農村生活污水處理的脈沖生物濾池工藝改良與調試

劉世杰，趙凱杰，李宏辭

(東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210018)

農村生活污水治理是實施鄉村振興戰略的重要內容。脈沖生物濾池工藝因為其占地面積小、運維成本低、操作簡潔等優點，在江蘇省農村污水治理中被廣泛采用[1-3]，但是處理效果不穩定。為此調研了南京市高淳區采用該工藝的475個農村污水處理站點，發現常見的問題是脈沖生物濾池頂部的脈沖水箱損壞，導致運行過程中水力負荷高，出水不能穩定達標。

過去10年國內外多個學者對生物濾池進行優化研究[4-8]，如田昕茹等[9]通過三級串聯分層生物濾池降解模擬生活污水，有機負荷為0.328～0.392 kg/(m3·d)，組合工藝處理效果最佳；金秋等[1]通過將脈沖滴濾池分為兩層從而提高組合工藝處理效率；張文寧[10]研究發現，使用浮石填料的生物滴濾池在水力負荷為0.85 m3/(m2·d)時，對化學需氧量(COD)、氨氮、總氮(TN)和總磷(TP)去除率分別能達到83.04%、79.68%、45.6%和38.4%；Vianna等[11]用絲瓜果皮做脈沖生物濾池填料，發現比傳統的填料上生物膜更加豐富，處理效率更高；張國珍等[12]利用一體化ABR-生物滴濾池，在濾池前通過ABR反應器削減負荷，研究表明水力負荷為1.75 m3/(m2·d)時，對各種污染物去除效果最好；Diez-montero等[13]對生物濾池工藝進行改造，在其前增加了厭氧和缺氧反應器，有效降低系統出水TN濃度；也有學者[14]研究了使用生物炭屑兩相生物滴濾塔處理高氮磷廢水，TP去除率達到68%。

上述改進都取得了一定效果，由此可見，水力負荷是生物濾池的重要運行參數。為此，本研究提出取消脈沖水箱，并采用時間控制開關和流量控制模塊聯合控制水力負荷的改良型生物濾池的方案，依托高淳區某自然村村站點進行改良和現場調試對比研究。該村站點建成于2015年，設計處理水量為20 m3/d。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

圖1為站點原(未改良)脈沖生物濾池與改良型生物濾池示意圖。脈沖水箱的蓄水和集中布水使原脈沖生物濾池水力負荷達到13.5 m3/(m2·d)。現將原生物濾池頂端的脈沖水箱拆除，使生物濾池進水直接通過穿孔布水管向填料表面均勻布水，有效緩解水力沖擊負荷，脈沖水箱如圖2所示。

圖1 (a)原脈沖生物濾池與(b)改良型生物濾池示意圖Fig.1 Schematic Diagram of (a) Original Pulsed Biofilter and (b) Improved Biofilter

圖2 脈沖水箱Fig.2 Pulsed Water Tank

圖3～圖4為改良型生物濾池及配件的實物圖。該濾池中填料實際有效面積為6.43 m2，高度為2 m，填料體積為10.86 m3。實際環境下該處理站點可調控的措施有限。安裝組合泄水開關(流量控制模塊)，如圖3所示，通過調節該開關，控制濾池進水流量，從而降低水力負荷。采用時間控制開關控制水泵提水頻率代替脈沖水箱,來調整濾池布水周期，分別對時間控制開關設置8、12、16 h和20 h工作模式，進而對生物濾池均時均勻地布水，時間控制開關如圖4所示。

圖3 組合泄水開關Fig.3 Combined Drain Valve

圖4 時間控制開關Fig.4 Time Control Switch

1.2 試驗分析方法

時間控制開關設置8、12、16、20 h工作模式的具體操作說明如表1所示。

表1 時間控制開關各種時間控制模式的操作說明及對應的流量和水力負荷Tab.1 Operation Instructions of Various Time Control Modes of Time Control Switch and Corresponding Flow and Hydraulic Load

調試試驗在運行穩定期間進行，改良型生物濾池出水回流比為1∶1。試驗基本環境：進水pH值為6.5～7.7，出水pH值為6.1～7.1，試驗水溫為27～32 ℃。用溶解氧(DO)儀測出不同工作模式下濾池DO進出水濃度。

試驗過程中水力負荷通過改變組合泄水開關大小，調節濾池進水流量來控制，水力負荷的計算如式(1)。

(1)

其中：S水——濾池水力負荷，m3/(m2·d)；

Q——濾池進水流量，m3/d；

A——改良型生物濾池填料有效面積，m2；

不同的濾池進水流量對應不同水力負荷。容積負荷通過控制一定濾池水力負荷，同時根據實際過程中改良型生物濾池進水污染物濃度，容積負荷的計算如式(2)。

(2)

其中：S容——濾池容積負荷，kg/(m3·d)；

V——濾池填料體積，m3；

C0——濾池進水污染物質量濃度，mg/L；

H——濾池填料高度，m。

通過多次取樣檢測，收集足量濾池進水污染物濃度數據，進而獲得多組實際情況下的容積負荷，分析4種模式下污染物負荷與相應污染物去除率的關系。

1.3 試驗設備

時間控制開關：型號為XT不銹鋼箱380 V+空氣開關。電磁流量計：型號為BLDLD-DN40，電壓為220V，額定壓力為1.6 MPa。組合泄水開關：兩個DN100球閥開關和1個DN100管段組合而成。

1.4 試驗儀器及測量方法

試驗檢測的指標和方法如表2所示。

表2 試驗檢測項目及檢測方法Tab.2 Experimental Detection Indices and Detection Methods

2 結果與討論

試驗于2020年7月7日—2020年11月15日在某農村污水處理站進行，用電磁流量計測出改良型生物濾池實際平均處理量為12 m3/d。統計2020年5月1日以前的原脈沖生物濾池CODCr、氨氮、TN和TP進水濃度及其對各污染物的平均去除率，結果如表3所示。可見水質波動范圍較大，原脈沖生物濾池對各污染物去除率低。

表3 原脈沖生物濾池進水濃度及對各污染物的平均去除率Tab.3 Concentration of Influent and Average Removal Rate of Pollutants in Original Pulsed Biofilter

圖5 不同時間控制模式下濾池出水DO濃度變化Fig.5 Changes of DO Concentration in Effluent of Filter under Different Time Control Modes

2.1 改良型生物濾池不同工作模式下的出水DO濃度變化情況

圖5為4種工作模式下的濾池出水DO濃度變化試驗結果。測量DO濃度的時間為8月1日—9月29日，改良型生物濾池進水DO質量濃度為0.8～1.4 mg/L，氣溫穩定在29～31 ℃，pH值在6.5～7.0。8 h工作模式出水DO最高質量濃度為5.1 mg/L，最低質量濃度為4.3 mg/L，平均質量濃度為4.7 mg/L；12 h工作模式出水DO最高質量濃度為6.3 mg/L，最低為5.0 mg/L，平均質量濃度為5.5 mg/L；16 h工作模式出水DO最高質量濃度為4.4 mg/L，最低為3.1 mg/L，平均質量濃度為3.8 mg/L；20 h工作模式出水DO最高質量濃度為3.8 mg/L，最低質量濃度為2.8 mg/L，平均質量濃度為3.1 mg/L。從濾池出水DO平均濃度可以看出，12 h工作模式下改良型生物濾池復氧能力更強。12 h和8 h兩種工作模式下DO平均濃度差距不大，16 h和20 h兩種工作模式DO平均濃度與12 h模式下的DO濃度差距較大，說明在實際控制中，運用時間控制開關調節生物濾池復氧存在時間分區界限，即濾池在8 h和12 h工作模式下間歇運行能更有效地恢復DO。白永剛[15]通過延長濾池布水周期發現氨氮去除率提高了30%，可以看成是一種變相時間控制。試驗時氣溫較高，8 h工作模式停止運行時長為16 h，12 h工作模式停止運行時長為12 h，兩種工作模式下濾池停止運行時間較長，待濾池下次開始運行工作時，濾池內殘留在填料上的水分蒸發需要吸收周圍熱量，導致濾池內填料間的溫度降低，濾池內外溫差變大。溫差會引起空氣流動，充足的停止運行時長能恢復填料上生物膜的DO量更多，因此，能在滿足降解有機物的同時，提高氨氮去除率。而16 h和20 h工作模式下工作時間較長，污水流動過程中濾池外的氧氣難以接觸到填料上生物膜表面，復氧效果欠缺，待下次污水流經填料表面，DO含量不能滿足有機物氧化和氨氮氧化的需要，污染物去除率下降。

在實際應用中，通過時間控制開關工作模式，合理控制水力停留時間(HRT)，在降低水力負荷的同時優化濾池復氧機制，增強濾池DO恢復能力，平衡了HRT因素與復氧能力因素，進而提高改良型生物濾池內DO濃度。

2.2 改良型生物濾池容積負荷與污染物去除率之間的關系

2.2.1 濾池進水CODCr容積負荷與CODCr去除率

圖6為改良型生物濾池在時間控制開關下的8、12、16 h和20 h工作模式時CODCr容積負荷與CODCr去除率之間變化規律試驗結果。CODCr去除率呈現先上升后下降的趨勢。4種工作模式下容積負荷從0.10 kg/(m3·d)增長到0.35 kg/(m3·d)時，CODCr去除率隨著容積負荷的增大而增大，從28.0%～38.5%提高到48.1%～63.0%，說明該階段可能異養菌工作能力未達到飽和[16]，時間控制模式下DO供應比較充足，限制反應速率的主要因素是CODCr濃度。當CODCr容積負荷從0.35 kg/(m3·d)增長到0.75 kg/(m3·d)時，有機污染物未被填料上的微生物充分降解就從濾池流出，CODCr去除率呈現下降趨勢,去除率從48.1%～63.0%降低到25.2%～40.0%。12 h工作模式下進水CODCr容積負荷在0.3～0.5 kg/(m3·d)時，可保證CODCr去除率在57.3%以上，比原脈沖生物濾池平均去除率高23.8%以上。

圖6 不同時間控制模式下濾池進水CODCr容積負荷與CODCr去除率的關系Fig.6 Relationship between Influent CODCr Volumetric Load and CODCr Removal Rate under Different Time Control Modes

8 h和12 h工作模式下的CODCr平均去除率高于16 h和20 h，試驗過程中測出8、12、16 h和20 h工作模式下濾池出水DO平均質量濃度分別約為4.7、5.5、3.8 mg/L和3.1 mg/L，8 h與12 h工作模式下恢復的DO較16 h和20 h工作模式更多，說明可能是異養菌在更充足的DO條件下降解有機物反應更加高效。

2.2.2 濾池進水CODCr容積負荷與氨氮去除率

圖7為改良型生物濾池在時間控制開關下的8、12、16 h和20 h工作模式時CODCr容積負荷與氨氮去除率之間的變化規律試驗結果，氨氮去除率呈現下降的趨勢。4種工作模式下氨氮去除率隨著CODCr容積負荷的增大而減小，其中8 h和12 h工作模式，在CODCr容積負荷為0.05～0.60 kg/(m3·d)時，氨氮去除率分別從79.6%和87.4%降低到27.4%和27.6%。此時隨著CODCr濃度的增大，硝化細菌繁殖受到抑制，有利于異養菌的生長[17]，DO急劇消耗，導致氨氮去除率快速下降。段化杰等[18]通過實際試驗沿程測量和Matlab軟件模擬也發現氨氮去除率和有機負荷呈現負相關的趨勢。16 h和20 h工作模式下的氨氮下降速率較上兩組緩慢，表明DO不足時，異養菌不會快速大量繁殖，異養菌與硝化細菌DO競爭程度較前兩組弱，所以隨著CODCr負荷增大對氨氮去除率的波動影響較小。

圖7 不同時間控制模式下濾池進水CODCr容積負荷與氨氮去除率的關系Fig.7 Relationship between CODCr Volumetric Load and Ammonia Nitrogen Removal Rate under Different Time Control Modes

總體上，在CODCr容積負荷變動時，8 h和12 h兩種工作模式比16 h和20 h兩種工作模式的氨氮去除率整體高30%左右。4條去除率曲線下降較快，說明改良型生物濾池處理能力較不穩定，需要控制進水氨氮濃度盡可能地低，如在12 h工作模式下控制CODCr容積負荷小于0.25 kg/(m3·d)，可保證氨氮去除率在60%以上。

2.2.3 濾池進水氨氮容積負荷與氨氮去除率的關系

圖8為改良型生物濾池在時間控制開關下的8、12、16 h和20 h工作模式時氨氮容積負荷與去除率之間的變化規律試驗結果。當氨氮容積負荷為0.010～0.075 kg/(m3·d)時，8 h和12 h工作模式下氨氮去除率在43.3%～87.4%。低氨氮容積負荷伴隨著低CODCr容積負荷，且試驗測得此兩種工作模式DO平均質量濃度分別為4.7 mg/L和5.5 mg/L，DO濃度較為充足，能在滿足異養菌降解有機物的同時滿足硝化細菌降解氨氮。當氨氮負荷從0.075 kg/(m3·d)增大到0.200 kg/(m3·d)左右時，兩種工作模式的氨氮去除率降低到13%～25%，此時較高氨氮容積負荷因HRT不足致使部分氨氮未被消耗就流出，造成濾池出水氨氮濃度高。16 h和20 h工作模式也表現出相似的變化規律，但是去除率整體較8 h與12 h工作模式低20%～30%。12 h工作模式屬于一種間歇進水模式，有助于濾池內的空氣流動，強化復氧，這與張毅[19]研究相一致。12 h工作模式下進水氨氮容積負荷在0.05 kg/(m3·d)以內，可保證氨氮去除率在65%以上，比原脈沖生物濾池平均去除率高36.5%以上。

圖8 不同時間控制模式下濾池進水氨氮容積負荷與氨氮去除率的關系Fig.8 Relationship between Ammonia Nitrogen Volumetric Load and Ammonia Nitrogen Removal Rate under Different Time Control Modes

在實際應用中，本改良型生物濾池進水氨氮濃度偏高，可在12 h工作模式下增加回流到缺氧池后端的回流量，進而降低改良型生物濾池進水的氨氮濃度，限制氨氮容積負荷小于0.05 kg/(m3·d)，使氨氮去除率保持在65%以上。

2.2.4 濾池進水TN容積負荷與TN去除率的關系

圖9為改良型生物濾池在時間控制開關下的8、12、16 h和20 h工作模式時TN容積負荷與去除率之間的變化規律試驗結果，4種工作模式下的TN去除率呈現逐步下降的規律。當TN容積負荷從0.01 kg/(m3·d)提高到0.18 kg/(m3·d)時，8、12、16 h和20 h 4種工作模式下TN去除率分別在3.3%～16.3%、6.7%～20.9%、12.5%～33.0%、8.1%～28.4%，數值逐漸下降。4種工作模式在TN容積負荷變化的過程中TN去除率比較為16 h≈20 h>12 h>8 h，其中16 h工作模式下對TN的整體去除率最高，最高為33.0%。而濾池填料上生物膜由內到外為厭氧區、缺氧區、好氧區，16 h和20 h工作模式濾池DO恢復效果不如8 h和12 h工作模式，所以更容易形成缺氧環境，導致生物膜缺氧區域向外擴展，更有利于反硝化反應，脫氮效果更佳。12 h工作模式下進水TN容積負荷在0.06 kg/(m3·d)以內，可保證TN去除率在19.7%以上，比原脈沖生物濾池平均去除率高9.6%以上。16 h和20 h工作模式試驗結果相比于黃濤[20]濾池中16%的TN去除率提高了5%～17%。

圖9 不同時間控制模式下濾池進水TN容積負荷與TN去除率的關系Fig.9 Relationship between Influent TN Volumetric Load and TN Removal Rate under Different Time Control Modes

2.2.5 濾池進水TP容積負荷與TP去除率的關系

圖10為改良型生物濾池在時間控制開關下的8、12、16 h和20 h工作模式時TP容積負荷與TP去除率之間的變化規律試驗結果，TP去除率隨著TP容積負荷的增大而降低。因為試驗站點旁存在公共衛生間，TP容積負荷整體偏高，TP容積負荷從0.002 kg/(m3·d)增大到0.006 kg/(m3·d)，4種工作模式下TP去除率從43.2%～53.4%急劇降低到23.3%～36.9%。在進水TP濃度較低時，濾池中的填料有充分的空間和生物膜處理吸附TP，使濾池保持較高的TP去除率。在TP容積負荷從0.006 kg/(m3·d)增大到0.014 kg/(m3·d)時，TP去除率降低到13.4%～16.5%，因為此階段TP容積負荷已經過高，陶粒填料表面會形成對TP吸附限制，填料小孔吸附與脫附達到動態平衡，多余的TP未被及時吸附就流出濾池。

圖10 不同時間控制模式下濾池進水TP容積負荷與TP去除率的關系Fig.10 Relationship between TP Volumetric Load and TP Removal Rate under Different Time Control Modes

上述研究表明，12 h工作模式在不同TP容積負荷階段對TP去除率都是最高的。因此，在12 h工作模式下將TP容積負荷控制在0.005 kg/(m3·d)以內，可以保證TP去除率在43.8%以上，比原脈沖生物濾池高出28.8%以上。

2.3 改良型生物濾池水力負荷與污染物去除率的關系

2.3.1 濾池進水水力負荷與CODCr去除率的關系

圖11為時間控制開關為12 h工作模式下改良型生物濾池的水力負荷與CODCr去除率之間的關系情況。在前一階段試驗基礎上，研究得出時間控制開關控制為12 h工作模式的改良型濾池工作方式有利于DO恢復，同時兼顧TN的去除。本研究階段，當水力負荷從0.80 m3/(m2·d)增大到2.00 m3/(m2·d)，CODCr去除率隨著水力負荷的增大而增大，去除率從58.8%增加到63.0%。水力負荷較小，水力剪切力小，HRT就長，更有利于生物膜上的異養菌降解CODCr，且CODCr容積負荷較低，所以此時CODCr去除率上升。當水力負荷從2.00 m3/(m2·d)增大到4.80 m3/(m2·d)，CODCr容積負荷增大，CODCr去除率在61.0%～63.0%，較為穩定，仍保持在一個高效階段。當水力負荷在從4.8 m3/(m2·d)上升到9.00 m3/(m2·d)時，一方面，水力負荷的增大，沖刷破壞填料上的生物膜，導致HRT降低；另一方面，水力負荷增大時CODCr容積負荷也增大，CODCr去除率急劇下降，從61.0%降到33.8%。上述研究表明，CODCr去除率大致隨著水力負荷增大而減小，與黃媛媛等[21]在改進濾池的研究結論具有一致性。

圖11 時控開關設置12 h工作模式時濾池進水水力負荷與CODCr去除率的關系Fig.11 Relationship between Influent Hydraulic Load and CODCr Removal Rate as Control Switch Setup for 12 h

該工藝水力負荷在1.00～3.00 m3/(m2·d)時，CODCr去除率穩定在62.4%以上，與原脈沖生物濾池水力負荷為13.5 m3/(m2·d)下的CODCr平均去除率33.5%相比，提高了28.9%以上。從降解CODCr的角度考慮，水力負荷應選擇1.00～3.00 m3/(m2·d)。

2.3.2 濾池進水水力負荷與氨氮去除率的關系

圖12 時控開關設置12 h工作模式時濾池進水水力負荷與氨氮去除率的關系Fig.12 Relationship between Influent Hydraulic Load and Ammonia Nitrogen Removal Rate as Control Switch Setup for 12 h

上述研究表明，時間控制開關設置為間歇式工作的12 h工作模式，控制組合泄水開關，使濾池在低水力負荷1.00～3.00 m3/(m2·d)運行處理農村生活污水，可保證去除率穩定在76.1%以上。

2.3.3 濾池進水水力負荷與TN去除率的關系

上述研究表明，濾池在12 h工作模式下將水力負荷控制在1.00～3.00 m3/(m2·d)，可以有效保證TN去除率在20.7%以上，比余浩[22]的TN去除率的研究結果高8%。

圖13 時控開關設置12 h工作模式時濾池進水水力負荷與TN去除率的關系Fig.13 Relationship between Influent Hydraulic Load and TN Removal Rate as Control Switch Setup for 12 h

3 結論

(1)通過拆除脈沖水箱，降低水力負荷，同時設置時間控制開關控制水泵工作頻率，使濾池均時均量布水，研究8、12、16、20 h 4種時間控制工作模式下的污染物去除率。結果表明，在進水水質CODCr、氨氮、TN、TP質量濃度分別為30～156、14.2～85.0、21.4～96.0、0.97～7.50 mg/L的情況下，改良型生物濾池在12 h工作模式下對CODCr、氨氮、TP的整體去除率最高，最高分別為63.0%、87.4%、53.4%；在16 h工作模式下對TN的整體去除率最高，最高為33.0%。

(2)12 h工作模式下進水CODCr容積負荷及氨氮容積負荷、TN容積負荷、TP容積負荷分別控制在0.3～0.5及0.05、0.06、0.005 kg/(m3·d)以內，方能保證CODCr、氨氮、TN、TP去除率在57.3%、65%、19.7%、43.8%以上，比原脈沖生物濾池平均去除率分別高23.8%、36.5%、9.6%、28.8%以上。

(3)試驗發現8、12、16 h和20 h工作模式下改良型生物濾池出水DO平均質量濃度分別為4.7、5.5、3.8 mg/L和3.1 mg/L，表明4種工作模式下改良型生物濾池池體的DO恢復程度不同，12 h工作模式下的復氧效果最好，此時有利于降解有機物和氨氮。

(4)最大回流比為1∶1時，改良型生物濾池在12 h工作模式下，將水力負荷降低在1.00～3.00 m3/(m2·d)，CODCr、氨氮、TN去除率分別可達到62.4%、76.1%、20.7%以上。

(5)試驗研究結果可見，在相同容積負荷的情況下，12 h工作模式比其他3種工作模式表現出更好的去除效果，該模式下生物濾池對氨氮去除率最高，同時也能兼顧CODCr和TP的去除效果。因此，改良型生物濾池在出水回流比為1∶1的條件下，采用時間控制開關12 h工作模式，且在水力負荷1.00～3.00 m3/(m2·d)運行，為最佳的工作模式。