低C/N农村生活污水处理试验研究

郝如杰 郑纪永 韩士伟 李峰

摘 要：采用组合处理技术好氧/缺氧（A/O）/反硝化/混凝沉淀/纤维过滤处理低碳氮比（C/N）农村生活污水，通过改进运行参数、强化污泥回流、增设外加碳源等方式，以期实现低C农村生活污水的深度处理。结果表明，当控制条件：好氧区溶解氧浓度为1.5～2.5 mg/L、缺氧区溶解氧浓度为0.2～0.5 mg/L、C/N为10：1、进水：外回流：内回流=1：1：2.5时，排出水体的化学需氧量（COD）浓度约为13.0 mg/L、氨氮（NH3-N）浓度约为0.4 mg/L、总磷（TP）浓度约为0.1 mg/L、总氮（TN）浓度约为2.2 mg/L，处理效率分别达到97%、99%、97%、94%，出水水质达到“准Ⅳ类水”要求。进而证明，在该控制条件下，可实现农村生活污水的深度高效处理。

关键词：农村生活污水；低碳氮比；反硝化；混凝沉淀

中图分类号：X703  文献标志码：A  文章编号：1673-9655（2023）02-0-05

0 引言

针对当前国内部分地区水环境质量较差、水生态受损严重等问题，多地制定了地方城镇污水处理厂排放标准，除“TN”外，各项指标均与《地表水环境质量标准》中Ⅳ类水标准相近，被业界称“准四类水”[1]。农村生活污水具有水量小、难收集、低C/N等特点，一直是我国污水处理领域研究的热点之一，国内诸多学者对于农村生活污水处理工艺的研究屡见不鲜，A/O、A/A/O（厌氧/缺氧/好氧）、改良A/A/O、MBR（膜生物反应器）、MABR（膜曝气生物反应器）、缺氧接触氧化/生物转盘、人工湿地、生态综合治理等工艺技术均被用于农村生活污水处理，出水水质可达到《GB 18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准[2-7]。傅木星[8]利用生物转盘处理C/N＜3的城镇污水，当转盘转速为4 r/min时，出水TN浓度为9.96 mg/L，去除率最高为81.22%。冯宁[9]研究了改进倒置A/A/O-MBR系统处理低C/N生活污水，通过强化污泥回流和采用分段进水，将进水分配比调整为5：5时，COD、NH3-N、TP 和 TN 出水浓度分别为 21.55 、1.14 、0.51、12.85 mg/L。出水水质较“准Ⅳ类水”仍有较大差距。

试验以低C/N（≤4）农村生活污水为研究对象，利用好氧/缺氧（A/O）/反硝化/混凝沉淀/纤维过滤组合工艺开展 “准Ⅳ类水”提标试验研究，通过优化系统运行参数及碳源添加比例，以及对工艺运行后COD、NH3-N、TP、TN去除效果进行分析，以期为低C/N农村生活污水处理提供一定的数据支撑。

1 材料及方法

1.1 试验装置组成

试验装置由A/O系统、反硝化滤池、混凝沉淀装置、纤维过滤器四个部分组成，具体参数详见表1。

1.2 试验药剂、用水及接种污泥

本次试验用DE90%的工业级葡萄糖（Glc）作为外加碳源，工业级聚合氯化铝（PAC）作为混凝剂。试验依托某农村一体化污水处理设备A/O系统，后续增加反硝化滤池、混凝沉淀装置、纤维过滤器，用水为某农村产生的生活污水，COD、NH3-N、TP、TN进水浓度分别为77～117、21～40、2.3～3.8、31.8～49.3 mg/L。该污水处设备已平稳运行2年以上，运行期间水量约为200 m3/d，本次试验不更换原系统污泥。污泥经检测MLSS约4500 mg/L，SV约50%，SVI约110 mg/L，SRT约15 d，

状态良好。

1.3 試验方法

1.3.1 改进运行参数

反应区域的HRT与硝化、反硝化能力密切相关。反硝化和硝化，夏季分别需要1～2 h、3～4 h；在冬季分别需要2～3 h、5～6 h。SRT是同步脱氮除磷工艺最重要的影响因素之一，为协调同步脱氮除磷，必须选择合适的SRT。通过调整A/O系统曝气量、进水流量等参数，改变溶解氧、水力停留时间等条件，强化处理效率[10]。

1.3.2 强化污泥回流

试验设备用污泥回流分内回流和外回流两部分，分别由二沉池、好氧池回流至A/O系统缺氧段前端进水管道。内回流一般设计范围为200%～400%，外回流范围为50%～100%。调整内回流、外回流与进水比例，寻找最适回流比。

1.3.3 增设外加碳源

硝化-反硝化是生物脱氮的主要途径，理论上电子受体NO3--N的COD当量为2.86 g/g，即将1 gNO3--N还原为N2，需消耗碳源有机物2.86 g[11]。

Barnard[12]曾发现在多数城市污水处理试验中，C/N为7时，可以实现完全的反硝化反应；Didem[13]认为通常情况下，如果想要达到同时脱氮除磷，则C/N 至少要在9以上；业内普遍认为C/N达到5：1即可认为碳源已经饱和，可以达到较高的污染物去除效果。农村生活污水C/N较低，微生物的反硝化过程将会受到碳源不足的影响，试验用污水C/N约为2：1，低于理论饱和比例，需外加碳源，提高C/N，促进反硝化效率。控制C/N条件为5：1、10：1、15：1，碳源添加位置为缺氧段及反硝化滤池。

1.3.4 深度处理

现有A/O工艺运行良好，设备出水满足《GB 18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准。为完成各污染物出水提标，经综合考虑，采用“反硝化滤池+混凝沉淀+纤维过滤”进行污水的深度处理。反硝化滤池采用污水下进上出模式设计，设水洗、气洗反洗方式，以火山岩作为反硝化菌载体，同时外加碳源提高反硝化效率，以去除硝态氮及亚硝态氮。混凝沉淀装置通过添加PAC作为混凝剂，在混凝剂的作用下，污水中的胶体和细微悬浮物凝聚成絮凝体，分离去除。PAC采用湿法添加，配置浓度为5%的溶液，添加量控制为10～30 g/m3。

纤维过滤器采用彗星式纤维滤料，一端为彗尾结构松散，一端为彗核结构紧密。滤床横断面空隙率均匀，纵断面由上到下逐渐减小，有利于悬浮物分离，进水方式为上进下出，设水洗、气洗反洗方式，过滤精度≥5 ?m，过滤速度30～65 m/h，

对混凝沉淀后的废水进行物理层面过滤，去除水中剩余的杂质，保证出水水质。混凝沉淀装置、纤维过滤器前端设置容积为5 m3的（1#、2#）污水缓存罐，用以保证处理工艺的连续运行。

整体工艺设计如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 运行参数、回流比调整

影响A/O系统运行参数主要有水温、pH、DO、HRT、SRT等，试验期间水温范围为13～26℃，进水pH 6～8，均适于A/O系统正常运行，可不进行调整。通过前期试验结果，控制运行条件为：缺氧区DO 0.2～0.5 mg/L；好氧区DO 1.5～2.5 mg/L；HRT 24 h；SRT15 d；进水：内回流：外回流=1：1：2.5。

2.2 反硝化滤池启动

试验用反硝化滤池采用自然挂膜启动方式，根据出水COD、NH3-N、TN数值确定是否启动。反硝化滤池启动阶段大体可分为三个阶段，不可逆附着期、潜伏期和对数增长期[14]。第一阶段，微生物随污水进入系统附着在基质（火山岩）表面，逐渐积累递增，COD、NH3-N、TN去除率变化为15%、9%、10%。第二阶段，微生物进一步增加，进入对数生长期，活性增加，污染物去除率出现明显上升，COD、NH3-N、TN去除率提升为47%、21%、20%。第三阶段，微生物进入高原期，不再出现明显增长，维持在一个相对稳定的范围内，新陈代谢形成良性循坏，COD、NH3-N、TN去除率基本稳定为45%、23%、20%。

2.3 污染物去除效果分析

试验大致分为三个阶段，第一阶段（2021.4—5月）、第二阶段（2021.6—7月）、第三阶段（2021.8—9月），分别控制C/N为5：1、10：1、15：1。

2.3.1 TN去除效果分析

进水TN波动范围为31.8～49.3 mg/L，平均值为40.3 mg/L，出水均值为5.8 mg/L，平均去除率86%。 第一阶段，C/N=5：1，TN去除率为77%，出水浓度均值为10.7 mg/L；第二阶段，C/N=10：1，TN去除率为90%，出水浓度均值为3.7 mg/L；第三阶段，C/N=15：1，TN去除率为92%，出水浓度均值为3.0 mg/L。可以看出随C/N升高，TN去除效果总体呈上升趋势。在缺氧段添加碳源后，有利于在无氧条件下，反硝化菌将硝酸盐（NO3-）作为电子受体完成呼吸作用，将其还原成N2，TN去除率得到有效提升。

2.3.2 TP去除效果分析

由图2可知，进水TP波动较小，范围为2.30～3.82 mg/L，平均值为3.18 mg/L，出水均值为0.11 mg/L，平均去除率97%。随试验进行，TP进、出水均呈下降趋势，去除率稳定。据报道，生活污水的TP主要包含磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷，含量一般在10～15 mg/L，试验进水TP较常见水平浓度较低。试验中A/O生物处理工艺通过聚磷菌的厌氧释磷、好氧吸磷作用能将其转化为细胞体内的聚合磷酸盐，形成沉淀污泥，同时在后续深度处理工艺中设置混凝沉淀装置，采用湿法投加方式添加PAC，使水中磷酸根离子生成难溶性盐，与水分离后沉淀。经组合工艺处理，试验各阶段，均能高效降低污水中的TP含量。

2.3.3 COD去除效果分析

试验期间，进水COD一直呈波动狀态，范围为77～117 mg/L，平均值为102 mg/L，出水均值为22 mg/L，平均去除率94%。进水COD总体呈上升趋势，出水浓度值相对平稳。试验各阶段，因碳源添加量不同，COD浓度各月波动较大，缺氧段添加碳源后根据处理水量核算COD理论值范围为252～594 mg/L。大波动范围下COD去除率始终保证相对平稳，说明组合处理工艺具有稳定、高效的COD去除效果、较强的抗冲击负荷能力。

2.3.4 NH3-N去除效果分析

进水NH3-N波动范围为21.6～40.1 mg/L，平均值为27.3 mg/L，出水均值为0.4 mg/L，平均去除率99%。试验期间 NH3-N进水浓度有所波动，去除效果保持稳定，并未随C/N调整发生变化，说明A/O工艺段硝化反应始终保持高效稳定运行，能够及时将NH3-N转化为NO3-、NO2-。

2.4 各工艺段处理效率分析

C/N=10：1阶段，“A/O/反硝化滤池/混凝沉淀/纤维过滤”组合处理技术各工艺段处理效率见表2。

由表可知，A/O段对各项污染物去除效果较好，COD、NH3-N、TP、TN去除率均在85%以上，可见厌氧段外加碳源提升C/N后，硝化液回流至厌氧段反硝化作用强烈，TN去除效果明显，整体出水优于《GB 18918-2002城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。经A/O段处理后污水进入反硝化滤池，通过外加碳源提升反硝化菌活性，此段出水长期稳定，可以看出反硝化段没有出现COD残留及NO2-积累问题，此环节TN出水2.5 mg/L，去除率均值达40%，反硝化效率较高；混凝沉淀、纤维过滤对于各项污染均有一定的去除效果，物化结合深度处理手段有效提升了出水水质。综上，组合处理技术能有效保证主要污染物的去除，适宜的碳氮比保证了反硝化的高效率，COD、NH3-N、TP、TN去除率分别为95%、99%、97%、94%，TP、TN去除效果明显提升。

3 总结

采用好氧/缺氧（A/O）/反硝化/混凝沉淀/纤维过滤组合工艺处理低C/N农村生活污水，通过优化运行参数、强化A/O系统内外回流、增设外加碳源等方式，实现了低C/N城镇生活污水的深度处理，出水水质达到“准Ⅳ类水”标准。此试验对低C/N农村生活污水的深度处理研究具有一定的参考价值。

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Abstract： A combined treatment technology was used to filter and treat low carbon/nitrogen （C/N） rural domestic wastewater， which consisted of a combination of aerobic/anoxic （A/O）/denitrification/coagulation and sedimentation/fibre. In addition， improved operating parameters， enhanced sludge reflux and the addition of an additional carbon source were used with a view to achieving deeper treatment of low C/N rural domestic wastewater. The results showed that when the control conditions that dissolved oxygen concentration in the aerobic zone was 1.5～2.5 mg/L， dissolved oxygen concentration in the anoxic zone was 0.2～0.5 mg/L， C/N was 10：1， the ratio of influent and external return and internal return was 1：1：2.5， the discharge water had a chemical oxygen demand （COD） concentration of approximately 13 mg/L， ammonia nitrogen （NH3-N） concentration of approximately 0.4 mg/L， the treatment efficiency of TP was 97%， TN was 94%， COD was 97% and NH3-N was 99%， and the discharge water reached the requirements of "quasi-IV water". It was further proved that under this control condition， the deep and efficient treatment of rural domestic wastewater would be achieved.

Key words： rural domestic sewage; low carbon/nitrogen; denitrification filter; coagulation sedimentation