王偉亞，張靜，胡香，張輝，陳杭洲

（安徽國禎環(huán)保節(jié)能科技股份有限公司，合肥 230088）

引言

日益嚴(yán)峻的環(huán)境污染問題逐漸威脅到人們的身體健康和生活質(zhì)量，尤其是村鎮(zhèn)水環(huán)境污染問題突出。根據(jù)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2016年統(tǒng)計年鑒，截至2016年年底，我國全國建制鎮(zhèn)共18 099個，其中進(jìn)行生活污水處理的建制鎮(zhèn)僅占28.02%，10 883個鄉(xiāng)中對生活污水進(jìn)行處理的鄉(xiāng)僅有984個[1]。這兩組數(shù)據(jù)說明目前我國在村鎮(zhèn)生活污水處理建設(shè)方面依然存在不足，大量的農(nóng)村生活污水問題有待解決。村鎮(zhèn)污水是不同于城市和中小城鎮(zhèn)的一類污水，具有點多、面廣、分散、量小等突出特點[2]，且水質(zhì)可生化性強，污水氮磷含量高[3]。

目前的村鎮(zhèn)污水處理方法按照主體技術(shù)單元的構(gòu)成可分為生物法、生態(tài)法和組合法三種，其中，組合法指生物和生態(tài)處理技術(shù)的結(jié)合或某一種技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)部不同工藝形式的組合，包括生物-生物組合、生態(tài)-生態(tài)組合和生物-生態(tài)組合等[4]。生物-生態(tài)組合也稱為復(fù)合生態(tài)處理技術(shù)，是指利用生物處理和生態(tài)修復(fù)中的微生物和水生植物協(xié)同凈化作用進(jìn)一步提高污水處理效果的技術(shù)，是目前處理村鎮(zhèn)污水技術(shù)中較為常見的一種[5～8]。劉三明[9]利用生態(tài)氧化溝處理農(nóng)村污水，發(fā)現(xiàn)該工藝具有效率高、出水水質(zhì)穩(wěn)定、能耗低等優(yōu)點；趙海洲等[10]運用接觸氧化/人工濕地組合工藝，出水可穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級B標(biāo)準(zhǔn)；徐波[11]采用生物接觸氧化池結(jié)合水生植物凈化池處理村鎮(zhèn)生活污水，出水可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級B標(biāo)準(zhǔn)，且該工藝的建設(shè)運行費用低、操作管理簡便、技術(shù)可靠。但目前對于采用復(fù)合生態(tài)一體化裝置處理村鎮(zhèn)污水的研究還較少。

該試驗主要以2018年7～8月村鎮(zhèn)污水處理廠的進(jìn)水為研究對象，研究復(fù)合生態(tài)“小型污水處理”MST（Mini Sewage Treatment）一體化中試裝置對COD和NH4+-N的去除效果及氮元素形態(tài)轉(zhuǎn)化。

1 試驗

1.1 試驗裝置

該試驗采用MST（Mini Sewage Treatment）即“小型污水處理”一體化裝置進(jìn)行中試試驗。該裝置是以生化處理為基礎(chǔ)，輔以生態(tài)修復(fù)的生物接觸氧化與生物流化床結(jié)合的一體化處理系統(tǒng)，分為預(yù)反應(yīng)區(qū)、生化反應(yīng)區(qū)和氣提反應(yīng)區(qū)3個反應(yīng)單元，各反應(yīng)單元的表面種植數(shù)棵挺水植物，裝置如圖1所示。

圖1 MST中試裝置結(jié)構(gòu)示意圖

裝置整體為不銹鋼材質(zhì)，采用模塊化設(shè)計，長×寬×高=4.50m×1.49m×1.44m，有效水深為1.10m，有效容積為7.38m3，總?cè)莘e為9.66m3。預(yù)反應(yīng)區(qū)的有效容積為1.64m3，內(nèi)填裝Φ×H=25mm×12mm的粒狀柱懸浮填料，填充比為23%，表面種植6株鳶尾和4株美人蕉，主要發(fā)生污水預(yù)沉淀、有機物水解及有機氮的氨化、硝化反應(yīng)。生化反應(yīng)區(qū)有效容積2.29m3，內(nèi)裝填充比為20%的Φ×H=25mm×12mm的粒狀柱懸浮填料，種植4株鳶尾和2株美人蕉，承擔(dān)有機物氧化和硝化作用。氣提反應(yīng)區(qū)內(nèi)裝有懸掛式Y(jié)DT型彈性立體填料，填料覆蓋體積1.5m3，填充高度為0.7m，表面種植7株鳶尾和7株美人蕉，進(jìn)一步去除COD和，同時具有固液分離作用。

1.2 試驗用水

該試驗的進(jìn)水引自合肥市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)污水處理廠一期旋流沉砂池出水，主要是收集周邊小城鎮(zhèn)的生活污水，由泵抽吸經(jīng)管道直接送至一體化MST裝置預(yù)反應(yīng)區(qū)，通過調(diào)節(jié)管道上的閥門控制進(jìn)水量。2018年7～8月污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)如表1所示，由表1可看出該污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)符合村鎮(zhèn)污水特點，可用于中試試驗。

表1 2018年7～8月污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)

1.3 試驗方法

試驗裝置經(jīng)過排出池內(nèi)黑泥，直接加入污水處理廠旋流沉沙池的出水，保持裝置連續(xù)穩(wěn)定運行，填料自然掛膜成功后，每天于9 ∶ 00～9 ∶ 30取裝置進(jìn)水口、預(yù)反應(yīng)區(qū)進(jìn)口、預(yù)反應(yīng)區(qū)出口、生化反應(yīng)區(qū)出口和出水口的水樣進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)檢測，主要檢測指標(biāo)為COD、、和TN。

試驗過程中，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水管道閥門控制進(jìn)水量，調(diào)整曝氣器管道閥門調(diào)整系統(tǒng)曝氣量，改變?nèi)芙庋鯘舛?，觀察不同時間、不同工況下復(fù)合生態(tài)MST對COD和NH4+-N的去除效果，考察不同反應(yīng)單元氮元素的存在形態(tài)。不同時間段的平均進(jìn)水量（水力停留時間）和不同處理單元的溶解氧濃度見表2和表3。

表2 不同進(jìn)水量和水力停留時間

表3 不同處理單元溶解氧含量

1.4 檢測方法

試驗過程中，COD的測定采用《水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鉀法》（HJ 828—2017）中規(guī)定的方法，NH4+-N的測定采用《水質(zhì)氨氮的測定納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009）規(guī)定的方法，NO3-N的測定采用《水質(zhì)硝酸鹽氮測定紫外分光光度法》（HJ/T 346—2007）規(guī)定的方法，TN的測定采用《水質(zhì)總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ 636—2012）規(guī)定的方法。溶解氧（DO）采用便攜式溶氧儀（WTW Oxid3210）測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 水力停留時間對COD去除效果的影響

圖2是進(jìn)出水COD濃度及去除效果示意。由圖2可看出，從2018年7月初至8月末，進(jìn)水COD濃度波動較大，為35.45～297.12mg/L，出水變化范圍較小，平均出水濃度41mg/L。進(jìn)水水量（水力停留時間）的變化對COD的去除效果影響不明顯。當(dāng)水力停留時間約19.4h期間，進(jìn)水COD濃度變化較大，出水則穩(wěn)定在54.63mg/L附近；當(dāng)停留時間約41.5h期間，由于連續(xù)降雨導(dǎo)致進(jìn)水COD濃度較低，出水濃度有所降低，去除率約58.10%；當(dāng)停留時間約在25.6h期間，進(jìn)水COD濃度波動上升，最高達(dá)291.72mg/L，此時的去除率達(dá)87.35%，出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。作為生物接觸氧化池，MST系統(tǒng)對COD的去除分為微生物降解作用和生物膜攔截作用，不同停留時間條件下，系統(tǒng)對COD的降解變化主要是由于微生物的降解作用時長不同[12]。Borghei等[13]研究了水力停留時間對MBBR處理含酚廢水中有機物的影響，控制水力停留時間分別為8h、12h、16h、20h和24h，在不同濃度COD的廢水處理中都發(fā)現(xiàn)，水力停留時間越長，COD的去除效果越好，但去除率會逐漸減小變緩，這一發(fā)現(xiàn)與該試驗的結(jié)果一致?？偟膩碚f，由于微生物生長受底物濃度限制，進(jìn)水COD濃度較低時，盡管增加了水力停留時間，系統(tǒng)內(nèi)的微生物量也未增加太多，因而去除效果并未增加，減少水力停留時間，COD的出水濃度仍然保持較低濃度，去除效果未減少。

圖2 進(jìn)出水COD濃度及去除效果

2.2 水力停留時間對去除效果影響

圖3 進(jìn)出水濃度及去除效果

2013年7月24日至8月31日，張靜等[14]在合肥市經(jīng)開區(qū)污水處理廠進(jìn)行了小型污水處理一體化MST裝置中試試驗，采用白天5L/min、夜間3L/min的不同進(jìn)水量方式考察了裝置對COD、和SS的去除效果。結(jié)果顯示，COD進(jìn)水和出水的平均濃度分別是218.33mg/L和42mg/L，的進(jìn)水和出水平均濃度分別是26.09mg/L和8.93mg/L。復(fù)合生態(tài)MST中試試驗在2018年7月24日至8月31日期間的COD和的出水平均濃度分別為31.82mg/L和3.99mg/L，比2013年分別下降了24%和55%。分析復(fù)合生態(tài)MST裝置對COD和的去除效果較之前有所提升的原因可能是：1）水力停留時間的延長利于污染物與微生物混合，在生物接觸氧化法中，污染物氧化或硝化速度取決于水力停留時間，在相同進(jìn)水水質(zhì)情況下，污水與微生物的有效接觸時間越適當(dāng)延長，微生物對有機物的吸附、氧化、降解就越徹底[15]；2）挺水植物的吸收作用，挺水植物美人蕉和鳶尾的生長過程需要有機物和氮磷等營養(yǎng)元素，可通過根系吸收作用降低水體中COD和含量[16]；3）溶解氧充足有利于微生物繁殖，水生植物的存在不但能直接吸收水體中的有機物和氮磷等營養(yǎng)元素，而且能輸送氧氣到根區(qū)為微生物的生長、繁殖和污染物降解創(chuàng)作適宜條件[17]。

2.3 溶解氧對氮元素形態(tài)變化的影響

圖4 濃度沿程變化情況

圖5 濃度沿程變化情況

氮元素在MST裝置處理村鎮(zhèn)污水中轉(zhuǎn)化過程主要為氨化作用、硝化作用和同化作用。從圖4、圖5中和的濃度變化趨勢可知，在整個處理過程中，隨著水流的推進(jìn)，各種形態(tài)的氮含量發(fā)生了變化，濃度持續(xù)降低，濃度持續(xù)升高，進(jìn)水中氮主要以形式存在，出水中氮主要以形式存在。2018年7月3日至7月19日期間，MST裝置溶解氧充足，預(yù)反應(yīng)區(qū)溶解氧達(dá)到4.80mg/L，此階段在預(yù)反應(yīng)區(qū)中幾乎全部轉(zhuǎn)化為，經(jīng)計算，去除率占整體去除率的96.05%，后續(xù)生化反應(yīng)區(qū)和氣提反應(yīng)區(qū)的去除效果微弱。說明在溶解氧充足的情況下，預(yù)反應(yīng)區(qū)內(nèi)硝化菌生存條件適宜，數(shù)量較多，對的去除效果較為明顯。從微觀上來說，生物膜是指由一種或多種微生物通過胞外多聚物富集吸附在生物或非生物表面的蘑菇狀三維結(jié)構(gòu)[18]。由于微生物附著在填料表面生物膜存在2mm左右厚度[19]，由外到內(nèi)的溶解氧濃度逐漸降低，當(dāng)內(nèi)層微生物需氧量達(dá)3mg/L時，水體中的溶解氧濃度要高于活性污泥法。隨著預(yù)反應(yīng)區(qū)溶解氧濃度降低至1.99mg/L，生化反應(yīng)區(qū)降低至3.84mg/L，氣提反應(yīng)區(qū)降低至4.27mg/L，系統(tǒng)含量較之前明顯減少，各反應(yīng)單元內(nèi)依次為1.40mg/L、2.27mg/L、2.30mg/L、3.46mg/L、3.36mg/L。可能是由于預(yù)反應(yīng)區(qū)厭氧出現(xiàn)搖蚊幼蟲，而生化反應(yīng)區(qū)和氣提反應(yīng)區(qū)填料因氧氣不足生物膜脫落造成微生物量下降使得硝化菌減少，及MST裝置硝化效率不佳。

當(dāng)水力停留時間增加到41.5h后，增加了污水與填料的接觸時間，MST裝置微生物量慢慢恢復(fù)，再次減少預(yù)反應(yīng)區(qū)溶解氧至1.52mg/L，增加生化反應(yīng)區(qū)和氣提反應(yīng)區(qū)溶解氧超過5mg/L。從圖4和圖5對比發(fā)現(xiàn)，氮的形態(tài)在此階段于生化反應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)化較多，氣提區(qū)的產(chǎn)生量較少，可能由于經(jīng)過前兩階段的硝化處理，進(jìn)入氣提區(qū)的的含量較少，硝化菌數(shù)量少從而導(dǎo)致對硝化去除效率較低。在水力停留時間減少到25.6h后，氮的硝化作用逐漸減弱，增加MST裝置溶解氧濃度至較高水平，出水口濃度又慢慢增加。此時生化反應(yīng)區(qū)溶解氧濃度為4.68mg/L，氣提區(qū)溶解氧濃度為5.34mg/L，出水濃度達(dá)18.41mg/L，占出水總氮含量90%以上，去除率達(dá)93.02%，并且沒有出現(xiàn)污泥自身氧化現(xiàn)象。隋麗麗等[20]在2011年研究了不同水力停留時間、溶解氧和進(jìn)水COD濃度條件下混合填料生物接觸氧化法對生活污水的處理效果時發(fā)現(xiàn)，隨著溶解氧的升高，各污染物指標(biāo)的平均去除率整體呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)溶解氧為5～6mg/L時，出水達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）中的二級標(biāo)準(zhǔn)?？梢姰?dāng)?shù)孜锖砍渥銜r，增加溶解氧含量至4～6mg/L，硝化菌等菌種會繼續(xù)增加，提升污染物的去除效果，在不考慮工程造價等成本時，可以通過增加曝氣量加大污水處理規(guī)模。

3 結(jié)論

在復(fù)合生態(tài)MST一體化裝置處理村鎮(zhèn)污水試驗研究中，進(jìn)水COD濃度變化幅度較大，出水濃度較為穩(wěn)定。水力停留時間的變化對的去除影響較大，當(dāng)停留時間為25.6h時，可以保證COD和出水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)，且對沖擊負(fù)荷有較強的適應(yīng)能力。

在復(fù)合生態(tài)MST一體化裝置中不同處理單元的溶解氧含量對氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化影響明顯，當(dāng)預(yù)反應(yīng)區(qū)的溶解氧濃度≤1.52mg/L，生化反應(yīng)區(qū)和氣提區(qū)溶解氧濃度超過5mg/L時，硝化作用主要在生化反應(yīng)區(qū)發(fā)生。當(dāng)保持系統(tǒng)平均溶解氧濃度4～6mg/L時，會提升污染物去除效果，出水氮元素90%以上以形式存在，去除率達(dá)93.02%。