自然循環炭系載體系統用于城鎮生活污水處理的試驗

程曉夏，黃 劍，鄭 力，鄒 剛，劉 菲

(湖北省自動化研究所股份有限公司，湖北武漢 430072)

自然凈化是污水處理技術的一種，主要借鑒污水在自然環境下的自凈循環過程，利用土壤、植物以及天然材料等載體對污水進行處理[1-3]。其中，自然循環(natural circulation，NC)系統即一類基于天然材料的污水自然凈化系統，在20世紀90年代由日本Matsumoto教授等[4]首先提出。該技術采用朽木、木炭、貝殼乃至石塊等天然材料作為濾材，利用天然材料的生物親和性和高孔隙度，促進功能微生物在材料表面的生長，對污水中的有機物、氮、磷等主要污染物進行處理，達到較好的處理效果[5]。基于該技術的Shimanto-gawa 系統作為一種低成本、高效、環境友好的污水處理模式，在日本及多個國家成功推廣，成為河道及流域處理的有效技術手段之一[6-9]。

但污染水體種類繁多，需要處理的污染物也千差萬別，以純天然炭(如朽木、木炭)為載體的NC污水處理技術的處理能力相對局限，一定程度上限制了NC系統的應用前景。為此，江鷹等[10]在NC系統的基礎上進行改進，使用生物酶木炭等材料作為載體，形成自然循環炭系載體(natural circulation carbon-based，NCC)系統，在保持原技術優勢的同時增加系統的處理能力，使其可以更廣泛地應用于各類污水處理場合。

隨著城市化的進程，越來越多的城鎮納入城市體系，但與之配套的生活污水處理系統并未完全跟上，導致部分生活污水未經處理便排入天然水體，或者因合流制溢流形成污染，嚴重威脅周邊水體環境，甚至形成黑臭水體[11-13]。對城鎮生活污水的實證研究[14-15]發現，我國生活污水主要為有機污染，而且其污染呈現季節波動大的特點，對AO等城鎮污水處理廠使用的常見工藝造成一定沖擊，處理效果不佳。NCC系統由于良好的穩定性，對污水水量、水質的沖擊耐受更好。但NCC系統更適宜深度處理，研究[16]表明，炭系填料在進水水質較差時(CODCr>500 mg/L)，處理效果會受到一定影響。因此，本研究采用連續進水周期循環曝氣活性污泥(CASS)工藝與NCC工藝作為組合，對某城區合流制的城鎮生活污水進行處理，通過對運行期間進出水水質的檢測和分析，為NCC工藝在城鎮生活污水治理中的應用提供實踐參考。

1 項目概況

1.1 項目背景

本研究處理的生活污水主要來自周圍開發區生活區域，該區域原為城郊，未進行雨污分流改造，周邊雨水管和污水管錯接、混接，導致形成合流制溢流污染。該區域雖已建有污水處理廠，但生活污水的排放量大大超過了該區域污水處理廠的消納能力。因此，實際運行中，該區域大部分生活污水直接流入河道，長期積累導致淤積，進而發酵發臭，成為黑臭水體。

本研究的主要目標是對排入該河段的生活污水進行處理，待處理完成符合排放水質要求之后再流入河道，以達到削減污染物、治理黑臭水體的目的。根據相關政策要求，排入該河道的排水水質應達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準。

1.2 設計規模和進水水質

根據所在泵站的歷年水量統計數據，并綜合考慮遠期的排水量，確定系統處理規模為8 000 m3/d。根據前期監測數據，進水水質隨季節波動較大。處理目標則根據運營期內要求出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A排放標準進行設計，具體設計進出水水質如表1所示。

表1 系統設計進出水水質Tab.1 Designed Quality of Influent and Effluent

2 工藝方案

2.1 技術選擇

由于城鎮生活污水水質和水量的變化都較大，其CODCr質量濃度最高可達500 mg/L，超出NCC系統的適宜處理范圍?？紤]到NCC系統的技術特點，最終工藝設計選擇CASS系統作為前置處理技術，將NCC系統作為深度處理，在保證出水水質的前提下，提高工藝的效率和穩定性。此外，配套沉砂池、污泥池和消毒池，分別實現SS沉淀、污泥收集及干化和紫外線消毒等功能，保持系統功能完整。

同時，考慮到該污水處理站的建設地點位于已建成的城市區域，故將整個廠區和設備設計為地埋式結構，地面建設為體育運動場和城中心娛樂公園，其外觀與周圍的街道綠地、小區建筑大樓環境相互融合，滿足工藝和實際需求。

2.2 工藝流程

根據進出水水質要求和工藝需求分析，設計工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

污水進入系統后，首先經過沉砂池，去除大部分懸浮顆粒物，隨后進入CASS系統。在CASS系統中，通過活性污泥的作用，污水中的污染物得到初步處理，較大部分的有機物、氨氮、TP和TN被去除，然后流入NCC系統進行深度處理。CASS系統和NCC系統之間通過調節緩沖池相連，調節緩沖池用于維持NCC系統的進水穩定性。經NCC系統處理后，再通過渠道式紫外線消毒器進行消毒，去除其中的有害微生物。出水經檢測達標之后排入河道。CASS系統和NCC系統運行過程中產生的污泥定期清理，干化后運出。

2.3 NCC系統簡介

2.3.1 NCC工藝流程

NCC系統為本工藝的核心系統。污水經過初步沉淀和CASS系統的初步處理之后，進入NCC系統進行深度處理。NCC系統組成如圖2所示，由快濾池、好氧消化池和除磷池3個部分組成。

其中，快濾池用于截留進水中攜帶的主要SS，包括來自CASS系統的部分污泥；好氧消化池對污水中的BOD5、CODCr、氨氮等污染物進行生物氧化處理，主要填充普通炭系填料(生物酶木炭)，配合填充部分鈣系填料補充功能，并在消化池底部布設曝氣管道供氧；除磷池位于系統末端，池中填裝除磷炭系填料(生物酶木炭)，池底曝氣，對污水的TP進行物理性吸附和生物性吸收。3個處理單元之間水流通過自流方式沿著導流管流動，水流方向和氣流方向一致。

由于NCC技術所產生的污泥極少，不另外設計污泥池，只在系統進行反沖洗時將產生的微量污泥與反沖洗水一起排出。

2.3.2 核心填料

NCC系統采用的核心填料為生物酶木炭。生物酶木炭是將天然木質材料低溫炭化，并利用改性手段，在木炭表面增加相關功能微生物(如磷聚合菌、硝化細菌等)以及其他相關功能組分(如金屬)等。根據組成和功能不同，NCC系統使用的生物酶木炭包括2類：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積達100～300 m2/g，為微生物的生長繁殖提供了大量場所，有利于生物膜的形成。另外由于改性，增加了填料的微生物親和性，使微生物在填料表面和內部大量繁殖(圖3)，形成“極爆效應”，填料微生物量高達1.2×1010～5.6×1010個/g，從而達到對污水中CODCr、BOD5、陰離子表面活性劑(LAS)、氨氮等污染物質高效穩定地去除。

圖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組成中添加腐殖質泥炭、金屬等組分，并在表面進行磷聚合菌的固定和包埋。其使用須和普通炭系填料配合，通過普通炭系填料熟化形成的生物酸，使聚合除磷填料內部的金屬離子產生可控性溶解，待處理水流經聚合除磷填料時，水體中的微量磷酸鹽和聚合除磷填料內部的金屬離子產生化學反應，而待處理水體中的磷酸鹽附著在填料表面，從而達到持續除磷的效果。聚合除磷填料定期進行反沖洗，反沖洗的含磷泥水混合物進入污泥系統，聚合除磷填料則恢復除磷能力。其顯微結構如圖4所示(40倍)。

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

針對本項目，設計NCC系統的水力停留時間為4 h，生物酶木炭填料量為250 m3，填料上下采用不銹鋼承托濾板攔截，防止填料流失。BOD5容積負荷為0.6～2.5 kg/(m3·d)，可以應對水質變化的沖擊影響。生物酶木炭區連續曝氣，曝氣方式采用穿孔曝氣管，各單元定期反沖洗、排泥。

2.4 分析項目和方法

為測試NCC系統的運行效果，在系統穩定運行后，采用在線水質監測系統定期監測NCC系統進出水的CODCr、氨氮，并定期取樣檢測進出水的TP。此外，在系統正常運行1年后(2020年3月)，對系統各單元的出水水質進行檢測(CODCr、氨氮、TN、TP)，以評估CASS單元和NCC單元在污水處理中的貢獻。

其中，CODCr及氨氮均采取連續流動注射比色法進行自動監測，其余水質指標則參考《水和廢水檢測分析方法》[18]進行檢測。

3 運行狀況及處理效果

該污水處理設施建成后，經過試運行和調試，于2019年3月開始正式運行。通過對2019年3月—2020年1月的污水處理系統進出水水質數據進行檢測和分析，發現出水水質均優于設計目標，對各污染物的去除效果良好，具體如下。

3.1 CODCr的去除效果

2019年3月—2020年1月，進出水CODCr及系統對CODCr的去除率如圖5所示。進水CODCr質量濃度在24.05～396.00 mg/L，均值為156.12 mg/L。監測期間，系統進水CODCr變化波動相對較大，最高達396.00 mg/L。經過“CASS系統+NCC系統”組合工藝處理后，系統出水CODCr基本穩定，運行前期(2019年3月—6月)出水CODCr質量濃度在14.09～49.52 mg/L，運行后期(2019年7月—2020年1月)出水CODCr質量濃度在3.00～12.32 mg/L，均滿足設計目標。

整個監測期間，CODCr去除率在41.41%～99.01%，均值為86.33%。運行前期(2019年3月—6月)CODCr去除率波動幅度相對較大，運行后期(2019年7月—2020年1月)CODCr去除率穩定在95.00%左右。

圖5 凈化設施進出水CODCr變化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，進出水氨氮濃度及系統對氨氮的去除率如圖6所示。整個監測期間，系統進水的平均氨氮質量濃度為42.70 mg/L，其中，2019年11月26日—12月16日進水氨氮濃度異常，分別達到了97.50、125.30、119.50 mg/L，其余時刻基本上保持在60.00 mg/L以下。監測期間，系統出水的平均氨氮質量濃度為0.85 mg/L，與CODCr的變化趨勢類似，運行后期的出水氨氮濃度相比運行前期有明顯的下降。運行前期(2019年3月—6月)出水氨氮質量濃度在0.72～3.71 mg/L，平均質量濃度為1.61 mg/L，運行后期(2019年7月—2020年1月)出水氨氮質量濃度在0.03～2.15 mg/L，平均質量濃度為0.52 mg/L，其中運行后期除了2次數據異常之外，基本上保持在0.03～0.50 mg/L。

圖6 凈化設施進出水氨氮變化Fig.6 Changes of Ammonia Nitrogen in Influent and Effluent of Purification Facilities

除了監測早期(2019年3月)氨氮去除率較低(37.00%)外，其余時間氨氮去除率都一直穩定在90.00%以上，2019年4月—10月氨氮去除率為92.00%～99.00%，2019年11月—2020年1月氨氮去除率穩定在99.50%左右。

數據表明，經過一定時期的調試運行，系統氨氮去除率穩定在99.00%左右，出水氨氮質量濃度均在1.00 mg/L以下，效果穩定，且遠高于設計要求。此外，系統完全成熟后，進水的氨氮濃度波動性對出水水質沒有影響，可持續穩定運行，保證出水水質。

3.3 TP的去除效果

2019年3月—2020年1月，進出水TP濃度及系統對TP的去除率如圖7所示。與氨氮及CODCr采用在線監測不同，TP采用定期人工采樣檢測。整個監測期間，系統進水TP的質量濃度為6.00～22.80 mg/L，平均值為13.14 mg/L 。經系統處理后，出水TP的質量濃度為0.10～0.48 mg/L，平均值為0.30 mg/L，出水TP變化趨勢比較穩定，未表現出運行前后期的區別。在整個監測期間，TP的去除率為93.90%～99.50%，平均去除率為97.30%，呈現出十分穩定的處理能力。

圖7 凈化設施進出水TP變化Fig.7 Changes of TP in Influent and Effluent of Purification Facilities

3.4 系統各工藝單元的處理效果及貢獻

系統各工藝單元的處理效果和去除率如表2所示。在系統正常運行狀態中，CASS工藝將進水CODCr平均質量濃度從189.80 mg/L降至57.26 mg/L，氨氮平均質量濃度從27.08 mg/L降至6.60 mg/L，TP平均質量濃度從13.04 mg/L降至3.76 mg/L，TN平均質量濃度從37.22 mg/L降至18.00 mg/L，獨立平均去除率分別為68.7%、76.0%、70.6%和52.1%。NCC工藝則在CASS的基礎上，進一步將水體CODCr、氨氮、TP、TN平均質量濃度降至13.30、0.28、0.13、6.41 mg/L，獨立平均去除率分別為75.8%、95.7%、96.3%、60.8%。系統總平均去除率分別為92.1%、99.0%、98.8%、82.4%。

表2 系統各工藝單元出水水質對比 (n=5)Tab.2 Comparison of Water Quality in Each Process Unit (n=5)

各工藝單元的去除貢獻占比如圖8所示。在整個系統對水體各污染物(CODCr、氨氮、TP、TN)的去除中，CASS單元分別貢獻了72.6%、76.4%、71.9%、62.4%的平均削減量，NCC單元分別貢獻了27.4%、23.6%、28.1%、37.6%的平均削減量。

圖8 各工藝單元的去除貢獻Fig.8 Removal Contribution of Each Process Unit and Total Process

4 討論

4.1 NCC系統對原CASS工藝的提升

CASS水處理工藝是一種改良型的SBR工藝，主要應用于有脫氮除磷要求、有機污染物含量較高的污染水體，常用于城市生活污水和部分工業廢水[19-22]。CASS具有組成簡單、運行靈活、可靠性好的特點，但同時也存在生物脫氮除磷效果難以提升的問題[23]，此外，CASS在實際運行中需要精確調節來適應進水水質的波動[24-25]，對運行管理的要求較高。針對這一現狀，工程應用中也越來越多地采用其他工藝和CASS的組合工藝。

本研究將CASS和NCC系統相結合，對城鎮生活污水進行治理，進一步提升了對污染水體中的氨氮、TP、CODCr的去除效果。從本項目的實際運行效果看，CODCr的處理效能使通常的出水質量濃度為50.00～150.00 mg/L降至15.00 mg/L以下，氨氮的處理效能使出水質量濃度為5.00 mg/L降至1.00 mg/L以下，TP的處理效能使出水質量濃度為0.50～1.00 mg/L降至平均值為0.30 mg/L以下，而且處理能力穩定，進水水質的波動對出水水質影響較小。

從各處理單元的去除率對比以及其在總污染物削減中的貢獻可以看到，CASS系統貢獻70.00%左右的削減量，NCC系統貢獻30.00%左右的削減量。結果表明，NCC系統適宜深度處理，在進水污染物濃度較低時(除TP外，均滿足城鎮污水處理二級排放標準)，氨氮和TP的去除率仍可保持95.00%以上，CODCr和TN去除率可達到60.00%～76.00%，將出水水質提升至地表水“準Ⅳ類”標準(除TN外，其他指標均達到Ⅳ類標準)。

4.2 炭系載體對NC水處理技術的提升

研究[8,26-27]表明，NC處理技術的主要優勢是處理氨氮、TP效果高，以及應對水質沖擊的能力好，本項研究也同樣證明了NC水處理技術的這些優勢。在進行了生物酶木炭的工藝改進之后，NCC系統的處理能力得到進一步提升，對氨氮、TP的處理能力都穩定維持在90.00%以上。而且，在運行過程中，系統處理能力可以隨著系統熟化進一步增長，結果表明，在運行后期系統完全成熟后，對氨氮和TP的處理能力可以維持在99.00%以上。

根據對現場運行效果的觀察和分析，推測NCC系統能長期維持高處理效能的原因可能在于：(1)填料表面固定生物酶，有利于保持填料的處理活性，因水質變化而帶來的沖擊更??；(2)填料的高孔隙度和獨特的充氧效率，使得系統中的微生物的生長和群落演替比通常情況下更為迅速，系統因此具有一定的成長性，可以在運行后期進一步提升處理效率。

4.3 NCC系統可供改進的方向

(1)根據本項目的運行結果，NCC系統對TN的處理效能沒有達到氨氮、TP的水平，這可能是系統的好氧特性導致對硝酸鹽的處理能力不高。雖然本項目與具有一定反硝化能力的CASS工藝進行了組合，但CASS工藝前置，使得聚合深度處理池產生的硝酸鹽未能完全被處理。NCC系統下一步可以在TN的去除能力上進行改進。

(2)雖然NCC系統表現出對微生物良好的促進能力，但對具體微生物組成以及演替規律仍知之甚少[5]，微生物群落因處理污水的不同而產生的響應仍屬未知。而污水處理中微生物的群落變化是解釋工藝效能的重要環節，在了解其變化規律后，可以利用填料材料和營養來誘導功能微生物的生長[28]。NCC系統下一步可以在系統功能微生物的組成和演替規律上進行探索，以進一步對生物酶木炭和系統進行改進。

5 結論與展望

城鎮生活污水經過CASS系統+NCC系統的組合工藝處理后，CODCr去除率達到95.00%，氨氮和TP去除率達到99.00%，在進水負荷波動較大的情況下，出水主要水質指標均到達設計目標。組合工藝中，CASS系統貢獻了約70.00%的平均削減量，NCC系統則在其基礎上進一步去除60.00%以上的CODCr、90.00%以上的氨氮和TP，遠遠超過了設計出水的一級A標準，達到地表Ⅳ類水質標準。

運行結果表明，NCC系統對生活污水具有良好的深度處理效果。將NCC系統與CASS、SBR等前處理工藝相組合，具有處理效率高、運行管理簡單方便、對周圍環境影響小、生態景觀等優點，可在生活污水處理、黑臭水體治理等領域有廣泛的應用。