新型精濾膜構(gòu)成的一體化農(nóng)村污水處理方法及試驗研究

陳丹，周少奇 ，黃心穎，陳峰

（1.山東省城建設(shè)計院，濟(jì)南 250012；2.貴州科學(xué)院，貴陽 550001；3.廣州新之地環(huán)保產(chǎn)業(yè)有限公司，廣州 510370）

目前，我國城鎮(zhèn)集中污水處理技術(shù)的應(yīng)用與研究較為成熟，而分散式污水處理技術(shù)仍處于發(fā)展階段。農(nóng)村地區(qū)生活污水產(chǎn)量大，分散式污水處理技術(shù)能有效解決污水對農(nóng)村水環(huán)境造成的危害。因此，需要深入研究分散式污水處理技術(shù)，解決現(xiàn)有的問題和弊端[1]。同時，大多數(shù)農(nóng)村污水治理工程多參考城鎮(zhèn)污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)，以去除污染物為目的，將水中的氮、磷等肥料元素都作為污染物加以處理，而農(nóng)村環(huán)境整治應(yīng)以資源利用為核心。

新型精濾膜一體化農(nóng)村污水處理方法可將農(nóng)村污水中易引起水體黑臭的五日生化需氧量（BOD5）、COD、NH4+-N 等適當(dāng)去除，在保證水體不黑不臭的同時留住污水中的氮、磷等肥料元素，再將這些再生水就近回用于周圍的農(nóng)林。

為檢驗小型一體化污水處理裝置在農(nóng)村污水分散處理模式中的應(yīng)用效果，檢測了COD、SS 及NH4+-N等指標(biāo)的去除效率。試驗證明，該新型精濾膜構(gòu)成的一體化農(nóng)村污水處理裝置對農(nóng)村污水中COD、SS、NH3-N 等指標(biāo)的去除效率可以達(dá)到90%及以上，上述各出水指標(biāo)符合《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標(biāo)準(zhǔn)[2]。

1 新型精濾膜一體化農(nóng)村污水處理方法

1.1 新型精濾膜一體化農(nóng)村污水處理方法

簡單地說，新型精濾膜構(gòu)成的一體化污水處理方法是一種厭氧-缺氧-好氧法（A2O）+膜生物反應(yīng)器法（MBR）工藝，屬于分散式小型一體化污水處理裝置。我國分散式污水處理技術(shù)的應(yīng)用始于20 世紀(jì)80 年代，大部分應(yīng)用項目分布在技術(shù)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)先的發(fā)達(dá)城市與沿海地區(qū)[5]。隨著相關(guān)政策支持與生產(chǎn)建設(shè)成本的降低，分散式污水治理技術(shù)在農(nóng)村被大力普及，現(xiàn)有的工藝多種多樣，農(nóng)村分散式污水處理系統(tǒng)可分為初級處理系統(tǒng)、自然生態(tài)處理系統(tǒng)、人工生物處理系統(tǒng)[6]。本工藝屬于人工生物處理系統(tǒng)的一種，新型精濾膜構(gòu)成的一體化污水處理裝置主要包括厭氧池、缺氧池、好氧池（膜池），是將自主研發(fā)的“混合液、污泥可自動回流的小型一體化污水處理裝置”[3]和“一種一體化小型污水處理裝置和污水處理方法”[4]相結(jié)合的裝置，該裝置可應(yīng)用于山地、農(nóng)村等小規(guī)模污水處理領(lǐng)域。

新型精濾膜構(gòu)成的一體化污水處理工藝原理如圖1 所示,污水依次流入缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、好氧區(qū)a及好氧區(qū)b，再經(jīng)由精濾膜過濾出水。

圖1 精濾膜一體化農(nóng)村污水處理原理

連續(xù)出水過程中，在一組精濾膜曝氣的同時，另一組精濾膜出水，反之亦然，以此實現(xiàn)連續(xù)出水、連續(xù)曝氣。

在連續(xù)曝氣過程中,筒體內(nèi)的混合液利用風(fēng)機(jī)輸送給空氣的能量以及自身重力形成豎直循環(huán)流，完成混合液回流及污泥回流，無須另外設(shè)置污水回流泵及污泥回流泵，剩余污泥可以通過重力排放，因此本工藝屬于一種微動力小型污水處理方法。

下面簡單敘述空氣與混合液之間能量轉(zhuǎn)換原理，為了敘述方便，忽略能量在轉(zhuǎn)化過程中的損耗，空氣動能及重力對混合液做功計算公式如下：

式中，m1和u1為氣體的質(zhì)量與速度；m2和u2為混合液的質(zhì)量與速度。

式中，ρ1和V1為氣體的密度與體積；ρ2和V2為混合液的密度與體積。

空氣經(jīng)曝氣進(jìn)入混合液中，氣體的體積與其排開的液體體積相等，即：

那么，式①可以簡化為：

污水處理中，一般曝氣支管的流速為10—15m/s，取u1=10m/s、ρ1=1.29m3/kJ、ρ2=1000m3/kJ，那么根據(jù)式④可以計算出：u2=0.35m/s，符合《室外排水設(shè)計規(guī)范》（GB 50014—2016）中“氧化溝內(nèi)的平均流速宜大于0.25m/s”的有關(guān)要求。

1.2 精濾膜技術(shù)參數(shù)

本工藝中精濾膜材質(zhì)采用的是疏水性納米微濾材料，材質(zhì)本身具有與蓮花表面類似的分層結(jié)構(gòu)。

在連續(xù)出水過程中，膜通量在200—500L/m2·h，SS 去除率在95%—100%。材質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)可以提升精濾膜表面的疏水性和疏泥性，提高活性污泥與膜表面的相互作用，附著的活性污泥被限制在膜表面外層，可被周圍流動的污水帶走，降低膜污染，減輕精濾膜的污堵。圖2a 為精濾膜片經(jīng)過1h 機(jī)械出水后的狀態(tài)，其表面附著一層污泥，污泥層對進(jìn)入膜片內(nèi)的污水混合液具有網(wǎng)捕作用，可起到精細(xì)過濾和提高出水水質(zhì)的作用。

教師可在元旦晚會或者迎新晚會之際，協(xié)調(diào)學(xué)校相關(guān)部門舉行古詩歌朗誦大賽。這種大型的實踐活動，是展示學(xué)生誦讀水平的平臺，也是提升學(xué)生誦讀能力的一個契機(jī)，可充分調(diào)動師生的參與性與積極性。這就需要教師指導(dǎo)學(xué)生篩選參賽古詩文，并應(yīng)用多元化的表演方式進(jìn)行準(zhǔn)備與排練，點燃學(xué)生的誦讀熱情，學(xué)生的誦讀水平也能得到顯著提升，同時學(xué)生家長的參與熱情也高漲，為學(xué)生的參賽做準(zhǔn)備。一次大型的實踐活動，展示出學(xué)生的誦讀水平，也是教師進(jìn)行進(jìn)一步誦讀教學(xué)的主要依據(jù)。經(jīng)典誦讀，促進(jìn)學(xué)生接受古典文化的洗禮；大型實踐活動，促使學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)古典文化，形成了一個良好的互動循環(huán)。

曝氣過程（即反沖洗過程）中,氣泡直徑維持在1—3mm，空氣流量為36—50m3/h·m2，氧氣利用率可以達(dá)到約35%。膜組的曝氣過程也是空氣反沖洗的過程，膜空隙的污堵由內(nèi)而外被空氣清除，膜通量得到恢復(fù)。圖2b 是精濾膜片經(jīng)過1h 反沖洗（即前述的曝氣過程）后的狀態(tài)，其污泥層經(jīng)過氣體自內(nèi)而外的沖刷，空隙內(nèi)的污堵得到清除，膜片外表面的泥層也在氣流的作用下逐漸剝離，膜片通量基本恢復(fù)到初始階段。

圖2 精濾膜片出水、反沖洗前后的泥膜對比圖

2 新型精濾膜一體化污水處理裝置及試驗研究

2.1 試驗材料

試驗材料采用的污水是貴州省某縣化糞池上半部分的混合液，進(jìn)水主要指標(biāo)如下表所示。

試驗用污水進(jìn)水指標(biāo)情況

2.2 試驗裝置

試驗裝置由外筒、內(nèi)筒、隔板、精濾膜組、風(fēng)機(jī)、自吸泵等構(gòu)成，本次試驗利用自吸泵機(jī)械出水。

2.3 試驗啟動及運(yùn)行

試驗周期為20d。

試驗過程中，好氧區(qū)溶解氧保持在1.5—2.5mg/L，好氧區(qū)污泥濃度保持在8000—12 000mg/L。

污水處理流程如圖3 所示，同時參看圖1。

圖3 精濾膜一體化農(nóng)村污水處理工藝流程圖

（1）污水經(jīng)提升泵提至高位水箱后再通過重力輸送至環(huán)狀缺氧區(qū)腔體內(nèi)，與筒體內(nèi)的污水混合；開啟風(fēng)機(jī)、奇數(shù)膜組曝氣閥門及偶數(shù)膜組出水閥門，關(guān)閉奇數(shù)膜組出水閥門及偶數(shù)膜組曝氣閥門，空氣由精濾膜輸送至內(nèi)筒；污水混合液在重力及空氣攜帶的動能作用下形成豎直循環(huán)流，依次流入?yún)捬鯀^(qū)、好氧區(qū)a及好氧區(qū)b，逐漸完成生化過程，并在好氧區(qū)a 內(nèi)由精濾膜過濾出水，這是奇數(shù)組精濾膜曝氣、偶數(shù)組精濾膜出水過程，持續(xù)時間1h。

（2）30min 后，關(guān)閉奇數(shù)膜組曝氣閥門及偶數(shù)膜組出水閥門，開啟奇數(shù)膜組出水閥門及偶數(shù)膜組曝氣閥門，開始偶數(shù)組精濾膜曝氣、奇數(shù)組精濾膜出水過程，持續(xù)時間30min。

（3）上述過程循環(huán)往復(fù)，在曝氣的同時，該組精濾膜實現(xiàn)了反沖洗，膜通量得到恢復(fù)，整個試驗過程中，膜通量在300—325L/m2·h。

（4）污水處理過程中，由于水量不穩(wěn)定，液面超過溢流口后，混合液經(jīng)溢流管進(jìn)入排水系統(tǒng)。

3 結(jié)果與分析

如圖4 所示，試驗運(yùn)行期間COD 最高去除效率為93%，出水指標(biāo)均低于15mg/L，出水指標(biāo)最低為18mg/L、最高為34mg/L、平均濃度為26mg/L，出水COD 排放濃度符合《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 COD 進(jìn)出水指標(biāo)變化圖

如圖5 所示，運(yùn)行期間NH4+-N 的最高去除效率為96%，出水NH4+-N 濃度最低為5mg/L、最高為15mg/L、平均為12mg/L，出水NH4+-N 排放濃度符合《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 NH4+-N 進(jìn)出水指標(biāo)變化圖

如圖6 所示，運(yùn)行期間SS 的最高去除效率為100%，出水SS 濃度最低為0.2mg/L、最高為5.8mg/L、平均為1.2mg/L，出水SS 排放濃度符合《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 SS 進(jìn)出水指標(biāo)變化圖

4 結(jié)語

（1）試驗結(jié)果表明，新型精濾膜構(gòu)成的一體化農(nóng)村污水處理方法可以有效去除污水中的COD、SS、NH4+-N，去除效率可達(dá)到90%及以上，可滿足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標(biāo)準(zhǔn)。

（2）新型精濾膜構(gòu)成的一體化農(nóng)村污水處理裝置利用風(fēng)機(jī)輸入的空氣動能和混合液自身的重力勢能形成豎直循環(huán)流，完成污水處理過程中混合液在各處理區(qū)間的傳送、攪拌、回流等過程；將曝氣過程與反沖洗過程合二為一，精濾膜通量及時得到恢復(fù)，與傳統(tǒng)膜片外掛清洗相比，該裝置運(yùn)行效率高、運(yùn)行成本低。

（3）新型精濾膜構(gòu)成的一體化農(nóng)村污水處理裝置結(jié)構(gòu)簡潔、安裝方便、運(yùn)行簡便、易于控制，是一種投資成本及運(yùn)行費用低、出水效果穩(wěn)定的污水處理裝置，適用于農(nóng)村小型污水處理領(lǐng)域。