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我國(guó)農(nóng)村生活污水具有水量大且污水源分散的特點(diǎn)，特別是對(duì)于山區(qū)農(nóng)村污水難以實(shí)現(xiàn)集中處理。現(xiàn)階段大部分農(nóng)村生活污水以直接外排、化糞池處理為主，生活污水處理率低，對(duì)農(nóng)村附近水環(huán)境和土壤環(huán)境具有較大影響。但由于農(nóng)村建設(shè)資金有限、人口居住分散、管網(wǎng)建設(shè)難度大，導(dǎo)致現(xiàn)存污水處理技術(shù)并不適合推廣使用。

針對(duì)以上問(wèn)題，一體化農(nóng)村生活污水處理反應(yīng)器應(yīng)運(yùn)而生，其具有基建投資費(fèi)用低、占地面積小、無(wú)需專(zhuān)人看守、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。目前我國(guó)流行的一體化農(nóng)村污水處理反應(yīng)器主要以A2O、AO、SBR和MBR為主體工藝，而以上一體化設(shè)備多用于相對(duì)集中式、規(guī)?；霓r(nóng)村污水處理。為解決那些無(wú)法鋪設(shè)污水收集管網(wǎng)的山區(qū)住戶(hù)和鄉(xiāng)村住宅等污水處理難題，筆者以戶(hù)為處理單位，在現(xiàn)有AO工藝和生物膜工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，開(kāi)發(fā)了多級(jí)AO生物膜農(nóng)村污水處理器，以氣升泵實(shí)現(xiàn)充氧和污水循環(huán)流動(dòng)，用以處理農(nóng)村污水，以期為分散式農(nóng)村污水處理設(shè)備提供一種新的選擇。該反應(yīng)器將多級(jí)AO生物膜工藝與二沉池進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，無(wú)需污泥回流，設(shè)施構(gòu)造緊湊、合理。

1、試驗(yàn)裝置與方法

1.1 華水罐一體化反應(yīng)器原理

華水罐一體化反應(yīng)器由生化反應(yīng)區(qū)、污泥沉淀區(qū)兩部分組成，工藝流程見(jiàn)圖1。生化反應(yīng)區(qū)為外環(huán)反應(yīng)池，按照比例分成4個(gè)區(qū)域形成兩級(jí)AO工藝，其中好氧區(qū)有效容積為64L，缺氧區(qū)有效容積為26L，每個(gè)區(qū)域中均設(shè)置懸浮球生物填料；污泥沉淀區(qū)為內(nèi)環(huán)反應(yīng)池，底部設(shè)置污泥斗用于收集老化脫落的生物膜，有效容積為15L。生化反應(yīng)池為同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，形成連續(xù)流兩級(jí)AO生物膜工藝，同時(shí)也具有氧化溝工藝的特點(diǎn)，各區(qū)域功能設(shè)置合理、循環(huán)推進(jìn)，以確保出水水質(zhì)。

華水罐一體化反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。生活污水經(jīng)過(guò)化糞池預(yù)處理以后，利用重力作用進(jìn)入華水罐一體化反應(yīng)器，采用多點(diǎn)進(jìn)水，分別進(jìn)入一級(jí)缺氧區(qū)（A1）和二級(jí)缺氧區(qū)（A2）；進(jìn)入一級(jí)缺氧區(qū)（A1）的污水與前端二級(jí)好氧區(qū)（O2）流入的含有NOx--N的污水混合進(jìn)行反硝化；一級(jí)缺氧區(qū)（A1）污水經(jīng)下孔隔板利用重力作用流入一級(jí)好氧區(qū)（O1），一級(jí)好氧區(qū)（O1）設(shè)有鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，此區(qū)域完成原水剩余有機(jī)物的碳化和氨氮的硝化過(guò)程，同時(shí)通過(guò)鼓風(fēng)曝氣為原水提供能量（水位升高、勢(shì)能增加），確保原水持續(xù)循環(huán)；一級(jí)好氧區(qū)（O1）污水經(jīng)上孔隔板流入二級(jí)缺氧區(qū)（A2），多點(diǎn)進(jìn)水在A2區(qū)域進(jìn)一步完成反硝化；二級(jí)缺氧區(qū)（A2）污水經(jīng)下孔隔板經(jīng)重力作用流入二級(jí)好氧區(qū)（O2），此區(qū)同樣設(shè)有鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)，主要功能為進(jìn)一步完成硝化過(guò)程，提高出水水質(zhì)，并且為污水增加勢(shì)能，確保后續(xù)循環(huán)流動(dòng)。二級(jí)好氧區(qū)（O2）污水出流分兩部分，一部分經(jīng)上孔隔板進(jìn)入一級(jí)缺氧區(qū)（A1），與原水充分混合后進(jìn)行反硝化；另一部分經(jīng)二級(jí)好氧區(qū)（O2）內(nèi)側(cè)壁開(kāi)口進(jìn)入沉淀區(qū)進(jìn)水槽。內(nèi)側(cè)壁開(kāi)口孔洞高度高于上孔隔板開(kāi)口孔洞，二級(jí)好氧區(qū)（O2）出水首先通過(guò)二級(jí)好氧區(qū)（O2）和一級(jí)厭氧區(qū)（A1）中間的上孔隔板進(jìn)行循環(huán)，部分經(jīng)過(guò)兩級(jí)AO工藝處理后的污水通過(guò)二級(jí)好氧區(qū)（O2）內(nèi)側(cè)壁開(kāi)口進(jìn)入沉淀池進(jìn)水槽，沉淀池進(jìn)水槽和出水槽中間設(shè)有擋流板，防止沉淀池出現(xiàn)短流現(xiàn)象。以上4個(gè)區(qū)域均設(shè)置生物填料，為微生物生長(zhǎng)提供載體，即4個(gè)區(qū)域均為生物膜法。沉淀區(qū)設(shè)在華水罐的中心部位，沉淀區(qū)上部為華水罐的開(kāi)孔部位，定期經(jīng)人工或抽糞車(chē)排除沉淀污泥。沉淀區(qū)設(shè)有進(jìn)水槽和出水槽，確保均勻進(jìn)出水，提高沉淀效果。沉淀池出水流入后續(xù)人工生態(tài)處理系統(tǒng)中，達(dá)到除磷的目的。

華水罐一體化反應(yīng)器以氣升泵實(shí)現(xiàn)充氧和污水循環(huán)流動(dòng)。好氧反應(yīng)器底部充氧，液位提升，好氧池和缺氧池形成液位差，通過(guò)上孔隔板形成薄壁小孔流水現(xiàn)象，該液位差為反應(yīng)器循環(huán)流動(dòng)的動(dòng)力。曝氣量越大，液位差也越大，反應(yīng)器循環(huán)流量就越大。因此，硝化液回流比的大小根據(jù)曝氣量控制。同時(shí)，曝氣量也要滿(mǎn)足好氧池微生物生長(zhǎng)的需求。

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用懸浮球生物填料，填充比為50%。填料由聚氨酯球形外殼和聚氨酯海綿塊內(nèi)部?jī)刹糠纸M成。聚氨酯海綿為多孔墻體結(jié)構(gòu)，比表面積>4000m2/m3，親水性極強(qiáng)，吸水膨脹后密度接近于水。鄒海明等發(fā)現(xiàn)，生物膜的兩種掛膜方式對(duì)污水中污染物的去除效率沒(méi)有影響。因此，本試驗(yàn)采用自然掛膜法。

1.3 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)裝置位于華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)樓，原水為學(xué)術(shù)交流中心的生活污水。污水通過(guò)下水道管網(wǎng)收集于蓄水池中，直接從蓄水池取水使用。污水水質(zhì)如下：COD為100~220mg/L，均值為162.8mg/L；氨氮為50~60mg/L，均值為54.5mg/L；總氮為60~70mg/L，均值為65.5mg/L；pH為6.5~8.5，均值為7.5；水溫為15~28℃，均值為21℃。

1.4 試驗(yàn)方法

華水罐啟動(dòng)階段：?jiǎn)?dòng)時(shí)間為60d（2021年5月初—6月底），進(jìn)水量為180L/d，保持穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)水，硝化液回流比為100%，好氧池溶解氧控制在2~3mg/L。每隔3d取樣一次，以檢測(cè)污染物的去除情況，并觀察生物膜生長(zhǎng)情況。

反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷性能：調(diào)節(jié)進(jìn)水量，改變水力停留時(shí)間（HRT），觀察在8、10、12h三種不同的HRT下華水罐一體化反應(yīng)器的抗沖擊負(fù)荷性能。

反應(yīng)器污染物去除沿程分析：調(diào)節(jié)華水罐一體化反應(yīng)器的HRT為10h、硝化液回流比為200%、一級(jí)與二級(jí)缺氧區(qū)的流量分配比為2∶1、試驗(yàn)水溫在15℃以上，分析污染物濃度的沿程變化。

1.5 分析項(xiàng)目及方法

COD、NH4+-N、TN、DO、pH分別采用重鉻酸鉀法、納氏試劑分光光度法、過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、溶解氧儀、pH測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定。

2、結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)階段對(duì)污染物的去除效果

在啟動(dòng)階段華水罐一體化反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果如圖3所示。其中，對(duì)COD和氨氮的去除率可分別達(dá)到84.57%、91.2%，而對(duì)總氮的去除率較低，僅為51.23%。

分析原因，一方面，由于原水的碳氮比較低，而在低碳氮比的農(nóng)村生活污水處理中，對(duì)總氮的去除效果大都比較差；另一方面，可能是由于啟動(dòng)階段沒(méi)有形成嚴(yán)格的缺氧環(huán)境，生物膜上的反硝化細(xì)菌沒(méi)有形成優(yōu)勢(shì)菌種，缺氧池中有大量的溶解氧存在，而且缺氧區(qū)氧化還原電位偏高，導(dǎo)致反硝化作用較弱。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)COD、氨氮、總氮的去除率均隨著時(shí)間的延長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)，證明反應(yīng)器內(nèi)懸浮球生物膜上的生物量逐漸增加。反應(yīng)器在運(yùn)行約45d時(shí)趨于穩(wěn)定。COD、NH4+-N、TN的平均出水濃度分別為30、5.74、31.55mg/L，COD和氨氮滿(mǎn)足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41/1820—2019）一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，戶(hù)用農(nóng)村污水處理一體化反應(yīng)器——華水罐啟動(dòng)成功，對(duì)生活污水具有良好的處理效果。

缺氧池和好氧池生物膜的鏡檢結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知，懸浮球生物膜上的生物相較豐富，且有少量藻類(lèi)存在。由于反應(yīng)器放置的地方有太陽(yáng)直射，因此會(huì)滋生藻類(lèi)。在夏季太陽(yáng)能直射到反應(yīng)器的時(shí)候，使用黑色塑料布將其覆蓋，避免反應(yīng)器內(nèi)綠藻泛濫影響試驗(yàn)結(jié)果。在缺氧和好氧段能清楚地觀察到鐘蟲(chóng)、輪蟲(chóng)等指示生物，說(shuō)明污水經(jīng)過(guò)處理后水質(zhì)良好。

2.2 反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷性能

通過(guò)調(diào)整反應(yīng)器的HRT來(lái)檢驗(yàn)反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷的能力，根據(jù)多級(jí)AO生物膜工藝的特點(diǎn)及試驗(yàn)需求設(shè)置HRT。反應(yīng)器抗沖擊負(fù)荷的性能見(jiàn)圖5。由圖5（a）可知，反應(yīng)器對(duì)COD的去除效果較穩(wěn)定，盡管進(jìn)水水質(zhì)存在波動(dòng)，但在不同的HRT下，反應(yīng)器出水COD濃度均保持在31.5mg/L左右，平均去除率在80%以上，可見(jiàn)反應(yīng)器抗COD沖擊負(fù)荷能力較好。由圖5（b）可知，當(dāng)HRT≥10h時(shí)，出水氨氮濃度無(wú)明顯變化，基本在5.03mg/L左右，平均去除率達(dá)到90%以上。當(dāng)HRT=8h時(shí)，氨氮去除率降低5%左右。在增加水力負(fù)荷的情況下，氨氮去除率變化不大，說(shuō)明生物膜中的微生物含量較豐富，增加水力負(fù)荷對(duì)硝化作用的影響較弱。可見(jiàn)，反應(yīng)器抗氨氮沖擊負(fù)荷能力良好。

由圖5（c）可知，當(dāng)HRT為8h時(shí)，對(duì)總氮的去除效果較差，出水總氮濃度維持在39.40mg/L左右，去除率僅約為40%。HRT較短時(shí)（華水罐一體化反應(yīng)器好氧區(qū)與厭氧區(qū)的體積比為1∶2），導(dǎo)致缺氧區(qū)溶解氧濃度升高，影響反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖。當(dāng)HRT為8h時(shí)，測(cè)定缺氧池的溶解氧，發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度大于0.5mg/L。延長(zhǎng)HRT后，總氮去除率逐漸升高，但與艾勝書(shū)等人獲得的結(jié)果（平均出水總氮濃度為10.9mg/L）相比，本系統(tǒng)對(duì)總氮的去除率偏低。彭永臻等的研究表明，當(dāng)進(jìn)水C/N值為4~7時(shí)，對(duì)總氮的去除效果較好（去除率在78%左右）。而本試驗(yàn)進(jìn)水C/N值在2.3左右，分析認(rèn)為進(jìn)水碳源不足限制了總氮的去除效果。

2.3 污染物沿程去除效果

華水罐一體化反應(yīng)器掛膜成功以后，調(diào)整硝化液回流比為200%、HRT為10h、一級(jí)和二級(jí)缺氧區(qū)流量分配比為2∶1，同時(shí)確保試驗(yàn)水溫在15℃以上。連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行30d后，在缺氧池、好氧池、進(jìn)水口、出水口等點(diǎn)位進(jìn)行取樣，并檢測(cè)相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)。

2.3.1 COD沿程去除效果

COD濃度在華水罐一級(jí)缺氧段下降速度最快，一方面是缺氧區(qū)發(fā)生了稀釋和微生物吸附作用；另一因素為AO工藝的缺氧段發(fā)生了反硝化反應(yīng)，在缺氧條件下反硝化細(xì)菌利用污水中的有機(jī)物作為碳源，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)饷撾x系統(tǒng)。在好氧區(qū)COD濃度有所降低，有可能在懸浮球填料上的生物膜內(nèi)部形成了厭/缺氧條件，微生物利用少量COD作為碳源進(jìn)行反硝化作用，而且總氮濃度在好氧區(qū)的降低也驗(yàn)證了生物膜內(nèi)部發(fā)生了反硝化反應(yīng)，從而消耗了部分碳源。同時(shí)好氧區(qū)填料上的異養(yǎng)菌對(duì)有機(jī)物的好氧氧化分解亦可能是一個(gè)原因，異養(yǎng)菌利用污水中的有機(jī)物和溶解氧來(lái)獲取營(yíng)養(yǎng)和能量進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。二級(jí)缺氧段COD濃度出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，原因是反應(yīng)器采用分段進(jìn)水，原水中有機(jī)物濃度較高所致。

2.3.2 總氮、氨氮沿程去除效果

反應(yīng)器中氨氮和總氮的沿程變化如圖6所示?？芍患?jí)缺氧段氨氮濃度下降速度較慢，由進(jìn)水的55mg/L左右下降到40mg/L，這是由于硝化液回流造成的稀釋作用和缺氧區(qū)存在降低氨氮的自養(yǎng)菌。在一級(jí)好氧段硝化細(xì)菌利用進(jìn)水中的氨氮進(jìn)行硝化作用，氨氮濃度降低較快。在二級(jí)缺氧段氨氮濃度出現(xiàn)短暫升高，是由于反應(yīng)器采用分段進(jìn)水導(dǎo)致的。二級(jí)好氧段的氨氮濃度進(jìn)一步降低，系統(tǒng)對(duì)氨氮的總?cè)コ瘦^高。

一級(jí)缺氧段和一級(jí)好氧段的TN濃度逐漸降低，一級(jí)缺氧段為反硝化作用，可將系統(tǒng)中的硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)饷撾x系統(tǒng)；一級(jí)好氧段TN濃度下降，分析原因可能是好氧區(qū)懸浮球填料上的生物膜內(nèi)部形成了厭/缺氧微環(huán)境，發(fā)生短程硝化反硝化反應(yīng)將含氮有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氮?dú)饷撾x系統(tǒng)。二級(jí)缺氧段總氮濃度出現(xiàn)短暫升高，依然是分段進(jìn)水導(dǎo)致的。

最優(yōu)工況下，華水罐一體化反應(yīng)器的出水總氮濃度在22mg/L左右，去除率在58%左右，去除率偏低。根據(jù)理論最大脫氮效率（η）計(jì)算公式：η=（r+R）（/1+r+R）（R為污泥回流比，r為混合液回流比），反應(yīng)器在硝化液回流比為200%的情況下，最大脫氮效率在67%左右。經(jīng)分析，總氮去除率偏低是由于污水的C/N值較低，即污水中有機(jī)碳源不足。厭/缺氧環(huán)境中的反硝化作用需要足夠的碳源，才能有效去除污水中的含氮有機(jī)物，保證反應(yīng)器出水總氮濃度達(dá)標(biāo)。

2.4 經(jīng)濟(jì)性分析

華水罐一體化反應(yīng)器采用二級(jí)AO生物工藝，反應(yīng)器具備內(nèi)回流功能，無(wú)需外置硝化液回流系統(tǒng)，該反應(yīng)器較傳統(tǒng)二級(jí)AO工藝節(jié)約了硝化液回流系統(tǒng)，降低了運(yùn)行費(fèi)用；反應(yīng)器內(nèi)置懸浮球生物填料，經(jīng)實(shí)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)污泥濃度為0.8~1.2g/L，無(wú)需污泥回流系統(tǒng)，該反應(yīng)器正常運(yùn)行僅需1臺(tái)鼓風(fēng)曝氣裝置。按照河南省鄭州市居民用電標(biāo)準(zhǔn)電價(jià)收取，即0.56元（/kW·h）。本次試驗(yàn)的用電總功率為10W、功率系數(shù)為0.55、24h連續(xù)運(yùn)行。華水罐一體化反應(yīng)器處理水量為0.25m3/d，經(jīng)計(jì)算處理費(fèi)用約為0.30元/m3。與我國(guó)目前運(yùn)行的一體化污水處理設(shè)備相比，在只考慮運(yùn)行期間電能消耗方面，運(yùn)行費(fèi)用低廉，更適用于農(nóng)村生活污水的處理。

3、結(jié)論

①華水罐一體化反應(yīng)器在運(yùn)行45d左右后逐漸趨于穩(wěn)定，COD、NH4+-N、TN的平均出水濃度分別為30、5.74、31.55mg/L，COD和氨氮滿(mǎn)足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)。

②華水罐一體化反應(yīng)器的最佳HRT為10~12h，其抗COD、氨氮沖擊負(fù)荷等能力良好，抗總氮沖擊負(fù)荷能力一般。

③該反應(yīng)器在運(yùn)行過(guò)程中僅需1臺(tái)小功率鼓風(fēng)曝氣泵，處理費(fèi)用約為0.30元/m3。整體工藝為多級(jí)AO生物膜工藝，無(wú)需污泥回流及排泥措施，操作管理方便。