刘旭东1 姜 凤1 冯 欣2 郭烂林1
(1.沈阳建筑大学 市政与环境工程学院，沈阳 110168； 2.辽宁省环境科学研究院，沈阳 110000)
摘要：依据我国村镇污水处理的技术要求及村镇污水水质、水量特点，提出了一种新型一体化装置。该装置采用活性污泥法与厌氧/缺氧相结合，并运用一体化的设计理念，集好氧、缺氧、厌氧于同一反应池。通过模拟村镇污水的运行，研究了新型一体化装置曝气/搅拌交替运行的最佳条件。结果表明：在水力停留时间为6 h，当曝气/搅拌交替运行的循环周期和时间比例分别为120 min和40∶80条件下，装置能同时实现对COD、TN、TP的去除，COD、TN、TP的平均去除率分别为86.1%、84.3%、77.4%，且出水水质保持稳定，出水COD、TN达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准，出水TP达到一级B标准。
关键词：村镇污水；新型一体化装置；曝气/搅拌交替运行
近年来，国家大力发展村镇经济，农民生活质量不断提升，村镇生产生活污水排放量也呈逐年上升趋势。然而，由于大部分村镇几乎不存在污水处理设施，污水直接排入水体或相关流域，严重污染了土壤和地下水，同时对周围气体环境造成不良影响，导致潜在的疾病传播。相关数据显示：2012年我国城市污水的处理率为82%，县城为60%，而建制镇为20%，农村仅为7%；90%以上小城镇的水体受到不同程度的污染，78%的城镇河段不宜做饮用水，50%的城镇地下水受到不同程度的污染[1]。村镇污水未经处理直接排放对环境造成的污染不容忽视。
相对于城市而言，村镇污水具有以下特点：1)管网收集系统不健全，粗放型排放，污水流量小，面广分散[2]；2)农村生活污水水质水量不稳定，受季节的影响，不同时段的水质不同，一般不含重金属和有毒有害物质，但含有较多的合成洗涤剂以及细菌、病毒、寄生虫卵等[3]；3)农村生活污水排放情况的调查结果显示，农村生活污水可生化性强[4-5]，ρ(SS)为100～500 mg/L；ρ(COD)为62～314 mg/L；ρ(NH3-N)为3.59～35.50 mg/L；ρ(TN)为13.26～46.9 mg/L；ρ(TP)为0.5～4.58 mg/L。
针对村镇污水的特点，本文研发了一种适用于村镇污水处理的新型一体化装置[6]。该装置采用连续流间歇曝气的运行方式，研究不同运行条件下对村镇污水的处理效果，为我国村镇污水处理提供新的解决途径。
1.1 试验用水与污泥
试验装置自2015年4月8日开始启动，经过30天完成装置的调试并成功启动。装置运行期间均采用实验室配制的模拟村镇生活污水，配方见表1，进水水质见表2。
表1 模拟生活污水配方
Table 1 Formula of simulated domestic sewage mg/L
葡萄糖蛋白胨碳酸氢钠NaCl磷酸二氢钾氯化铵140140150501570
表2 进水水质
Table 2 Influent water quality mg/L(pH除外)
项目ρ(COD)ρ(BOD)ρ(TN)ρ(TP)pH范围200.1～290.1156～22835.6～443.24～4.877～8
试验污泥取自沈阳市某污水处理厂二沉池剩余污泥，在实验室条件下取适量污泥进行闷曝培养，3周后污泥呈黄色絮状，经显微镜镜检可发现钟虫、轮虫、鞭毛虫，表明活性污泥基本成熟[7]。
1.2 试验装置及装置运行方法
试验装置由有机玻璃制成，采用一体化合建式，如图1所示。装置分为4个格室，待处理污水依次流经调节池、反应池Ⅰ、反应池Ⅱ、沉淀池。装置总长1 m，宽0.4 m，高0.6 m；其中反应池Ⅰ和反应池Ⅱ的有效容积为60 L。此外，反应池底部设低氧曝气头和搅拌器，通过自控系统对曝气与搅拌间歇运行的时间进行控制，同时反应池内安装在线溶氧仪，对溶解氧进行实时监控。沉淀池与反应池Ⅰ之间设置回流装置，对污泥进行定期回流。
1—调节池； 2—反应池Ⅰ； 3—反应池Ⅱ； 4—沉淀池。
图1 试验装置结构
Fig.1 Structure of test equipment
污水首先进入调节池，然后顺序流经反应池Ⅰ、反应池Ⅱ，处理后的污水流入沉淀池，由沉淀池顶端排水口排出。装置采用24 h连续进水的方式，进水量达到240 L/d，反应池Ⅰ与反应池Ⅱ容积与结构相同，水力停留时间均为6 h。
1.3 试验装置的运行条件
间歇曝气的运行方式有利于好氧反硝化菌和异氧硝化菌的脱氮及PHB的积累和贮存。方茜[8]等证明了低曝气含氧量和高曝气频率的间歇曝气模式有利于同步硝化反硝化过程的持续稳定，低曝气频率的间歇曝气模式则有利于顺序式硝化反硝化的发生。因此，试验采用间歇曝气的运行方式，通过自控系统控制反应池曝气与搅拌交替运行的循环周期及时间比例，反应池Ⅰ和反应池Ⅱ同步运行，分别设定30，60，120 min为1个循环周期，在每个循环周期内考察曝气与搅拌交替运行时间比例变化对COD、TN、TP处理效果的影响。具体运行条件如表3所示。
表3 反应池运行条件
Table 3 Operating conditions of reaction tank
循环周期/min曝气时间∶搅拌时间3020∶1015∶1510∶206040∶2030∶3020∶4012080∶4060∶6040∶80
以上每个运行条件开始之前，都先将装置在特定的试验条件下运行2～3 d，待反应池内的污泥性状及出水稳定后再进入正式试验阶段，以下试验结果均为装置稳定运行后的数据。
1.4 测试项目及方法
COD采用哈希CODmax铬法COD分析仪；TN采用HACH-LangIL 500总氮测定仪；TP采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法。
2.1 曝气/搅拌最佳循环周期的确定
2.1.1 对COD的去除效果
循环周期分别为30，60，120 min时，装置对COD处理效果如图2—图4所示。装置正常运行期间，3种循环周期的条件下，装置对COD的去除效果均较好。进水ρ(COD)为93～290.1 mg/L，波动较大，出水ρ(COD)一直低于50 mg/L，均值为37 mg/L，COD平均去除率为83.1%，该装置具有一定的抗冲击负荷能力。主要原因是装置具有两个平行的反应池，污水经调节池进入反应池Ⅰ，部分有机物得以去除，然后流入反应池Ⅱ，在微生物的作用下，有机物再次被降解，且污水与反应池内活性污泥的实际接触时间为12 h，保证了出水水质良好且稳定。装置对COD的去除主要依赖于活性污泥中微生物的代谢作用[9]，当HRT相同时，由于循环周期不同，导致反应池内3种氧环境存在的时长不同，但对反应池内微生物的代谢作用无较大影响。因此，不同的循环周期下，装置对COD的去除并无较大差别。
—△—进水； —○—出水； —■—去除率。
图2 循环周期为30 min对COD处理效果
Fig.2 Performance of COD treatment when the cycle is 30 min
—△—进水； —○—出水； —■—去除率。
图3 循环周期为60 min对COD处理效果
Fig.3 Performance of COD treatment when the cycle is 60 min
—△—进水； —○—出水； —■—去除率。
图4 循环周期为120 min对COD处理效果
Fig.4 Performance of COD treatment when the cycle is 120 min
2.1.2 对TN的去除效果
污水中的氮元素主要以有机氮、氨氮、硝酸氮与亚硝酸氮4种形式存在[10]。氮是造成水体富营养化的主要元素之一，是衡量污水处理工艺优劣的主要指标，本试验装置采用曝气与搅拌交替进行的运行方式，达到高效脱氮。图5—图7分别为循环周期为30，60，120 min时总氮的去除效果。循环周期为30 min时，进水ρ(TN)为35.6～42.6 mg/L，出水ρ(TN)为19.4～39 mg/L，最高去除率为49.5%；循环周期为60 min时，进水ρ(TN)为37.6～42 mg/L，出水ρ(TN)为18.2～24 mg/L，最高去除率为53.3%；循环周期为120 min时，进水ρ(TN)为37.5～44 mg/L，出水ρ(TN)为5.3～19.6 mg/L，最高去除率为86.1%。
—△—进水； —○—出水； —■—去除率。
图5 循环周期为30 min对TN处理效果
Fig.5 Performance of TN treatment when the cycle is 30 min
—△—进水； —○—出水； —■—去除率。
图6 循环周期为60 min对TN处理效果
Fig.6 Performance of TN treatment when the cycle is 60 min
—△—进水； —○—出水； —■—去除率。
图7 循环周期为120 min对TN处理效果
Fig.7 Performance of TN treatment when the cycle is 120 min
活性污泥反应系统中氮循环的传统理论认为，新鲜污水中氮的主要存在形式为有机氮。有机氮首先被氨化菌氧化生成氨氮，氨化菌多为异养菌，此过程与有机物的去除同时进行；之后在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，被转化为亚硝酸氮与硝酸氮；反硝化过程中，硝酸氮和亚硝酸氮被还原为气态氮(N2)排出[11]，从而实现氮的真正去除。
当循环周期为30 min时，进出水总氮值相差较小，去除率偏低，主要原因是反应池曝气与搅拌交替运行的循环时间短。曝气阶段与搅拌阶段交替的次数频繁，反应池中无法保证好氧、缺氧、厌氧环境交替出现，有机氮被氨化菌氧化生成氨氮后[12]，无法完成后续硝化、反硝化反应，导致出水总氮较高。
当循环周期为60 min时，总氮平均去除率相对提高，但出水总氮值并不稳定，分析原因为反应池内出现好氧、缺氧、厌氧环境的交替，使硝化反应和反硝化反应得以进行，但是无法保证硝化过程和反硝化过程维持足够的时长。
当循环周期为120 min时，总氮去除率最高，主要由于循环周期的延长，使待处理污水在整个水力停留时间内，曝气阶段与搅拌阶段的交替次数减少，保证了池内出现某一种氧环境的时间，反应池内好氧、缺氧、厌氧环境得以出现并维持一定的时间，使硝化反应与反硝化反应充分完成，从而达到良好的脱氮效果。
2.1.3 对TP的去除效果
一体化装置连续运行8个月左右，在不排泥的条件下，仍然能够实现对污水中磷的去除，如图8—图10所示。当曝气与搅拌的循环周期分别为30，60，120 min时，TP的平均去除率分别为49.7%、51.8%、56.6%。循环周期为120 min时，TP平均去除率最高，最高去除率达78%。
—△—进水； —○—出水； —■—去除率。
图8 循环周期为30 min对TP处理效果
Fig.8 Performance of TP treatment when the cycle is 30 min
—△—进水； —○—出水； —■—去除率。
图9 循环周期为60 min对TP处理效果
Fig.9 Performance of TP treatment when the cycle is 60 min
—△—进水； —○—出水； —■—去除率。
图10 循环周期为120 min对TP处理效果
Fig.10 Performance of TP treatment when the cycle is 120 min
深度处理小型一体化装置尽管无剩余污泥排放，但仍具有一定的除磷效果。Dévai等[13]对几个污水处理厂系统进行磷的物料平衡核算时，发现磷有一定的损失，并在污水厂释放的气体中检测到了磷化氢，证实了损失的磷中有25%～50%是以气态磷形式逸出的。周健等[14]在无剩余污泥排放的条件下，证明了系统可通过磷酸盐的生物还原作用，通过以气态磷化物的形式实现了对磷的高效去除。由此判断，深度处理小型一体化装置中磷除了供污泥新陈代谢使用外，也可能是通过磷酸盐生物还原后以气态磷化氢的形式发生了转化，该现象可作为下一步除磷研究内容。
综上可知，曝气/搅拌交替运行的最佳循环周期为120 min。
2.2 曝气/搅拌时间比例的确定
曝气/搅拌交替运行的时间比例决定了反应池内好氧、缺氧、厌氧环境的时长，可影响出水水质[15]。在最佳循环周期的条件下，曝气∶搅拌时间比例分别为80∶40、60∶60、40∶80时，装置对COD、TN、TP的去除效果如表4所示。
表4 各时间比例COD、TN、TP平均去除率
Table 4 The average removal rate of TP, TN and COD in each time scale
时间比例平均去除率/%CODTNTP80∶4083.153.742.160∶6084.659.650.140∶8086.184.277.4
曝气/搅拌时间比例为40∶80时，装置对COD、TN、TP的去除率效果最好；COD平均去除率为86.1%，TN平均去除率达到84.2%，TP平均去除率达到77.4%。反应池内DO的变化规律如图11所示。反应池内DO在开始曝气后的20 min急剧增加，且ρ(COD)>2 mg/L，此时池内为好氧环境，可保证硝化反应的正常进行；停止曝气并开始搅拌后，池内DO急剧下降，20 min后ρ(DO)<0.5>[16]研究发现，间歇曝气系统内反硝化平均速率只有1.0 mg/(g·h),约为硝化速率的1/2。因此当装置曝气/搅拌的时间比例为40∶80时，硝化反应与反硝化反应可充分彻底地完成。
图11 曝气/搅拌为40∶80时DO变化曲线
Fig.11 DO curves of aeration and agitation in 40∶80
1)深度处理小型一体化装置能够实现同步脱氮除磷，且结构紧凑，占地面积小、易于运行管理、基建投资低，适用于村镇小流量分散式生活污水的处理。
2)深度处理小型一体化装置之所以能够实现对氮的高效去除，在于其一体化的结构设计和曝气/搅拌交替的运行方式，结合微动力曝气可获得好氧、缺氧、厌氧环境的交替出现。
3)装置稳定运行后，当循环周期为120 min，曝气/搅拌交替运行时间比例为40∶80时，出水水质稳定。出水COD、TN均达到GB 18918—2002一级A出水标准，出水TP达到GB 18918—2002一级B出水标准。
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LIU Xu-dong1, JIANG Feng1, FENG Xin2, GUO Lan-lin1
(1.Department of Municipal and Environmental Engineering, Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China; 2.Liaoning Environmental Science Research Institute,Shenyang 110000,China)
Abstract：According to the technical requirements of rural sewage treatment in China and the characteristics of water quality and quantity of sewage, a small scale integrated reactor by intermittent aeration was proposed.The reactor adopted activated sludge process combined with anaerobic/anoxic, and used the integrated design concept to set the aerobic, anoxic and anaerobic conditions in the same reaction pool.Laboratory simulation of village life by running sewage, the optimal conditions of small integrated reactor aeration/stirring was studied to run.The results showed that HRT was 6h, when the aeration/stirring alternating operation cycle time was 120 min and the ratio was 40∶80, the removal rate of COD, TN, TP were 86.1%, 84.3%,77.4% and the water quality remained stable. The effluent COD, TN could reach the first level A standard of Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant,TP could reach the first level B standard.
Keywords：town sewage; new integrated reactor; integration/stirring alternately run
收稿日期：2016-03-30
DOI：10.13205/j.hjgc.201612008
第一作者：刘旭东(1966-)，男，博士，副教授，主要研究方向为污染控制与治理。hj_lxd@sjzu.edu.cn
*“十二五”国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07202-003)。
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