高效节能小型生物污水处理设备研发与应用

李莹莹 邓崇琨 樊德强

（1 桂林电子科技大学 广西桂林 541004 2 广西瑞智科技有限公司 广西桂林 541004）

引言

村屯、医院、小型养殖业等产生的污水具有流量小、分散、水质波动大等特点。特别是我国农村人口比重大，而农村的村落布局又很分散、村民住房无规划情况较为普遍，加上基础设施相对滞后，造成了大量分散的、小流量的生活污水无组织排放。桂林市域内所排放污水中，还可能混合着比重较大的养殖、餐饮等废水，因而使得农村生活污水成为了漓江流域的重要水源污染源之一。

因此对小规模污水进行有效处理，不仅能够减轻污水无组织排放对水体造成的影响，而且对保护区域水环境质量具有积极的作用。开展高效节能小规模污水处理一体化设备的研发，就是要为这类分散而又难于集中处理的污水寻找有效的治理方案，对保护区域水环境有着重大的现实意义，特别是对于保护漓江流域以及类似流域的环境质量，控制面源污染将是十分有效的举措。

从技术和经济方面综合考虑，开发低投资、低成本、操作简单、管理方便的适用于乡镇污水的处理技术是目前新农村建设的当务之急。而目前低投资、低成本、操作简单、管理方便的乡镇污水处理技术成功应用并稳定运行的案例还不多。由于广西各乡村的地形地势差异大，各村可供建设污水处理站的可用地也越来越难找，因此，优选适宜的集中污水处理工艺，并开发高效节能的一体化设备，对于加快村屯的污水处理，保护流域的环境质量就显得尤为重要。部分已建成的污水处理站，其出水水质或隐性效果已经不能满足需求，迫切需要对系统的运行参数进行优化，或者对处理站进行改造，才能保证出水水质并节约运行费用，也需要进一步提供重要的基础资料和经验参数。

1 材料与方法

本项目将SND（Simultaneous Nitrification and Denitrification，同步硝化反硝化工艺）[1][2]过程与曝气生物滤池工艺有机结合起来，研发出一种低运行成本的“间歇曝气好氧生物滤池”（AOBAF 工艺）处理技术；使用污泥培养[3]方法，稳定和提升SND 的处理效果；完善SND 过程控制手段，优化设备工艺参数，改进结构，同时选择高效生物载体[4]促进微生物倍增，提高污水去除率。集成以上成果，研发一套采用太阳能供电进行微曝气自动控制的小型一体化[5]污水处理设备，实现分散式污水处理[6]的高效益和远程管理。在现有国内外的工艺流程上进行改进，弥补了其缺点，设计出了以“乡镇污水→预处理系统→AOBAF 工艺→消毒→排放”的工艺流程。

1.1 污水处理技术的应用优势

1.1.1 AOBAF 工艺处理技术

污水中的氮主要以有机氮（如蛋白质）和氨氮（NH4+-N）的形式存在，同时在环境中会发生转化，导致亚硝酸盐氮（NO2--N）和硝酸盐氮（NO3--N）的存在。污水生物脱氮主要是利用不同的微生物的代谢功能，将水体中的有机氮和氨氮逐渐被氧化并最终被还原为气态氮（如氧化亚氮和氮气）释放到大气中，从而实现水体中的氮的脱除。

硝化作用是指在好氧条件下微生物将NH4+-N 逐渐氧化为NO2--N 和NO3--N 的过程。该过程主要是在硝化细菌的作用下完成的，其中，将NH4+-N 氧化为NO2--N 的好氧微生物称为氨氧化细菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB），将NO2--N 进一步氧化为NO3--N的微生物称为亚硝酸盐氧化细菌（nitrite-oxidizing bacteria，NOB）。

硝化反应第一阶段的生化反应式为：

硝化反应第二阶段的生化反应式为：

硝化反应的总反应过程如下：

反硝化作用是在缺氧条件下，异养微生物将NO2--N和NO3--N 还原为氧化亚氮和N2的过程。能够进行反硝化作用的异养微生物统称为反硝化细菌。硝酸盐还原可分为同化性硝酸盐还原和异化性硝酸盐还原。在同化性硝酸盐还原中，反硝化菌将NO2--N 和NO3--N还原为NH4+-N，为细胞新陈代谢提供物质；在异化硝酸盐还原中，反硝化菌利用多种反硝化酶的化学转化作用，将NO2--N 和NO3--N 还原为一氧化氮（NO）、氧化亚氮（N2O）和N2等气体物质，这也是传统的反硝化过程。

反硝化反应是在多种反硝化酶的作用下，逐步将NO3--N 还原，其中包含了多步酶反应（NO3-→NO2-→NO →N2O →N2），并涉及多种气态氮化物（NO、N2O 和N2），其中主要以N2O 和N2为主。反硝化反应的反应式可以表示如下（以甲醇为碳源）：

反硝化除磷过程相比传统生物脱氮除磷工艺，最大的优点是实现了“一碳两用”，缓解了脱氮和除磷过程对碳源的竞争，非常适合低C/N 比城市污水的处理。同时减少了曝气量和剩余污泥的产量，降低了工艺运行成本和污泥处理费用。同时因为反硝化除磷污泥呈颗粒状，沉降性能非常好。

与结构复杂、缺氧区和好氧区分离的传统生物脱氮工艺相比，SND（同步硝化反硝化工艺）可以在同一反应器中同时分解有机物和硝化反硝化脱氮，从而简化工艺操作，降低污水处理厂的建设和运行成本。此外，SND 过程中反硝化过程可直接将硝化过程产生的NO3-进行还原，避免了产物积累对硝化反应速率的抑制作用。此外，在反硝化过程中，产生的OH-还提供了硝化过程的碱度，从而实现了硝化与反硝化过程的相互促进，使得SND 工艺具有较高的脱氮效率。

SND（同步硝化反硝化工艺）与传统脱氮工艺相比，可以节省碳源，减少曝气量，减少运行费用等优点。本项目将SND 过程与曝气生物滤池工艺有机结合起来，研发一种低运行成本的AOBAF 处理工艺技术，在反应器中增加悬浮填料，促进微生物倍增，来提高污水去除率。

通过对污泥的培养将SND（同步硝化反硝化过程）引入氨氮去除的过程中，将活性污泥法与生物膜法有机结合，开发适用于乡镇小规模、分散式污水特点的低运行成本工艺。在项目实施过程中使用污泥培养方法，设有厌氧分解与过滤功能，可提高系统的脱氮除磷能力，生物膜污泥龄长，因此硝化能力显著，氨氮的去除率可以达到90%以上；同时利用活性污泥法的固液充分接触特点，高浓度的生物量以及生长特性使反应池内一直保持较高的生物浓度，可降低进水水质的冲击影响，保证出水水质稳定。

1.1.2 高效生物载体

传统和现在流行的生物处理工艺可分为两类：悬浮型处理系统和附着型处理系统。前者以活性污泥法为代表，目前也有许多改进模型。活性污泥结构松散，为了满足出水的设计要求，沉淀系统的容积一般比较大。附着型系统以生物滤池和接触氧化工艺为代表，其中好氧微生物以膜的形式存在于载体或填料的表面。在操作条件下，单位反应器的生物质体积相对恒定，因此很难增加污泥负荷，再加上载体或填料的体积，实际反应器体积相对较大。在生物处理系统中，处理效率由微生物的特性决定。反应器中生物量越大，活性越高，沉降性能越好，单位体积反应器的处理效率越高。利用微生物自身的生理生态特性，可以生产出絮体密度更高、水力强度更高、沉降性能更好、传质性能更好的活性污泥。

生物除磷是在→类异养微生物-聚磷菌（Phosphate accumulating orgasims，PAOs）的作用下完成的。PAOs 的代谢过程比较特殊，它能够在厌氧/好氧交替运行条件下进行不同的物质代谢，从污水中吸收磷而实现污水除磷。生物除磷过程包含了厌氧释磷和好氧过量吸磷两个阶段。在厌氧条件下，PAOs 水解胞内储存的聚磷酸盐，同时将磷酸盐排出胞外，水解产生的能量被PAOs 利用于摄取环境中的有机物，并以聚羟基脂肪酸酯（PHA）的形式储存在胞内；随后在好氧条件下，PAOs 以氧气作为电子受体，分解胞内储存的PHA产生能量用于从环境中摄取磷酸盐，并以聚磷酸盐的形式储存在胞内，从而达到环境水体中磷浓度下降的目的。在污水处理工艺中，可以通过排出剩余污泥达到生物除磷的最终目的。

目前，城镇污水处理厂广泛应用的生物脱氮除磷工艺都是以传统生物脱氮除磷理论为基础，通过厌氧、缺氧、好氧三种状态的有机组合，使硝化、反硝化和除磷过程均能获得适宜的条件，从而实现同步脱氮除磷。

本项目根据最佳参数和生物载体的性能，通过选择具有表面积大、孔隙率高、亲水亲和力强、耐用等特性的高效生物载体，然后根据优化参数和生物载体进行新工艺设计，促进微生物倍增，提高污水去除率。

1.1.3 参数优化

调研小规模污水处理工程的水质、水量变化规律及其相关性，结合工艺运行效果研究分析，不同水力停留时间、水力负荷、有机负荷对新工艺处理效果影响，利用流体力学知识和正交分析，对最佳参数进行优化，确定小规模污水处理工艺所需污水提升泵的流量、扬程等性能参数及混合液回流比，探求出了最佳工艺操作条件。同时实现将污水有机物氧化、硝化以及反硝化在反应器中，既提高脱氮除磷效果，又节约曝气和混合液回流所需的能源。

1.1.4 太阳能曝气生物滤池

曝气生物滤池（BAF）是集生物降解和固液分离于一体的污水处理工艺。它是生物接触氧化工艺和过滤工艺的有机结合。曝气生物滤池通过对生物膜的过滤、絮凝和生物氧化作用，可以有效地脱氮。然而，所有硝化和反硝化过程都需要碳源作为电子供体。反硝化碳源的缺乏是制约曝气生物滤池反硝化的关键问题，需要通过外加碳源来解决。

在优化的小规模污水处理工艺的基础上，组合泥水分离技术，经沉淀、过滤、膜分离，高效生物膜和活性污泥复合氧化反应床及水力流态优化处理，开发出了达到不同出水水质标准要求的高效节能小型生物污水处理一体化设备。采用太阳能电池作为设备运转的直接动力，太阳能发电装置以及蓄电池分别连接至集电控制器，单独向曝气机供电。整个系统均采用树脂结构，结构紧凑。并且运用ICA 技术对污水处理曝气环节进行自动调节，同时集成探测装置和自动报警装置，并采用物联网和GPRS 等技术对水质自动监测，通过控制中心反馈控制污水站点设备的运行，实现分散式污水处理的远程、高效和实时监控管理。

2 结果与讨论

2.1 结果

基于太阳能的微曝气自动控制系统，采用太阳能电池作为设备运转的直接动力，绿色能源，节能环保；树脂结构，结构紧凑；运用ICA 技术对污水处理曝气环节进行自动调节，同时集成探测装置和自动报警装置，并通过GPRS 通信技术实现远程控制，实现分散式污水处理的高效益、精细化和规模化运营管理。

2.2 平乐县张家镇中心卫生院污水处理工程实践

2.2.1 污水处理现状概述

平乐县张家镇中心卫生院原有诊室、住院部（病床约50 张），新建医院综合大楼有诊室、住院部及洗衣房等，规划病床位数为80 床。综合大楼的门诊、病房、手术室、各类检查科、病理解剖室，以及洗衣房、食堂、厕所等都要排出大量诊疗、生活及粪便污水，污水中含有一些特殊的污染物，如药物、消毒剂、诊断用剂、洗涤剂，以及大量病原性微生物、寄生虫卵及各种病毒，如蛔虫卵、肝炎病毒、结核菌和痢疾菌等；与一般生活污水相比，它具有用水量小，污染力强的特点，如任其排放，必然会污染水源，传播疾病，尤其当医院的污水量连同其污泥不经无害化处理而直接用于蔬菜瓜果的施肥，将会导致细菌性、病毒性疾病和寄生虫病的发病率骤增，故必须将这些污染物质消灭在源头。

按照设计规范计算，新建综合大楼医疗废水处理规模为60m3/d（含洗衣废水、厕所污水、化验、洗手废水等）；医院为新建项目，排水系统实行清污分流，洗衣废水直接分流排放至张家镇的市政排污管网，降低污水处理站工程规模和工程造价；参照平乐县同类规模乡镇卫生院污水处理站运行数据，本项目设计处理规模为30m3/d，处理出水水质要求达到《医疗机构水污染物排放标准》（GB18466-2005）“预处理标准”执行。

2.2.2 工程流程

经过实地调查及研究，污水处理流程见图1。

2.2.3 步骤说明

（1）医疗废水先排入医院化粪池，沉淀去除大颗粒物质，并进行一定程度厌氧反应，去除部分有机物。

（2）化粪池中污水通过格栅进一步去除大颗杂物后自留入调节池，在调节池中污水进行匀质、匀量。

（3）调节池污水经提升泵，提升至厌氧池，在厌氧条件下，把大分子有机物分解成小分子物质，同时去除部分有机物，有利于后续进一步深化处理。

（4）污水从厌氧池自留入接触氧化池，在好氧条件下，接触氧化池通过硝化菌群，磷细菌等微生物降解水中大部分中大部分含碳、氨氮、磷等有机物质，以达到净化目的。

（5）接触氧化池出水自留入沉淀池，进行固液分离，上清液自留入消毒池；消毒池中加入消毒剂（次氯酸钠）把粪大肠菌群和病原菌灭活后，出水水质达到“排放标准”要求后排放。

（6）沉淀池中污泥可根据现场运行实际情况回流至厌氧池，剩余污泥抽至污泥池，污泥池中污泥定期抽出按医疗废弃物进行无害化处理。

2.2.4 设计水质水量及排放标准

设计处理规模30m3/d，设计进水水质BOD=100mg/L，COD=250mg/L，pH 值=6～9，粪大肠菌群数=5000MPN/L，悬浮物=60mg/L。

设计出水水质达到《医疗机构水污染物排放标准》（GB18466-2005）预处理标准。

结语

本项目已经研发生产高效节能小型生物污水处理设备2 套（平乐县张家镇中心医院项目和桂林理工大学校医院项目），并建成小规模污水处理示范项目2 项（平乐县张家镇中心医院项目和桂林理工大学校医院项目）。实践表明，优化后的工艺设备与传统工艺相比，节能20%-40%。和其他工艺相比，采用由高效地埋式生物反应器、潜流复合型人工湿地、景观生态处理系统组成的组合处理工艺来处理分散型村镇生活污水，而且污水处理后水质可达到或优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级A 标准。

以本设备为主体的处理流程和工程占地省，投资小，且已经有两次成功的实践。实践证明本设备非常适合应用于我国村屯、医院、小型养殖业等的污水的处理，有广阔的应用前景。本项目研究成果对于加快村屯污水处理的进程，改善广大农村居民的生活条件，保护好流域水环境质量，将提供最有效的方案。