AO與后置生物濾池工藝在村鎮(zhèn)污水處理中的應(yīng)用

李 媛，孫 捷，張永來(lái)，孫明恩，程素斌

(1. 蘇州首創(chuàng)嘉凈環(huán)保科技股份有限公司，江蘇蘇州 215126； 2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；3. 江蘇省蘇州環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇蘇州 215126； 4. 江蘇佳信檢測(cè)技術(shù)有限公司，江蘇蘇州 215126)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)有4萬(wàn)多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，60多萬(wàn)個(gè)行政村和272.98萬(wàn)個(gè)自然村，僅有19.4%的鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水被集中處理，96%的村莊沒(méi)有污水收集和處理系統(tǒng)。大量未經(jīng)處理的生活污水直接排入水體，導(dǎo)致河流、湖泊、地下水等水質(zhì)顯著下降，造成村鎮(zhèn)生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化[1]。因此，在農(nóng)村推廣生活污水處理設(shè)備尤為重要，對(duì)改善村鎮(zhèn)水環(huán)境、居民生活環(huán)境具有重大意義[2]。

村鎮(zhèn)生活污水常見(jiàn)的處理模式有一體化污水處理設(shè)備、人工濕地污水處理系統(tǒng)和土壤滲濾污水處理系統(tǒng)[3-7]。其中，一體化污水處理設(shè)備是目前國(guó)內(nèi)村鎮(zhèn)污水處理應(yīng)用較多的一種處理模式。然而，由于村鎮(zhèn)居民居住分散、污水水質(zhì)水量波動(dòng)大、季節(jié)性差異較大等原因[8]，一體化污水處理設(shè)備出水難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

針對(duì)此現(xiàn)象，在蘇南某農(nóng)村選取3臺(tái)一體化生活污水處理設(shè)備(10 t/d)進(jìn)行水質(zhì)跟蹤，并做相應(yīng)提升改造，旨在為村鎮(zhèn)一體化生活污水處理設(shè)備的有效應(yīng)用提供技術(shù)支撐。生態(tài)濾池有效提升了一體化生活污水處理站區(qū)出水水質(zhì)，進(jìn)一步將此技術(shù)應(yīng)用到200 t/d生活污水處理站區(qū)，并對(duì)運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行核算。

1 材料與方法

1.1 一體化生活污水處理設(shè)備工藝流程

一體化生活污水處理設(shè)備工藝流程如圖1所示，原水經(jīng)土建調(diào)節(jié)池調(diào)節(jié)水質(zhì)水量后，通過(guò)提升泵提升進(jìn)入設(shè)備中。設(shè)備采用AO工藝，先缺氧后好氧，在缺氧區(qū)設(shè)鮑爾環(huán)填料，利用缺氧填料上附著生長(zhǎng)的微生物，初步去除污水中可生化降解的污染物，同時(shí)，充分利用原水中的有機(jī)物作為反硝化的碳源，對(duì)好氧區(qū)回流的硝化液進(jìn)行反硝化脫氮。缺氧區(qū)水力停留時(shí)間(HRT)為8 h，采用鮑爾環(huán)填料，填充比為40%，硝化液回流比可通過(guò)閥門(mén)進(jìn)行控制，為2Q～4Q(Q為進(jìn)水流量)。

圖1 一體化生活污水處理設(shè)備流程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Integrated Domestic Sewage Treatment Plant

好氧區(qū)投放生物填料，在曝氣攪動(dòng)下，生物填料呈流化狀態(tài)，在水中上下波動(dòng)并切割氣泡，延長(zhǎng)氣泡在水中的停留時(shí)間。在與污水和氣泡充分接觸過(guò)程中，填料上附著生長(zhǎng)一層微生物，形成穩(wěn)定的生物膜，從而大量降解水中的有機(jī)物，并將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。同時(shí)，在好氧區(qū)設(shè)氣提泵，將好氧硝化液定量回流到缺氧調(diào)節(jié)區(qū)，使硝化液在缺氧區(qū)發(fā)生反硝化反應(yīng)去除水中的TN。好氧區(qū)HRT為15 h，采用PE填料，填充比為40%，該區(qū)DO控制在4 mg/L以上。

經(jīng)過(guò)好氧區(qū)處理后，進(jìn)入沉淀區(qū)沉淀水中的懸浮物，沉積在底部的污泥通過(guò)氣提泵定期氣提，回流到缺氧調(diào)節(jié)區(qū)或土建調(diào)節(jié)池中，沉淀池HRT為3.3 h。

對(duì)于村鎮(zhèn)生活污水處理設(shè)備，由于站區(qū)分布分散，為減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)間及保證出水TP穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，多采用加藥除磷方式。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)情況及檢測(cè)方法

各站區(qū)進(jìn)水情況如表1所示。

表1 各站區(qū)進(jìn)水情況Tab.1 Influent Water Quality of Each Station

主要檢測(cè)指標(biāo)為COD、氨氮、TN、pH、DO，均采用國(guó)標(biāo)法檢測(cè)。

1.3 水質(zhì)提升改造措施

對(duì)集中式生活污水一體化站區(qū)水質(zhì)進(jìn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)出水COD、氨氮、TN仍難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，因此，于2019年4月起，采用如下措施對(duì)出水水質(zhì)進(jìn)行提升。并于2019年11月起，對(duì)冬季條件下改造后的集中式生活污水站區(qū)處理情況進(jìn)行跟蹤對(duì)比。

圖2為改造后的站區(qū)外觀圖。原有的一體化污水處理設(shè)備為地埋式，僅電控柜放置在地面上，站區(qū)水質(zhì)改造加裝過(guò)濾裝置置于地面，有利于利用光照,保證水生植物的生長(zhǎng)及TN去除。主要改造措施如下。

圖2 站區(qū)外觀Fig.2 Appearance of Integrated Domestic Sewage Treatment Station

(1)原設(shè)備缺氧池布置9個(gè)點(diǎn)穿孔曝氣，DO控制在0.5 mg/L以下，主要目的為攪動(dòng)隔板底部污泥，保證缺氧段反硝化完成。

(2)沉淀池底部設(shè)置微孔曝氣，DO控制在1 mg/L以下，以不攪動(dòng)中上部污水為主，主要目的為改善沉淀池底部污泥特性，防止污泥反硝化上浮，影響出水水質(zhì)。

(3)后置濾池采用組裝形式，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)情況，設(shè)置2～3組，其中1～2組出水至站區(qū)好氧區(qū)，用于延長(zhǎng)好氧區(qū)HRT，保證COD及氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，1組用于站區(qū)出水池。濾池與好氧池容積比為1∶3，對(duì)于10 t/d站區(qū)，HRT延長(zhǎng)約5 h。此處濾池容積的選擇可與相應(yīng)的進(jìn)水水質(zhì)對(duì)應(yīng)。

(4)濾池進(jìn)水為沉淀池中上部清水，采用小型水泵間歇或連續(xù)運(yùn)行。

(5)加自培混合菌種及光合細(xì)菌，加快及維持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

(6)濾池上方種植水生植物及小球藻等藻種，試驗(yàn)階段選取水生植物為水芙蓉及銅錢(qián)草，用于促進(jìn)TN去除。

2 結(jié)果與討論

2.1 水質(zhì)指標(biāo)變化情況

2.1.1 CODCr

由圖3可知，站區(qū)進(jìn)水濃度波動(dòng)較大，給一體化生活污水處理設(shè)備的耐沖擊負(fù)荷能力帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。A站區(qū)進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度高達(dá)614 mg/L左右，且總體進(jìn)水濃度高于其他站區(qū)，這是由于該站區(qū)進(jìn)水納入公廁污水。因此，該站區(qū)在改造前處理能力較差，出水CODCr質(zhì)量濃度在100 mg/L以上。經(jīng)過(guò)改造，該站區(qū)出水水質(zhì)得到顯著提升，在進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度為389 mg/L時(shí)，出水CODCr質(zhì)量濃度可降至51 mg/L，去除率為86.9%。當(dāng)進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度低于300 mg/L時(shí)，出水COD達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污水排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 CODCr去除變化Fig.3 Changes of CODCr Removal during Operation

B站區(qū)改造前，CODCr平均去除率約為58%，改造后，COD平均去除率提高至77.7%。后置濾池的增加，使出水穩(wěn)定性得到顯著提高，從7月開(kāi)始，出水CODCr質(zhì)量濃度保持在35 mg/L以下，且出水清亮。

由圖3可知，C站區(qū)整體進(jìn)水濃度較低，改造前進(jìn)水COD雖有部分去除，但出水COD仍較高。改造后，該站區(qū)平均COD去除率為78.5%，在進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度低于203 mg/L時(shí)，出水CODCr質(zhì)量濃度均在20 mg/L以下，出水水質(zhì)得到顯著提升。

需要說(shuō)明的是，改造措施中，攪動(dòng)缺氧池底部污泥，保證反硝化作用的實(shí)現(xiàn)，亦對(duì)COD去除起了不可忽視的作用。改造前，缺氧區(qū)底部污泥沉積，尚未有效發(fā)揮作用，也導(dǎo)致設(shè)備容積有效利用率較低，污染物去除效果較差。

為考察生態(tài)濾床冬季處理效果，2019年11月起對(duì)該站區(qū)運(yùn)行效果持續(xù)跟蹤。由圖3可知，3個(gè)站區(qū)在冬季仍有較好的去除率，COD平均去除率分別為79.98%、83.08%、77.24%。分析原因認(rèn)為，一是站區(qū)前端為地埋設(shè)備，水溫約為15 ℃，提升至后置生態(tài)濾床中，微生物依然具有活性；二是所選生態(tài)植物在冬季仍具有較好的生存能力；三是冬季在生態(tài)濾床中添加低溫藻種，保證及促進(jìn)TN的有效去除。

2.1.2 氨氮

從圖4可知，由于公廁污水的進(jìn)入，A站區(qū)進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度高達(dá)268 mg/L，雖然如此，后置濾池增加了硝化能力，使出水氨氮質(zhì)量濃度降至13 mg/L，去除率高達(dá)94.9%。改造后，在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度為100 mg/L以上時(shí)，出水氨氮質(zhì)量濃度在10～12 mg/L；在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度低于100 mg/L時(shí)，出水氨氮質(zhì)量濃度均在9.7 mg/L以下；氨氮平均去除率為91.0%。

圖4 氨氮去除變化Fig.4 Changes of Ammonia Nitrogen Removal during Operation

改造前，B、C站區(qū)對(duì)氨氮去除率均較差，而改造后，氨氮去除率得到顯著提升。B站區(qū)氨氮平均去除率提升至88.8%，出水氨氮質(zhì)量濃度均在8 mg/L以下。C站區(qū)氨氮平均去除率提升至97.3%，在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度低于30 mg/L時(shí)，出水氨氮質(zhì)量濃度均在0.5 mg/L以下。

由圖3和圖4可知，在改造前，各站區(qū)氨氮去除率較低，改造后COD得到去除，氨氮的降解變得可行。一方面表明COD與氨氮的降解呈順序相關(guān)，即只有COD較低時(shí)，硝化作用才會(huì)發(fā)生，這也與硝化菌世代期較長(zhǎng)有關(guān)；另一方面表明原有設(shè)備的HRT不夠，僅夠碳化作用的發(fā)生，設(shè)備硝化不足。通過(guò)后置濾池的增設(shè)，不僅增加了站區(qū)總HRT，也使得氨氮在濾池里發(fā)生硝化反應(yīng)。

在冬季，由于前端設(shè)備為地埋式，一體化設(shè)備內(nèi)微生物活性依然較好，加之后端生態(tài)植物及低溫藻種的作用，氨氮的去除率相較于夏季較低，但仍在86.12%以上，且在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度低于50 mg/L時(shí)，出水氨氮質(zhì)量濃度低于8 mg/L，可穩(wěn)定達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污水排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3 TN

圖5為改造前后TN去除變化情況，改造前TN去除率不足10%，經(jīng)改造，系統(tǒng)在好氧區(qū)降低有機(jī)負(fù)荷，有利于硝化細(xì)菌將氨氮轉(zhuǎn)化硝酸鹽，再經(jīng)缺氧反硝化增強(qiáng)系統(tǒng)的脫氮效能[9]。經(jīng)改造，TN去除率得到大幅提高，3個(gè)站區(qū)TN平均去除率分別為67.1%、47.6%和50.8%。在反硝化的同時(shí)，COD去除率也得到了提高(圖3)。值得注意的是，南方地區(qū)5月—9月適宜的溫度及光照條件，使濾池上方水生植物及藻類(lèi)對(duì)TN去除起到了很大的促進(jìn)作用。在冬季，由于生態(tài)植物及低溫藻種的作用，3個(gè)站區(qū)的TN依然具有較好的去除效果。

圖5 TN去除變化Fig.5 Changes of TN Removal during Operation

綜合來(lái)看，由于改造后系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耐沖擊性增強(qiáng)，在冬季，雖然各污染物的處理效率較夏季稍有降低，但降幅較小，且出水?dāng)?shù)據(jù)穩(wěn)定，遠(yuǎn)高于未改造時(shí)出水情況。表明即使在溫度低的情況下，改造措施與后置生態(tài)濾池的配合可以達(dá)到水質(zhì)提升的效果，體現(xiàn)了該工藝的可行性。

2.1.4 濾池及運(yùn)營(yíng)維護(hù)情況

由于村鎮(zhèn)生活污水處理站區(qū)分散，對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)提出較高的要求。采取上述改造措施后：(1)缺氧池底部污泥攪動(dòng)提高了缺氧池利用效率，沉淀池底部微曝氣亦有效改善了浮泥現(xiàn)象，同時(shí)，有利于污泥回流至缺氧池進(jìn)行反硝化，上述措施均對(duì)站區(qū)TN去除起了很大作用；(2)后置濾池的設(shè)置大大強(qiáng)化了設(shè)備的硝化能力，實(shí)現(xiàn)了硝化菌與碳化菌的分離，完全硝化后的硝化液回流至缺氧池，加之完全混合的泥水狀態(tài)，保證了TN有效去除；(3)后置濾池頂部利用光照，培養(yǎng)銅錢(qián)草、光合細(xì)菌等，進(jìn)一步為T(mén)N穩(wěn)定去除提供保障；(4)該后置濾池與常規(guī)生活污水廠反硝化濾池的不同之處在于上部植物的設(shè)置，其根莖可有效吸附沉淀池帶來(lái)的懸浮物，一方面起生物膜作用，另一方面可凈化水質(zhì)，延緩濾池反沖洗維護(hù)時(shí)間，根據(jù)原水水質(zhì)情況，該濾池反沖洗時(shí)間為3～4周。

2.2 200 t/d一體化污水處理設(shè)備水質(zhì)提升效果

根據(jù)前期良好的污染物去除效果,為進(jìn)一步驗(yàn)證改造模式的可實(shí)施性，于2019年8月起，將該改造模式應(yīng)用至200 t/d站區(qū)。該站區(qū)位于江蘇省蘇北某縣，采用小型人工濕地(占地約50 m2)模式，淺灘區(qū)種植粉綠狐尾藻或其他水生植物，提升水質(zhì)的同時(shí)增強(qiáng)站區(qū)景觀效果。其次，考慮到大站區(qū)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用及成本問(wèn)題，采用兩種進(jìn)水模式進(jìn)行對(duì)比。

(1)模式Ⅰ：持續(xù)運(yùn)行(HRT=6 h)，濾池一直處于運(yùn)行狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)為處理效果好，出水水質(zhì)能夠達(dá)到一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；缺點(diǎn)為能耗大，不利于節(jié)能，好氧池處于半空狀態(tài)。

(2)模式Ⅱ：3次/d運(yùn)行(HRT=2.2 h)，根據(jù)村鎮(zhèn)居民普遍生活習(xí)慣，在高峰污水到達(dá)前提前將設(shè)備中的水抽入外接濾池。優(yōu)點(diǎn)為出水水質(zhì)能夠達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污水排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，與持續(xù)運(yùn)行模式相比，運(yùn)行成本降低60%以上，更好地耐受了農(nóng)村污水不穩(wěn)定進(jìn)水的沖擊。

2.2.1 水質(zhì)指標(biāo)

圖6為該站區(qū)穩(wěn)定運(yùn)行后，兩種模式下COD去除變化情況。與10 t/d站區(qū)相比，200 t/d站區(qū)進(jìn)水水質(zhì)較穩(wěn)定，且濃度較低，進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度在200 mg/L以下。由圖6可知，兩種模式下，站區(qū)出水CODCr質(zhì)量濃度均已達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污水排放一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，COD平均去除率分別為89.9%和88.9%。兩種模式下的氨氮平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為25 mg/L，平均去除率分別為91.7%和91.3%，模式Ⅰ氨氮去除率略高(圖7)。

圖6 兩種模式下CODCr去除變化Fig.6 Changes of CODCr Removal under Two Operation Modes

圖7 兩種運(yùn)行模式下氨氮去除變化Fig.7 Changes of Ammonia Nitrogen Removal under Two Operation Modes

由圖8可知，兩種模式下，該站區(qū)TN去除率分別為90.7%和89.9%，表明該站區(qū)反硝化效果很好，與COD、氨氮去除率較高相一致。此外，后接濕地中水生植物生長(zhǎng)對(duì)TN的去除亦有不可忽視的作用，濕地內(nèi)植物生長(zhǎng)情況如圖9所示。由圖9可知，濕地處理后出水清澈無(wú)味，且站區(qū)風(fēng)景宜人，景觀狀態(tài)良好。

圖8 兩種運(yùn)行模式下TN去除變化Fig.8 Changes of TN Removal under Two Operation Modes

圖9 濕地植物生長(zhǎng)情況Fig.9 Plant Growth Situation in Wetlands

2.2.2 運(yùn)行成本核算

模式Ⅰ后置濕地進(jìn)水泵采取連續(xù)運(yùn)行模式，即跟一體化設(shè)備進(jìn)水模式相匹配；模式Ⅱ后置濕地進(jìn)水泵開(kāi)啟與一體化設(shè)備進(jìn)水高峰期相一致，更好地緩解了進(jìn)水對(duì)一體化生活污水處理設(shè)備帶來(lái)的沖擊，并能快速對(duì)污染物進(jìn)行吸附降解，保證出水穩(wěn)定及達(dá)標(biāo)。

雖然模式Ⅰ各污染物指標(biāo)的去除率略高，然而該模式運(yùn)營(yíng)成本較高，如表2所示，此模式下用電為12.960 kW·h/d，模式Ⅱ用電為4.752 kW·h/d，節(jié)約用電達(dá)到63.33%，可節(jié)省用電成本8.208元/d。

表2 運(yùn)行成本核算Tab.2 Operating Cost

綜合來(lái)看，水質(zhì)提升改造后雖然建設(shè)成本約增加5%，運(yùn)行成本約增加2%，然而濕地的存在更好地適應(yīng)了進(jìn)水帶來(lái)的沖擊，保證站區(qū)運(yùn)行穩(wěn)定，使得站區(qū)檢修率下降80%，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率100%。對(duì)于一體化生活污水處理站區(qū)而言，該水質(zhì)提升方案簡(jiǎn)單、有效、可行。

3 結(jié)論

(1)相比于200 t/d站區(qū)，10 t/d站區(qū)進(jìn)水濃度波動(dòng)更大，需要一體化生活污水處理設(shè)備具有更強(qiáng)的耐負(fù)荷沖擊能力。

(2)在設(shè)備的缺氧區(qū)底部增設(shè)污泥攪動(dòng)并后置生物濾池，可顯著提高設(shè)備對(duì)TN的去除率。

(3)沉淀池底部污泥微供氧可有效改善污泥上浮問(wèn)題，降低后置濾池進(jìn)水水質(zhì)SS含量，減輕濾池壓力及反沖周期。

(4)后置濾池的增設(shè)，有效增加了站區(qū)總體HRT，在優(yōu)先保證COD去除的同時(shí)，強(qiáng)化了氨氮及TN的去除，改造站區(qū)出水水質(zhì)均可穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。在冬季，依賴于生態(tài)濾床及低溫藻種的作用，站區(qū)各水質(zhì)指標(biāo)仍可以穩(wěn)定去除。

(5)對(duì)于用地要求不嚴(yán)的地區(qū)，在一體化生活污水處理設(shè)施后端增設(shè)人工濕地可以有效提升水質(zhì)。雖然站區(qū)的建設(shè)成本和運(yùn)行成本分別增加5%和2%，但檢修率下降80%，水質(zhì)達(dá)標(biāo)率提高至100%。