guī)模鋪設(shè)管網(wǎng)，無需外加電源，且處理后的出水可以直接回用于農(nóng)田等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)居住相對(duì)分散的丘陵山區(qū)農(nóng)村生活污水處理具有較強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。

污水處理設(shè)備; 污水處理; 性能分析

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和農(nóng)村生活水平的不斷提高，農(nóng)村地區(qū)的污水排放量和污染物成分復(fù)雜度也在逐年提高。然而，農(nóng)村居民排放的生活污水大多得不到有效的收集和處理，導(dǎo)致農(nóng)村生活污水隨處排放，污染環(huán)境[1,2]。近年來，國內(nèi)外均對(duì)農(nóng)村污水處理問題開展了大量的研究和實(shí)踐，如美國采用高效藻類塘工藝，利用藻類與好氧細(xì)菌的共生關(guān)系，去除水中污染物[3]；澳大利亞采用滲濾系統(tǒng)將過濾、土地處理與暗管排水相結(jié)合去除水中污染物[4]；日本則主要采用生物膜法以及活性污泥法等處理工藝處理農(nóng)村生活污水[5,6]。國內(nèi)研究較多的是序批式活性污泥法、厭氧–缺氧–好氧活性污泥法、移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器、土地滲濾系統(tǒng)、地表漫流系統(tǒng)和穩(wěn)定塘組合等方法[7, 8]。

不可否認(rèn)，通過近幾年對(duì)農(nóng)村污水的治理有效地改善了我國農(nóng)村的居住環(huán)境，但是目前采用的農(nóng)村污水處理設(shè)施多數(shù)屬于城市污水處理設(shè)施的微型化，也造成了建設(shè)費(fèi)用過高、能耗高、運(yùn)維管理難以持續(xù)等問題，從而導(dǎo)致農(nóng)村污水處理設(shè)施運(yùn)行不穩(wěn)定或“曬太陽”等現(xiàn)狀。尤其是北方丘陵山區(qū)，農(nóng)民居住相對(duì)分散，污水管網(wǎng)建設(shè)難度大、費(fèi)用昂貴，也制約了農(nóng)村污水治理的進(jìn)程。基于上述考慮，本文根據(jù)農(nóng)村污水的排放特征和水質(zhì)特征，構(gòu)建了一套適合農(nóng)村生活污水分散處理的光伏驅(qū)動(dòng)農(nóng)村生活污水一體化處理裝置，系統(tǒng)研究了該裝置的污水處理效能，并論證了該裝置對(duì)農(nóng)村生活污水處理的適用性和經(jīng)濟(jì)性，旨在促進(jìn)農(nóng)村污水處理及水環(huán)境改善提供一條簡易有效的途徑。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用水

試驗(yàn)進(jìn)水水樣采用人工模擬生活污水。人工模擬生活污水主要由CH3COONa、(NH4)2SO4、KH2PO4、CaCl2、MgSO4和微量元素組成。微量元素主要由FeCl3·6H2O、H3BO3、CuSO4·5H2O、KI、MnCl2·4H2O、NaMoO4·2H2O、ZnSO4·7H2O、CoCl2·H2O和EDTA組成。將人工模擬生活污水母液[9]以1:100比例稀釋至自來水中形成人工模擬污水。

1.2 試驗(yàn)裝置

光伏驅(qū)動(dòng)農(nóng)村生活污水一體化處理裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置采用有機(jī)玻璃制成，長、寬、高分別為90、30和50 cm，設(shè)置超高15 cm，總有效容積為94.5 L。槽體中依次設(shè)置進(jìn)水配水池、一級(jí)缺氧池、二級(jí)缺氧池和接觸氧化池，容積分別為15.75、21.00、21.00和36.75 L。進(jìn)水配水池上部設(shè)計(jì)篩網(wǎng)，以攔截進(jìn)水中較大的懸浮物。一級(jí)缺氧池和二級(jí)缺氧池內(nèi)沿豎向依次布置8根懸掛式軟性填料，填料安裝高度均為30 cm，填料填充率均為71.77%。接觸氧化池內(nèi)布設(shè)8根立體彈性填料，填料安裝高度為30 cm，填料填充率為74.32%。接觸氧化池底部設(shè)有微孔曝氣盤，并設(shè)有硝化液回流裝置。各池體與下一池體間設(shè)有間隙1.5 cm的導(dǎo)流槽，導(dǎo)流槽使污水自下而上流動(dòng)，以防止污水短流。在室外陽光充足的地方設(shè)置兩塊太陽能電池板，連接試驗(yàn)裝置的蓄電池，用以驅(qū)動(dòng)曝氣盤和回流裝置。

1進(jìn)水管，2頂蓋，3硝化液回流管，4篩網(wǎng)，5進(jìn)水配水池，6一級(jí)缺氧池，7二級(jí)缺氧池，8接觸氧化池，9沉淀池，10軟性填料，11立體彈性填料，12回流泵，13增氧泵，14蓄電池，15太陽能電池板，16第一導(dǎo)流槽，17出水孔，18曝氣盤，19出水管

1.3 掛膜啟動(dòng)與運(yùn)行

裝置采取人工接種進(jìn)行掛膜啟動(dòng)，接種污泥取自山東省泰安市某城鎮(zhèn)污水處理廠二沉池。將接種的活性污泥分別投入一級(jí)缺氧池、二級(jí)缺氧池和接觸氧化池，加入生活污水悶曝24 h，然后采用小流量連續(xù)進(jìn)水。運(yùn)行11 d后，改為早、中、晚3次間歇進(jìn)水，進(jìn)水量分別為設(shè)計(jì)日處理量的1/3。掛膜期間，進(jìn)水COD、NH3-N、TN和TP分別為194.65～232.14、19.41～21.19、20.52～22.67和2.13～2.51 mg·L?1，水溫為23.3～28.1 ℃，pH為在7.0～8.0，硝化液回流比為200%，接觸氧化池DO為4.2～5.8 mg·L?1。裝置啟動(dòng)29 d后，對(duì)COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別達(dá)到89.36%、81.07%、48.00%和34.01%，其中，COD、NH3-N和TN均達(dá)到山東省《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37/3963–2019）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)（COD≤60 mg·L?1，NH3-N≤8 mg·L?1，TN≤20 mg·L?1），且裝置運(yùn)行穩(wěn)定，判定生物膜已成熟，掛膜成功。

一體化裝置運(yùn)行過程中，模擬農(nóng)村排水實(shí)際，采用間歇式進(jìn)水，即早、中、晚3次進(jìn)水，進(jìn)水量分別為設(shè)計(jì)日處理量的1/3。人均排放污水量為25 L·d-1，將戶均人口定為2、4和6人，則污水進(jìn)水量設(shè)計(jì)為50、100和150 L·d-1。設(shè)計(jì)進(jìn)水COD約為200 mg·L-1，NH3-N約為20 mg·L-1，TN約為20 mg·L-1，TP約為2.46 mg·L-1。在水溫為20.1～25.3 ℃，曝氣量為8 L·min-1，硝化液回流比為200%，pH為7～8，研究光伏驅(qū)動(dòng)一體化裝置對(duì)COD、NH3-N、TN和TP的去除效果。

1.4 樣品檢測和評(píng)價(jià)

采集的樣品酸化后于24 h內(nèi)測定化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）和總磷（TP）。COD采用重鉻酸鹽法測定，NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定[10]。根據(jù)山東省《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37/3963-2019）（以下簡稱為“排放標(biāo)準(zhǔn)”）對(duì)水質(zhì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與討論

2.1 一體化裝置對(duì)COD的去除效果

一體化裝置對(duì)COD的去除效果如圖2所示。處理量為100 L·d-1，當(dāng)進(jìn)水COD為200.00～239.28 mg·L-1，出水為11.16～24.13 mg·L-1，去除率為85.76%～94.84%，出水均達(dá)到了“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求。運(yùn)行20 d后，將處理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，當(dāng)進(jìn)水COD濃度為192.86～242.85 mg·L-1，出水濃度為12.53～29.49 mg·L-1，去除率為88.91%～94.42%，出水均達(dá)到了“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求。以處理量為50 L·d-1運(yùn)行21 d后，再將處理量由50 L·d-1提高至150 L·d-1。當(dāng)進(jìn)水COD濃度為194.65～225.00 mg·L-1，出水濃度為22.08～66.11 mg·L-1，去除率為70.38%～90.11%。當(dāng)處理量由50 L·d-1提高到150 L·d-1的第1 d，COD進(jìn)水濃度為223.21 mg/L，出水濃度大幅度提高至66.11 mg·L-1，出水未能達(dá)到“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求，其他均達(dá)標(biāo)。在整個(gè)運(yùn)行過程中，填料上的微生物與大量懸浮微生物接觸到污水中的有機(jī)污染物，通過微生物的氧化分解、同化作用及硝化液回流稀釋作用實(shí)現(xiàn)了COD的快速降低[11]，說明該一體化裝置對(duì)農(nóng)村污水COD的去除有較好的效果，且運(yùn)行穩(wěn)定，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。

圖 2 一體化裝置對(duì)COD的去除效果

2.2 一體化裝置對(duì)NH3-N的去除效果

一體化裝置對(duì)NH3-N的去除效果如圖3所示。處理量100 L·d-1時(shí)，當(dāng)NH3-N的進(jìn)水濃度為19.39～20.82 mg·L-1，出水濃度為0.14～5.18 mg·L-1，去除率為75.00%～99.32%，出水均達(dá)到了“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求。在運(yùn)行的3～14 d，出水NH3-N有小范圍的升高，主要是因?yàn)檫@幾天出現(xiàn)了連續(xù)的陰雨天氣，太陽能供電不足，導(dǎo)致夜間曝氣泵停止曝氣。太陽能供電恢復(fù)后，在運(yùn)行的第16 d，NH3-N去除率提高至98.86%，出水濃度僅為0.23 mg·L-1。運(yùn)行20 d后，將處理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，NH3-N的進(jìn)水濃度為20.32～21.20 mg·L-1，出水濃度為0.01～0.22 mg·L-1，NH3-N的去除率為98.93%～99.95%，均達(dá)到“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求。在處理量50 L/d條件下運(yùn)行20 d后，再將處理量由50 L·d-1提高到150 L·d-1，當(dāng)NH3-N的進(jìn)水濃度為19.95～21.37 mg·L-1，出水濃度為2.56～12.97 mg·L-1。在從50 L·d-1提高到150 L·d-1第1 d，NH3-N出水濃度大幅度增加至11.24 mg·L-1，在處理量為150 L·d-1運(yùn)行10 d后達(dá)到在該條件下最高去除效果，此時(shí)，出水NH3-N濃度為2.56 mg·L-1，去除率為88.02%。但在后續(xù)的運(yùn)行中裝置對(duì)NH3-N的去除效果逐漸變差。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明裝置在處理量為50 L·d-1和100 L·d-1時(shí)，對(duì)生活污水中的NH3-N有較好的去除效果，且運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定。但當(dāng)處理量為150 L·d-1時(shí)，處理效果較差，且運(yùn)行不穩(wěn)定，這可能是因?yàn)殡S著進(jìn)水量的增大，生物膜增厚，導(dǎo)致曝氣裝置產(chǎn)生的氣泡不足以穿透生物膜，從而導(dǎo)致NH3-N出水濃度升高[12]。

圖 3 一體化裝置對(duì)NH3-N的去除效果

2.3 一體化裝置對(duì)TN的去除效果

一體化裝置對(duì)TN的去除效果如圖4所示。處理量為100 L·d-1時(shí)，當(dāng)TN的進(jìn)水濃度為20.14～21.50 mg·L-1，出水濃度為6.37～9.73 mg·L-1，去除率為51.69%～69.72%，出水均達(dá)到了“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求。運(yùn)行20 d后，將裝置處理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，當(dāng)TN的進(jìn)水濃度為20.14～21.69 mg·L-1，出水濃度為3.28～6.79 mg·L-1，去除率為68.09%～83.93%，出水均達(dá)到了“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求。處理量為50 L·d-1時(shí)較100 L·d-1時(shí)TN的處理率有所提高，是因?yàn)殡S著日處理量的降低，缺氧池的反硝化負(fù)荷相應(yīng)降低[13]。此外，日處理量的降低，回流流量也相應(yīng)降低，使缺氧池更易保持較低的溶解氧，提高了缺氧池中反硝化細(xì)菌的脫氮效率[14]。在處理量為50 L·d-1條件下運(yùn)行20 d后，將處理量50 L·d-1提高到150 L·d-1。處理量為150 L·d-1時(shí)，TN的進(jìn)水濃度為20.07～21.84 mg·L-1，出水濃度為10.34～15.05 mg·L-1，除率為26.41%～48.82%。在從50 L·d-1提高到150 L·d-1第1 d，TN出水濃度增加至15.05 mg·L-1，去除率降低為28.24%。隨之時(shí)間的延長，裝置適應(yīng)了進(jìn)水負(fù)荷，TN去除率有所提高，在運(yùn)行的前13內(nèi)基本穩(wěn)定在40.00%以上，但在15 d后出現(xiàn)了大幅度下降。

上述試驗(yàn)結(jié)果說明裝置在處理量為50 L·d-1和100 L·d-1時(shí)，對(duì)生活污水中的TN有較好的去除效果，且運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定；但當(dāng)處理量為150 L·d-1時(shí)，處理效果較差，且運(yùn)行不穩(wěn)定。

圖 4 一體化裝置對(duì)TN的去除效果

2.4 一體化裝置對(duì)TP的去除效果

一體化裝置對(duì)TP的去除效果如圖5所示。在處理量100 L·d-1時(shí)，當(dāng)TP的進(jìn)水濃度為2.19～2.64 mg·L-1，出水濃度為1.38～1.98 mg·L-1，去除率為12.62%～45.17%，出水40.00%達(dá)到“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求。其中運(yùn)行的第7～14 d，TP的去除率出現(xiàn)下降，是因?yàn)槌霈F(xiàn)了連續(xù)的陰天天氣，太陽能供電不足，導(dǎo)致夜間曝氣泵停止工作，無法滿足微生物對(duì)溶解氧要求，曝氣泵正常工作后，裝置對(duì)TP的去除也恢復(fù)正常。運(yùn)行20 d后，將裝置處理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，TP的進(jìn)水濃度為2.20～2.36 mg·L-1，出水濃度為1.15～1.30 mg·L-1，去除率為41.69%～49.76%，出水100%達(dá)到“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求。在處理量50 L·d-1條件下運(yùn)行20 d后，將處理量由50 L·d-1提高到150 L·d-1。在處理量150 L·d-1時(shí)，TP的進(jìn)水濃度為2.20～2.47 mg·L-1，出水濃度為1.52～3.28 mg·L-1，均未達(dá)“排放標(biāo)準(zhǔn)”的一級(jí)要求。

由于本裝置設(shè)計(jì)主要是為了解決農(nóng)村污水突出的有機(jī)物和氮的超標(biāo)問題，所以生物膜更新周期較長，很難通過排除富磷生物膜達(dá)到除磷的效果，所以系統(tǒng)對(duì)TP的去除主要為生物的同化作用[15]。

圖 5 一體化裝置對(duì)TP的去除效果

3 結(jié)論

（1）在處理量為50和100 L·d-1條件下，該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)COD、NH3-N、TN和TP的穩(wěn)定去除，出水均能滿足山東省《農(nóng)村生活污水處理處置設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 37/3963-2019）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該裝置對(duì)農(nóng)村間隙性排放的生活污水具有較好的處理效果，且運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高推廣應(yīng)用價(jià)值；

（2）光伏驅(qū)動(dòng)農(nóng)村生活污水一體化處理裝置無需外加電能，可大大降低建設(shè)和運(yùn)維成本，減少碳排放，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益。

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Study on the Performance of the Photovoltaic Driven Integrated Device for Treating Rural Domestic Sewage

ZHANG Yong-ping1, LI Ni2, WEN Jing-jing1, SUN Jia-yu2*, MENG Fan-kun2, WU Ya-wen2, XIA Xi-wen1

1.250001,2.271018,

In view of the discharge characteristics of rural domestic sewage in the northern hilly region, an integrated biological contact oxidation wastewater treatment device, which was driven by photovoltaic system, was proposed in this paper, and the performance of the device for removing pollutants in simulate rural sewage were also studied. The results showed that the proposed device exhibited a high stable removal efficiency for COD, NH3-N, TN, and TP under the treating capacity of 50 and 100 L·d-1, which could meet the 1st level standard of Discharge Standard for Water Pollutants of Rural Domestic Sewage Treatment and Disposal Facilities of Shandong Province (DB 37/3963-2019). As compared to those traditional biological treatment processes, the integrated device presents some advantages of easy installation, without large-scale pipe network, no external power supply, and the treated effluent can be directly recycled for farmland. In sum, the designed integrated device in this work can be practical applied in rural sewage treatment, especially for those relatively scattered living in the hilly and mountainous areas.

Sewage treatment device; sewage treatment; performance analysis

U664.9+2

A

1000-2324(2022)04-0599-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.015

2022-02-12

2022-04-18

張永平(1979-),男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:水文水資源、水利規(guī)劃. E-mail:13573769669@163.com

Author for correspondence. E-mail:1536929371@qq.com