李發(fā)站，高曉杰，張 南，申晨亮，劉曉鳳

(1.華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.中州水務(wù)控股有限公司，河南 鄭州 450046；3.華北水利水電大學(xué)圖書館，河南 鄭州 450046)

隨著農(nóng)村經(jīng)濟的飛速發(fā)展，村鎮(zhèn)居民生活水平得到不斷提高，同時也帶來了日益嚴(yán)重的水污染問題。我國目前已建的農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)普遍存在運行管理復(fù)雜、運行費用高昂、工程質(zhì)量參差不齊，最終導(dǎo)致系統(tǒng)停運等問題。本研究根據(jù)傳統(tǒng)水處理工藝，以A/O工藝為基礎(chǔ)、生物滴濾池為原型，提出一種A/O型拔風(fēng)跌水復(fù)氧過濾器(ERWDF)試驗裝置。該試驗裝置具有復(fù)氧及處理效果良好、運行穩(wěn)定、易管理等優(yōu)點，且整體系統(tǒng)運行耗能僅相當(dāng)于一臺小功率潛污泵，動力極微；同時，該試驗裝置可設(shè)備化生產(chǎn)、現(xiàn)場安裝，更能提升工程建設(shè)質(zhì)量。本試驗以河南省平輿縣韓莊村生活污水為處理對象，通過監(jiān)測試驗裝置進(jìn)出水的水質(zhì)，研究了ERWDF的復(fù)氧效果及其影響因素以及工藝系統(tǒng)的處理效果和最佳運行工況，以為今后農(nóng)村生活污水處理裝置的研發(fā)與優(yōu)化提供依據(jù)。

1 污染物去除機理

1.1 水解酸化菌群的降解作用

水解酸化菌為兼性厭氧菌，根據(jù)目前厭氧消化四階段理論，厭氧條件下水體中大分子有機污染物會被降解為小分子有機物，從而達(dá)到去除一部分污染物和提高廢水的可生化性的效果。

1.2 硝化細(xì)菌的硝化作用

硝化細(xì)菌為自養(yǎng)菌，其以無機碳為碳源。傳統(tǒng)A/O工藝中，好氧池內(nèi)硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌在有氧條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，其反應(yīng)式如下：

1.3 反硝化菌群的脫氮作用

反硝化細(xì)菌為異養(yǎng)菌，其以有機碳為碳源。傳統(tǒng)A/O工藝中，缺氧(厭氧)池內(nèi)的反硝化菌群利用水體中的有機碳源，并接受回流硝化液中的硝酸鹽氮進(jìn)行反硝化反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置與工藝流程

本試驗裝置包括水解調(diào)節(jié)池、拔風(fēng)跌水復(fù)氧過濾器(ERWDF)、沉淀池三部分，見圖1。其工藝流程為：污水經(jīng)格柵進(jìn)入前端半地下式水解調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)池內(nèi)懸掛組合填料，附著其上的微生物不僅能攔截、分解進(jìn)水大分子顆粒，還能依靠進(jìn)水碳源對回流液進(jìn)行反硝化作用；水解調(diào)節(jié)池末端的潛污泵將污水提升至ERWDF內(nèi)，經(jīng)布水渠、兩級跌水板逐級跌落后均勻布水至填料區(qū)進(jìn)行硝化處理，ERWDF頂部的通風(fēng)管對逐級跌落、細(xì)分的污水進(jìn)行連續(xù)拔風(fēng)復(fù)氧；出水在重力作用下流入沉淀池，上清液溢流至排水槽，槽內(nèi)設(shè)置可移動隔板控制調(diào)節(jié)混合液回流比，裝置設(shè)計處理能力為10 t/d。

圖1 試驗裝置工藝流程圖

本次試驗核心裝置——拔風(fēng)跌水復(fù)氧過濾器(ERWDF)剖面圖，見圖2。污水由進(jìn)水槽均勻分向4根

φ

100半圓形布水渠，逐級向下跌落至填料區(qū)進(jìn)行生物處理；ERWDF頂端設(shè)置

φ

150通風(fēng)管，高為500 mm，對逐級細(xì)化的水滴進(jìn)行連續(xù)拔風(fēng)復(fù)氧；布水渠、兩級跌水板、填料區(qū)之間的間距均為150 mm，濾料層高度為1 150 mm，從頂部至底部每間距300 mm設(shè)置1個取水口，共計3個取水口，以觀察內(nèi)部污水變化情況。

圖2 拔風(fēng)跌水復(fù)氧過濾器(ERWDF)剖面圖(單位：mm)

ERWDF內(nèi)與水流垂直設(shè)置兩級跌水板。兩級跌水板大樣圖如圖3所示。其中，跌水板一上等間距分布16條寬15 mm節(jié)點(縫隙)，跌水板二上等間距分布32條相同節(jié)點。污水自布水渠向下跌落至跌水板一上相鄰兩條節(jié)點的中間位置，再由跌水板一節(jié)點向下跌落至跌水板二上相鄰兩條節(jié)點的中間位置，通過濺水形成水滴四散并均勻布水。

圖3 兩級跌水板大樣圖(單位：mm)

2.2 原水水質(zhì)與試驗方法

試驗原水為河南省平輿縣韓莊村生活污水，水中有機物、氮、磷含量較高，可生化性較好。試驗階段的進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。

表1 試驗階段進(jìn)水水質(zhì)(mg·L-1)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗裝置對COD的去除效果

試驗裝置對COD的去除效果見圖4，試驗裝置沿程各處理單元對COD的去除效果見圖5。

圖4 試驗裝置對COD的去除效果

圖5 試驗裝置沿程各處理單元對COD的去除效果

由圖4可見：試驗裝置穩(wěn)定運行期內(nèi)進(jìn)水中COD濃度的變化波動較大，其平均濃度為443 mg/L；出水中COD濃度較為穩(wěn)定，其平均濃度為78 mg/L；COD去除率最高為88.04%，最低為71.94%，其平均去除率為82.45%，表明該試驗裝置對COD具有較好的去除效果。

由圖5可見，試驗裝置穩(wěn)定運行期內(nèi)進(jìn)水中COD濃度為443 mg/L，水解調(diào)節(jié)池出水中COD濃度為212 mg/L，COD去除量為231 mg/L，其占整體COD去除總量的63.29%；排水槽出水中COD濃度為78 mg/L，COD去除量為134 mg/L，其占整體COD去除總量的36.71%。這表明COD的去除主要由水解調(diào)節(jié)池和ERWDF兩部分共同完成，且水解調(diào)節(jié)池COD的去除量大于ERWDF，其原因為：①調(diào)節(jié)池內(nèi)組合填料首先對進(jìn)水中大顆粒有機物進(jìn)行吸附，降低了COD濃度；②組合填料上附著的反硝化菌進(jìn)行反硝化反應(yīng)時需要消耗碳源；③回流管中回流液起到稀釋進(jìn)水的作用。

上述各處理單元對COD的去除效果情況表明，本次試驗水解調(diào)節(jié)池進(jìn)水負(fù)荷偏高。有研究表明當(dāng)進(jìn)水中C/N比值在4.7～5.6之間時，充足的有機物利于異養(yǎng)菌的生長，對有機物的降解效率高，調(diào)節(jié)池出水中COD濃度低；當(dāng)有機物濃度超過微生物所需時，未降解的有機物隨出水進(jìn)入ERWDF中，這就容易增強其內(nèi)異養(yǎng)菌和硝化菌對濾料表面空間和水中溶解氧的競爭，不利于ERWDF的硝化功能。因此，需對調(diào)節(jié)池進(jìn)行改進(jìn)，增大其水力停留時間或增加懸掛填料數(shù)量，提高調(diào)節(jié)池對COD的降解效率，以保證ERWDF的低COD濃度進(jìn)水。

3.2 試驗裝置對N-N的去除效果

圖6 試驗裝置對N-N的去除效果

3.3 試驗裝置對TN的去除效果以及各階段氮形態(tài)的變化

試驗裝置對TN的去除效果，見圖7。

圖7 試驗裝置對TN的去除效果

由圖7可見：試驗裝置穩(wěn)定運行期內(nèi)進(jìn)水中TN的濃度范圍在22.8～50.5 mg/L之間，其平均濃度為35.7 mg/L；出水中TN濃度保持在8.4～15.9 mg/L之間，其平均濃度為12.2 mg/L；TN去除率最高為79.10%，最低為32.02%，其平均去除率為65.68%，波動較大，這與進(jìn)水中C/N比的變化有關(guān)，這也說明該試驗裝置對TN有較好的去除效果，出水中TN的平均濃度能夠滿足河南省地方標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 41/1820—2019)中一級標(biāo)準(zhǔn)(TN<20 mg/L)的要求。

試驗裝置沿程各階段氮形態(tài)的變化，見圖8。

圖8 試驗裝置沿程各階段氮形態(tài)的變化

3.4 試驗裝置對TP的去除效果

試驗裝置對TP的去除效果，見圖9。

圖9 試驗裝置對TP的去除效果

由圖9可見：試驗裝置穩(wěn)定運行期內(nèi)進(jìn)水中TP濃度偏高，其范圍在6.31～11.70 mg/L之間，平均濃度為9.61 mg/L；出水中TP濃度在3.45～8.14 mg/L之間，其平均濃度為5.24 mg/L；TP去除率最高為64.52 %，最低時為26.03 %，其平均去除率為45.49 %，這說明該試驗裝置對TP的去除效果一般。

本次試驗裝置未設(shè)置厭氧池且無回流污泥，無法實現(xiàn)生物強化除磷，但仍然有部分磷被去除，分析原因有：①微生物通過新陳代謝作用消耗部分磷；②ERWDF內(nèi)濾料通過吸附作用去除部分磷；③調(diào)節(jié)池內(nèi)組合填料通過截留作用去除部分懸浮性磷。但TP的去除率隨著試驗裝置運行時間的延長而逐漸降低，主要是因為濾料對磷的截留和吸附能力逐漸飽和。

3.5 水力負(fù)荷對ERWDF復(fù)氧效果的影響

兩種水力負(fù)荷對ERWDF進(jìn)、出水中溶解氧(DO)的影響，見圖10。

圖10 兩種水力負(fù)荷對ERWDF進(jìn)出水中溶解氧的影響

由圖10可見：ERWDF內(nèi)水中DO濃度經(jīng)兩級跌水迅速增加，而在濾料層內(nèi)增加緩慢，這表明有大量的微生物生長附著在濾料表面使得其表面增厚，濾料之間的空隙減小，影響氣液接觸面積，導(dǎo)致氧轉(zhuǎn)移速率降低。當(dāng)水力負(fù)荷為3.89 m/(m·d)時，ERWDF進(jìn)水中DO濃度為2.4 mg/L，ERWDF出水中DO濃度為7.5 mg/L，DO濃度增量為5.1 mg/L；當(dāng)水力負(fù)荷為7.88 m/(m·d)時，ERWDF進(jìn)水中DO濃度為2.5 mg/L，ERWDF出水中DO濃度為6.9 mg/L，DO濃度增量為4.4 mg/L，且低水力負(fù)荷條件下各取水口水樣中DO濃度均高于高水力負(fù)荷條件。這是因為高水力負(fù)荷進(jìn)水流速較大，污水呈股狀由布水渠向下跌落，氣液接觸面積減小，且接觸時間縮短，而在低水力負(fù)荷時污水呈連續(xù)水滴狀跌落，更容易實現(xiàn)水滴四散、細(xì)化水流的效果。

3.6 水力負(fù)荷對N-N去除效果的影響

圖11 不同水力負(fù)荷對N-N去除效果的影響

3.7 回流比對脫氮效果的影響

試驗水溫為19～22℃，試驗裝置進(jìn)水中TN濃度在31.3～37.3 mg/L之間，水力負(fù)荷為3.67～3.84 m/(m·d)，考察不同回流比對TN去除效果的影響，其試驗結(jié)果見圖12。

圖12 不同回流比對TN去除效果的影響

由圖12可見，TN去除率隨著回流比的增大逐漸升高。當(dāng)回流比在100%～300%之間時，TN去除率的波動變化較大；當(dāng)回流比在300%～400%之間時，TN去除率的波動變化較小。這是因為回流比較小時回流液所攜帶的硝態(tài)氮含量較低，調(diào)節(jié)池內(nèi)反硝化菌未能充分利用硝態(tài)氮完成反硝化反應(yīng)。當(dāng)回流比從300%增大至400%時,TN去除率僅升高了2.1%，且回流比越大消耗的動力越多，因此本次試驗裝置回流比宜保持在300%。

3.8 試驗裝置經(jīng)濟性分析

目前，農(nóng)村污水處理工藝高能耗問題仍是限制其發(fā)揮正常作用的因素之一，為了保證節(jié)約能源與可持續(xù)發(fā)展，對農(nóng)村污水處理設(shè)備和裝置進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化研究勢在必行。

本次試驗裝置水解調(diào)節(jié)池末端設(shè)置了兩臺潛污泵，流量為1.5 m/h，揚程為13 m，一用一備。整體工藝系統(tǒng)運行期間能耗僅為一臺水泵，單臺水泵功率為260 W，平輿縣韓莊村電費以0.51元/度計，則噸水處理費用約為0.34元/t。經(jīng)驗證該試驗裝置處理成本低于常規(guī)農(nóng)村污水處理裝置，達(dá)到二級排放標(biāo)準(zhǔn)成本(0.6～0.9元/t)。

4 結(jié) 論

(1) ERWDF內(nèi)設(shè)置兩級跌水板，可將水流一股分為兩股再分為四股，在實現(xiàn)均勻布水的同時不斷細(xì)化污水。ERWDF頂部安裝通風(fēng)管，可對細(xì)化的水流連續(xù)拔風(fēng)復(fù)氧，滿足生物處理過程中微生物對氧氣的需求，省去了傳統(tǒng)鼓風(fēng)機房和曝氣管道系統(tǒng)，降低了建設(shè)成本和能耗。

(3) 試驗結(jié)果表明：本次試驗裝置水力負(fù)荷宜保持在3.00～5.00 m/(m·d)之間，回流比宜保持在300%，整體工藝系統(tǒng)運行能耗僅為一臺小功率潛污泵，噸水處理費用約為0.34元/t。調(diào)節(jié)池和ERWDF均為生物膜工藝，無需污泥回流，省去專人值守，操作和管理方便。

(4) 由于本次試驗期間溫度變化不大，不能更好地驗證溫度對ERWDF復(fù)氧效果和工藝系統(tǒng)處理效率的影響，因此有必要在低溫條件下對試驗裝置進(jìn)行優(yōu)化研究。此外，本次試驗裝置未設(shè)置厭氧池且無回流污泥，其除磷效果一般，今后需進(jìn)一步加強對農(nóng)村污水中磷去除技術(shù)研究。