负荷及碳氮比对分散式生活污水处理装置性能的影响

陈婷婷，黄健盛*，廖伟伶，童启邦，朱力，张杰，姚源，吕圣红，吴佳栖

（1.重庆市环境科学研究院，重庆401147；2.国内贸易工程设计研究院，北京100069；3.北京泽信地产有限公司，北京100070）

负荷及碳氮比对分散式生活污水处理装置性能的影响

陈婷婷1，黄健盛1*，廖伟伶1，童启邦1，朱力2，张杰3，姚源1，吕圣红1，吴佳栖1

（1.重庆市环境科学研究院，重庆401147；2.国内贸易工程设计研究院，北京100069；3.北京泽信地产有限公司，北京100070）

为了考察负荷及碳氮比对分散式生活污水处理装置处理效果的影响，本文研究了分散式生活污水处理装置对不同浓度和不同碳氮比模拟污水的处理效果。结果发现，该处理装置具有较良好的耐负荷冲击能力，并兼具处理较低C/N生活污水的能力。处理COD、氨氮、TN、TP浓度分别为104.96～619.93 mg·L-1、4.57～29.93 mg·L-1、6.17～29.47 mg·L-1和0.97～6.00 mg·L-1的人工污水，出水COD、氨氮、TN均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准。在C/N不低于14∶1条件下，出水COD、氨氮浓度达到《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准；在C/N不低于17∶1条件下，出水COD、氨氮、TN浓度达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准。同时，工艺装置具有50%以上的总磷去除率。

负荷；碳氮比；分散式生活污水；处理装置；性能

重庆地处三峡库区及其上游流域，具有“大城市、大农村和大库区”的特征，辖区内分散式生活污染已成为重要的生活污染源之一。三峡库区流域分散污水呈现水质水量波动大，有机物、氮磷浓度高，C∶N∶P比例严重失调等特点[1、2]，COD、TN、TP浓度分别在44～456 mg·L-1、9.9～72.02 mg·L-1和0.92～9.84 mg·L-1，C∶N为2.07～8.45[3、4]。目前，三峡库区分散式生活污水治理主要采用人工湿地、人工快渗等土地处理系统[4]，但受占地面积、耐负荷冲击能力、季节变化等因素限制[5]，上述技术很难发挥作用。因此，研发适应水质波动大、碳氮比失调、占地面积小的分散式污水处理工艺装置对提高分散式生活污水处理效果及改善三峡水库水质具有重要意义。本研究以前期开发的筒车水处理技术为基础，并联合A/O工艺形成自回流一体式污水处理工艺装置，考察该工艺装置对分散式生活污水的处理效果。

1 材料与方法

1.1 实验装置

实验装置由缺氧池、转笼反应池和沉淀池组成，其有效容积分别为18.7 L、46.9 L和9.4 L。转笼内按比例填满Φ38及Φ25多面空心球，缺氧池安装干城蔓填料。污水经水解酸化后进入转笼反应池，填料上附着生长的生物膜降解有机物并脱氮，之后污水经沉淀池泥水分离后排放，剩余污泥经排空管排出。

图1 实验装置简图Fig.1Diagram of experiment device

1.2实验材料

本研究采用多面空心球填料及干城蔓挂帘填料两种材料。具体参数如表1所示。

表1 实验材料详细参数Table 1 The detailed list of experiment materials

1.3 实验污水

本研究参照文献[6]模拟污水配方配制人工污水，详见表2。

表2 实验污水配方表Table 2 The formula of synthetic sewage

1.4 测试指标及分析方法

测试指标包括COD、氨氮、TN、TP，各指标分析方法均参照国家环境保护总局《水和废水监测分析方法（第四版）》[7]，如表3所示。

表3 测试指标及分析方法Table 3 Testing indexes and analyzing methods

2 结果与讨论

2.1 负荷对装置性能影响

分散式污水处理厂受雨污分流不彻底，污水管网相对较短，小型加工废水排入，厂区调节池容积过小等因素影响，导致进水浓度波动很大，影响出水水质，甚至整个污水处理系统被破坏[8]；为保证出水水质，要求分散式生活污水处理系统必须具备较强的耐负荷冲击能力。本研究在系统HRT为14.3 h，转笼转速为10 r·min-1，自回流比2.5条件下，通过改变进水COD、氨氮、TN、TP浓度，考察系统污染物去除效果，研究自回流分散式生活污水处理装置耐负荷冲击能力，研究结果如图2所示。由图2可知，进水COD浓度从约100 mg·L-1逐渐增加至800 mg·L-1以上时，COD去除率为84%～95%，出水COD浓度随进水COD浓度增加而增加，这与系统总生物量有关，在总生物量相对稳定的情况下，超过降解范围的有机物得不到降解去除；当进水COD浓度在700 mg·L-1以下时，出水COD浓度稳定在60 mg·L-1以下，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准，表明系统装置具有较强的抗有机负荷冲击能力。

图2 负荷对系统污染物去除性能的影响Fig.2Effect of loading on the removal of pollutants

氨氮、TN是分散式生活污水处理重要脱氮考察指标，本研究中工艺装置去除氨氮的原理与生物转盘类似，去除TN的原理与A/O工艺相似，去除效果受进水有机物与氨氮的浓度及比例等影响[9]。进水氨氮浓度由约5.0 mg·L-1增加到35 mg·L-1（对应的COD浓度为700 mg·L-1以下）时，系统对氨氮去除率在90%以上，出水氨氮维持在5.0 mg·L-1以下，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准。当进水氨氮浓度由30 mg·L-1增加到40 mg·L-1时，氨氮去除率由90%下降至约74%，出水氨氮浓度增加至10 mg·L-1左右。这是由于降解有机物的异养型细菌优先利用水中溶解氧（Dissolved Oxygen，DO)进行繁殖，自养型硝化菌活性受到抑制，硝化效果下降，最终导致氨氮去除率降低[10]。进水TN浓度为5～40 mg·L-1，出水TN稳定在4～15 mg·L-1，出水TN浓度达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级A标准，说明碳源充足条件下系统具有良好反硝化作用，系统对TN去除效果较好。

生物法除磷主要通过聚磷菌厌氧释磷、好氧过量吸收磷和排泥实现。本研究使用的工艺装置为缺氧段采用活性污泥法，好氧段采用生物膜法，活性污泥量少影响聚磷菌过量吸收磷。当进水TP由1.0 mg·L-1增加到2.5 mg·L-1时，TP去除率由10%增加至50%；当进水TP浓度进一步增加至8.0 mg·L-1时，TP去除率基本维持在50%～60%，出水TP在1.3～3.5 mg·L-1之间。可见，生物膜法除自身代谢去除部分磷物质外，基于生物膜法的分散式生活污水处理装置出水磷浓度很难达到排放要求，故生物膜法需后端增加除磷工段才能达到进一步除磷的目的[11]。

综上所述，基于A/O工艺和筒车技术相耦合的自回流分散式生活污水处理装置具有良好的耐有机物及氮素负荷冲击能力。其处理COD、氨氮、TN、TP浓度分别为104.96～619.93 mg·L-1、4.57～29.93 mg·L-1、6.17～29.47 mg·L-1和0.97～6.00 mg·L-1的人工污水，出水COD、氨氮、TN均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18 918-2002）一级B标准，同时具有约50%～60%的总磷去除率。

2.2 碳氮比对系统去除性能的影响

分散式生活污水因污染来源不同，水质差异大，总体呈现碳氮磷比例不协调，特别是有高含氮废水排入的地方，其污水碳氮比严重失调[12]。本研究在HRT为14.3 h（转笼反应池HRT为8 h）、转笼转速为10 r·min-1、回流比2.5、进水COD浓度为500 mg·L-1的条件下，通过改变进水氨氮、TN浓度，考察不同碳氮比对自回流分散式生活污水处理工艺装置污染物去除效果的影响，研究结果如图3所示。

图3C/N对系统污染物去除性能的影响Fig.3Effect of C/N on the removal of pollutants

图3 表明，在碳氮比为5∶1～20∶1范围内，系统对COD去除率保持在84%以上，出水COD浓度低于100 mg·L-1，满足《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准，表明系统具有较好的有机物去除能力；氨氮去除率随碳氮比降低而降低，亦或随进水氨氮浓度增加而下降，总氮去除效果与氨氮一致，氨氮和总氮去除率分别由碳氮比为20∶1时的97%和83%下降至碳氮比为5∶1时的18%和20%。这是因为高氨氮浓度对有机物降解菌和硝化菌活性具有抑制作用[13]，同时由于反硝化过程中碳源的不足，导致TN去除效果不理想[14]。系统TP去除率随C∶N下降而整体下降，由碳氮比为20∶1时的60%下降至碳氮比为5∶1时的35%，这是由于在C∶N降低的条件下，厌氧区中的反硝化细菌会优先利用进水碳源进行反硝化，使得用于释磷的碳源量大大降低，释磷作用的减弱直接影响后续好氧吸磷过程，导致对磷酸盐去除率的降低[15]。总体上，自回流分散式生活污水处理系统处理C∶N不低于17∶1人工配水，可实现出水COD、氨氮、TN浓度达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准，处理C∶N不低于14∶1人工配水，可实现出水COD、氨氮出水浓度达到《污水综合排放标准》（GB 8 978-1996）一级标准。

3 结论

（1）研发的自回流一体化分散式生活污水处理装置具有良好的耐负荷冲击能力。在HRT为14.3h（转笼反应池HRT为8 h），转笼转速为10 r·min-1，回流比为2.5条件下，分散式生活污水处理装置处理COD、氨氮、TN、TP在104.96～619.93 mg·L-1、4.57～29.93 mg·L-1、6.17～29.47 mg·L-1和0.97～6.00 mg·L-1的人工污水，出水COD、氨氮、TN均能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准，同时具有约50%～60%的总磷去除率。

（2）系统具有一定的低C∶N比生活污水处理能力。在C∶N不低于14∶1条件下能实现出水COD、氨氮出水浓度达到《污水综合排放标准》（GB 8978-1996）一级标准；在C∶N不低于17∶1条件下能实现出水COD、氨氮、TN浓度达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）一级B标准；同时具有50%以上总磷去除率。

[1]江科，王业春，张晟，等.三峡库区小流域农村生活污水排放格局及污染物特征[J].环境科学与技术，2015，38（6）：39-43.

[2]陈子爱，贺莉，施国中，等.农村生活污水排放量及特征分析[J].中国沼气，2016，34（4）：67-69.

[3]方芳，王磊，郭劲松，等.三峡库区典型临江村镇排放污水的水质水量特征分析[J].农业环境科学学报，2009，28（8）：1661-1668.

[4]李希希.重庆地区农村分散型生活污水处理现状及其技术适用性研究[D].西南大学，2015.

[5]续衍雪，吴熙，黄一凡，等.三峡库区生态屏障区污水处理工艺及污水处理厂建设费用研究[J].环境污染与防治，2016，38（4）：95-98，102.

[6]李袁琴，唐奕，梁进，等.多面空心球载体新型生物转笼处理生活污水性能研究[J].环境工程学报，2012，6（2）：496-500.

[7]国家环境保护总局，《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法（第四版）[M].北京：中国环境出版社，2002.

[8]周琦，黄勇，李祥，等.分散式生活污水处理工艺适宜性探讨[J].水处理技术，2014，40（5）：22-26，37.

[9]李发站，吕锡武，窦月芹.生物法脱氮新技术及研究进展[J].安全与环境工程，2005，12（2）：53-56.

[10]方振东，赵刚等.生物陶粒反应器中硝化自养菌与异养菌生长关系的研究[J].中国给水排水，1998，14（1）：18-22.

[11]郑兴灿，李亚新.污水除磷脱氮技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2000.

[12]郭永龙，武强，王焰新，等.分散式生活污水污染源的治理技术与方法述评[J].环境科学与技术，2004，27（1）：100-102.

[13]王庆，丁原红，任洪强，等.高浓度氨氮对活性污泥性能的影响[J].工业用水与废水，2012，43（2）：13-16.

[14]王宏杰，董文艺，甘光华，等.碳氮比对气水交替式膜生物反应器同步脱氮除碳的影响[J].哈尔滨工业大学学报，2011，43（2）：45-49.

[15]王伟，陈强，王传新，等.改良分段进水工艺处理低C/N值污水内循环比优化[J].中国给水排水，2015（19）：48-52.

[责任编辑：丹兴]

Effects of Loading and Carbon-nitrogen Ratio on the Removal of Integration Decentralized Sewage Treatment Device

Chen Ting-ting1,Huang Jian-sheng1,Liao Wei-ling1,Tong Qi-bang1,Zhu-li2, Zhang Jie3,Yao Yuan1,Lv Sheng-hong1,Wu jia-xi1

（1.Chongqing Academy of Environmental Science,Chongqing 401147,China;2.Internal Trade Engineering Design&Research Institute,Beijing 100069，China;3.Beijing Zexin Estate Co.,Ltd.,Beijing 100070，China）

In order to explore the effects of loading and the carbon-nitrogen ratio on the removal of integration decentralized sewage treatment device,the synthetic sewage with different wastewater concentration and different carbon-nitrogen ratio was treated by the device.The results showed that this device has good anti-shock hydraulic capability and can be used to treat wastewater with low carbon-nitrogen ratio.When the concentration of COD, NH3-N,TN and TP were 104.96～619.93 mg·L-1,4.57～29.93 mg·L-1,6.17～29.47 mg·L-1and 0.97～6.00 mg·L-1respectively,the effluent’s concentration of COD,NH3-N and TN can all meet the level 1-B of the Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant(GB 18918-2002).When carbon-nitrogen ratio was higher than 14∶1,the effluent’s concentration of COD,NH3-N and TN can all meet the level 1 of the Integrated wastewater discharge standard(GB 8978-1996).When the carbon-nitrogen ratio was higher than 17∶1,the ef fluent’s COD,NH3-N and TN can all meet the level 1-B of the Discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant(GB 18918-2002).Meanwhile,process equipment has more than 50%of TP removal rate.

loading;carbon-nitrogen ratio;decentralized sewage;treatment device;performance

X502

A

2096-2347（2016）03-0059-06

10.19478/j.cnki.2096-2347.2016.03.09

2016-07-16

重庆市基础科研业务费计划项目（2013cstc-jbky-01603、2013cstc-jbky-01611）。

陈婷婷（1992—），女，重庆酉阳人，学士，助理工程师，主要从事水污染控制研究。E-mail：546510742@qq.com

*[通讯作者]黄健盛（1980—），男，广西藤县人，博士，正高级工程师，主要从事水污染控制研究。E-mail：303982960@qq.com