污水深度處理一體化裝置效果研究

張丹丹，郭鵬飛，陸元州，張羽

（1.上海川盛環境科技有限公司，上海 200000；2.合肥中盛水務發展有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

隨著國務院2015年印發的《水污染防治行動計劃》的施行，城鎮污水處理廠出水要求不斷提高。另一方面，農村生活污水和旅游區、度假村等分散型污水由于規模小、排水管網不完善，未經處理直接排入地表水體或者滲入地下水體，對當地及下游水體造成極其嚴重的污染[1]。生態環境部、住房和城鄉建設部2018年印發了《關于加快制定地方農村生活污水處理排放標準的通知》，對農村生活污水處理排放要求進行規定。而為了控制分散型污水污染物限值排放的目標，需要就地處理后才可排放。污水分散處理系統如日本的凈化槽技術、美國的就地處理系統、英國的活化器生態系統[2]等，也是國內外更具可持續性的選擇方案[3-4]。分散型污水處理裝置的優點是節省污水管網所需的資源、大幅降低安裝成本，并增加了污水經處理回用的可能性[5]。隨著污水排放標準的日益嚴格，分散型污水處理裝置依靠傳統的單一處理工藝，已經很難穩定地達到排放標準。因此，以AAO工藝為基礎，后端配置一體化深度處理工藝，使其強化脫氮除磷功能，使出水能達到《地表水環境質量標準》（GB 3838-2002）中V類要求及以上，從而實現農村生活污水以及其他分散型污水穩定達標排放。

1 試驗材料和方法

1.1 分散型污水深度處理一體化裝置

（1）裝置工藝流程。國內城鎮污水處理廠提標改造主要應用高效沉淀池和反硝化深床濾池工藝，對污水進行深度處理[6-8]，但工藝機械設備多、占地面積和能耗大、運行管理復雜，不適用于分散型污水深度處理。一體化污水處理工藝通過對傳統污水處理工藝各功能模塊進行優化設計、組合，減少工藝復雜度，滿足不同規模、成本、進水水質等要求的污水處理工藝，其優勢包括方便運輸、現場安裝簡單及占地面積較小等[9-10]。目前以AAO工藝為主流的一體化污水處理裝置，處理效果可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）的二級標準或一級B標準。為滿足出水要求，本研究的深度處理一體化裝置主體采用生物接觸氧化法，可配套在一體化AAO工藝裝置末端，能夠應對較強的沖擊負荷和水質變化[11]。試驗裝置以固定型懸掛填料作為生物膜載體，工藝流程見圖1。在缺氧區前端設置選擇區，在此段投加碳源（葡萄糖），使污水均質化流入缺氧區進行反硝化，設置攪拌，為防止缺氧區污泥沉淀無法排出，也在缺氧區設置曝氣管，定期曝氣，出水流入好氧區，好氧區使有機負荷進一步去除，經好氧區出水流入混合區。在混合區投加PAC（聚合氯化鋁），在絮凝區反應后經斜板沉淀泥水分離，最后出水。

圖1 工藝流程圖

（2）裝置工作原理。裝置為不銹鋼制成的長方體，通過設置隔板對各區進行間隔，濾料為半軟性的懸掛型固定填料，水流采用下行上行流，裝置尺寸為L×B×H=3.7m×1.0m× 2.6m，有效容積為6.9m3。填料懸掛密度為100m/m3，曝氣裝置設于反應器底部。主要工作原理是：①選擇區：用于緩沖來自沉淀區的污水對缺氧區的擾動，與碳源混合流入缺氧區；②缺氧區：主要進行脫氮處理，設置半軟性填料以作為反硝化細菌的載體，利用外加碳源，進一步進行反硝化，將污水中的硝態氮、亞硝態氮還原成N2，水力停留時間為1.0h；③好氧區：該區域好氧菌以固定型懸掛填料作為生物膜載體，污水含有的有機物為養料，所需氧氣來自鼓風曝氣，水力停留時間為1.0h；④混凝區：投加PAC，進行化學除磷；⑤斜板沉淀區：進入斜板沉淀區前，設置緩沖，斜板沉淀可保證沉淀區較高的上升流速（可達7m/h），沉淀時間在6～7min。生物接觸氧化工藝污泥產量較低，采用污泥泵定期排泥即可。

1.2 裝置設計水質情況及分析方法

（1）裝置設計處理水量和水質情況。該深度處理一體化中試裝置設計處理量為50m3/d，擬將AAO工藝出水深度處理限值，為了與生活污水一體化設備AAO工藝出水水質類似，選擇合肥某污水處理廠AAO工藝處理后出水作為裝置進水，該深度處理一體化中試裝置設計進出水水質情況見表1。

表1 進出水水質注：括號外數值為水溫＞12℃時的控制指標，括號內數值為水溫≤12℃時的控制指標

（2）監測項目及測試方法。裝置中試運行中，主要監測指標有COD、NH4+-N、硝態氮（NO3--N）、TN、TP、pH、溶解氧（DO）、SS、溫度，均采用《水和廢水監測分析方法》（國家環境保護總局《水和廢水監測分析方法》編委會，2002）檢測。運行期間每天上午九點對裝置進行進水取樣，根據裝置停留時間，對裝置各出水口進行采樣，當天在實驗室分析，溫度計測定裝置進水溫度，溶解氧儀測定各取水口DO值。

（3）藥劑。中試過程中投加的葡萄糖和聚合氯化鋁使用情況見下表2。

表2 藥劑使用情況

2 結果與討論

2.1 中試裝置掛膜啟動

取污水廠曝氣池后端污泥作為種泥，接種至中試裝置，根據進水水質進行營養源投加，按照COD：N：P=100：5：1比例，碳源為葡萄糖，氮源為氯化銨，磷源為磷酸鹽。經過內循環曝氣、靜置、間隔換水等過程，兩周后，填料表面附著了黃色生物膜，表面有粘性，厚度為0.5～1mm。裝置掛膜成熟后，測定COD去除率達75%以上，氨氮去除率在56%以上，硝態氮去除率在78%以上，TP去除率在58%以上，具體見圖2。

2.2 試驗裝置處理效果

進水流量通過人工調節進水閥門對裝置不斷進水，進水管安裝緩沖塑料膜，防止進水對懸掛濾料的沖擊。正常運行后，調節進水流量分別為2.0m3/h、2.5m3/h、3.0m3/h、4.0m3/h，裝置各指標出水效果穩定，各污染物去除效果見圖2。由圖2a可知，COD進水在55～95mg/L范圍內波動，出水濃度維持在21～34mg/L，均值為28.05mg/L，去除率均值保持在65%，說明裝置設置的接觸選擇區和缺氧區提高了污水的可生化性。由圖2b可知，掛膜穩定后，進水NH4+-N在0.10～3.02mg/L之間浮動，已基本滿足出水要求。經過深度處理裝置，NH4+-N出水濃度低于0.69mg/L。由圖2c可知，掛膜前期，TN出水均值為8.7mg/L，在掛膜后期投加葡萄糖（配制濃度為20%），溶解氧控制在≤0.5mg/L。TN去除率均值由59%提高至79%，TN出水均值為4.3mg/L，說明缺氧區生物反硝化功能因外加碳源提升明顯。正式運行期間，當TN進水范圍為3.46～14.10mg/L，TN出水可以達到2.0mg/L以下，出水均值為1.45mg/L，平均去除率達到84.0%，證明裝置反硝化效果良好。通過圖2d可知，掛膜期間在沒有進行絮凝劑投加的情況下，TP的出水濃度均值為0.40mg/L左右，正式運行期間進行PAC的投加。在混凝區投加PAC（配置濃度為15%）進行化學除磷，TP進水在0.61～1.29mg/L范圍內變化時，TP出水低于0.3mg/L，均值為0.17mg/L，去除率均值為82%。相比未投加PAC，去除效果明顯提升，說明裝置進行絮凝劑投加后，通過化學作用絮凝，使TP去除效果提升。由圖2e可知，進水SS在5.4～43.4mg/L范圍變化，經斜板沉淀后，SS去除率均值為61%，出水均值為5.7mg/L，說明選擇斜板沉淀可以有效提升懸浮物的阻截沉降功能。以上結果說明，經過深度處理一體化裝置后，出水指標均達到《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）的V類水及以上。

圖2 各污染物去除效果

此外，AAO+該深度處理一體化裝置運行成本為1.57元/m3。目前，厭氧/缺氧/好氧-膜生物反應器(AAO-MBR)也能達到相應的處理水平，但平均水處理成本高達1.8元/m3。同時MBR裝置中如未設置嚴格的缺氧段來強化反硝化效果，則脫氮效果不佳，TN的去除率隨進水波動大，這是因為MBR工藝主要問題有膜污染和高能耗[12]。顯然，與MBR裝置相比，該中試裝置提高了經濟效益。

3 結語

設計的深度處理一體化裝置處理效果達到預期設計要求：提高了污水的可生化性，在碳源投加的情況下，反硝化效果良好，TN去除率可以達到75%以上。通過生化區后端投加PAC，TP去除率均值為82%，裝置出水SS去除率均值為61%，說明將設備作為末端治理設備，可以滿足《地表水環境質量標準》（GB3838-2002）的V類水標準。本中試裝置能夠應對進水水量變化，以選擇式接觸氧化工藝為基礎，污泥產生量相應降低，使裝置具有占地面積少、處理效率高、管理方便、運行成本低等優點，可為后續分散式污水深度處理一體化裝置規模化提供技術支持與指導。