AO与后置生物滤池工艺在村镇污水处理中的应用

2021-10-11张永来孙明恩程素斌

净水技术 2021年10期

李媛，孙捷，张永来，孙明恩，程素斌

(1. 苏州首创嘉净环保科技股份有限公司，江苏苏州 215126； 2. 同济大学土木工程学院，上海 200092；3. 江苏省苏州环境监测中心，江苏苏州 215126； 4. 江苏佳信检测技术有限公司，江苏苏州 215126)

据统计，目前我国有4万多个乡镇，60多万个行政村和272.98万个自然村，仅有19.4%的乡镇生活污水被集中处理，96%的村庄没有污水收集和处理系统。大量未经处理的生活污水直接排入水体，导致河流、湖泊、地下水等水质显著下降，造成村镇生态环境严重恶化[1]。因此，在农村推广生活污水处理设备尤为重要，对改善村镇水环境、居民生活环境具有重大意义[2]。

村镇生活污水常见的处理模式有一体化污水处理设备、人工湿地污水处理系统和土壤渗滤污水处理系统[3-7]。其中，一体化污水处理设备是目前国内村镇污水处理应用较多的一种处理模式。然而，由于村镇居民居住分散、污水水质水量波动大、季节性差异较大等原因[8]，一体化污水处理设备出水难以稳定达标。

针对此现象，在苏南某农村选取3台一体化生活污水处理设备(10 t/d)进行水质跟踪，并做相应提升改造，旨在为村镇一体化生活污水处理设备的有效应用提供技术支撑。生态滤池有效提升了一体化生活污水处理站区出水水质，进一步将此技术应用到200 t/d生活污水处理站区，并对运营成本进行核算。

1 材料与方法

1.1 一体化生活污水处理设备工艺流程

一体化生活污水处理设备工艺流程如图1所示，原水经土建调节池调节水质水量后，通过提升泵提升进入设备中。设备采用AO工艺，先缺氧后好氧，在缺氧区设鲍尔环填料，利用缺氧填料上附着生长的微生物，初步去除污水中可生化降解的污染物，同时，充分利用原水中的有机物作为反硝化的碳源，对好氧区回流的硝化液进行反硝化脱氮。缺氧区水力停留时间(HRT)为8 h，采用鲍尔环填料，填充比为40%，硝化液回流比可通过阀门进行控制，为2Q～4Q(Q为进水流量)。

图1 一体化生活污水处理设备流程示意图Fig.1 Schematic Diagram of Integrated Domestic Sewage Treatment Plant

好氧区投放生物填料，在曝气搅动下，生物填料呈流化状态，在水中上下波动并切割气泡，延长气泡在水中的停留时间。在与污水和气泡充分接触过程中，填料上附着生长一层微生物，形成稳定的生物膜，从而大量降解水中的有机物，并将氨氮转化为硝态氮。同时，在好氧区设气提泵，将好氧硝化液定量回流到缺氧调节区，使硝化液在缺氧区发生反硝化反应去除水中的TN。好氧区HRT为15 h，采用PE填料，填充比为40%，该区DO控制在4 mg/L以上。

经过好氧区处理后，进入沉淀区沉淀水中的悬浮物，沉积在底部的污泥通过气提泵定期气提，回流到缺氧调节区或土建调节池中，沉淀池HRT为3.3 h。

对于村镇生活污水处理设备，由于站区分布分散，为减少运营维护时间及保证出水TP稳定达标，多采用加药除磷方式。

1.2 进水水质情况及检测方法

各站区进水情况如表1所示。

表1 各站区进水情况Tab.1 Influent Water Quality of Each Station

主要检测指标为COD、氨氮、TN、pH、DO，均采用国标法检测。

1.3 水质提升改造措施

对集中式生活污水一体化站区水质进行跟踪，发现出水COD、氨氮、TN仍难以稳定达标，因此，于2019年4月起，采用如下措施对出水水质进行提升。并于2019年11月起，对冬季条件下改造后的集中式生活污水站区处理情况进行跟踪对比。

图2为改造后的站区外观图。原有的一体化污水处理设备为地埋式，仅电控柜放置在地面上，站区水质改造加装过滤装置置于地面，有利于利用光照,保证水生植物的生长及TN去除。主要改造措施如下。

图2 站区外观Fig.2 Appearance of Integrated Domestic Sewage Treatment Station

(1)原设备缺氧池布置9个点穿孔曝气，DO控制在0.5 mg/L以下，主要目的为搅动隔板底部污泥，保证缺氧段反硝化完成。

(2)沉淀池底部设置微孔曝气，DO控制在1 mg/L以下，以不搅动中上部污水为主，主要目的为改善沉淀池底部污泥特性，防止污泥反硝化上浮，影响出水水质。

(3)后置滤池采用组装形式，根据进水水质情况，设置2～3组，其中1～2组出水至站区好氧区，用于延长好氧区HRT，保证COD及氨氮稳定达标，1组用于站区出水池。滤池与好氧池容积比为1∶3，对于10 t/d站区，HRT延长约5 h。此处滤池容积的选择可与相应的进水水质对应。

(4)滤池进水为沉淀池中上部清水，采用小型水泵间歇或连续运行。

(5)加自培混合菌种及光合细菌，加快及维持设备稳定运行。

(6)滤池上方种植水生植物及小球藻等藻种，试验阶段选取水生植物为水芙蓉及铜钱草，用于促进TN去除。

2 结果与讨论

2.1 水质指标变化情况

2.1.1 CODCr

由图3可知，站区进水浓度波动较大，给一体化生活污水处理设备的耐冲击负荷能力带来很大挑战。A站区进水CODCr质量浓度高达614 mg/L左右，且总体进水浓度高于其他站区，这是由于该站区进水纳入公厕污水。因此，该站区在改造前处理能力较差，出水CODCr质量浓度在100 mg/L以上。经过改造，该站区出水水质得到显著提升，在进水CODCr质量浓度为389 mg/L时，出水CODCr质量浓度可降至51 mg/L，去除率为86.9%。当进水CODCr质量浓度低于300 mg/L时，出水COD达到城镇污水处理厂污水排放一级A标准。

图3 CODCr去除变化Fig.3 Changes of CODCr Removal during Operation

B站区改造前，CODCr平均去除率约为58%，改造后，COD平均去除率提高至77.7%。后置滤池的增加，使出水稳定性得到显著提高，从7月开始，出水CODCr质量浓度保持在35 mg/L以下，且出水清亮。

由图3可知，C站区整体进水浓度较低，改造前进水COD虽有部分去除，但出水COD仍较高。改造后，该站区平均COD去除率为78.5%，在进水CODCr质量浓度低于203 mg/L时，出水CODCr质量浓度均在20 mg/L以下，出水水质得到显著提升。

需要说明的是，改造措施中，搅动缺氧池底部污泥，保证反硝化作用的实现，亦对COD去除起了不可忽视的作用。改造前，缺氧区底部污泥沉积，尚未有效发挥作用，也导致设备容积有效利用率较低，污染物去除效果较差。

为考察生态滤床冬季处理效果，2019年11月起对该站区运行效果持续跟踪。由图3可知，3个站区在冬季仍有较好的去除率，COD平均去除率分别为79.98%、83.08%、77.24%。分析原因认为，一是站区前端为地埋设备，水温约为15 ℃，提升至后置生态滤床中，微生物依然具有活性；二是所选生态植物在冬季仍具有较好的生存能力；三是冬季在生态滤床中添加低温藻种，保证及促进TN的有效去除。

2.1.2 氨氮

从图4可知，由于公厕污水的进入，A站区进水氨氮质量浓度高达268 mg/L，虽然如此，后置滤池增加了硝化能力，使出水氨氮质量浓度降至13 mg/L，去除率高达94.9%。改造后，在进水氨氮质量浓度为100 mg/L以上时，出水氨氮质量浓度在10～12 mg/L；在进水氨氮质量浓度低于100 mg/L时，出水氨氮质量浓度均在9.7 mg/L以下；氨氮平均去除率为91.0%。

图4 氨氮去除变化Fig.4 Changes of Ammonia Nitrogen Removal during Operation

改造前，B、C站区对氨氮去除率均较差，而改造后，氨氮去除率得到显著提升。B站区氨氮平均去除率提升至88.8%，出水氨氮质量浓度均在8 mg/L以下。C站区氨氮平均去除率提升至97.3%，在进水氨氮质量浓度低于30 mg/L时，出水氨氮质量浓度均在0.5 mg/L以下。

由图3和图4可知，在改造前，各站区氨氮去除率较低，改造后COD得到去除，氨氮的降解变得可行。一方面表明COD与氨氮的降解呈顺序相关，即只有COD较低时，硝化作用才会发生，这也与硝化菌世代期较长有关；另一方面表明原有设备的HRT不够，仅够碳化作用的发生，设备硝化不足。通过后置滤池的增设，不仅增加了站区总HRT，也使得氨氮在滤池里发生硝化反应。

在冬季，由于前端设备为地埋式，一体化设备内微生物活性依然较好，加之后端生态植物及低温藻种的作用，氨氮的去除率相较于夏季较低，但仍在86.12%以上，且在进水氨氮质量浓度低于50 mg/L时，出水氨氮质量浓度低于8 mg/L，可稳定达到城镇污水处理厂污水排放一级A标准。

2.1.3 TN

图5为改造前后TN去除变化情况，改造前TN去除率不足10%，经改造，系统在好氧区降低有机负荷，有利于硝化细菌将氨氮转化硝酸盐，再经缺氧反硝化增强系统的脱氮效能[9]。经改造，TN去除率得到大幅提高，3个站区TN平均去除率分别为67.1%、47.6%和50.8%。在反硝化的同时，COD去除率也得到了提高(图3)。值得注意的是，南方地区5月—9月适宜的温度及光照条件，使滤池上方水生植物及藻类对TN去除起到了很大的促进作用。在冬季，由于生态植物及低温藻种的作用，3个站区的TN依然具有较好的去除效果。

图5 TN去除变化Fig.5 Changes of TN Removal during Operation

综合来看，由于改造后系统的稳定性和耐冲击性增强，在冬季，虽然各污染物的处理效率较夏季稍有降低，但降幅较小，且出水数据稳定，远高于未改造时出水情况。表明即使在温度低的情况下，改造措施与后置生态滤池的配合可以达到水质提升的效果，体现了该工艺的可行性。

2.1.4 滤池及运营维护情况

由于村镇生活污水处理站区分散，对运营维护提出较高的要求。采取上述改造措施后：(1)缺氧池底部污泥搅动提高了缺氧池利用效率，沉淀池底部微曝气亦有效改善了浮泥现象，同时，有利于污泥回流至缺氧池进行反硝化，上述措施均对站区TN去除起了很大作用；(2)后置滤池的设置大大强化了设备的硝化能力，实现了硝化菌与碳化菌的分离，完全硝化后的硝化液回流至缺氧池，加之完全混合的泥水状态，保证了TN有效去除；(3)后置滤池顶部利用光照，培养铜钱草、光合细菌等，进一步为TN稳定去除提供保障；(4)该后置滤池与常规生活污水厂反硝化滤池的不同之处在于上部植物的设置，其根茎可有效吸附沉淀池带来的悬浮物，一方面起生物膜作用，另一方面可净化水质，延缓滤池反冲洗维护时间，根据原水水质情况，该滤池反冲洗时间为3～4周。

2.2 200 t/d一体化污水处理设备水质提升效果

根据前期良好的污染物去除效果,为进一步验证改造模式的可实施性，于2019年8月起，将该改造模式应用至200 t/d站区。该站区位于江苏省苏北某县，采用小型人工湿地(占地约50 m2)模式，浅滩区种植粉绿狐尾藻或其他水生植物，提升水质的同时增强站区景观效果。其次，考虑到大站区运营费用及成本问题，采用两种进水模式进行对比。

(1)模式Ⅰ：持续运行(HRT=6 h)，滤池一直处于运行状态。优点为处理效果好，出水水质能够达到一级A标准；缺点为能耗大，不利于节能，好氧池处于半空状态。

(2)模式Ⅱ：3次/d运行(HRT=2.2 h)，根据村镇居民普遍生活习惯，在高峰污水到达前提前将设备中的水抽入外接滤池。优点为出水水质能够达到城镇污水处理厂污水排放一级A标准，与持续运行模式相比，运行成本降低60%以上，更好地耐受了农村污水不稳定进水的冲击。

2.2.1 水质指标

图6为该站区稳定运行后，两种模式下COD去除变化情况。与10 t/d站区相比，200 t/d站区进水水质较稳定，且浓度较低，进水CODCr质量浓度在200 mg/L以下。由图6可知，两种模式下，站区出水CODCr质量浓度均已达到城镇污水处理厂污水排放一级A标准，COD平均去除率分别为89.9%和88.9%。两种模式下的氨氮平均进水质量浓度为25 mg/L，平均去除率分别为91.7%和91.3%，模式Ⅰ氨氮去除率略高(图7)。