低C/N農(nóng)村生活污水處理試驗(yàn)研究

郝如杰 鄭紀(jì)永 韓士偉 李峰

摘 要：采用組合處理技術(shù)好氧/缺氧（A/O）/反硝化/混凝沉淀/纖維過(guò)濾處理低碳氮比（C/N）農(nóng)村生活污水，通過(guò)改進(jìn)運(yùn)行參數(shù)、強(qiáng)化污泥回流、增設(shè)外加碳源等方式，以期實(shí)現(xiàn)低C農(nóng)村生活污水的深度處理。結(jié)果表明，當(dāng)控制條件：好氧區(qū)溶解氧濃度為1.5～2.5 mg/L、缺氧區(qū)溶解氧濃度為0.2～0.5 mg/L、C/N為10：1、進(jìn)水：外回流：內(nèi)回流=1：1：2.5時(shí)，排出水體的化學(xué)需氧量（COD）濃度約為13.0 mg/L、氨氮（NH3-N）濃度約為0.4 mg/L、總磷（TP）濃度約為0.1 mg/L、總氮（TN）濃度約為2.2 mg/L，處理效率分別達(dá)到97%、99%、97%、94%，出水水質(zhì)達(dá)到“準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水”要求。進(jìn)而證明，在該控制條件下，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水的深度高效處理。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水；低碳氮比；反硝化；混凝沉淀

中圖分類(lèi)號(hào)：X703? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1673-9655（2023）02-0-05

0 引言

針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)部分地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量較差、水生態(tài)受損嚴(yán)重等問(wèn)題，多地制定了地方城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)，除“TN”外，各項(xiàng)指標(biāo)均與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅳ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)相近，被業(yè)界稱“準(zhǔn)四類(lèi)水”[1]。農(nóng)村生活污水具有水量小、難收集、低C/N等特點(diǎn)，一直是我國(guó)污水處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)于農(nóng)村生活污水處理工藝的研究屢見(jiàn)不鮮，A/O、A/A/O（厭氧/缺氧/好氧）、改良A/A/O、MBR（膜生物反應(yīng)器）、MABR（膜曝氣生物反應(yīng)器）、缺氧接觸氧化/生物轉(zhuǎn)盤(pán)、人工濕地、生態(tài)綜合治理等工藝技術(shù)均被用于農(nóng)村生活污水處理，出水水質(zhì)可達(dá)到《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)[2-7]。傅木星[8]利用生物轉(zhuǎn)盤(pán)處理C/N＜3的城鎮(zhèn)污水，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為4 r/min時(shí)，出水TN濃度為9.96 mg/L，去除率最高為81.22%。馮寧[9]研究了改進(jìn)倒置A/A/O-MBR系統(tǒng)處理低C/N生活污水，通過(guò)強(qiáng)化污泥回流和采用分段進(jìn)水，將進(jìn)水分配比調(diào)整為5：5時(shí)，COD、NH3-N、TP 和 TN 出水濃度分別為 21.55 、1.14 、0.51、12.85 mg/L。出水水質(zhì)較“準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水”仍有較大差距。

試驗(yàn)以低C/N（≤4）農(nóng)村生活污水為研究對(duì)象，利用好氧/缺氧（A/O）/反硝化/混凝沉淀/纖維過(guò)濾組合工藝開(kāi)展 “準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水”提標(biāo)試驗(yàn)研究，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及碳源添加比例，以及對(duì)工藝運(yùn)行后COD、NH3-N、TP、TN去除效果進(jìn)行分析，以期為低C/N農(nóng)村生活污水處理提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)裝置組成

試驗(yàn)裝置由A/O系統(tǒng)、反硝化濾池、混凝沉淀裝置、纖維過(guò)濾器四個(gè)部分組成，具體參數(shù)詳見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)藥劑、用水及接種污泥

本次試驗(yàn)用DE90%的工業(yè)級(jí)葡萄糖（Glc）作為外加碳源，工業(yè)級(jí)聚合氯化鋁（PAC）作為混凝劑。試驗(yàn)依托某農(nóng)村一體化污水處理設(shè)備A/O系統(tǒng)，后續(xù)增加反硝化濾池、混凝沉淀裝置、纖維過(guò)濾器，用水為某農(nóng)村產(chǎn)生的生活污水，COD、NH3-N、TP、TN進(jìn)水濃度分別為77～117、21～40、2.3～3.8、31.8～49.3 mg/L。該污水處設(shè)備已平穩(wěn)運(yùn)行2年以上，運(yùn)行期間水量約為200 m3/d，本次試驗(yàn)不更換原系統(tǒng)污泥。污泥經(jīng)檢測(cè)MLSS約4500 mg/L，SV約50%，SVI約110 mg/L，SRT約15 d，

狀態(tài)良好。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 改進(jìn)運(yùn)行參數(shù)

反應(yīng)區(qū)域的HRT與硝化、反硝化能力密切相關(guān)。反硝化和硝化，夏季分別需要1～2 h、3～4 h；在冬季分別需要2～3 h、5～6 h。SRT是同步脫氮除磷工藝最重要的影響因素之一，為協(xié)調(diào)同步脫氮除磷，必須選擇合適的SRT。通過(guò)調(diào)整A/O系統(tǒng)曝氣量、進(jìn)水流量等參數(shù)，改變?nèi)芙庋?、水力停留時(shí)間等條件，強(qiáng)化處理效率[10]。

1.3.2 強(qiáng)化污泥回流

試驗(yàn)設(shè)備用污泥回流分內(nèi)回流和外回流兩部分，分別由二沉池、好氧池回流至A/O系統(tǒng)缺氧段前端進(jìn)水管道。內(nèi)回流一般設(shè)計(jì)范圍為200%～400%，外回流范圍為50%～100%。調(diào)整內(nèi)回流、外回流與進(jìn)水比例，尋找最適回流比。

1.3.3 增設(shè)外加碳源

硝化-反硝化是生物脫氮的主要途徑，理論上電子受體NO3--N的COD當(dāng)量為2.86 g/g，即將1 gNO3--N還原為N2，需消耗碳源有機(jī)物2.86 g[11]。

Barnard[12]曾發(fā)現(xiàn)在多數(shù)城市污水處理試驗(yàn)中，C/N為7時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)完全的反硝化反應(yīng)；Didem[13]認(rèn)為通常情況下，如果想要達(dá)到同時(shí)脫氮除磷，則C/N 至少要在9以上；業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為C/N達(dá)到5：1即可認(rèn)為碳源已經(jīng)飽和，可以達(dá)到較高的污染物去除效果。農(nóng)村生活污水C/N較低，微生物的反硝化過(guò)程將會(huì)受到碳源不足的影響，試驗(yàn)用污水C/N約為2：1，低于理論飽和比例，需外加碳源，提高C/N，促進(jìn)反硝化效率?？刂艭/N條件為5：1、10：1、15：1，碳源添加位置為缺氧段及反硝化濾池。

1.3.4 深度處理

現(xiàn)有A/O工藝運(yùn)行良好，設(shè)備出水滿足《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。為完成各污染物出水提標(biāo)，經(jīng)綜合考慮，采用“反硝化濾池+混凝沉淀+纖維過(guò)濾”進(jìn)行污水的深度處理。反硝化濾池采用污水下進(jìn)上出模式設(shè)計(jì)，設(shè)水洗、氣洗反洗方式，以火山巖作為反硝化菌載體，同時(shí)外加碳源提高反硝化效率，以去除硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮?；炷恋硌b置通過(guò)添加PAC作為混凝劑，在混凝劑的作用下，污水中的膠體和細(xì)微懸浮物凝聚成絮凝體，分離去除。PAC采用濕法添加，配置濃度為5%的溶液，添加量控制為10～30 g/m3。

纖維過(guò)濾器采用彗星式纖維濾料，一端為彗尾結(jié)構(gòu)松散，一端為彗核結(jié)構(gòu)緊密。濾床橫斷面空隙率均勻，縱斷面由上到下逐漸減小，有利于懸浮物分離，進(jìn)水方式為上進(jìn)下出，設(shè)水洗、氣洗反洗方式，過(guò)濾精度≥5 ?m，過(guò)濾速度30～65 m/h，

對(duì)混凝沉淀后的廢水進(jìn)行物理層面過(guò)濾，去除水中剩余的雜質(zhì)，保證出水水質(zhì)。混凝沉淀裝置、纖維過(guò)濾器前端設(shè)置容積為5 m3的（1#、2#）污水緩存罐，用以保證處理工藝的連續(xù)運(yùn)行。

整體工藝設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 運(yùn)行參數(shù)、回流比調(diào)整

影響A/O系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)主要有水溫、pH、DO、HRT、SRT等，試驗(yàn)期間水溫范圍為13～26℃，進(jìn)水pH 6～8，均適于A/O系統(tǒng)正常運(yùn)行，可不進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)前期試驗(yàn)結(jié)果，控制運(yùn)行條件為：缺氧區(qū)DO 0.2～0.5 mg/L；好氧區(qū)DO 1.5～2.5 mg/L；HRT 24 h；SRT15 d；進(jìn)水：內(nèi)回流：外回流=1：1：2.5。

2.2 反硝化濾池啟動(dòng)

試驗(yàn)用反硝化濾池采用自然掛膜啟動(dòng)方式，根據(jù)出水COD、NH3-N、TN數(shù)值確定是否啟動(dòng)。反硝化濾池啟動(dòng)階段大體可分為三個(gè)階段，不可逆附著期、潛伏期和對(duì)數(shù)增長(zhǎng)期[14]。第一階段，微生物隨污水進(jìn)入系統(tǒng)附著在基質(zhì)（火山巖）表面，逐漸積累遞增，COD、NH3-N、TN去除率變化為15%、9%、10%。第二階段，微生物進(jìn)一步增加，進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期，活性增加，污染物去除率出現(xiàn)明顯上升，COD、NH3-N、TN去除率提升為47%、21%、20%。第三階段，微生物進(jìn)入高原期，不再出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)，維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，新陳代謝形成良性循壞，COD、NH3-N、TN去除率基本穩(wěn)定為45%、23%、20%。

2.3 污染物去除效果分析

試驗(yàn)大致分為三個(gè)階段，第一階段（2021.4—5月）、第二階段（2021.6—7月）、第三階段（2021.8—9月），分別控制C/N為5：1、10：1、15：1。

2.3.1 TN去除效果分析

進(jìn)水TN波動(dòng)范圍為31.8～49.3 mg/L，平均值為40.3 mg/L，出水均值為5.8 mg/L，平均去除率86%。 第一階段，C/N=5：1，TN去除率為77%，出水濃度均值為10.7 mg/L；第二階段，C/N=10：1，TN去除率為90%，出水濃度均值為3.7 mg/L；第三階段，C/N=15：1，TN去除率為92%，出水濃度均值為3.0 mg/L?？梢钥闯鲭SC/N升高，TN去除效果總體呈上升趨勢(shì)。在缺氧段添加碳源后，有利于在無(wú)氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽（NO3-）作為電子受體完成呼吸作用，將其還原成N2，TN去除率得到有效提升。

2.3.2 TP去除效果分析

由圖2可知，進(jìn)水TP波動(dòng)較小，范圍為2.30～3.82 mg/L，平均值為3.18 mg/L，出水均值為0.11 mg/L，平均去除率97%。隨試驗(yàn)進(jìn)行，TP進(jìn)、出水均呈下降趨勢(shì)，去除率穩(wěn)定。據(jù)報(bào)道，生活污水的TP主要包含磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機(jī)磷，含量一般在10～15 mg/L，試驗(yàn)進(jìn)水TP較常見(jiàn)水平濃度較低。試驗(yàn)中A/O生物處理工藝通過(guò)聚磷菌的厭氧釋磷、好氧吸磷作用能將其轉(zhuǎn)化為細(xì)胞體內(nèi)的聚合磷酸鹽，形成沉淀污泥，同時(shí)在后續(xù)深度處理工藝中設(shè)置混凝沉淀裝置，采用濕法投加方式添加PAC，使水中磷酸根離子生成難溶性鹽，與水分離后沉淀。經(jīng)組合工藝處理，試驗(yàn)各階段，均能高效降低污水中的TP含量。

2.3.3 COD去除效果分析

試驗(yàn)期間，進(jìn)水COD一直呈波動(dòng)狀態(tài)，范圍為77～117 mg/L，平均值為102 mg/L，出水均值為22 mg/L，平均去除率94%。進(jìn)水COD總體呈上升趨勢(shì)，出水濃度值相對(duì)平穩(wěn)。試驗(yàn)各階段，因碳源添加量不同，COD濃度各月波動(dòng)較大，缺氧段添加碳源后根據(jù)處理水量核算COD理論值范圍為252～594 mg/L。大波動(dòng)范圍下COD去除率始終保證相對(duì)平穩(wěn)，說(shuō)明組合處理工藝具有穩(wěn)定、高效的COD去除效果、較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

2.3.4 NH3-N去除效果分析

進(jìn)水NH3-N波動(dòng)范圍為21.6～40.1 mg/L，平均值為27.3 mg/L，出水均值為0.4 mg/L，平均去除率99%。試驗(yàn)期間 NH3-N進(jìn)水濃度有所波動(dòng)，去除效果保持穩(wěn)定，并未隨C/N調(diào)整發(fā)生變化，說(shuō)明A/O工藝段硝化反應(yīng)始終保持高效穩(wěn)定運(yùn)行，能夠及時(shí)將NH3-N轉(zhuǎn)化為NO3-、NO2-。

2.4 各工藝段處理效率分析

C/N=10：1階段，“A/O/反硝化濾池/混凝沉淀/纖維過(guò)濾”組合處理技術(shù)各工藝段處理效率見(jiàn)表2。

由表可知，A/O段對(duì)各項(xiàng)污染物去除效果較好，COD、NH3-N、TP、TN去除率均在85%以上，可見(jiàn)厭氧段外加碳源提升C/N后，硝化液回流至厭氧段反硝化作用強(qiáng)烈，TN去除效果明顯，整體出水優(yōu)于《GB 18918-2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)A/O段處理后污水進(jìn)入反硝化濾池，通過(guò)外加碳源提升反硝化菌活性，此段出水長(zhǎng)期穩(wěn)定，可以看出反硝化段沒(méi)有出現(xiàn)COD殘留及NO2-積累問(wèn)題，此環(huán)節(jié)TN出水2.5 mg/L，去除率均值達(dá)40%，反硝化效率較高；混凝沉淀、纖維過(guò)濾對(duì)于各項(xiàng)污染均有一定的去除效果，物化結(jié)合深度處理手段有效提升了出水水質(zhì)。綜上，組合處理技術(shù)能有效保證主要污染物的去除，適宜的碳氮比保證了反硝化的高效率，COD、NH3-N、TP、TN去除率分別為95%、99%、97%、94%，TP、TN去除效果明顯提升。

3 總結(jié)

采用好氧/缺氧（A/O）/反硝化/混凝沉淀/纖維過(guò)濾組合工藝處理低C/N農(nóng)村生活污水，通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)、強(qiáng)化A/O系統(tǒng)內(nèi)外回流、增設(shè)外加碳源等方式，實(shí)現(xiàn)了低C/N城鎮(zhèn)生活污水的深度處理，出水水質(zhì)達(dá)到“準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)水”標(biāo)準(zhǔn)。此試驗(yàn)對(duì)低C/N農(nóng)村生活污水的深度處理研究具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張鶴清， 朱帥， 吳振軍， 等. 城鎮(zhèn)污水處理廠“準(zhǔn)Ⅳ類(lèi)”標(biāo)準(zhǔn)提標(biāo)改造技術(shù)簡(jiǎn)析[J]. 環(huán)境工程， 2019（6）.

[2] 陳文華， 潘超群， 厲雄峰， 等. MABR技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理上的應(yīng)用[J]. 水處理技術(shù)， 2019， 45（5）：126-128.

[3] 陳江杰， 賀雷蕾， 劉銳， 等. A2O設(shè)施處理長(zhǎng)三角平原地區(qū)農(nóng)村生活污水的效果[J]. 中國(guó)給水排水， 2020， 36 （9）：83-90.

[4] 王剛， 劉春梅， 趙雪蓮， 等. 缺氧接觸氧化/生物轉(zhuǎn)盤(pán)組合工藝處理農(nóng)村生活污水[J]. 中國(guó)給水排水， 2019， 35 （19）：107-112.

[5] 趙以國(guó)， 張靖雨， 汪邦穩(wěn)， 等. 農(nóng)村生活污水生態(tài)綜合治理技術(shù)現(xiàn)狀與研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境科技， 2020， 33; （4）：78-82.

[6] Guanlong， Haiyuan， Peng， et al. Enhanced nitrogen removal of low C/N wastewater in constructed wetlands with co-immobilizing solid carbon source and denitrifying bacteria.[J]. Bioresource technology， 2019.

[7] Zhang S， Huang Z， Lu S， et al. Nutrients removal and bacterial community structure for low C/N municipal wastewater using a modified anaerobic/anoxic/oxic （mA2/O） process in North China[J]. Bioresource Technology， 2017（243）：975.

[8] 傅木星.生物轉(zhuǎn)盤(pán)處理低C/N城鎮(zhèn)污水的脫氮工藝研究[J].中國(guó)資源綜合利用， 2022， 40（5）：1-3.

[9] 馮寧. 改進(jìn)倒置A2/O-MBR脫氮除磷性能及處理低C/N生活污水研究[D].沈陽(yáng)建筑大學(xué)， 2019.DOI：10.27809/d.cnki.gsjgc.2019.000176.

[10] 焦耀亮. 改良內(nèi)循環(huán)式多級(jí)A/O工藝處理生活污水的試驗(yàn)研究[D]. 鄭州：鄭州大學(xué).

[11] C P Leslie Grady Jr， Glen T Daigger， Henry C Lim. 張錫輝， 劉勇弟， 譯.廢水生物處理（2 版）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2003.

[12] de Wet F J， Barnard J L， Saayman G， et al. Baviaanspoort Wastewater Reclamation PlantWater[J]. Sci Technol， 1992， 25（4-5）： 169-176.

[13] Didem Güven. Effects of Different Carbon Sources on Denitrification Efficiency Associated with Culture Adaptation and C/N Ratio [J]. CLEAN-Soil， Air， Water， 2010， 37（8）： 565-573.

[14] 于淼， 馬國(guó)勝. 曝氣生物濾池-后置反硝化處理農(nóng)村低C/N污水[J]. 水處理技術(shù)， 2018（9）：32-35.

Abstract： A combined treatment technology was used to filter and treat low carbon/nitrogen （C/N） rural domestic wastewater， which consisted of a combination of aerobic/anoxic （A/O）/denitrification/coagulation and sedimentation/fibre. In addition， improved operating parameters， enhanced sludge reflux and the addition of an additional carbon source were used with a view to achieving deeper treatment of low C/N rural domestic wastewater. The results showed that when the control conditions that dissolved oxygen concentration in the aerobic zone was 1.5～2.5 mg/L， dissolved oxygen concentration in the anoxic zone was 0.2～0.5 mg/L， C/N was 10：1， the ratio of influent and external return and internal return was 1：1：2.5， the discharge water had a chemical oxygen demand （COD） concentration of approximately 13 mg/L， ammonia nitrogen （NH3-N） concentration of approximately 0.4 mg/L， the treatment efficiency of TP was 97%， TN was 94%， COD was 97% and NH3-N was 99%， and the discharge water reached the requirements of "quasi-IV water". It was further proved that under this control condition， the deep and efficient treatment of rural domestic wastewater would be achieved.

Key words： rural domestic sewage; low carbon/nitrogen; denitrification filter; coagulation sedimentation