一种农村分散式生活污水节能高效工艺

2012-11-16张震宇吴义峰黎发明赵志红

绿色科技 2012年11期

张震宇，吴义峰，黎发明，赵志红

（1.大理汉龙莱科环境工程有限公司，云南大理671000；2.东南大学，江苏南京210018；3.云南省大理市洱海保护管理局，云南大理671000）

1 引言

随着农村人口生活水平的提高，农民生活方式也逐渐城市化，使得农村生活污水逐步成为农村生态环境和当地水环境的重要影响因素。简单的生态处理虽然具有运行管理方便，能耗低的优势，但出水水质达不到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。传统的污水处理工艺因存在泥龄矛盾、碳源不足等问题，出水氮、磷也不能直接达到上述标准。同时农村污水处理也不能照搬城市污水处理厂的工艺流程与管理方式，城市污水处理厂的除磷脱氮工艺中有污泥回流、混合液回流，还须定期排放富磷剩余污泥，并采用加药和机械脱水工艺，才能保证除磷效果，所有这些都需要高昂的投资与运行费用并配备专业管理人员的队伍，这在广大的农村地区是无法实现的，违背了农村生活污水处理经济、节能、高效和简便易维护的原则。因此开发占地面积小、技术有效、工艺流程简单、管理要求低、投资和运行费用省的适合农村小型污水处理的新技术具有重要的意义。

2 工艺介绍

国内外相关研究成果与实践指出，无论是生物技术还是新兴的生态工程技术，单独应用都不能解决农村生活污水处理及除磷脱氮的问题。必须将生物方法与生态工程有机结合，才能既节省成本和运行费用，又能达到稳定的除磷脱氮效果。因此，东南大学环境科学与工程课题组提出“厌氧－缺氧－跌水充氧接触氧化－人工湿地”组合工艺，与汉龙莱科公司合作在云南大理进行实地研究，取得了很好的科研和工程效果。

该工艺融合生物与生态技术的各自优点，实现了节能和粗放管理的目的，在污染物去除功能上各自分工，有机统一。不仅充分利用和发挥了厌氧消化、缺氧反硝化、好氧硝化和生物生态氮磷去除等功能单元的各自优势，同时实现农村污水处理过程中的节能减排与高效脱氮除磷目标，具有节能、节地、资源回收以及低建造费、低运行费和易维护性等特性，有望全面实现对氮、磷的资源化利用和污水回用的可持续发展目标。该工艺出水水质可以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。

2.1 工艺流程

该“厌氧－缺氧－跌水充氧接触氧化－人工湿地”组合工艺，工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程

2.2 工艺原理

“厌氧－缺氧－跌水充氧接触氧化－人工湿地”污水处理组合系统由厌氧生物滤池、缺氧调节池、好氧接触氧化池和生态单元串联而成，污水流经多级由生物填料以及水生植物等组成的生物格栅，增加了废水与生物填料接触的时间，以达到净化水质的目的。

前段设厌氧池，起到厌氧发酵的作用，具有较长时间的污水停留时间，去除有机物，减轻后续单元负荷。采用大径深比高效厌氧反应器，常温运行，内部安装生物膜填料，通过进出水设施控制池内恒水位运行，利于排泥与集气，可除去80%的有机物。严格的厌氧状态有利于有机物降解产酸、产甲烷，但厌氧时间的长短直接影响到污水中有机物降解的程度，进而影响到污水中臭味的去除。所以该工艺通过完全厌氧（无臭味产生）的参数及相应的运行特征来实现系统工艺除臭，做到与农村环境融为一体。

缺氧调节池兼具反硝化脱氮和水量调节的功能，同时接纳厌氧池出水和好氧单元的回流液。由于缺氧状态，氮的反硝化作用明显，因此具有脱氮功能，可除去系统中约50%的TN负荷。由于厌氧池为恒水位运行，水量调节的任务由缺氧池担当，同时该池也作为污水出库系统运行的调节池，以调节不均匀的水量。

跌水接触氧化池通过跌水曝气，自然充氧，同时完成硝化和有机物去除。生物好氧降解过程为好氧菌在充分供氧的条件下，利用污水中的有机物进行生命活动，从而将有机物以二氧化碳、水等无机物的形式去除。生物脱氮过程为好氧氨的亚硝化硝化过程和硝酸盐的缺氧反硝化生物过程的串联来实现，两过程生物种类和氧环境均不同，因此好氧段的水需回流到缺氧段，将好氧产生的硝酸盐经反硝化后除去。跌水接触氧化采用梯式跌水工艺，通过不同梯级区工艺参数控制可实现多级充氧，提高氧气利用率。可去除系统中30%的COD负荷。

生态单元为人工湿地单元，也是出水水池控制单元，构建为人工湿地，或改进现有自然湿地。配置该地区现有植物类型，既保持了现有自然生态的完整性，同时持续去除TN、TP等，其中系统中约40%的TN在人工湿地被去除。人工湿地可种植水生蔬菜，由农户管理，既能维护好生态效益，还能产生相应的经济效益，节约运行成本，强化除磷脱氮。经人工湿地后出水水质可达到一级A标。

“厌氧－缺氧－跌水充氧接触氧化－人工湿地”的组合工艺系统中生长着大量的细菌、真菌、酵母菌、霉菌、原生动物等生物，并相伴存在一个丰富的微生物酶系，从而构成一个相互依存、协同作用又相互制约的微生物生态系。污水中的有机质及氮、磷等营养素在这个生态系统中，通过微生物的降解、吸收等作用而被去除。人工湿地单元处理污水时，有机物的降解和转化主要由植物根系上的微生物活动来完成。在植物根系上，依次形成好氧区、兼氧区和厌氧区，为好氧微生物和厌氧微生物大量存在提供了条件，难降解的有机物在好氧区内被好氧微生物氧化分解，而在还原区域内则经厌氧细菌发酵作用将有机物分解。细菌能使含氮化合物转化为可供植物和微生物利用的含氮无机化合物；真菌强大的酶系统，引起纤维素、木质素、果胶等的分解，能分解蛋白质化合物释放放线菌是降解含氮和不含氮化合物的积极参与者，还能形成抗生物质维持湿地生动态平衡；磷细菌能将有机状态的、不可直接利用的磷素降解为简单的、可供植微生物吸收的磷化物，并在厌氧条件下提供短链脂肪酸；硫细菌能将有机硫化物分解为无机硫化物再从污水中除去；含氮化合物的去除则先由亚硝化细菌和硝化细菌好氧条件下将其降解为硝酸和亚硝酸，又在缺氧条件下经反硝化细菌将其还原。整个系统装置示意图如图2所示。

图2 系统装置示意

3 工艺创新分析

该“厌氧－缺氧－跌水充氧接触氧化－人工湿地”组合工艺具有以下几点创新点和技术优势：工艺中跌水充氧技术的应用，利用微型污水提升泵一次提升污水将势能转化为动能，分级跌落，形成水幕及水滴自然充氧，无需曝气装置，降低了污水生物处理中主要能耗，大幅度降低电力消耗，在生活污水处理中是一种首创性的研究，已获国家发明专利授权。在工艺组合上，采用污水厌氧发酵降低后续跌水池的负荷，减少接触氧化池的需氧量。同时厌氧发酵还可以产生部分沼气加以利用。采用重力回流至厌氧池后的缺氧池兼有脱氮功能。“厌氧缺氧＋跌水充氧接触氧化＋人工湿地”工艺是一种生物处理与生态处理相结合的新工艺，解决了单纯依靠小型污水生物处理工艺除磷脱氮工艺复杂，建设及运行成本高的弊端。处理工艺中人工湿地除具有污水深度处理功能外，还兼有处理村落初期地表径流的作用。该工艺达到一下经济技术指标：总氮平均去除率＞83%，总磷平均去除率＞80%；COD平均去除率＞85%；设施建设费＜6000元／t；运行费＜0.1元／t。

以上经济技术指标，建设和运行费用低，是国内如一体化小型污水处理设施的1／2。氮、磷去除率高于国内同类技术指标。