自然循环炭系载体系统用于城镇生活污水处理的试验

程晓夏，黄 剑，郑 力，邹 刚，刘 菲

(湖北省自动化研究所股份有限公司，湖北武汉 430072)

自然净化是污水处理技术的一种，主要借鉴污水在自然环境下的自净循环过程，利用土壤、植物以及天然材料等载体对污水进行处理[1-3]。其中，自然循环(natural circulation，NC)系统即一类基于天然材料的污水自然净化系统，在20世纪90年代由日本Matsumoto教授等[4]首先提出。该技术采用朽木、木炭、贝壳乃至石块等天然材料作为滤材，利用天然材料的生物亲和性和高孔隙度，促进功能微生物在材料表面的生长，对污水中的有机物、氮、磷等主要污染物进行处理，达到较好的处理效果[5]。基于该技术的Shimanto-gawa 系统作为一种低成本、高效、环境友好的污水处理模式，在日本及多个国家成功推广，成为河道及流域处理的有效技术手段之一[6-9]。

但污染水体种类繁多，需要处理的污染物也千差万别，以纯天然炭(如朽木、木炭)为载体的NC污水处理技术的处理能力相对局限，一定程度上限制了NC系统的应用前景。为此，江鹰等[10]在NC系统的基础上进行改进，使用生物酶木炭等材料作为载体，形成自然循环炭系载体(natural circulation carbon-based，NCC)系统，在保持原技术优势的同时增加系统的处理能力，使其可以更广泛地应用于各类污水处理场合。

随着城市化的进程，越来越多的城镇纳入城市体系，但与之配套的生活污水处理系统并未完全跟上，导致部分生活污水未经处理便排入天然水体，或者因合流制溢流形成污染，严重威胁周边水体环境，甚至形成黑臭水体[11-13]。对城镇生活污水的实证研究[14-15]发现，我国生活污水主要为有机污染，而且其污染呈现季节波动大的特点，对AO等城镇污水处理厂使用的常见工艺造成一定冲击，处理效果不佳。NCC系统由于良好的稳定性，对污水水量、水质的冲击耐受更好。但NCC系统更适宜深度处理，研究[16]表明，炭系填料在进水水质较差时(CODCr>500 mg/L)，处理效果会受到一定影响。因此，本研究采用连续进水周期循环曝气活性污泥(CASS)工艺与NCC工艺作为组合，对某城区合流制的城镇生活污水进行处理，通过对运行期间进出水水质的检测和分析，为NCC工艺在城镇生活污水治理中的应用提供实践参考。

1 项目概况

1.1 项目背景

本研究处理的生活污水主要来自周围开发区生活区域，该区域原为城郊，未进行雨污分流改造，周边雨水管和污水管错接、混接，导致形成合流制溢流污染。该区域虽已建有污水处理厂，但生活污水的排放量大大超过了该区域污水处理厂的消纳能力。因此，实际运行中，该区域大部分生活污水直接流入河道，长期积累导致淤积，进而发酵发臭，成为黑臭水体。

本研究的主要目标是对排入该河段的生活污水进行处理，待处理完成符合排放水质要求之后再流入河道，以达到削减污染物、治理黑臭水体的目的。根据相关政策要求，排入该河道的排水水质应达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A排放标准。

1.2 设计规模和进水水质

根据所在泵站的历年水量统计数据，并综合考虑远期的排水量，确定系统处理规模为8 000 m3/d。根据前期监测数据，进水水质随季节波动较大。处理目标则根据运营期内要求出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A排放标准进行设计，具体设计进出水水质如表1所示。

表1 系统设计进出水水质Tab.1 Designed Quality of Influent and Effluent

2 工艺方案

2.1 技术选择

由于城镇生活污水水质和水量的变化都较大，其CODCr质量浓度最高可达500 mg/L，超出NCC系统的适宜处理范围。考虑到NCC系统的技术特点，最终工艺设计选择CASS系统作为前置处理技术，将NCC系统作为深度处理，在保证出水水质的前提下，提高工艺的效率和稳定性。此外，配套沉砂池、污泥池和消毒池，分别实现SS沉淀、污泥收集及干化和紫外线消毒等功能，保持系统功能完整。

同时，考虑到该污水处理站的建设地点位于已建成的城市区域，故将整个厂区和设备设计为地埋式结构，地面建设为体育运动场和城中心娱乐公园，其外观与周围的街道绿地、小区建筑大楼环境相互融合，满足工艺和实际需求。

2.2 工艺流程

根据进出水水质要求和工艺需求分析，设计工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程Fig.1 Process Flow

污水进入系统后，首先经过沉砂池，去除大部分悬浮颗粒物，随后进入CASS系统。在CASS系统中，通过活性污泥的作用，污水中的污染物得到初步处理，较大部分的有机物、氨氮、TP和TN被去除，然后流入NCC系统进行深度处理。CASS系统和NCC系统之间通过调节缓冲池相连，调节缓冲池用于维持NCC系统的进水稳定性。经NCC系统处理后，再通过渠道式紫外线消毒器进行消毒，去除其中的有害微生物。出水经检测达标之后排入河道。CASS系统和NCC系统运行过程中产生的污泥定期清理，干化后运出。

2.3 NCC系统简介

2.3.1 NCC工艺流程

NCC系统为本工艺的核心系统。污水经过初步沉淀和CASS系统的初步处理之后，进入NCC系统进行深度处理。NCC系统组成如图2所示，由快滤池、好氧消化池和除磷池3个部分组成。

其中，快滤池用于截留进水中携带的主要SS，包括来自CASS系统的部分污泥；好氧消化池对污水中的BOD5、CODCr、氨氮等污染物进行生物氧化处理，主要填充普通炭系填料(生物酶木炭)，配合填充部分钙系填料补充功能，并在消化池底部布设曝气管道供氧；除磷池位于系统末端，池中填装除磷炭系填料(生物酶木炭)，池底曝气，对污水的TP进行物理性吸附和生物性吸收。3个处理单元之间水流通过自流方式沿着导流管流动，水流方向和气流方向一致。

由于NCC技术所产生的污泥极少，不另外设计污泥池，只在系统进行反冲洗时将产生的微量污泥与反冲洗水一起排出。

2.3.2 核心填料

NCC系统采用的核心填料为生物酶木炭。生物酶木炭是将天然木质材料低温炭化，并利用改性手段，在木炭表面增加相关功能微生物(如磷聚合菌、硝化细菌等)以及其他相关功能组分(如金属)等。根据组成和功能不同，NCC系统使用的生物酶木炭包括2类：普通炭系填料和除磷炭系填料。

普通炭系填料的填料比表面积达100～300 m2/g，为微生物的生长繁殖提供了大量场所，有利于生物膜的形成。另外由于改性，增加了填料的微生物亲和性，使微生物在填料表面和内部大量繁殖(图3)，形成“极爆效应”，填料微生物量高达1.2×1010～5.6×1010个/g，从而达到对污水中CODCr、BOD5、阴离子表面活性剂(LAS)、氨氮等污染物质高效稳定地去除。

图3 生物酶木炭(普通炭系填料)表面[17]Fig.3 Surface of Bioenzyme Charcoal (Normal Carbon-Based Packing)[17]

除磷炭系填料是在普通炭系填料的组成中添加腐殖质泥炭、金属等组分，并在表面进行磷聚合菌的固定和包埋。其使用须和普通炭系填料配合，通过普通炭系填料熟化形成的生物酸，使聚合除磷填料内部的金属离子产生可控性溶解，待处理水流经聚合除磷填料时，水体中的微量磷酸盐和聚合除磷填料内部的金属离子产生化学反应，而待处理水体中的磷酸盐附着在填料表面，从而达到持续除磷的效果。聚合除磷填料定期进行反冲洗，反冲洗的含磷泥水混合物进入污泥系统，聚合除磷填料则恢复除磷能力。其显微结构如图4所示(40倍)。

图4 除磷炭系填料(40倍)Fig.4 Phosphorus Removal Carbon-Based Packing (40 Times)

针对本项目，设计NCC系统的水力停留时间为4 h，生物酶木炭填料量为250 m3，填料上下采用不锈钢承托滤板拦截，防止填料流失。BOD5容积负荷为0.6～2.5 kg/(m3·d)，可以应对水质变化的冲击影响。生物酶木炭区连续曝气，曝气方式采用穿孔曝气管，各单元定期反冲洗、排泥。

2.4 分析项目和方法

为测试NCC系统的运行效果，在系统稳定运行后，采用在线水质监测系统定期监测NCC系统进出水的CODCr、氨氮，并定期取样检测进出水的TP。此外，在系统正常运行1年后(2020年3月)，对系统各单元的出水水质进行检测(CODCr、氨氮、TN、TP)，以评估CASS单元和NCC单元在污水处理中的贡献。

其中，CODCr及氨氮均采取连续流动注射比色法进行自动监测，其余水质指标则参考《水和废水检测分析方法》[18]进行检测。

3 运行状况及处理效果

该污水处理设施建成后，经过试运行和调试，于2019年3月开始正式运行。通过对2019年3月—2020年1月的污水处理系统进出水水质数据进行检测和分析，发现出水水质均优于设计目标，对各污染物的去除效果良好，具体如下。

3.1 CODCr的去除效果

2019年3月—2020年1月，进出水CODCr及系统对CODCr的去除率如图5所示。进水CODCr质量浓度在24.05～396.00 mg/L，均值为156.12 mg/L。监测期间，系统进水CODCr变化波动相对较大，最高达396.00 mg/L。经过“CASS系统+NCC系统”组合工艺处理后，系统出水CODCr基本稳定，运行前期(2019年3月—6月)出水CODCr质量浓度在14.09～49.52 mg/L，运行后期(2019年7月—2020年1月)出水CODCr质量浓度在3.00～12.32 mg/L，均满足设计目标。

整个监测期间，CODCr去除率在41.41%～99.01%，均值为86.33%。运行前期(2019年3月—6月)CODCr去除率波动幅度相对较大，运行后期(2019年7月—2020年1月)CODCr去除率稳定在95.00%左右。

图5 净化设施进出水CODCr变化Fig.5 Changes of CODCr in Influent and Effluent of Purification Facilities

3.2 氨氮的去除效果

2019年3月—2020年1月，进出水氨氮浓度及系统对氨氮的去除率如图6所示。整个监测期间，系统进水的平均氨氮质量浓度为42.70 mg/L，其中，2019年11月26日—12月16日进水氨氮浓度异常，分别达到了97.50、125.30、119.50 mg/L，其余时刻基本上保持在60.00 mg/L以下。监测期间，系统出水的平均氨氮质量浓度为0.85 mg/L，与CODCr的变化趋势类似，运行后期的出水氨氮浓度相比运行前期有明显的下降。运行前期(2019年3月—6月)出水氨氮质量浓度在0.72～3.71 mg/L，平均质量浓度为1.61 mg/L，运行后期(2019年7月—2020年1月)出水氨氮质量浓度在0.03～2.15 mg/L，平均质量浓度为0.52 mg/L，其中运行后期除了2次数据异常之外，基本上保持在0.03～0.50 mg/L。

图6 净化设施进出水氨氮变化Fig.6 Changes of Ammonia Nitrogen in Influent and Effluent of Purification Facilities

除了监测早期(2019年3月)氨氮去除率较低(37.00%)外，其余时间氨氮去除率都一直稳定在90.00%以上，2019年4月—10月氨氮去除率为92.00%～99.00%，2019年11月—2020年1月氨氮去除率稳定在99.50%左右。

数据表明，经过一定时期的调试运行，系统氨氮去除率稳定在99.00%左右，出水氨氮质量浓度均在1.00 mg/L以下，效果稳定，且远高于设计要求。此外，系统完全成熟后，进水的氨氮浓度波动性对出水水质没有影响，可持续稳定运行，保证出水水质。

3.3 TP的去除效果

2019年3月—2020年1月，进出水TP浓度及系统对TP的去除率如图7所示。与氨氮及CODCr采用在线监测不同，TP采用定期人工采样检测。整个监测期间，系统进水TP的质量浓度为6.00～22.80 mg/L，平均值为13.14 mg/L 。经系统处理后，出水TP的质量浓度为0.10～0.48 mg/L，平均值为0.30 mg/L，出水TP变化趋势比较稳定，未表现出运行前后期的区别。在整个监测期间，TP的去除率为93.90%～99.50%，平均去除率为97.30%，呈现出十分稳定的处理能力。

图7 净化设施进出水TP变化Fig.7 Changes of TP in Influent and Effluent of Purification Facilities

3.4 系统各工艺单元的处理效果及贡献

系统各工艺单元的处理效果和去除率如表2所示。在系统正常运行状态中，CASS工艺将进水CODCr平均质量浓度从189.80 mg/L降至57.26 mg/L，氨氮平均质量浓度从27.08 mg/L降至6.60 mg/L，TP平均质量浓度从13.04 mg/L降至3.76 mg/L，TN平均质量浓度从37.22 mg/L降至18.00 mg/L，独立平均去除率分别为68.7%、76.0%、70.6%和52.1%。NCC工艺则在CASS的基础上，进一步将水体CODCr、氨氮、TP、TN平均质量浓度降至13.30、0.28、0.13、6.41 mg/L，独立平均去除率分别为75.8%、95.7%、96.3%、60.8%。系统总平均去除率分别为92.1%、99.0%、98.8%、82.4%。

表2 系统各工艺单元出水水质对比 (n=5)Tab.2 Comparison of Water Quality in Each Process Unit (n=5)

各工艺单元的去除贡献占比如图8所示。在整个系统对水体各污染物(CODCr、氨氮、TP、TN)的去除中，CASS单元分别贡献了72.6%、76.4%、71.9%、62.4%的平均削减量，NCC单元分别贡献了27.4%、23.6%、28.1%、37.6%的平均削减量。

图8 各工艺单元的去除贡献Fig.8 Removal Contribution of Each Process Unit and Total Process

4 讨论

4.1 NCC系统对原CASS工艺的提升

CASS水处理工艺是一种改良型的SBR工艺，主要应用于有脱氮除磷要求、有机污染物含量较高的污染水体，常用于城市生活污水和部分工业废水[19-22]。CASS具有组成简单、运行灵活、可靠性好的特点，但同时也存在生物脱氮除磷效果难以提升的问题[23]，此外，CASS在实际运行中需要精确调节来适应进水水质的波动[24-25]，对运行管理的要求较高。针对这一现状，工程应用中也越来越多地采用其他工艺和CASS的组合工艺。

本研究将CASS和NCC系统相结合，对城镇生活污水进行治理，进一步提升了对污染水体中的氨氮、TP、CODCr的去除效果。从本项目的实际运行效果看，CODCr的处理效能使通常的出水质量浓度为50.00～150.00 mg/L降至15.00 mg/L以下，氨氮的处理效能使出水质量浓度为5.00 mg/L降至1.00 mg/L以下，TP的处理效能使出水质量浓度为0.50～1.00 mg/L降至平均值为0.30 mg/L以下，而且处理能力稳定，进水水质的波动对出水水质影响较小。

从各处理单元的去除率对比以及其在总污染物削减中的贡献可以看到，CASS系统贡献70.00%左右的削减量，NCC系统贡献30.00%左右的削减量。结果表明，NCC系统适宜深度处理，在进水污染物浓度较低时(除TP外，均满足城镇污水处理二级排放标准)，氨氮和TP的去除率仍可保持95.00%以上，CODCr和TN去除率可达到60.00%～76.00%，将出水水质提升至地表水“准Ⅳ类”标准(除TN外，其他指标均达到Ⅳ类标准)。

4.2 炭系载体对NC水处理技术的提升

研究[8,26-27]表明，NC处理技术的主要优势是处理氨氮、TP效果高，以及应对水质冲击的能力好，本项研究也同样证明了NC水处理技术的这些优势。在进行了生物酶木炭的工艺改进之后，NCC系统的处理能力得到进一步提升，对氨氮、TP的处理能力都稳定维持在90.00%以上。而且，在运行过程中，系统处理能力可以随着系统熟化进一步增长，结果表明，在运行后期系统完全成熟后，对氨氮和TP的处理能力可以维持在99.00%以上。

根据对现场运行效果的观察和分析，推测NCC系统能长期维持高处理效能的原因可能在于：(1)填料表面固定生物酶，有利于保持填料的处理活性，因水质变化而带来的冲击更小；(2)填料的高孔隙度和独特的充氧效率，使得系统中的微生物的生长和群落演替比通常情况下更为迅速，系统因此具有一定的成长性，可以在运行后期进一步提升处理效率。

4.3 NCC系统可供改进的方向

(1)根据本项目的运行结果，NCC系统对TN的处理效能没有达到氨氮、TP的水平，这可能是系统的好氧特性导致对硝酸盐的处理能力不高。虽然本项目与具有一定反硝化能力的CASS工艺进行了组合，但CASS工艺前置，使得聚合深度处理池产生的硝酸盐未能完全被处理。NCC系统下一步可以在TN的去除能力上进行改进。

(2)虽然NCC系统表现出对微生物良好的促进能力，但对具体微生物组成以及演替规律仍知之甚少[5]，微生物群落因处理污水的不同而产生的响应仍属未知。而污水处理中微生物的群落变化是解释工艺效能的重要环节，在了解其变化规律后，可以利用填料材料和营养来诱导功能微生物的生长[28]。NCC系统下一步可以在系统功能微生物的组成和演替规律上进行探索，以进一步对生物酶木炭和系统进行改进。

5 结论与展望

城镇生活污水经过CASS系统+NCC系统的组合工艺处理后，CODCr去除率达到95.00%，氨氮和TP去除率达到99.00%，在进水负荷波动较大的情况下，出水主要水质指标均到达设计目标。组合工艺中，CASS系统贡献了约70.00%的平均削减量，NCC系统则在其基础上进一步去除60.00%以上的CODCr、90.00%以上的氨氮和TP，远远超过了设计出水的一级A标准，达到地表Ⅳ类水质标准。

运行结果表明，NCC系统对生活污水具有良好的深度处理效果。将NCC系统与CASS、SBR等前处理工艺相组合，具有处理效率高、运行管理简单方便、对周围环境影响小、生态景观等优点，可在生活污水处理、黑臭水体治理等领域有广泛的应用。