復合生態一體化裝置處理村鎮污水試驗研究

王偉亞，張靜，胡香，張輝，陳杭洲

（安徽國禎環保節能科技股份有限公司，合肥 230088）

引言

日益嚴峻的環境污染問題逐漸威脅到人們的身體健康和生活質量，尤其是村鎮水環境污染問題突出。根據住房和城鄉建設部2016年統計年鑒，截至2016年年底，我國全國建制鎮共18 099個，其中進行生活污水處理的建制鎮僅占28.02%，10 883個鄉中對生活污水進行處理的鄉僅有984個[1]。這兩組數據說明目前我國在村鎮生活污水處理建設方面依然存在不足，大量的農村生活污水問題有待解決。村鎮污水是不同于城市和中小城鎮的一類污水，具有點多、面廣、分散、量小等突出特點[2]，且水質可生化性強，污水氮磷含量高[3]。

目前的村鎮污水處理方法按照主體技術單元的構成可分為生物法、生態法和組合法三種，其中，組合法指生物和生態處理技術的結合或某一種技術系統內部不同工藝形式的組合，包括生物-生物組合、生態-生態組合和生物-生態組合等[4]。生物-生態組合也稱為復合生態處理技術，是指利用生物處理和生態修復中的微生物和水生植物協同凈化作用進一步提高污水處理效果的技術，是目前處理村鎮污水技術中較為常見的一種[5～8]。劉三明[9]利用生態氧化溝處理農村污水，發現該工藝具有效率高、出水水質穩定、能耗低等優點；趙海洲等[10]運用接觸氧化/人工濕地組合工藝，出水可穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B標準；徐波[11]采用生物接觸氧化池結合水生植物凈化池處理村鎮生活污水，出水可滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級B標準，且該工藝的建設運行費用低、操作管理簡便、技術可靠。但目前對于采用復合生態一體化裝置處理村鎮污水的研究還較少。

該試驗主要以2018年7～8月村鎮污水處理廠的進水為研究對象，研究復合生態“小型污水處理”MST（Mini Sewage Treatment）一體化中試裝置對COD和NH4+-N的去除效果及氮元素形態轉化。

1 試驗

1.1 試驗裝置

該試驗采用MST（Mini Sewage Treatment）即“小型污水處理”一體化裝置進行中試試驗。該裝置是以生化處理為基礎，輔以生態修復的生物接觸氧化與生物流化床結合的一體化處理系統，分為預反應區、生化反應區和氣提反應區3個反應單元，各反應單元的表面種植數棵挺水植物，裝置如圖1所示。

圖1 MST中試裝置結構示意圖

裝置整體為不銹鋼材質，采用模塊化設計，長×寬×高=4.50m×1.49m×1.44m，有效水深為1.10m，有效容積為7.38m3，總容積為9.66m3。預反應區的有效容積為1.64m3，內填裝Φ×H=25mm×12mm的粒狀柱懸浮填料，填充比為23%，表面種植6株鳶尾和4株美人蕉，主要發生污水預沉淀、有機物水解及有機氮的氨化、硝化反應。生化反應區有效容積2.29m3，內裝填充比為20%的Φ×H=25mm×12mm的粒狀柱懸浮填料，種植4株鳶尾和2株美人蕉，承擔有機物氧化和硝化作用。氣提反應區內裝有懸掛式YDT型彈性立體填料，填料覆蓋體積1.5m3，填充高度為0.7m，表面種植7株鳶尾和7株美人蕉，進一步去除COD和，同時具有固液分離作用。

1.2 試驗用水

該試驗的進水引自合肥市經濟技術開發區污水處理廠一期旋流沉砂池出水，主要是收集周邊小城鎮的生活污水，由泵抽吸經管道直接送至一體化MST裝置預反應區，通過調節管道上的閥門控制進水量。2018年7～8月污水處理廠的進水水質如表1所示，由表1可看出該污水處理廠的進水水質符合村鎮污水特點，可用于中試試驗。

表1 2018年7～8月污水處理廠進水水質

1.3 試驗方法

試驗裝置經過排出池內黑泥，直接加入污水處理廠旋流沉沙池的出水，保持裝置連續穩定運行，填料自然掛膜成功后，每天于9 ∶ 00～9 ∶ 30取裝置進水口、預反應區進口、預反應區出口、生化反應區出口和出水口的水樣進行水質指標檢測，主要檢測指標為COD、、和TN。

試驗過程中，通過調節進水管道閥門控制進水量，調整曝氣器管道閥門調整系統曝氣量，改變溶解氧濃度，觀察不同時間、不同工況下復合生態MST對COD和NH4+-N的去除效果，考察不同反應單元氮元素的存在形態。不同時間段的平均進水量（水力停留時間）和不同處理單元的溶解氧濃度見表2和表3。

表2 不同進水量和水力停留時間

表3 不同處理單元溶解氧含量

1.4 檢測方法

試驗過程中，COD的測定采用《水質化學需氧量的測定重鉻酸鉀法》（HJ 828—2017）中規定的方法，NH4+-N的測定采用《水質氨氮的測定納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009）規定的方法，NO3-N的測定采用《水質硝酸鹽氮測定紫外分光光度法》（HJ/T 346—2007）規定的方法，TN的測定采用《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）規定的方法。溶解氧（DO）采用便攜式溶氧儀（WTW Oxid3210）測定。

2 結果與討論

2.1 水力停留時間對COD去除效果的影響

圖2是進出水COD濃度及去除效果示意。由圖2可看出，從2018年7月初至8月末，進水COD濃度波動較大，為35.45～297.12mg/L，出水變化范圍較小，平均出水濃度41mg/L。進水水量（水力停留時間）的變化對COD的去除效果影響不明顯。當水力停留時間約19.4h期間，進水COD濃度變化較大，出水則穩定在54.63mg/L附近；當停留時間約41.5h期間，由于連續降雨導致進水COD濃度較低，出水濃度有所降低，去除率約58.10%；當停留時間約在25.6h期間，進水COD濃度波動上升，最高達291.72mg/L，此時的去除率達87.35%，出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。作為生物接觸氧化池，MST系統對COD的去除分為微生物降解作用和生物膜攔截作用，不同停留時間條件下，系統對COD的降解變化主要是由于微生物的降解作用時長不同[12]。Borghei等[13]研究了水力停留時間對MBBR處理含酚廢水中有機物的影響，控制水力停留時間分別為8h、12h、16h、20h和24h，在不同濃度COD的廢水處理中都發現，水力停留時間越長，COD的去除效果越好，但去除率會逐漸減小變緩，這一發現與該試驗的結果一致。總的來說，由于微生物生長受底物濃度限制，進水COD濃度較低時，盡管增加了水力停留時間，系統內的微生物量也未增加太多，因而去除效果并未增加，減少水力停留時間，COD的出水濃度仍然保持較低濃度，去除效果未減少。

圖2 進出水COD濃度及去除效果

2.2 水力停留時間對去除效果影響

圖3 進出水濃度及去除效果

2013年7月24日至8月31日，張靜等[14]在合肥市經開區污水處理廠進行了小型污水處理一體化MST裝置中試試驗，采用白天5L/min、夜間3L/min的不同進水量方式考察了裝置對COD、和SS的去除效果。結果顯示，COD進水和出水的平均濃度分別是218.33mg/L和42mg/L，的進水和出水平均濃度分別是26.09mg/L和8.93mg/L。復合生態MST中試試驗在2018年7月24日至8月31日期間的COD和的出水平均濃度分別為31.82mg/L和3.99mg/L，比2013年分別下降了24%和55%。分析復合生態MST裝置對COD和的去除效果較之前有所提升的原因可能是：1）水力停留時間的延長利于污染物與微生物混合，在生物接觸氧化法中，污染物氧化或硝化速度取決于水力停留時間，在相同進水水質情況下，污水與微生物的有效接觸時間越適當延長，微生物對有機物的吸附、氧化、降解就越徹底[15]；2）挺水植物的吸收作用，挺水植物美人蕉和鳶尾的生長過程需要有機物和氮磷等營養元素，可通過根系吸收作用降低水體中COD和含量[16]；3）溶解氧充足有利于微生物繁殖，水生植物的存在不但能直接吸收水體中的有機物和氮磷等營養元素，而且能輸送氧氣到根區為微生物的生長、繁殖和污染物降解創作適宜條件[17]。

2.3 溶解氧對氮元素形態變化的影響

圖4 濃度沿程變化情況

圖5 濃度沿程變化情況

氮元素在MST裝置處理村鎮污水中轉化過程主要為氨化作用、硝化作用和同化作用。從圖4、圖5中和的濃度變化趨勢可知，在整個處理過程中，隨著水流的推進，各種形態的氮含量發生了變化，濃度持續降低，濃度持續升高，進水中氮主要以形式存在，出水中氮主要以形式存在。2018年7月3日至7月19日期間，MST裝置溶解氧充足，預反應區溶解氧達到4.80mg/L，此階段在預反應區中幾乎全部轉化為，經計算，去除率占整體去除率的96.05%，后續生化反應區和氣提反應區的去除效果微弱。說明在溶解氧充足的情況下，預反應區內硝化菌生存條件適宜，數量較多，對的去除效果較為明顯。從微觀上來說，生物膜是指由一種或多種微生物通過胞外多聚物富集吸附在生物或非生物表面的蘑菇狀三維結構[18]。由于微生物附著在填料表面生物膜存在2mm左右厚度[19]，由外到內的溶解氧濃度逐漸降低，當內層微生物需氧量達3mg/L時，水體中的溶解氧濃度要高于活性污泥法。隨著預反應區溶解氧濃度降低至1.99mg/L，生化反應區降低至3.84mg/L，氣提反應區降低至4.27mg/L，系統含量較之前明顯減少，各反應單元內依次為1.40mg/L、2.27mg/L、2.30mg/L、3.46mg/L、3.36mg/L。可能是由于預反應區厭氧出現搖蚊幼蟲，而生化反應區和氣提反應區填料因氧氣不足生物膜脫落造成微生物量下降使得硝化菌減少，及MST裝置硝化效率不佳。

當水力停留時間增加到41.5h后，增加了污水與填料的接觸時間，MST裝置微生物量慢慢恢復，再次減少預反應區溶解氧至1.52mg/L，增加生化反應區和氣提反應區溶解氧超過5mg/L。從圖4和圖5對比發現，氮的形態在此階段于生化反應區轉化較多，氣提區的產生量較少，可能由于經過前兩階段的硝化處理，進入氣提區的的含量較少，硝化菌數量少從而導致對硝化去除效率較低。在水力停留時間減少到25.6h后，氮的硝化作用逐漸減弱，增加MST裝置溶解氧濃度至較高水平，出水口濃度又慢慢增加。此時生化反應區溶解氧濃度為4.68mg/L，氣提區溶解氧濃度為5.34mg/L，出水濃度達18.41mg/L，占出水總氮含量90%以上，去除率達93.02%，并且沒有出現污泥自身氧化現象。隋麗麗等[20]在2011年研究了不同水力停留時間、溶解氧和進水COD濃度條件下混合填料生物接觸氧化法對生活污水的處理效果時發現，隨著溶解氧的升高，各污染物指標的平均去除率整體呈現上升趨勢，當溶解氧為5～6mg/L時，出水達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）中的二級標準。可見當底物含量充足時，增加溶解氧含量至4～6mg/L，硝化菌等菌種會繼續增加，提升污染物的去除效果，在不考慮工程造價等成本時，可以通過增加曝氣量加大污水處理規模。

3 結論

在復合生態MST一體化裝置處理村鎮污水試驗研究中，進水COD濃度變化幅度較大，出水濃度較為穩定。水力停留時間的變化對的去除影響較大，當停留時間為25.6h時，可以保證COD和出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，且對沖擊負荷有較強的適應能力。

在復合生態MST一體化裝置中不同處理單元的溶解氧含量對氮的形態轉化影響明顯，當預反應區的溶解氧濃度≤1.52mg/L，生化反應區和氣提區溶解氧濃度超過5mg/L時，硝化作用主要在生化反應區發生。當保持系統平均溶解氧濃度4～6mg/L時，會提升污染物去除效果，出水氮元素90%以上以形式存在，去除率達93.02%。