MBR-CRI組合工藝在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用研究

呂銀河

(定邊縣環(huán)衛(wèi)園林所，陜西 榆林 718699)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)村地區(qū)的集中供水率不斷提高，農(nóng)戶的洗滌、沖廁、洗浴用水量和排水量不斷增加。與城市布局不同，農(nóng)村地區(qū)的人口分布較為分散，導(dǎo)致污水的處理存在較大困難，大量農(nóng)村生活污水沒(méi)有得到妥善的處理，便以直排方式進(jìn)入其他環(huán)境介質(zhì)，污染環(huán)境甚至造成潛在安全風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。探尋適合于農(nóng)村地區(qū)生活污水高效凈化的技術(shù)，對(duì)農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護(hù)而言具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

農(nóng)村分散式生活污水的處理方法較為多樣化，其中生物處理法多數(shù)是基于活性污泥法和生物膜法展開(kāi)的。丁毅等[3]為改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，以A2/O-MBR作為核心工藝處理農(nóng)村生活污水，結(jié)果表明，應(yīng)用該工藝可實(shí)現(xiàn)90%以上的有機(jī)物、懸浮物、NH4+-N去除，但是對(duì)TN和TP的去除效果相對(duì)差一些，去除率僅在75%左右。尤立等[4]針對(duì)農(nóng)村生活污水脫氮除磷效率低的問(wèn)題，構(gòu)建了UCT工藝并進(jìn)行改良后用于凈化某村落的實(shí)際污水，對(duì)NH4+-N的去除性能較優(yōu)異，去除率可達(dá)到94.5%，對(duì)TN的去除性能相對(duì)較劣，去除率僅為72%左右，但出水仍能滿足排放限值，可為該類廢水處理提供有益的技術(shù)參考。武品等[5]為提高傳統(tǒng)A/O法的脫氮效能，將其與雙污泥體系聯(lián)合構(gòu)成改良型A/O工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)NH4+-N和COD等污染物的有效去除，且對(duì)沖擊負(fù)荷的耐受性較強(qiáng)。張克等[6]將微生物燃料電池技術(shù)應(yīng)用于處理農(nóng)村生活污水，COD去除率由87.67%升至96.19%，對(duì)TN和懸浮物的凈化性能也有所提升，但NH4+-N和TP的去除效能沒(méi)有得到顯著的增強(qiáng)。LI等[7]開(kāi)發(fā)了一種多土壤分層-地下廢水滲透集成系統(tǒng)(MSL-SWI)，用于高水力負(fù)荷率下的分散式生活污水處理，通過(guò)間歇運(yùn)行和分流分配廢水使得COD去除率達(dá)到93.41%，TP去除率達(dá)到97.91%，NH4+-N去除率達(dá)到74.02%，TN去除率達(dá)到73.56%。王皓等[8]探索了復(fù)合潛流人工濕地工藝在農(nóng)村生活污水污染物處理中的效果，結(jié)果表明該工藝可使COD去除率達(dá)到61.63%，NH4+-N去除率達(dá)到98.67%，TN去除率達(dá)到89.84%，TP去除率達(dá)到70.21%。然而，在實(shí)際應(yīng)用中活性污泥法操作起來(lái)較為復(fù)雜，運(yùn)行和管理成本也較高；生物膜法在運(yùn)行操作和維護(hù)管理上較為便捷，但是農(nóng)村生活污水通常具有碳源含量低的特點(diǎn)，致使污水中的氮、磷水質(zhì)指標(biāo)難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[9]。在選擇農(nóng)村生活污水處理工藝時(shí)，需充分考慮農(nóng)村地區(qū)污水分布、水質(zhì)水量的特點(diǎn)，而不宜照搬城市污水處理工藝[10]，研發(fā)占地面積少、處理效果好、運(yùn)行能耗低的處理工藝成為農(nóng)村污水處理領(lǐng)域未來(lái)的熱門(mén)方向。

本研究將膜生物反應(yīng)器(Membrane Bio-Reactor，MBR)和人工快滲系統(tǒng)(Constructed Rapid Infiltration，CRI)進(jìn)行組合，構(gòu)建MBR-CRI組合工藝應(yīng)用于農(nóng)村生活污水的處理，探究其對(duì)污水中有機(jī)物、氮、磷等主要污染物的去除性能，以期為農(nóng)村生活污水的高效低耗處理提供一條新途徑。

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)裝置

組合工藝的反應(yīng)裝置如圖1所示，由MBR池和CRI池組合而成。其中，MBR池的有效容積為100 L，內(nèi)部裝有好氧活性污泥，池外側(cè)下方設(shè)有排泥口，池底部設(shè)有微孔氣泡盤(pán)，與池外的空氣泵連通，池內(nèi)設(shè)有中空纖維膜組件，膜組件的產(chǎn)水口通過(guò)管路與CRI池的進(jìn)水口相連通，連通的管路上設(shè)有產(chǎn)水泵和繼電器。CRI池位于MBR池的下方，從上往下依次設(shè)有釋碳區(qū)(高15 cm，內(nèi)填廢棄玉米芯，填充比為60%)、碎石區(qū)(高5 cm，內(nèi)填5～15 mm粒徑的碎石)、濾料區(qū)(高100 cm，內(nèi)填0.1～0.3 mm粒徑的河砂，已接種厭氧活性污泥)、陶粒區(qū)(高5 cm，內(nèi)填2～5 mm粒徑的陶粒)。CRI池的進(jìn)水口位于釋碳區(qū)的一側(cè)，出水口位于陶粒區(qū)的底部，出水統(tǒng)一收集到排水箱內(nèi)。

1.2 進(jìn)水條件

采用成都某農(nóng)戶化糞池的實(shí)際生活污水作為本反應(yīng)裝置的進(jìn)水，進(jìn)水中的COD質(zhì)量濃度為140.5～182.1 mg/L，BOD5質(zhì)量濃度為95.3～123.2 mg/L，NH4+-N質(zhì)量濃度為31.4～38.5 mg/L，TN質(zhì)量濃度為37.6～48.6 mg/L，TP質(zhì)量濃度為3.1～4.2 mg/L，pH為7.1～8.3，進(jìn)水前先濾去較大的懸浮和漂浮雜質(zhì)。

圖1 組合工藝裝置示意圖

1.3 運(yùn)行方案

設(shè)置日處理水量為200 L，通過(guò)不定期排泥使MBR池內(nèi)混合液懸浮固體濃度維持在3 500 mg/L左右，通過(guò)空氣泵和微孔氣泡盤(pán)向池內(nèi)供氧，保持溶解氧濃度在4 mg/L左右，采用繼電器控制抽水和停止抽水的時(shí)間比為8 min：2 min。穩(wěn)定運(yùn)行60 d，每3 d檢測(cè)1次出水水質(zhì)，運(yùn)行期間溫度為25℃左右。

1.4 分析方法

水質(zhì)指標(biāo)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)物去除效果

圖2為MBR-CRI組合工藝對(duì)農(nóng)村生活污水中COD的去除效果。由圖2可見(jiàn)，該組合工藝的出水COD質(zhì)量濃度的波動(dòng)不大，范圍為11.5～20.4 mg/L，平均值為15.6 mg/L，平均去除率已達(dá)90.6%。分析認(rèn)為，由于MBR池內(nèi)接種有好氧活性污泥，當(dāng)農(nóng)村生活污水進(jìn)入后，污水中的COD能被污泥絮體快速吸附捕獲，再被污泥中的異養(yǎng)微生物氧化分解，使其濃度下降。進(jìn)入CRI池后，污水中剩余的COD被濾料顆粒吸附，再被濾料表面附著生長(zhǎng)的生物膜上的缺氧或厭氧微生物轉(zhuǎn)化，使其濃度進(jìn)一步降低。

圖2 COD的去除效果

MBR-CRI組合工藝對(duì)農(nóng)村生活污水中BOD5的凈化效果見(jiàn)圖3。在進(jìn)水濃度均值為108.2 mg/L的情況下，經(jīng)過(guò)MBR-CRI組合工藝的處理后，BOD5的出水質(zhì)量濃度要低于COD，范圍為2.9～9.5 mg/L，出水濃度均值為5.9 mg/L，平均去除率高達(dá)94.5%。由此可見(jiàn)，MBR-CRI組合工藝對(duì)BOD5的去除效率優(yōu)于對(duì)COD的去除效率，這是因?yàn)槲鬯锌赡苓€含有部分不易生物降解的有機(jī)物，只能隨出水排出系統(tǒng)外，因而COD的平均去除率比BOD5的平均去除率要低3.9%。綜合來(lái)看，MBR-CRI組合工藝能實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水中有機(jī)物的高效去除，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中一級(jí)A標(biāo)對(duì)應(yīng)的COD、BOD5排放限值，即ρ(COD)<50 mg/L、ρ(BOD5)<10 mg/L。

圖3 BOD5的去除效果

2.2 脫氮效果

2.2.1 氨氮去除效果

污水中NH4+-N的去除情況如圖4所示。在穩(wěn)定運(yùn)行期間，出水NH4+-N濃度較低，波動(dòng)范圍僅為0.3～1.9 mg/L，去除率波動(dòng)范圍為94.5%～99.2%，NH4+-N的出水濃度均值為1.2 mg/L，去除率均值為96.7%?？梢钥闯?，MBR-CRI組合工藝有著較為優(yōu)異的NH4+-N去除效果，出水可以達(dá)到NH4+-N的排放限值，即ρ(NH4+-N)<5 mg/L，較低的NH4+-N濃度可以減緩水體富營(yíng)養(yǎng)化的發(fā)生進(jìn)程。

圖4 氨氮的去除效果

2.2.2 總氮去除效果

除NH4+-N外，污水中還可能存在其他形式的氮素污染物，考察MBR-CRI組合工藝對(duì)農(nóng)村生活污水中TN的去除性能顯得十分必要。圖5表示穩(wěn)定運(yùn)行期間對(duì)農(nóng)村生活污水中TN的去除情況，可以看出，雖然該工藝對(duì)NH4+-N去除效果明顯，但是對(duì)TN的去除并沒(méi)有達(dá)到同樣優(yōu)異的效果。出水TN的質(zhì)量濃度波動(dòng)范圍為4.3～8.9 mg/L，出水濃度均值為6.1 mg/L，比NH4+-N出水濃度均值上升了4.9 mg/L，而TN的去除率波動(dòng)范圍為81.5%～89.9%，去除率均值為85.8%，比NH4+-N去除率均值降低了10.9%。盡管如此，TN出水質(zhì)量濃度依然能滿足排放限值要求，即ρ(TN)<15 mg/L。

圖5 總氮的去除效果

2.2.3 脫氮原理分析

脫氮是農(nóng)村生活污水處理工藝的關(guān)鍵任務(wù)之一，本工藝獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)置，為高效脫氮?jiǎng)?chuàng)造了有利條件。在MBR池內(nèi)，污水中的NH4+-N首先被亞硝化菌所利用，通過(guò)該菌的亞硝化功能轉(zhuǎn)化成NO2--N，再進(jìn)一步被硝化菌所利用，通過(guò)該菌的硝化功能轉(zhuǎn)化成NO3--N，此時(shí)雖然NH4+-N被高效去除，但是TN去除率并未提高，因?yàn)樘幚硭泻写罅课幢贿€原的NO3--N或NO2--N。經(jīng)產(chǎn)水泵作用實(shí)現(xiàn)MBR池的泥水分離，分離出來(lái)的污水進(jìn)入釋碳區(qū)內(nèi)，污水與緩釋碳源材料充分接觸后，緩慢釋放出有機(jī)碳，為后續(xù)反硝化脫氮補(bǔ)充有機(jī)碳源。濾料區(qū)內(nèi)的濾料在填充前采用厭氧活性污泥進(jìn)行了接種掛膜，濾料表面形成了具有厭氧功能的生物膜，污水中的部分有機(jī)物被厭氧微生物進(jìn)一步分解，NO3--N、NO2--N則被反硝化菌所利用，通過(guò)該菌的反硝化功能協(xié)同有機(jī)碳源而被還原為以N2為代表的氣態(tài)氮脫除，原理示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 脫氮原理示意圖

值得一提的是，雖然農(nóng)村生活污水中含有一定量的有機(jī)物，但是經(jīng)過(guò)MBR池處理后，大部分有機(jī)物已經(jīng)被降解或轉(zhuǎn)化，而CRI池內(nèi)釋碳區(qū)的設(shè)置解決了反硝化階段碳源缺失的問(wèn)題，從而確保了硝化-反硝化脫氮流程的順利完成。釋碳區(qū)內(nèi)填充的是廢棄玉米芯，既充分利用了玉米芯具有緩慢釋放碳源的特性，又為廢棄玉米芯的資源化利用提供了一條新出路，符合農(nóng)村地區(qū)的實(shí)際情況。

圖7 總磷的去除效果

2.3 除磷效果

圖7反映了MBR-CRI組合工藝對(duì)農(nóng)村生活污水中TP的去除情況。經(jīng)MBR-CRI組合工藝處理后，TP的出水質(zhì)量濃度范圍為0.15～0.47 mg/L，濃度均值僅為0.36 mg/L，凈化效果較為理想；對(duì)TP的去除率范圍為86.1%～95.3%，去除率均值達(dá)到了90.2%，滿足TP排放要求，即ρ(TP)<0.5 mg/L。MBR-CRI組合工藝對(duì)TP的去除主要依靠?jī)蓷l途徑，第一條途徑是MBR池內(nèi)活性污泥及CRI池內(nèi)濾料的吸附去除，第二條途徑是MBR池內(nèi)活性污泥和CRI池內(nèi)生物膜中微生物的轉(zhuǎn)化去除。

3 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水的高效處理，構(gòu)建了基于MBR和CRI的組合工藝，研究了其對(duì)農(nóng)村生活污水中主要污染物的去除性能，得到如下結(jié)論：

(1)MBR-CRI組合工藝有著較高的除碳效果，經(jīng)處理后，COD、BOD5的平均出水質(zhì)量濃度分別為15.6 mg/L、5.9 mg/L，平均去除率分別達(dá)到90.6%、94.5%。

(2)在穩(wěn)定運(yùn)行期間，NH4+-N、TN的出水濃度均值分別為1.2 mg/L、6.1 mg/L，去除率均值分別達(dá)到了96.7%、85.8%，釋碳區(qū)的設(shè)置為T(mén)N的去除過(guò)程提供了充足的有機(jī)碳源。

(3)當(dāng)進(jìn)水TP濃度為3.1～4.2 mg/L時(shí)，經(jīng)MBR-CRI組合工藝處理后，出水TP質(zhì)量濃度范圍僅為0.15～0.47 mg/L，去除率均值可達(dá)到90.2%，其去除主要通過(guò)介質(zhì)吸附和生物轉(zhuǎn)化。