改进型合并净化槽处理生活污水的影响因素

鲍可茜 ,高镜清,王志斌,周 俊,张瑞芹

(1.郑州大学化学与分子工程学院,河南郑州 450001;2.郑州大学环境科学研究院, 河南郑州 450001)

目前,全国农村每年有超过2 500 万t 的生活污水排放,80%没有经过任何处理直接排入河流、水塘,影响村民居住环境, 严重威胁农民的身体健康[1-2]。我国农村地区几乎没有污水管道系统和污水处理管理措施,这严重威胁了水环境安全,并且目前国内一直沿用的传统化粪池处理方式,已不能满足国家有关排放标准要求[3-4]。

合并净化槽源于日本,是一种小型家用污水处理系统,融活性污泥法和生物膜法于一体,适用于分散型地区的污水处理[5]。净化槽作为分散式生活污水处理的有效手段,在日本有着广泛的应用,并且随着技术的不断革新,可以满足不同的水质处理要求[6-7]。该装置采用A2/O 工艺,由厌氧(缺氧)-好氧槽构成,可同时实现有机物去除和脱氮除磷[8-9]。相对于传统处理工艺,合并净化槽具有高效、一体化、污泥少和出水可循环利用等优点,可采用埋地式,既可保温、除臭,地面上又可作为其他用地,不影响用户环境的美观,适用于我国广大农村地区。该工艺主要利用附着于填料生长的生物膜去除污染物,即生物法。相对于物理化学法,生物法因其更环保和成本更低等优势而被推广应用于污水除去有机物、TN、TP,但是TP 的去除效果不尽理想[10-11]。因此,针对合并净化槽除磷效果差和建造费用高等问题,改造和研制出符合我国国情的生活污水处理装置具有重要意义。

笔者根据传统的净化槽工艺技术,并结合地区实际情况,从降低填料成本、降低运行成本和提高除磷效果等方面进行改进,改善后的净化槽中采用自主研发的复合生物填料和微电解铁屑床。为提高改进后的净化槽生活污水处理效果,试验考察了水力停留时间(以下简称HRT)t、COD 有机负荷(以下简称OLR)L、污泥回流比R 共3 个运行条件对净化槽生活污水处理效果的影响,力求得出最佳运行参数,以期为该工艺在我国新农村生活污水处理领域的推广应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 工艺流程和装置

试验工艺流程如图1 所示,中试装置如图2 所示。装置材质为有机玻璃,总体规格为：长89 cm,宽40 cm,高66 cm,总有效容积216 L,主要由厌氧槽、缺氧槽、曝气槽、沉淀槽及微电解铁屑床等构成,其中铁屑床设置在厌氧槽中,复合生物填料分别安装在缺氧槽、厌氧槽和曝气槽中,厌氧槽、缺氧槽和曝气槽的体积比为10∶6.8∶10,设计处理量为100 L/d。进入到净化槽中的污水依靠各区之间的位能差,形成自然流动。

图1 工艺流程

图2 中试装置剖面图(单位：cm)

1.2 试验水质

试验采用人工模拟生活污水[12],其母液主要组分为：葡萄糖0.34 g/L;淀粉0.32 g/L;氯化铵0.051 g/L;蛋白胨0.316 g/L(TN ≥13%);牛肉膏0.08 g/L(TN ≥14%);硫酸铵0.056 8 g/L;磷酸二氢0.14 g/L;碳酸钠0.12 g/L;乙酸钠：0.233 g/L。所用试剂均为分析纯,进水采用母液稀释,母液COD 质量浓度约为1 200 mg/L, 控制ρ(COD)∶ρ(TN)∶ρ(TP)=100∶5∶1,每1 g COD 加入1 mL 微量元素。

1.3 反应器运行及控制

在反应器成功启动后,整个试验运行了120 d,室内温度为20 ～30 ℃,填料比为60%。反应器系统达到基本稳定后,进入正式试验阶段。分别考察不同条件下净化槽对生活污水中COD、TN 和TP 的处理效果,具体试验安排见表1。

表1 反应器运行条件

1.4 数据处理

数据处理采用双因素方差分析(ANOVA)和LSD比较,试验结果均用平均值±标准偏差(n=3)的形式展示,统计分析利用软件SPSS(17.0)完成。P ＞0.05 表示差异不显著,P ＜0.05 表示差异显著, P ＜0.01 表示差异高度显著,P ＜0.001 表示差异极显著。

1.5 分析方法

COD 浓度采用重铬酸钾滴定法测定,TN 浓度采用碱性过硫酸钾氧化法测定,TP 浓度采用钼锑抗分光光度法测定[13],分析仪器为UV-2450 紫外可见光分光光度计(日本岛津公司),依据的评价标准为GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》。

2 结果与讨论

2.1 HRT 对净化槽处理效果的影响

由表2 可见,相同的槽,HRT 为4 h、8 h 和12 h时COD 的质量浓度均有极显著性差异(P ＜0.001),而HRT 为16h 和12h,COD 的质量浓度无显著性差异(P ＞0.05);同一HRT,每个槽之间对COD 的去除效果均存在极显著差异(P ＜0.001)。随着HRT 增加反应器对COD的去除率呈先上升、后降低的趋势,HRT 为4 h 和12 h 时,去除率出现了最小值和最大值,分别为88%、97%。HRT 较短为4 h 时,水力负荷过大,微生物未能充分降解水中的有机物,导致出水质量浓度偏高(72 mg/L);而HRT 过长为16 h时,微生物因缺乏营养而脱落,因而出水COD 质量浓度略高。在相同槽内,HRT 为4 h 和其他HRT 对TN 的去除效果均有极显著性差异(P ＜0.001),而HRT 为8 h、12 h 和16 h 时TN 的质量浓度没有显著性差异(P ＞0.05)。当HRT 超过8 h 时,净化槽对TN 的去除率可达到60%以上。充分的停留时间可使污水与微生物充分接触,利用系统中形成的好氧或缺氧环境,发生硝化反硝化反应,从而提高TN 的去除率[14-15]。当HRT 超过8 h 时,净化槽对TP 的去除率达到80%以上,当HRT 为8 h 和12 h 时,系统出水TP 质量浓度较低,分别为0.88 mg/L 和0.86 mg/L。由于安装有微电解铁屑床,净化槽对磷的去处作用主要由化学除磷和生物除磷共同作用完成,选择合适的HRT,有利于找出聚磷菌和铁盐除磷的结合点,提高除磷效果[16-17]。

表2 HRT 对COD、TN 和TP 去除效果的影响

2.2 OLR 对净化槽处理效果的影响

从表3 可看出,在相同的槽内,COD、TN 的质量浓度不同,OLR 均存在显著性差异(P ＜0.05)。随着OLR 的增高, 反应器对COD 的净化效果略有升高,但当OLR 大于2.7 g/(L◦d)时,反应器对COD 的去除效果有所下降,过高的OLR 超出了净化槽中微生物对有机物的净化能力,使微生物无法及时消耗掉有机污染物,造成处理效果变低[18-19],出水有机物浓度增大。但当OLR 为3.6 g/(L◦d)时,仍然能保持一个较高的COD 去除率(85%),表明净化槽对OLR 的冲击亦具有良好的适应性。系统采用的厌氧(缺氧)-好氧工艺, 可同时实现有机物和氮的脱除[9],有利于完成不同OLR 下的除COD 和脱氮的效能。随着OLR 的增加,每个槽TN 的去除率呈递减趋势,在OLR 大于2.7 g/(L◦d)时,有机物浓度去除和脱氮效果仍然较佳,较好地实现了同时去除有机物和脱氮的效果。当OLR 大于3.6 g/(L◦d)时,TN 去除率仅为32%。可以看出OLR 的过度增加,对系统中硝化菌和反硝化菌的适应性亦会产生一定的影响。随着OLR 的逐渐上升,TP 的去除率略呈上升趋势。其原因可能有两个方面：①微生物对TP 的吸收是一个耗能过程,需要消耗有机物来提供能量,所以有机物浓度直接影响了微生物除磷效率;②进水OLR 的上升,为分解有机物提供了适合聚磷菌生存的微厌氧/好氧环境[20-21],从而增强了TP 的去除效果。

2.3 回流比对合并净化槽运行的影响

表3 OLR 对COD、TN 和TP 去除效果的影响

表4 R 对COD、TN 和TP 去除效果的影响

3 结 论

a.HRT 对有机物的去除有较大影响,而对TN、TP 的影响较小。本试验条件下确定工艺的最佳的HRT 为8 h,此时COD、TN 和TP 的去除率分别为95%、63%和87%。

b.系统对有机负荷具有较强的抗冲击能力,在OLR 为2.7 g/(L◦d)时,出水COD、TN 和TP 平均质量浓度分别为87.37 mg/L、8.50 mg/L 和0.82 mg/L,平均去除率分别达到90%、74%和88%。当进水OLR 为2.7 g/(L◦d)时,出水COD 已无法达到国家生活污水排放标准。

c.回流比的变化对系统去除COD 没有明显影响,但对TN 和TP 的去除有较大的影响。回流比为75%有利于实现3 类污染物最佳的去除效果,此时净化槽出水COD、TN 和TP 平均质量浓度分别为30.21 mg/L、9.61 mg/L 和0.43 mg/L,平均去除率分别达到95%、70%和94%。

d.从显著性分析可以看出,合并净化槽每个槽对COD、TN 和TP 均有一定作用,其中厌氧槽对于有机物去除效果影响最大。相对于传统的净化槽,改进后的合并净化解决了除磷效果不好的问题,并且强化了有机物和氮的去除效果。

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