多段进水一体化污水处理设备处理农村污水研究

韩 菲，赵 媛，张秀捷，房亚军，杨 超，姚 虹，王培京，刘 操

(1.中国通用机械工程有限公司，北京 100050;2.北京市 通州区水务局，北京 101100;3.北京市 水科学技术研究院，北京 100048)

随着农村经济的发展，水冲式厕所进一步普及，农户居民生活用水量增长趋势明显，农村生活污水处理逐渐成为水污染治理的重点。农村污水排放呈现排放量小、排放分散、冲击负荷较大、污水排放流量和有机负荷波动性大等特点，同时由于建设相对滞后、管网缺失、城镇化进程加快、可用地面积越来越小等一系列原因，集约式小型一体化污水处理设备成为农村污水处理的良好选择。

农村地区分散点源污水处理设备接纳污水量偏小，其设计和运行不能套用城市污水数以万吨的处理能力所获得的参数。现有的MBR工艺运行操作复杂、建设投资较高[1]；且人工湿地、氧化塘等工艺存在占地偏大、负荷较低、稳定性差等问题[2]，均难以在农村地区广泛应用；同时农村与城市污水水质差别较大。因此研究一体化污水处理设备处理农村生活污水具有重要实践意义。

本项研究在传统的脱氧除磷(university of cope town,UCT)工艺的基础上，针对氮磷去除中对溶解氧、碳源需求特点和农村污水水质特点，设计多点分段进水一体化处理，以北京市通州区城郊农村污水为对象，对比分析分段进水与传统进水对处理效果的影响，为相关应用提供支撑。

1 方法与材料

1.1 反应器设计

反应器设有厌氧单元、缺氧单元和好氧单元3大主体单元。污水由厌氧单元、缺氧单元和好氧单元进水。污泥回流设有2个途径：二沉池回流到缺氧单元和缺氧单元回流到厌氧单元。工艺流程如图1所示。

图1 工艺示意图

反应单元均为圆柱体。厌氧单元和缺氧单元直径80 mm、有效水深1 000 mm；好氧单元直径100 mm，有效水深1 600 mm。

1.2 进水水质

实验场地建于通州区某小型污水处理场站，实验水质见表1。

表1 反应器进水水质(mg·L-1)

1.3 实验设计

1.3.1 系统启动与驯化

本实验的污泥从北京某污水处理厂取回流污泥，驯化过程分为2个阶段：

第Ⅰ阶段：采用原污水半水力负荷连续进水，不排泥，直至MLSS达到2 500 mg·L-1。

第Ⅱ阶段：向原水中投加葡萄糖补充碳源，全水力负荷，排泥运行。反应器MLSS稳定维持在2 500～3 000 mg·L-1，当污泥沉降性能良好且镜检下出现大量钟虫及轮虫时，若出水各项指标基本稳定，则认为污泥接种驯化完成，反应器成功启动。

运行参数见表2。

表2 主要运行参数

1.3.2 水质分析方法

实验中所要测定的水质指标及其分析方法见表3。

表3 常规指标测定方法

1.3.3 实验设计

2 结果与讨论

2.1 进水方式对COD去除的影响

3种进水方式对系统COD去除的影响如图2所示。

图2 3种进水方式下COD变化趋势

实验期间，进水COD浓度变化幅度为220～390 mg·L-1。COD去除率为83.9%～96.9%。其中，进水方式为3段进水时，去除率达到最高，为93%～97%，比单点进水和两段进水分别高出约15%和8%。

分析认为，多段设计在最小体积内提升了水质，上一阶段未降解的污染物可以在下一阶段继续进行，从而提高了水质。本研究中，设计多段缺氧—好氧组合，提升了难降解有机物的高效分解，进而提升了后续好氧段对有机物的彻底降解；多段进水系统中，厌氧和缺氧区域对有机物的去除显著提高，意味着厌氧区释磷和缺氧区反硝化对碳源的需求带来了有机物浓度的下降[3-5]。

厌氧条件下，除磷菌分解体内的聚磷酸盐而产生ATP，并利用ATP将废水中的有机物摄入细胞内，以聚β-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出体外，完成释磷过程。这一过程需要有机物的参与，从而提升厌氧区有机物的去除率[6-7]。

2.2 进水方式对TN去除的影响

3种进水方式对TN去除的影响见图3。系统进水总氮浓度为27～42 mg·L-1。TN去除率为73.0%～86.2%。其中，进水方式为3段进水时，去除率达到最高，为82.9%～86.2%，比单点进水和两段进水分别高出约13%和6%。

实验过程观察到，分段进水对硝化作用影响不大，3种方式氨氮去除率相近。而反硝化多在第一个缺氧池内发生，认为与这一区域高比例进水和污泥回流带来的高硝化氮浓度和有机物浓度有关，与T.Y.Pai等人的研究一致[4]。同时这一区域对COD的去除相对较高，反映了该区域反硝化过程对碳的利用。

图3 3种进水方式下TN变化趋势

2.3 进水方式对TP去除的影响

3种进水方式对TP去除的影响如图4所示。系统进水总磷浓度为1.7～5.7 mg·L-1，TP去除率为77%～91%。其中，进水方式为3段进水时，去除率达到最高，为86%～91%，比单点进水和两段进水分别高出约13%和5%。

图4 3种进水方式下TP变化趋势

综上所述，系统分段段数对工艺除污染效果影响很大。随着系统分段段数的增多，各段的进水比例相应减少，反硝化菌和聚磷菌能够更加充分地利用各段进水中的有机碳源，从而提高系统的脱氮除磷效率[6-8]。

在本研究系统中，遵循UCT工艺的理念，直接回流污泥到缺氧池，避免了回流污泥中的DO和硝化氮对厌氧区域释磷条件的冲击，包括对溶解氧的影响，同时避免了硝化氮在厌氧条件下进行反硝化时与释磷对碳源的竞争，使磷在厌氧条件下最大化释放，从而提升后续好氧池的聚磷(除磷)效果[9-10]。

传统的单点进水UCT工艺使流入缺氧池中的碳源不能够满足回流液中硝态氮的反硝化需求，因此采用单点进水的脱氮效率相对较低。两段进水补充了较多的碳源，缓解了对回流液中硝态氮的反硝化需求[11-13]。厌氧池和缺氧池都有部分进水流入，为厌氧池的厌氧释磷和缺氧池的回流硝化液的反硝化脱氮提供了一定量的碳源，当两点进水的进水量相等时，进水中的碳源可以满足缺氧池中回流硝化液反硝化脱氮的需求，但是在厌氧池中对释磷要求的碳源不足，除磷效果比预想差。

本项研究用水碳氮比较低，碳源很大程度上是限制反硝化效率的因素[14]，因此可以通过提高第一个阶段的进水比例而不必提高污泥回流比来提升氮的去除。采用多点进水可对进水的流量进行合理分配，尽量缩短厌氧释磷延误的时间，提高进水中碳源用于脱氮除磷的比例，从而最大限度地提高脱氮除磷的效率。

5 结 论

对污水进行生物处理过程中，在生化组合单元容积以及二沉池固体负荷相同的条件下，采取分段进水工艺相比传统的污水处理工艺具有较为明显改善脱氮除磷的去除效果。当采取三段进水时，COD、TN和TP达到最佳去除率，分别为93%～97%、82.9%～86.2%和86%～91%，比单点进水和两段进水分别高出15%和8%、13%和6%、13%和5%。因此，通过选用多段进水运行方式，能够切实提高污水处理系统对氮磷的去除效率。