光伏驱动一体化装置处理农村生活污水的性能研究

张永平,李妮,温静静,孙甲玉*,孟凡坤,吴雅文,夏夕雯

光伏驱动一体化装置处理农村生活污水的性能研究

张永平1,李妮2,温静静1,孙甲玉2*,孟凡坤2,吴雅文2,夏夕雯1

1. 水发规划设计有限公司, 山东 济南 250001 2. 山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018

针对北方丘陵地区农村生活污水的排放特征，本论文构建了一套基于光伏系统驱动的生物接触氧化污水一体化处理装置，并研究了该装置对模拟农村污水的处理效能。研究结果表明，在处理量为50和100 L·d-1条件下，该装置可实现对COD、NH3-N、TN和TP 的稳定去除，出水均能满足山东省《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》（DB 37/3963-2019）一级标准。与其他常规生物处理工艺相比，该装置具有便于安装，无需大规模铺设管网，无需外加电源，且处理后的出水可以直接回用于农田等优点，尤其是对居住相对分散的丘陵山区农村生活污水处理具有较强的推广应用价值。

污水处理设备; 污水处理; 性能分析

随着我国社会经济的快速发展和农村生活水平的不断提高，农村地区的污水排放量和污染物成分复杂度也在逐年提高。然而，农村居民排放的生活污水大多得不到有效的收集和处理，导致农村生活污水随处排放，污染环境[1,2]。近年来，国内外均对农村污水处理问题开展了大量的研究和实践，如美国采用高效藻类塘工艺，利用藻类与好氧细菌的共生关系，去除水中污染物[3]；澳大利亚采用渗滤系统将过滤、土地处理与暗管排水相结合去除水中污染物[4]；日本则主要采用生物膜法以及活性污泥法等处理工艺处理农村生活污水[5,6]。国内研究较多的是序批式活性污泥法、厌氧–缺氧–好氧活性污泥法、移动床生物膜反应器、土地渗滤系统、地表漫流系统和稳定塘组合等方法[7, 8]。

不可否认，通过近几年对农村污水的治理有效地改善了我国农村的居住环境，但是目前采用的农村污水处理设施多数属于城市污水处理设施的微型化，也造成了建设费用过高、能耗高、运维管理难以持续等问题，从而导致农村污水处理设施运行不稳定或“晒太阳”等现状。尤其是北方丘陵山区，农民居住相对分散，污水管网建设难度大、费用昂贵，也制约了农村污水治理的进程。基于上述考虑，本文根据农村污水的排放特征和水质特征，构建了一套适合农村生活污水分散处理的光伏驱动农村生活污水一体化处理装置，系统研究了该装置的污水处理效能，并论证了该装置对农村生活污水处理的适用性和经济性，旨在促进农村污水处理及水环境改善提供一条简易有效的途径。

1 材料与方法

1.1 实验用水

试验进水水样采用人工模拟生活污水。人工模拟生活污水主要由CH3COONa、(NH4)2SO4、KH2PO4、CaCl2、MgSO4和微量元素组成。微量元素主要由FeCl3·6H2O、H3BO3、CuSO4·5H2O、KI、MnCl2·4H2O、NaMoO4·2H2O、ZnSO4·7H2O、CoCl2·H2O和EDTA组成。将人工模拟生活污水母液[9]以1:100比例稀释至自来水中形成人工模拟污水。

1.2 试验装置

光伏驱动农村生活污水一体化处理装置结构如图1所示。该装置采用有机玻璃制成，长、宽、高分别为90、30和50 cm，设置超高15 cm，总有效容积为94.5 L。槽体中依次设置进水配水池、一级缺氧池、二级缺氧池和接触氧化池，容积分别为15.75、21.00、21.00和36.75 L。进水配水池上部设计筛网，以拦截进水中较大的悬浮物。一级缺氧池和二级缺氧池内沿竖向依次布置8根悬挂式软性填料，填料安装高度均为30 cm，填料填充率均为71.77%。接触氧化池内布设8根立体弹性填料，填料安装高度为30 cm，填料填充率为74.32%。接触氧化池底部设有微孔曝气盘，并设有硝化液回流装置。各池体与下一池体间设有间隙1.5 cm的导流槽，导流槽使污水自下而上流动，以防止污水短流。在室外阳光充足的地方设置两块太阳能电池板，连接试验装置的蓄电池，用以驱动曝气盘和回流装置。

1进水管，2顶盖，3硝化液回流管，4筛网，5进水配水池，6一级缺氧池，7二级缺氧池，8接触氧化池，9沉淀池，10软性填料，11立体弹性填料，12回流泵，13增氧泵，14蓄电池，15太阳能电池板，16第一导流槽，17出水孔，18曝气盘，19出水管

1.3 挂膜启动与运行

装置采取人工接种进行挂膜启动，接种污泥取自山东省泰安市某城镇污水处理厂二沉池。将接种的活性污泥分别投入一级缺氧池、二级缺氧池和接触氧化池，加入生活污水闷曝24 h，然后采用小流量连续进水。运行11 d后，改为早、中、晚3次间歇进水，进水量分别为设计日处理量的1/3。挂膜期间，进水COD、NH3-N、TN和TP分别为194.65～232.14、19.41～21.19、20.52～22.67和2.13～2.51 mg·L−1，水温为23.3～28.1 ℃，pH为在7.0～8.0，硝化液回流比为200%，接触氧化池DO为4.2～5.8 mg·L−1。装置启动29 d后，对COD、NH3-N、TN和TP的去除率分别达到89.36%、81.07%、48.00%和34.01%，其中，COD、NH3-N和TN均达到山东省《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》（DB 37/3963–2019）一级排放标准（COD≤60 mg·L−1，NH3-N≤8 mg·L−1，TN≤20 mg·L−1），且装置运行稳定，判定生物膜已成熟，挂膜成功。

一体化装置运行过程中，模拟农村排水实际，采用间歇式进水，即早、中、晚3次进水，进水量分别为设计日处理量的1/3。人均排放污水量为25 L·d-1，将户均人口定为2、4和6人，则污水进水量设计为50、100和150 L·d-1。设计进水COD约为200 mg·L-1，NH3-N约为20 mg·L-1，TN约为20 mg·L-1，TP约为2.46 mg·L-1。在水温为20.1～25.3 ℃，曝气量为8 L·min-1，硝化液回流比为200%，pH为7～8，研究光伏驱动一体化装置对COD、NH3-N、TN和TP的去除效果。

1.4 样品检测和评价

采集的样品酸化后于24 h内测定化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）和总磷（TP）。COD采用重铬酸盐法测定，NH3-N采用纳氏试剂分光光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定[10]。根据山东省《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》（DB 37/3963-2019）（以下简称为“排放标准”）对水质进行分析和评价。

2 结果与讨论

2.1 一体化装置对COD的去除效果

一体化装置对COD的去除效果如图2所示。处理量为100 L·d-1，当进水COD为200.00～239.28 mg·L-1，出水为11.16～24.13 mg·L-1，去除率为85.76%～94.84%，出水均达到了“排放标准”的一级要求。运行20 d后，将处理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，当进水COD浓度为192.86～242.85 mg·L-1，出水浓度为12.53～29.49 mg·L-1，去除率为88.91%～94.42%，出水均达到了“排放标准”的一级要求。以处理量为50 L·d-1运行21 d后，再将处理量由50 L·d-1提高至150 L·d-1。当进水COD浓度为194.65～225.00 mg·L-1，出水浓度为22.08～66.11 mg·L-1，去除率为70.38%～90.11%。当处理量由50 L·d-1提高到150 L·d-1的第1 d，COD进水浓度为223.21 mg/L，出水浓度大幅度提高至66.11 mg·L-1，出水未能达到“排放标准”的一级要求，其他均达标。在整个运行过程中，填料上的微生物与大量悬浮微生物接触到污水中的有机污染物，通过微生物的氧化分解、同化作用及硝化液回流稀释作用实现了COD的快速降低[11]，说明该一体化装置对农村污水COD的去除有较好的效果，且运行稳定，抗冲击负荷能力强。

图 2 一体化装置对COD的去除效果

2.2 一体化装置对NH3-N的去除效果

一体化装置对NH3-N的去除效果如图3所示。处理量100 L·d-1时，当NH3-N的进水浓度为19.39～20.82 mg·L-1，出水浓度为0.14～5.18 mg·L-1，去除率为75.00%～99.32%，出水均达到了“排放标准”的一级要求。在运行的3～14 d，出水NH3-N有小范围的升高，主要是因为这几天出现了连续的阴雨天气，太阳能供电不足，导致夜间曝气泵停止曝气。太阳能供电恢复后，在运行的第16 d，NH3-N去除率提高至98.86%，出水浓度仅为0.23 mg·L-1。运行20 d后，将处理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，NH3-N的进水浓度为20.32～21.20 mg·L-1，出水浓度为0.01～0.22 mg·L-1，NH3-N的去除率为98.93%～99.95%，均达到“排放标准”的一级要求。在处理量50 L/d条件下运行20 d后，再将处理量由50 L·d-1提高到150 L·d-1，当NH3-N的进水浓度为19.95～21.37 mg·L-1，出水浓度为2.56～12.97 mg·L-1。在从50 L·d-1提高到150 L·d-1第1 d，NH3-N出水浓度大幅度增加至11.24 mg·L-1，在处理量为150 L·d-1运行10 d后达到在该条件下最高去除效果，此时，出水NH3-N浓度为2.56 mg·L-1，去除率为88.02%。但在后续的运行中装置对NH3-N的去除效果逐渐变差。

上述试验结果表明装置在处理量为50 L·d-1和100 L·d-1时，对生活污水中的NH3-N有较好的去除效果，且运行相对稳定。但当处理量为150 L·d-1时，处理效果较差，且运行不稳定，这可能是因为随着进水量的增大，生物膜增厚，导致曝气装置产生的气泡不足以穿透生物膜，从而导致NH3-N出水浓度升高[12]。

图 3 一体化装置对NH3-N的去除效果

2.3 一体化装置对TN的去除效果

一体化装置对TN的去除效果如图4所示。处理量为100 L·d-1时，当TN的进水浓度为20.14～21.50 mg·L-1，出水浓度为6.37～9.73 mg·L-1，去除率为51.69%～69.72%，出水均达到了“排放标准”的一级要求。运行20 d后，将装置处理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，当TN的进水浓度为20.14～21.69 mg·L-1，出水浓度为3.28～6.79 mg·L-1，去除率为68.09%～83.93%，出水均达到了“排放标准”的一级要求。处理量为50 L·d-1时较100 L·d-1时TN的处理率有所提高，是因为随着日处理量的降低，缺氧池的反硝化负荷相应降低[13]。此外，日处理量的降低，回流流量也相应降低，使缺氧池更易保持较低的溶解氧，提高了缺氧池中反硝化细菌的脱氮效率[14]。在处理量为50 L·d-1条件下运行20 d后，将处理量50 L·d-1提高到150 L·d-1。处理量为150 L·d-1时，TN的进水浓度为20.07～21.84 mg·L-1，出水浓度为10.34～15.05 mg·L-1，除率为26.41%～48.82%。在从50 L·d-1提高到150 L·d-1第1 d，TN出水浓度增加至15.05 mg·L-1，去除率降低为28.24%。随之时间的延长，装置适应了进水负荷，TN去除率有所提高，在运行的前13内基本稳定在40.00%以上，但在15 d后出现了大幅度下降。

上述试验结果说明装置在处理量为50 L·d-1和100 L·d-1时，对生活污水中的TN有较好的去除效果，且运行相对稳定；但当处理量为150 L·d-1时，处理效果较差，且运行不稳定。

图 4 一体化装置对TN的去除效果

2.4 一体化装置对TP的去除效果

一体化装置对TP的去除效果如图5所示。在处理量100 L·d-1时，当TP的进水浓度为2.19～2.64 mg·L-1，出水浓度为1.38～1.98 mg·L-1，去除率为12.62%～45.17%，出水40.00%达到“排放标准”的一级要求。其中运行的第7～14 d，TP的去除率出现下降，是因为出现了连续的阴天天气，太阳能供电不足，导致夜间曝气泵停止工作，无法满足微生物对溶解氧要求，曝气泵正常工作后，装置对TP的去除也恢复正常。运行20 d后，将装置处理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，TP的进水浓度为2.20～2.36 mg·L-1，出水浓度为1.15～1.30 mg·L-1，去除率为41.69%～49.76%，出水100%达到“排放标准”的一级要求。在处理量50 L·d-1条件下运行20 d后，将处理量由50 L·d-1提高到150 L·d-1。在处理量150 L·d-1时，TP的进水浓度为2.20～2.47 mg·L-1，出水浓度为1.52～3.28 mg·L-1，均未达“排放标准”的一级要求。

由于本装置设计主要是为了解决农村污水突出的有机物和氮的超标问题，所以生物膜更新周期较长，很难通过排除富磷生物膜达到除磷的效果，所以系统对TP的去除主要为生物的同化作用[15]。

图 5 一体化装置对TP的去除效果

3 结论

（1）在处理量为50和100 L·d-1条件下，该装置可实现对COD、NH3-N、TN和TP的稳定去除，出水均能满足山东省《农村生活污水处理处置设施水污染物排放标准》（DB 37/3963-2019）一级标准。该装置对农村间隙性排放的生活污水具有较好的处理效果，且运行稳定，具有较高推广应用价值；

（2）光伏驱动农村生活污水一体化处理装置无需外加电能，可大大降低建设和运维成本，减少碳排放，具有较高的经济效益和生态效益。

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Study on the Performance of the Photovoltaic Driven Integrated Device for Treating Rural Domestic Sewage

ZHANG Yong-ping1, LI Ni2, WEN Jing-jing1, SUN Jia-yu2*, MENG Fan-kun2, WU Ya-wen2, XIA Xi-wen1

1.250001,2.271018,

In view of the discharge characteristics of rural domestic sewage in the northern hilly region, an integrated biological contact oxidation wastewater treatment device, which was driven by photovoltaic system, was proposed in this paper, and the performance of the device for removing pollutants in simulate rural sewage were also studied. The results showed that the proposed device exhibited a high stable removal efficiency for COD, NH3-N, TN, and TP under the treating capacity of 50 and 100 L·d-1, which could meet the 1st level standard of Discharge Standard for Water Pollutants of Rural Domestic Sewage Treatment and Disposal Facilities of Shandong Province (DB 37/3963-2019). As compared to those traditional biological treatment processes, the integrated device presents some advantages of easy installation, without large-scale pipe network, no external power supply, and the treated effluent can be directly recycled for farmland. In sum, the designed integrated device in this work can be practical applied in rural sewage treatment, especially for those relatively scattered living in the hilly and mountainous areas.

Sewage treatment device; sewage treatment; performance analysis

U664.9+2

A

1000-2324(2022)04-0599-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.015

2022-02-12

2022-04-18

张永平(1979-),男,硕士,高级工程师,研究方向:水文水资源、水利规划. E-mail:13573769669@163.com

Author for correspondence. E-mail:1536929371@qq.com