2. 山东大学环境科学与工程学院，山东 济南 250100
2. School of Environmental Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250100, Shandong, China
据统计，我国城镇人口约7.68亿，农村人口约6.06亿。目前全国各城市、县累计建成污水处理厂3 802座，运行污水处理厂共计2 149座，形成污水处理能力1.32亿m3/d。全国已有1 427个县城累计建成污水处理厂1 653座，形成污水处理能力0.29亿m3/d[1]。与此形成鲜明对比的是，我国村镇污水处理设施还很不完善。中国目前有60多万个行政村、250多万个自然村，乡村人口65 656万人。根据文献[2]报道，96%的村庄没有排水渠道和污水处理系统。并且我国农村污水处理面临“建得起、用不起”、甚至“建不起、更用不起”的困难局面，绝大部分农村已建污水处理工程都在“晒太阳”。
目前常用的村镇生活污水处理技术有生物滤池法、人工湿地法、土地处理法等[3]。虽然这些方法对水质净化有一定的作用，但同时也存在一些缺点。如生物滤池法滤料间的水流速度慢，剩余污泥易滞留在滤料间引起水质恶化，且维护困难[4]；人工湿地法冬季易结冰，夏季易滋生蚊蝇，易受病虫害影响[5]；土地处理法占地面积大，设计或操作运行不当易导致出水不达标[6]等。因此，研发低成本、处理效率高的村镇生活污水处理技术与装置对提升农村环境质量、保障重要饮用水水源地水质安全具有重要的现实意义[7]。
与大型污水处理技术相比，一体化技术具有占地面积小、处理效率高、耗能低、产泥量少、便于管理和维护等优点[8]，在污水处理领域迅速得到广泛的应用，在农村生活污水处理方面具有不可替代的优势[9]。
1 实验装置及条件 1.1 C-CBR装置原理C-CBR一体化生物反应器，工艺主体由生物反应器、沉淀反应器和出水槽三部分组成。生物反应器包括内层反应池和外层反应池两个同心的圆形池体，内层反应池有效体积为0.12 m3；外层反应池有效体积为0.31 m3。内层反应池上部为缺氧反应区，下部为厌氧反应区，外层反应池为好氧反应区，如图 1所示。
|
图 1 C-CBR一体化生物反应工艺流程图 Figure 1 Flow diagram of C-CBR integrated bioreactor process |
经格栅和沉砂池处理后的污水进入内层反应池，多点进水。内循环经水泵+射流器的组合由厌氧反应区吸水至好氧反应区，通过聚磷菌的厌氧释磷和好氧吸磷作用，实现生物除磷的功能[10]；富含硝酸根离子的硝化液由好氧反应区重力回流至缺氧反应区，通过好氧反应区的氨化作用和硝化作用，以及缺氧反应区反硝化作用，实现生物脱氮的功能[11]。缺氧反应区的污水在重力作用下流入厌氧反应区，从而达到缺氧-厌氧-好氧不断循环的目的，实现生化反应的连续进行，达到高效的脱氮除磷效果[12]。沉淀反应器同样是与生物反应器同心的圆形池体结构，半径0.6 m，有效水深0.75 m，超高0.1 m，总高0.85 m，有效体积为0.25 m3。好氧反应区的污水在重力作用下进入沉淀反应区，活性污泥在沉淀反应区絮凝沉淀后一部分由下部的斜板重力自流至好氧反应区，一部分作为剩余污泥外排，而上清液经溢流堰流入出水槽排放。图 2、3为C-CBR一体化生物反应工艺平面示意图、剖面及管道布置示意图。
|
图 2 C-CBR一体化生物反应工艺平面图 Figure 2 Plan view of C-CBR integrated bioreactor process |
|
图 3 C-CBR一体化生物反应工艺剖面及管道布置图 Figure 3 Cross-section and piping layout of C-CBR integrated bioreactor process |
C-CBR一体化生物反应工艺试验装置进水来自于滑县清源污水处理厂收集到的县城居民生活污水和一小部分的企业排水。试验包括2个阶段，第一阶段是安装调试阶段，时间为2016-06-24—2016-07-13；第二阶段是稳定运行阶段，时间为2016-07-14—2016-10-07，分为正常运行期和高负荷运行期。2016-07-14—09-25为正常运行期，试验设备维持在0.8 m3/d的进水量，平均水温23 ℃，pH 7.5，水力停留时间12.9 h，污泥龄20 d，MLSS 4 000 mg/L左右，在好氧区增设一个水泵吸入口并在厌氧区吸水管上加一个阀门，通过调节阀门的开度调节回流比为400%，平均COD容积负荷为0.47 kgCOD/(m3·d)；9月26日至10月27日为高负荷运行期，试验设备维持在2.5 m3/d的进水量，水力停留时间缩短至4.1 h，平均COD容积负荷增加至1.27 kgCOD/(m3·d)。试验装置进水平均水质具体数据见表 1。
|
表 1 进水平均水质 Table 1 The average water qualities |
本次试验的主要水质分析指标为COD、NH+4-N、TN、TP、DO、pH，分别采用《水和废水监测分析方法》中的重铬酸钾法、纳氏试剂光度法、过硫酸钾氧化-紫外分光光度法、过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法、溶解氧仪、pH测试仪。
2 结果与讨论 2.1 COD的去除试验装置进水来自污水处理厂沉砂池出水。如图 4所示，进水COD质量浓度最低值为161 mg/L，最高值为372 mg/L，平均值为242 mg/L。正常运行期出水COD质量浓度最低值为40 mg/L，最高值为76 mg/L，平均值为60.6 mg/L；COD去除率最低值为65.8%，最高值为82.2%，平均去除率为74.3%。高负荷运行期出水COD质量浓度最低值为76 mg/L，最高值为112 mg/L，平均值为91.2 mg/L，COD平均去除率为63.3%。表明该装置对COD容积负荷有较强的耐冲击能力，试验装置对COD去除效果明显，出水平均质量浓度低于城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)二级排放标准(COD≤100 mg/L)。
|
图 4 C-CBR对COD去除效果图 Figure 4 Profiles of COD removal by C-CBR |
相比于正常运行期出水，高负荷运行期出水COD质量浓度有所增加。其原因主要有：当增加水力负荷，沉淀反应器表面负荷相应增加，不能较好的发挥固液分离的功能[13]；其次试验装置反应器中污水停留时间减少，活性污泥无法与有机污染物充分有效的接触，从而降低了微生物对有机污染物的降解反应[14]。
2.2 NH+4-N的去除进水NH+4-N最低质量浓度为20.9 mg/L，最高值为49.4 mg/L，平均值为35.3 mg/L，进水NH+4-N质量浓度有一定波动且幅度较小，但整体质量浓度值较高，原因是有机氮在集水管道和曝气沉砂池中发生部分的氨化作用。正常运行期出水NH+4-N质量浓度最低值为11.0 mg/L，最高值为22.5 mg/L，平均值为15.9 mg/L，NH+4-N平均去除率为53.8%；高负荷运行期出水NH+4-N质量浓度最低值为15.4 mg/L，最高值为21.3 mg/L，平均值为18.5 mg/L，NH+4-N平均去除率为49.4%。出水平均浓度低于城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)二级排放标准(NH+4-N质量浓度≤25 mg/L)。C-CBR对氨氮去除效果图如图 5所示。
硝化细菌为自养菌，泥龄较长，生长较慢。在增加负荷的情况下，NH+4-N去除率变化不大，说明亚硝酸菌生长良好，NH+4-N转化为亚硝酸盐阶段不是硝化阶段的限制步骤。
|
图 5 C-CBR对氨氮去除效果图 Figure 5 Profiles of ammonia nitrogen removal by C-CBR |
本次试验采用的一体化技术核心是倒置A2O工艺，前置的缺氧反应区避免了硝酸盐回流液对厌氧反应区聚磷菌释磷的影响[15]。图 6描述了试验装置进出水TN质量浓度以及TN的去除率。进水的TN质量浓度和NH+4-N类似，有一定的波动，这主要是因为污水处理厂的收集区域包括几个食品厂，食品厂的阶段性排水对污水处理厂进水水质产生了影响。进水TN质量浓度最低值为38 mg/L，最高值为67 mg/L，平均值为56.3 mg/L。正常运行期出水TN质量浓度最低值为21 mg/L，最高值为32 mg/L，平均值为27.1 mg/L，TN平均去除率为50.1%；高负荷运行期出水TN质量浓度最低值为31 mg/L，最高值为37 mg/L，平均值为34.2 mg/L，TN平均去除率为41.5%。
|
图 6 C-CBR对TN去除效果图 Figure 6 Profiles of TN removal by C-CBR |
分析NH+4-N和TN的出水质量浓度和去除率可以得出结论：随着进水量的增加，高负荷运行期NH+4-N和TN的去除率均有所降低，原因是反应器内停留时间减少，污泥负荷增大，生物脱氮反应受到限制[16]，以及沉淀反应器没有很好的发挥固液分离的功能，致使部分没有沉淀的絮状污泥排除而影响出水水质。此外，试验装置还存在一些影响脱氮效果的重要原因，针对数据分析如下：
(1) 因为内层反应器内的水力搅拌强度较弱，致使活性污泥的浓度较低，特别是位于上部的缺氧反应区(液面下5 cm处的水样无法测出其MLSS质量浓度)，因此减弱了缺氧反应区内的反硝化反应的进行，从而导致出水TN质量浓度偏高，去除率偏低。可在内层反应器底部增设一个小型搅拌器来弥补不足[17]。
(2) 本次试验采用的一体化工艺主体是倒置A2/O工艺，当进水中水质满足COD/TN≥8时，系统的脱氮反应才能够完全进行，此时脱氮率可达80%[18]。在本次试验中进水COD/TN平均值为4.3，碳源的不足导致系统脱氮效果不佳。
2.4 TP的去除进水TP质量浓度较高，主要来自家用及食品厂用合成洗涤剂(含有磷酸的钠盐)。进水TP质量浓度较稳定，只有9月9日进水TP质量浓度为13 mg/L，远高于其他时间的进水，经过多次重新测定结果偏差不大，认定这是突发性TP质量浓度增高，以下分析排除这一特殊情况。进水TP质量浓度最低值为3.1 mg/L，最高值为5.7 mg/L，平均值为4.3 mg/L。正常运行期和高负荷运行期TP的平均去除率分别是60.3%、44.5%，出水TP质量浓度平均值分别是1.7 mg/L、2.1 mg/L，均低于城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)二级排放标准(TP≤3 mg/L)。C-CBR对TP去除效果图如图 7所示。
|
图 7 C-CBR对TP去除效果图 Figure 7 Profiles of TP removal by C-CBR |
在正常运行期试验装置对TP的去除率较高，主要采用生物除磷的原理，利用聚磷菌的厌氧释磷和好氧聚磷的作用，污水中的磷被微生物吸收形成高磷污泥，通过排泥达到除磷的目的[19]。高负荷运行期TP的去除率下降，是碳源不足所致。厌氧释磷时，碳源不足不能有效储存“糖元”[20]，好氧吸磷时动力不足所致。
在脱氮除磷的过程中，反硝化细菌与聚磷菌存在对碳源的竞争关系[21]。污水首先进入缺氧区，反硝化菌优先利用水中碳源进行反硝化反应，还原硝酸盐释放氮气，完成生物脱氮过程。进入厌氧区后，由于污水中碳源较少，水中挥发性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)含量较低，影响聚磷菌利用VFA合成体内PHB，导致聚磷菌释磷程度降低[22]，除磷效果变差。
2.5 经济性分析污水处理高能耗的问题增加了中小型污水处理厂的运行成本，使其无法正常发挥减排效益[23]。为节约能源、降低污水处理成本，对污水处理厂进行节能优化研究是保证其正常运行的重要手段[24]。
根据《河南省发展和改革委员会关于污水处理厂电价问题的函》，试验所在的清源污水处理厂的电费按照大工业电价收取，即0.42元/(kW·h)。
本次试验只有一个耗电设备水泵，水泵的功率为80 W，功率系数为0.55，每天24 h运转。试验装置每天实际平均处理水量约为0.8 t。吨水处理运行费用为0.55元/t。常规传统污水处理厂执行二级排放标准处理成本一般为0.7~0.9元/t[25]，该装置处理费用明显低于其他村镇生活污水处理成本。
3 结论(1) C-CBR一体化生物反应工艺通过水泵和射流器的组合，实现硝化液回流、射流充氧及水力搅拌等功能的有机统一，省却传统的曝气设备和搅拌设备，节约能耗，吨水处理运行费用仅为0.55元/t。
(2) C-CBR试验装置处于持续的正常运行期时，COD、NH+4-N、TN、TP平均去除率分别为74.3%、53.8%、50.1%、60.3%；出水浓度平均值满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级排放标准。
(3) 由于C-CBR一体化生物反应工艺采用射流器出水对好氧反应区进行水力搅拌，搅拌效果对装置处理效果有很大的影响，有必要对试验过程中的流态作深入研究；本次试验在夏季运行，得出的是高温条件下的数据，需进一步研究试验装置在低温条件下的运行效果。
| [1] |
张曼雪, 邓玉, 倪福全. 农村生活污水处理技术研究进展[J].
水处理技术, 2017, 43(6): 5-11 ZHANG Manxue, DENG Yu, NI Fuquan. Research progress of rural domestic sewage treatment technology[J]. Technology of Water Treatment, 2017, 43(6): 5-11 |
| [2] |
鞠昌华, 张卫东, 朱琳, 等. 我国农村生活污水治理问题及对策研究[J].
环境保护, 2016, 44(6): 49-52 JU Changhua, ZHANG Weidong, ZHU Lin, et al. China's rural sewage treatment problems and countermeasures[J]. Environmental Protection, 2016, 44(6): 49-52 |
| [3] | 苏鸿洋. 中国村镇分散生活污水处理技术现状[J]. 给水排水, 2015, 41(增刊): 197-121 |
| [4] |
窦娜莎, 王琳. 不同温度下曝气生物滤池运行效能与微生物群落结构[J].
环境工程学报, 2016, 10(6): 2800-2806 DOU Nasha, WANG Lin. Microbial community structure and the performance of biological aerated filter under different temperatures[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016, 10(6): 2800-2806 |
| [5] |
唐孟煊, 吴娟, 代嫣然, 等. 组合式垂直流人工湿地工艺及其污水处理效果[J].
环境工程学报, 2016, 10(3): 1017-1022 TANG Mengxuan, WU Juan, DAI Yanran, et al. Treatment of domestic wastewater by hybrid vertical constructed wetland[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016, 10(3): 1017-1022 DOI:10.12030/j.cjee.20160301 |
| [6] |
孟庆龙. 西北地区城市生活污水土地处理法研究[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2014.
MENG Qinglong. Study on land treatment of civil sewage water in northwest region of China[D]. Lanzhou: Lanzhou Jiaotong University, 2014. |
| [7] |
孟雪靖. 农村水污染经济问题研究[D]. 哈尔滨: 东北林业大学, 2007.
MENG Xuejing. Research on the economic problem of water pollution in rural areas[D]. Harbin: Northeast Forestry University, 2007. |
| [8] |
赵燕, 赵英武, 李凤亭. 一体化污水处理设备的应用与发展[J].
环境保护科学, 2004, 30(5): 16-19 ZHAO Yan, ZHAO Yingwu, LI Fengting. Application and development of integrated equipment for sewage treatment[J]. Environmental Protection Science, 2004, 30(5): 16-19 |
| [9] |
林明, 李建, 骆灵喜, 等. 人工快渗一体化设备在农村污水处理中的应用[J].
环境工程, 2017, 35(5): 44-47 LIN Ming, LI Jian, LUO Lingxi, et al. Application of constructer rapid infiltration integrated equipment for rural wastewater treatment[J]. Environmental Engineering, 2017, 35(5): 44-47 |
| [10] | ZHOU H M, WANG Y. Phosphorus removal and recovery from domestic wasterwater in a novel process of enhanced biological phosphorus removal coupled with crystallization[J]. Bioresource Technology, 2016, 221: 87-92 |
| [11] | WANG J L, CHU L B. Biological nitrate removal from water and wasterwater by solid-phase denitrification process[J]. Biotechnology Advances, 2016, 34(6): 1103-1112 DOI:10.1016/j.biotechadv.2016.07.001 |
| [12] | 梁柱, 郭永福, 吴伟, 等. 改良型倒置A~2/O生物膜工艺的脱氮除磷性能研究[J]. 水处理技术, 2015, 41(3): 76-80 |
| [13] |
刘百仓. 沉淀池工况的数值模拟及流场测量[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009.
LIU Baicang. Modelling and flow field measurement of sedimentation tanks[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2009. |
| [14] |
艾胜书, 曲红, 边德军. 活性污泥处理城市污水中微生物的特性[J].
环境科学与技术, 2010, 33: 360-361, 431 AI Shengshu, QU Hong, BIAN Dejun. Activated sludge microbial characteristics of municipal wastewater[J]. Environmental Science and Technology, 2010, 33: 360-361, 431 |
| [15] |
金鹏康, 郑未元, 王先宝, 等. 倒置A2/O与常规A2/O工艺除磷效果对比[J].
环境工程学报, 2015, 9(2): 501-505 JIN Pengkang, ZHENG Weiyuan, WANG Xianbao, et al. Comparison of phosphorus removal efficiency between reversed and conventional A2/O processes[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2015, 9(2): 501-505 DOI:10.12030/j.cjee.20150201 |
| [16] |
张宗和, 郑平, 厉巍, 等. 一体化生物脱氮技术研究进展[J].
化工进展, 2015, 34(10): 3762-3768 ZHANG Zonghe, ZHENG Ping, LI Wei, et al. Research progress in integrative bio-technologies for nitrogen removal[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2015, 34(10): 3762-3768 |
| [17] |
杨柳燕, 王楚楚, 孙旭, 等. 淡水湖泊微生物硝化反硝化过程与影响因素研究[J].
水资源保护, 2016, 32(1): 12-22, 50 YANG Liuyan, WANG Chuchu, SUN Xu, et al. Study on microbial nitrification and denitrification processes and influence factors in freshwater lakes[J]. Water Resources Protection, 2016, 32(1): 12-22, 50 |
| [18] |
陈维平, 江帆, 李元元, 等. 射流曝气的气液两相流的数值模拟[J].
环境污染治理技术与设备, 2006, 7(3): 48-53 CHEN Weiping, JIANG Fan, LI Yuanyuan, et al. The numerical simulation of gas-liquid two-phase flow in jet aeration[J]. Techniques and Equipment for Environmental Pollution Control, 2006, 7(3): 48-53 |
| [19] | 邵辉煌, 李艺, 郭玉梅, 等. A2/O工艺污水处理厂生物除磷研究[J]. 给水排水, 2015, 41(11): 131-134 DOI:10.3969/j.issn.1002-8471.2015.11.032 |
| [20] |
张培玉, 孙梦, 张晨. 环境因素对3株嗜盐聚磷菌除磷性能的影响[J].
山东大学学报(理学版), 2015, 50(5): 88-94 ZHANG Peiyu, SUN Meng, ZHANG Chen. Environmental factors influence on phosphorus removal of three halophilic phosphate accumulating bacteria strains[J]. Journal of Shandong University(Natural Science), 2015, 50(5): 88-94 |
| [21] |
毕学军, 张波. 倒置A2/O工艺生物脱氮除磷原理及其生产应用[J].
环境工程, 2006, 24(3): 29-32 BI Xuejun, ZHANG Bo. The principle and full-scale application of reversed A2/O process for removing nitrogen and phosphorus[J]. Environmental Engineering, 2006, 24(3): 29-32 |
| [22] | 周子鹏. 低碳源污水同步脱氮除磷工艺应用研究[D]. 郑州: 郑州大学, 2009. |
| [23] |
黄浩华, 张杰, 文湘华, 等. 城市污水处理厂A2/O工艺的节能降耗途径研究[J].
环境工程学报, 2009, 3(1): 35-38 HUANG Haohua, ZHANG Jie, WEN Xianghua, et al. Study on energy saving methods for A2/O process in wastewater treatment plants[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2009, 3(1): 35-38 |
| [24] |
常江, 杨岸明, 甘一萍, 等. 城市污水处理厂能耗分析及节能途径[J].
中国给水排水, 2011, 27(4): 33-37 CHANG Jiang, YANG Anming, GAN Yiping, et al. Energy consumption analysis and energy saving solutions in WWTP[J]. China Water and Wastewater, 2011, 27(4): 33-37 |
| [25] |
谭雪, 石磊, 马中, 等. 基于污水处理厂运营成本的污水处理费制度分析:基于全国227个污水处理厂样本估算[J].
中国环境科学, 2015(12): 3833-3840 TAN Xue, SHI Lei, MA Zhong, et al. Institutional analysis of sewage treatment charge based on operating cost of sewage treatment plant: an empirical research of 227 samples in China[J]. China Environmental Science, 2015(12): 3833-3840 DOI:10.3969/j.issn.1000-6923.2015.12.039 |