小流量分散型污水處理生物反應(yīng)器試驗研究

分散污水是指農(nóng)村社區(qū)、高速公路服務(wù)區(qū)、機(jī)場、獨立別墅區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū)等地處郊區(qū)，分布分散，無法納入市政管網(wǎng)覆蓋范圍的特定區(qū)域產(chǎn)生的污水，這類污水具有水量小、排放分散、水質(zhì)水量波動較大、可生化性好等特點(陳書雪等，2011;呂錫武，2012;陳呂軍，2014;陳汗龍等，2015).分散污水不適宜進(jìn)行集中處理，應(yīng)進(jìn)行就地處理，就地回用.

　　根據(jù)水量及收集方式的不同，分散式污水處理有不同的處理規(guī)模，如在農(nóng)村污水處理中，可分為單戶污水分散收集處理模式、聯(lián)戶污水分散收集處理模式和村落污水集中收集處理模式(Libralato et al., 2012;王陽等，2015).由于當(dāng)?shù)鼐幼顩r和經(jīng)濟(jì)情況不同，對污水處理設(shè)施的選擇也不相同.

　　當(dāng)前小流量分散污水常用的生物膜法、穩(wěn)定塘、氧化塘、人工濕地等處理工藝，對污染物的削減有一定的作用，但也面臨著諸多問題.比如，穩(wěn)定塘占地面積大、污泥容易淤積(劉云國等，2014);人工濕地一般不宜直接處理較高濃度的生活污水，并存在水力負(fù)荷低、占地面積大、易受氣候和溫度影響等問題(劉峰等，2010;孫宗建等，2007);凈化槽工藝雖對污水中COD、BOD和NH4+-N等具有較好的處理效果，但設(shè)計中較少考慮TN和TP的去除(王昶等，2009);而生物接觸氧化法的填料造價高，增加了投資，另外對生物接觸池內(nèi)布水、布?xì)獾木鶆蛐杂幸欢ㄒ?趙賢慧等，2010).隨著更嚴(yán)格的污水排放標(biāo)準(zhǔn)的出臺，對總磷、總氮等污染物的處理要求也進(jìn)一步提升，以往分散式污水處理設(shè)施很難滿足新的要求.

　　連續(xù)流間歇曝氣工藝在國內(nèi)外均有研究，相對于傳統(tǒng)活性污泥工藝，間歇曝氣工藝可以減少反硝化過程中對碳源的需求，適用于低C/N污水的脫氮(Hao et al., 1996;Fulazzaky et al., 2015).Insel等(2006)研究認(rèn)為，曝氣停曝的循環(huán)時間和其中曝氣時間的占比對整個反應(yīng)脫氮的過程有重要影響.國內(nèi)對間歇曝氣工藝的研究多集中在現(xiàn)有污水處理廠的提標(biāo)改造及處理過程中的控制參數(shù)上，如張雯等(2013)研究了間歇曝氣和連續(xù)曝氣對*混合反應(yīng)器脫氮性能的影響，指出間歇曝氣時，由于厭氧階段有利于異養(yǎng)型兼性厭氧菌的代謝活動，故反硝化進(jìn)行得較為*，對總氮的去除率可以維持在70%以上.金春姬等(2003)對低C/N污水進(jìn)行間歇曝氣工藝處理，考察了間歇曝氣周期對污水脫氮的影響，認(rèn)為曝氣時間應(yīng)根據(jù)進(jìn)水氨氮負(fù)荷保持在0.5 h以上，攪拌缺氧的時間應(yīng)該控制在1 h左右.喬海兵等(2006)通過對連續(xù)流間歇曝氣氧化溝的研究，指出循環(huán)周期越小，好氧和缺氧交替頻率越高，系統(tǒng)中的DO水平相對較高，有利于硝化，同時也有利于消除停氣期的短流影響;隨著曝氣時間占比的降低，停氣時間的增加，進(jìn)水中的有機(jī)物進(jìn)入溝內(nèi)，作為反硝化的外加碳源，從而使反硝化速率加快.然而，對于分散式的間歇式曝氣活性污泥工藝應(yīng)用于分散式污水處理還鮮有報道.由于處理成本及水量水質(zhì)條件的制約，研究處理量小、能耗較低的間歇曝氣反應(yīng)器的處理效能具有重要的現(xiàn)實意義.

　　本文通過對應(yīng)用于分散型污水處理的間歇曝氣生物反應(yīng)器進(jìn)行生產(chǎn)性試驗研究，考察生物反應(yīng)器去除COD、氮、磷的效果，以期為其在分散式污水處理過程中的應(yīng)用提供建議.

　　2 材料與方法(Material and methods)2.1 實驗裝置

　　連續(xù)流間歇曝氣前缺氧生物反應(yīng)器(以下簡稱“生物反應(yīng)器”)根據(jù)課題組前期研究成果設(shè)計加工(Liu et al., 2017;Liu et al., 2017)，具體如圖 1所示.生物反應(yīng)器整裝在一個集裝箱內(nèi)，總?cè)莘e為27.6 m3，其中，混合池為3.2 m3，間歇曝氣池為19 m3，污泥截留池為2.2 m3，終沉池為1.9 m3.污水進(jìn)入混合池進(jìn)行混合后進(jìn)入間歇曝氣池.間歇曝氣池運(yùn)用溶氧儀在線控制裝置和中控電路(PLC)控制曝氣強(qiáng)度和曝氣時間比.間歇曝氣池與混合池之間通過內(nèi)回流管路相連，通過調(diào)節(jié)回流流量控制混合液回流比.污水流經(jīng)間歇曝氣池后，經(jīng)折板或細(xì)管與污泥截留池相連，泥水混合物在截流池進(jìn)行泥水分離澄清后，上清液流入終沉池進(jìn)行進(jìn)一步澄清并外排，截留的污泥通過污泥回流裝置返回到間歇曝氣池，可使間歇曝氣池保持較高的污泥濃度.終沉池設(shè)置污泥排出裝置，將所有沉淀的剩余污泥排出.可通過控制排泥時間，達(dá)到控制污泥停留時間的目的.

生物反應(yīng)器間歇曝氣池通過PLC自動控制曝氣和停曝時間，實現(xiàn)間歇式曝氣.曝氣階段溶解氧濃度由溶氧儀(型號：WTW IQ SensorNet 2020 XT Controller)控制.當(dāng)曝氣后溶解氧的濃度達(dá)到設(shè)定上限值(如2.5 mg·L-1)時，曝氣風(fēng)機(jī)自動停止曝氣，此時混合裝置自動開啟，生物反應(yīng)器中生物消耗溶氧.當(dāng)溶解氧濃度下降到設(shè)定下限值(如0.5 mg·L-1)時，曝氣風(fēng)機(jī)自動開啟，進(jìn)行鼓風(fēng)曝氣.本研究中通過調(diào)節(jié)曝氣時間比、混合液回流比、HRT等組合工況條件，考察了該生物反應(yīng)器去除COD、氮、磷效果.每個工況維持至少15 d，其中，工況Ⅵ維持30 d以上，工況Ⅶ維持3個月.工況條件如表 1所示.

　　2.2 實驗用水

　　實驗污水取自山東省日照市某市政生活污水處理廠曝氣沉砂池，經(jīng)提升泵進(jìn)入反應(yīng)裝置.生物反應(yīng)器接種污泥取自此污水廠氧化溝.

　　2.3 分析項目及方法

　　污水進(jìn)出水樣品混合均勻后測定其總COD、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸鹽氮(NO3--N)、總磷(TP)，上述各指標(biāo)所采用的Hach水質(zhì)分析法的序號分別為8000、10072、10031、10020、8190.反應(yīng)池中污泥濃度(MLSS)采用重量法測定，pH使用便攜式pH計(WTW Multi 3220)測定.

　小流量分散型污水處理生物反應(yīng)器試驗研究

　3 結(jié)果與討論(Results and discussion)3.1 生物反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度變化

　　生物反應(yīng)器間歇曝氣池中溶解氧在一個間歇曝氣周期隨時間變化情況如圖 2所示.曝氣階段，池中平均溶解氧濃度由圖中水平虛線標(biāo)示.以工況Ⅰ為例，曝氣開始時，池中溶解氧濃度上升，當(dāng)達(dá)到曝氣上限2.5 mg·L-1時，曝氣泵停止工作;當(dāng)溶解氧達(dá)到設(shè)定下限0.5 mg·L-1時，曝氣泵自動開啟.如此循環(huán)往復(fù)，直到曝氣周期停止，池中平均溶解氧濃度為1.64 mg·L-1.當(dāng)曝氣階段結(jié)束，進(jìn)入停曝混合階段，溶解氧需要被消耗10~20 min才能進(jìn)入缺氧階段.傳統(tǒng)活性污泥法要求曝氣池溶解氧濃度不小2.0 mg·L-1，以保證硝化反應(yīng)的*.研究表明，降低反應(yīng)器溶解氧濃度，可以減小曝氣能耗，如將曝氣溶解氧濃度控制在0.5 mg·L-1，據(jù)估計將節(jié)約10%的運(yùn)行能耗(Liu et al., 2013).同時低溶解氧濃度可以促使反應(yīng)器中菌群變化，促進(jìn)同步硝化反硝化的進(jìn)行，提升TN去除率(呂錫武等，2001;吳昌永等，2012;Liu et al., 2013).

　　3.2 生物反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度(MLSS)及污泥體積指數(shù)(SVI)變化情況

　　生物反應(yīng)器在運(yùn)行期間未從反應(yīng)區(qū)主動進(jìn)行排泥，系統(tǒng)內(nèi)的MLSS是常規(guī)活性污泥污水廠的4倍，可以穩(wěn)定達(dá)到10000 mg·L-1以上(圖 3).污泥經(jīng)過截留池的沉降，通過污泥回流裝置回到曝氣池，因此，較重的污泥經(jīng)過自動重力遴選保留在生物反應(yīng)器中.終沉池只對出水進(jìn)行澄清，產(chǎn)生的污泥量很少，可以通過排泥裝置排出.MLSS在接種后開始迅速上升，20 d左右達(dá)到10000 mg·L-1左右.工況Ⅲ由于設(shè)備重新移動，使得污泥量減少，但之后很快重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).污泥體積指數(shù)逐漸上升并穩(wěn)定在80~100 mL·g-1，顯示出良好的污泥沉降性能.在工況Ⅴ和Ⅵ，生物反應(yīng)器中平均水溫降至10 ℃以下，沒有出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象，這與前期研究的結(jié)果一致(Liu et al., 2017).工況Ⅶ進(jìn)入春、夏季，溫度回升，MLSS達(dá)到12000 mg·L-1以上，并隨著污泥量的增多，其污泥體積指數(shù)略有下降.

　3.3 對COD的去除效果

　　生物反應(yīng)器對COD的去除效果見圖 4，各工況的出水COD見表 3.可以看出，進(jìn)水COD波動較大，但生物反應(yīng)器對COD的去除率在運(yùn)行期間穩(wěn)定達(dá)到90%以上.生物反應(yīng)器中可以維持很高的污泥濃度，保證其面對水質(zhì)波動變化時具有較好的適應(yīng)能力.調(diào)整工況后對COD的去除效果影響不大，可能是因為異養(yǎng)菌對溶解氧的親和力強(qiáng)于自養(yǎng)菌，因此，在溶解氧較低的狀態(tài)下，異養(yǎng)菌將會利用氧氣進(jìn)行代謝活動，可以較好地代謝水中的COD(殷峻等，2013).

　3.4 對氮的去除效果

　　對于NH4+-N的去除，生物反應(yīng)器在接種后短時間內(nèi)即達(dá)到良好的硝化效果(圖 ).工況Ⅰ的曝氣階段平均溶解氧濃度為1.64 mg·L-1，時長為60 min，良好的硝化效果顯示其曝氣量充足，使曝氣階段污水中的氨氮達(dá)到充分轉(zhuǎn)化.而在停曝混合階段(時長60 min)，進(jìn)水的氨氮因為生物反應(yīng)器的稀釋作用，沒有在出水中積累，使得氨氮達(dá)到較好的去除效率，在90%以上.但出水TN由于NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N，并沒很好地從系統(tǒng)中脫除，TN出水濃度在20 mg·L-1左右(表 3)，去除率在40%左右(圖 5c).隨后調(diào)整停曝時間至90 min(工況Ⅱ)，這時曝氣時間比降為0.47(表 1)，NH4+-N去除略有波動仍可保持在90%以上，脫氮效率略有提高.當(dāng)調(diào)整至工況Ⅲ時，停曝時間增長至150 min，曝氣時間比進(jìn)一步下降至0.33.停曝時間的加長及污泥量變化使生物反應(yīng)器中硝化反應(yīng)受到影響，出水的NH4+-N提高，而NO3--N進(jìn)一步降低.由于生物反應(yīng)器反硝化作用的加強(qiáng)，脫氮效率進(jìn)一步提升至50%.在進(jìn)水流量一定時，可通過調(diào)節(jié)曝氣時間比、增加停曝時間，提高系統(tǒng)反硝化效率，進(jìn)而提高脫氮效率.需要注意的是，曝氣時間過短會造成NH4+-N氧化不充分，出水NH4+-N濃度增加，而過長會造成反硝化階段沒有足夠的碳源進(jìn)行反硝化.

　　隨后工況Ⅳ減少停曝時間至90 min，曝氣時間比為0.53，調(diào)低混合液回流比至1.5，生物反應(yīng)器維持穩(wěn)定的氨氮去除效果，脫氮效率約為55%~60%.與前期工況Ⅱ相比，該工況在保證硝化效果的情況下，脫氮效率有一定的提升.這是因為減小混合液回流后，回到混合池的混合液攜帶的溶解氧減少，使混合池維持較好的缺氧條件，提升反硝化效果.

　　考慮到曝氣過大會影響脫氮效果，隨后工況Ⅴ減低曝氣上限設(shè)定值至1.5 mg·L-1，間歇曝氣池的平均DO濃度降為0.88 mg·L-1，同時調(diào)節(jié)流量至50 m3·d-1，調(diào)長停曝時間為110 min，曝氣時間比為0.41.此時出水NH4+-N濃度明顯升高，運(yùn)行階段平均濃度為(10.0±4.3) mg·L-1(表 3).由于池中平均DO濃度降低、HRT減小、曝氣時間比減小，一方面使得NH4+-N硝化反應(yīng)沒有*，另一方面使得NH4+-N在較長的缺氧時段積累.NO3--N濃度較前期工況明顯降低，TN的去除率略有下降.考慮到冬季微生物的活性較低，為保持較好的硝化效果，調(diào)整為工況Ⅵ，降低了進(jìn)水流量并增加了曝氣時長.雖曝氣時間比增長為0.48并提高了HRT，但硝化沒有*，NH4+-N的去除效果波動，出水TN仍維持在17~22 mg·L-1，去除率約為50%~70%.當(dāng)水量變化時，水量的大小影響到營養(yǎng)物質(zhì)輸送的多少，在一定污泥量和呼吸強(qiáng)度情況下，水量會對出水效果有影響，因此，需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)間歇曝氣時間比來保證處理效果.冬季脫氮效率的減小，可以通過延長曝氣時間和污泥齡的方式進(jìn)行一定的補(bǔ)償，提高硝化效率，但總氮的脫除仍然受一定的影響，可以考慮添加一定的碳源物質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充.

　小流量分散型污水處理生物反應(yīng)器試驗研究

　隨后工況Ⅶ將停曝時間稍降低，間歇曝氣池中平均溶解氧濃度為1.0 mg·L-1，保持曝氣時長，繼續(xù)監(jiān)測處理效果3個月.隨著運(yùn)行時間的加長，生物反應(yīng)器中種群達(dá)到穩(wěn)定，出水NH4+-N、TN都可以達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，NH4+-N去除率在90%以上，TN去除率在70%~80%.對比工況Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ與前期工況Ⅰ、Ⅱ、Ⅱ，當(dāng)進(jìn)水流量升高時，可通過同時增加曝氣時間比與循環(huán)時長來提高脫氮效率.

　　Dey等(2011)通過模擬間歇曝氣生物反應(yīng)器發(fā)現(xiàn)，這類反應(yīng)器曝氣時長應(yīng)該占整個循環(huán)周期的50%~60%，而zui合適的循環(huán)周期應(yīng)該控制在2~3 h范圍內(nèi)，在此條件下可以達(dá)到較好的脫氮效果.另外，較高的污泥濃度可以促進(jìn)反應(yīng)器中反硝化的進(jìn)行，Sarioglu等(2009)通過對MBR同步硝化反硝化的研究，提出當(dāng)反應(yīng)器中污泥濃度達(dá)到較高水平時(25000~30000 mg·L-1)，污泥的衰減可以支持內(nèi)源反硝化;另一方面，較高濃度的污泥可以聚集形成內(nèi)部的缺氧區(qū)，可以促進(jìn)同步硝化反硝化的進(jìn)行.本研究得到結(jié)果與以上研究結(jié)論相近，差別主要來自于實際應(yīng)用中污泥濃度與菌群的不同，以及實驗環(huán)境和工況條件的不同.

　　3.5 對磷的去除效果

　　生物反應(yīng)器在運(yùn)行期間未從反應(yīng)區(qū)主動排泥，沉淀剩余污泥由終沉池排出，經(jīng)由產(chǎn)泥系數(shù)及污泥量計算，生物反應(yīng)器SRT約為50 d.在秋、冬運(yùn)行期間(工況Ⅰ~Ⅵ)，出水的總磷濃度平均約為1.65 mg·L-1(表 3)，對總磷的去除效果約為60%.工況Ⅶ，磷的進(jìn)水濃度有較大的提升，但出水濃度卻逐漸降至1 mg·L-1以下，滿足國家城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)1級B標(biāo)準(zhǔn).隨著生物反應(yīng)器中污泥濃度的提升，去除率達(dá)到80%以上.根據(jù)前期研究，間歇曝氣可在混合池制造厭氧和缺氧的環(huán)境，而在間歇曝氣池制造出缺氧和好氧的環(huán)境有利于聚磷菌(PAOs)的生長，進(jìn)而促進(jìn)了處理中磷的去除(Liu et al., 2017).另外，間歇曝氣降低了回流至缺氧區(qū)的硝酸鹽氮的濃度，減小了硝酸鹽氮對厭氧釋磷的影響，進(jìn)而營造出適宜聚磷菌生長的環(huán)境，使得磷的去除不僅僅是通過同化作用去除，還強(qiáng)化了生物除磷性能(侯紅勛等，2009).為達(dá)到更理想的總磷去除效果，可以考慮增加反應(yīng)區(qū)定期排泥，并同時輔以化學(xué)除磷.

　4 結(jié)論(Conclusions)

　　1) 連續(xù)流間歇曝氣前缺氧生物反應(yīng)器可以維持較高的污泥濃度，較好地去除生活污水中的COD.穩(wěn)定運(yùn)行后，COD去除率可達(dá)90%以上.

　　2) 在脫氮效率方面，當(dāng)水量一定時，可通過調(diào)低曝氣時間比，增加停曝時間，提高脫氮效率;在曝氣強(qiáng)度一定時，可以調(diào)低混合液回流比，提高脫氮效率;當(dāng)水量升高時，可通過增加曝氣時間比及循環(huán)時長，提高脫氮效率.穩(wěn)定運(yùn)行后，NH4+-N去除率可達(dá)90%以上，TN的去除率達(dá)到70%~80%.

　　3) 通過間歇曝氣，生物反應(yīng)器可達(dá)到良好的除磷效率.穩(wěn)定運(yùn)行后，TP去除率可以達(dá)到80%以上.

　　4) 在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)該科學(xué)調(diào)研實地水質(zhì)水量，建設(shè)調(diào)節(jié)池，平衡日間水質(zhì)水量變化;調(diào)節(jié)合適的曝氣停曝時間以達(dá)到設(shè)計處理效果;根據(jù)實際處理要求，增加反應(yīng)區(qū)排泥。