文_付春雨 中國(guó)石油化工集團(tuán)公司

隨著我國(guó)環(huán)保意識(shí)和環(huán)保水平的不斷提升，如何高效經(jīng)濟(jì)地處理小處理量、分散式生活污水成為熱點(diǎn)問(wèn)題，如全國(guó)各村鎮(zhèn)已陸續(xù)建設(shè)生活污水處理站，石化管道項(xiàng)目場(chǎng)站等偏遠(yuǎn)地帶也紛紛獨(dú)立建設(shè)自己的小型生活污水處理設(shè)施。

目前，常見(jiàn)的生物法小型處理裝置包括箱式一體化設(shè)備、凈化槽、生物轉(zhuǎn)盤(pán)、地埋式處理設(shè)備等，這些設(shè)備在一些特定場(chǎng)合的生活污水處理方面取得了一定的成效，但同時(shí)暴露出一些問(wèn)題。如，箱式污水處理裝置往往需要較大的設(shè)備體積，否則在容積負(fù)荷率不變的情況下，其內(nèi)部用于分隔好氧、缺氧與厭氧生物反應(yīng)的最小容積將難以保證。又如凈化槽與地埋式處理工藝，需要污水源頭附近較大面積的地下掩埋空間，維護(hù)與維修較困難，且處理效率較低。再如多段式處理工藝，其本質(zhì)即傳統(tǒng)A2O工藝的簡(jiǎn)單縮小，導(dǎo)致污水水量、水質(zhì)波動(dòng)對(duì)處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響較大。

基于上述分析，小型化生活污水處理裝置的研發(fā)趨勢(shì)必然要面向加強(qiáng)容積負(fù)荷率高、減小占地面積、操作與維護(hù)簡(jiǎn)便等方面。考慮到流化床在傳質(zhì)效率和設(shè)備占地面積方面具有較大優(yōu)勢(shì)，因此以流化床的結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，同時(shí)依靠氣體的補(bǔ)充、釋放作為動(dòng)力源來(lái)強(qiáng)化氣液兩相介質(zhì)的循環(huán)流態(tài)，自行研發(fā)一種氣升式內(nèi)循環(huán)生活污水處理裝置，設(shè)計(jì)并加工完成后，于某污水提升泵房進(jìn)行了為期6d的中試試驗(yàn)，以驗(yàn)證該裝置對(duì)生活污水的處理效果，為下一步的應(yīng)用和改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝置加工

1.1 結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)述

氣升式內(nèi)循環(huán)生活污水處理裝置如圖1所示，裝置主體為立式罐體，罐體底部封閉而上層敞開(kāi)。罐體內(nèi)部上方位置設(shè)置整流筒，整流筒內(nèi)設(shè)置引氣管與排氣管，兩管均軸向貫穿整流筒內(nèi)部。引氣管中段連接一臺(tái)潛水泵，潛水泵設(shè)置在整流筒內(nèi)部。在潛水泵的帶動(dòng)下，整流筒內(nèi)液相被泵送至罐體底部，與此同時(shí)，引氣管內(nèi)的液相流動(dòng)造成與外界空間的壓差，裝置外的空氣受負(fù)壓自行進(jìn)入引氣管，與液相流一并于裝置底部排出，此過(guò)程在裝置底部塑造出好氧反應(yīng)區(qū)。裝置底部的氣體含量較大，排氣管深入裝置底部區(qū)域，此時(shí)未能溶于水的氣相自行進(jìn)入排氣管，并最終由裝置上方、暴露于外部空間的排氣管出口排出。氣體提升過(guò)程中，裝置底部液相自發(fā)隨氣體一并提升，其中一部分液相裹挾部分氣體在裝置中部流出，此時(shí)裝置中部相當(dāng)于缺氧區(qū)；另一部分液相在提升至裝置上方、整流筒與罐體形成的環(huán)形區(qū)域時(shí)流出排氣管，即環(huán)形區(qū)域功能相當(dāng)于沉淀池。裝置中的液相自整流筒內(nèi)泵送至裝置底部，再自發(fā)提升至環(huán)形區(qū)域，此過(guò)程圍繞整流筒形成了氣液兩相的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。由于整流筒內(nèi)部空間氣體含量最低，因此相當(dāng)于厭氧區(qū)。

圖1 氣升式內(nèi)循環(huán)生活污水處理裝置結(jié)構(gòu)

1.2 工藝流程特點(diǎn)

傳統(tǒng)A20工藝如圖2所示，由于傳統(tǒng)工藝中往往將不同反應(yīng)區(qū)以物理手段分隔，因此溶解氧濃度、污泥齡控制、回流率等操作參數(shù)尤為重要。但在氣升式內(nèi)循環(huán)生活污水處理裝置中，隨著循環(huán)流在罐體中的流動(dòng)，根據(jù)溶解氧濃度梯度變化，裝置沿軸向形成厭氧區(qū)、缺氧區(qū)與好氧區(qū)，同時(shí)整流筒與裝置內(nèi)壁的環(huán)形空間形成了沉淀池，各反應(yīng)區(qū)之間實(shí)際上并沒(méi)有真實(shí)存在的物理邊界，且氣液兩相的內(nèi)循環(huán)流動(dòng)又伴隨著傳質(zhì)傳熱過(guò)程，因此從整體角度來(lái)看，進(jìn)入該裝置的待處理污水時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)循環(huán)的流動(dòng)過(guò)程。

圖2 傳統(tǒng)A2O工藝流程

2 中試試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 中試試驗(yàn)裝置安裝調(diào)試階段

2020年9月，加工完成處理量為10m3/d的氣升式內(nèi)循環(huán)生活污水處理裝置，該裝置直徑為1.5m，總長(zhǎng)度8m，罐體材質(zhì)為碳鋼防腐，內(nèi)部部件材質(zhì)采用304不銹鋼。氣升式內(nèi)循環(huán)生活污水處理裝置配備變頻控制柜1套，潛水泵2臺(tái)，液體流量計(jì)、氣體流量計(jì)各2只。

2020年9月15日，裝置進(jìn)入運(yùn)行調(diào)試階段，此階段的污水來(lái)源為提升泵房格柵池過(guò)濾后污水，處理裝置內(nèi)活性污泥來(lái)源于某污水處理廠。此階段的主要任務(wù)是培養(yǎng)活性污泥，污水進(jìn)水流量調(diào)節(jié)至10m3/h，通過(guò)調(diào)整回流流量改變進(jìn)氣量，裝置底部溶解氧濃度約保持在2～3mg/L，裝置中部溶解氧濃度約保持在0.3～0.5mg/L，整流筒內(nèi)溶解氧濃度約保持在0.1mg/L左右。

經(jīng)過(guò)約7d的調(diào)試，處理系統(tǒng)已較為穩(wěn)定運(yùn)行，9月25日與9月27日取樣監(jiān)測(cè)，結(jié)果如表1所示。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，此階段出水尚未達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)的一級(jí)A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，但COD的去除率已達(dá)到70%以上，時(shí)隔2d后，各項(xiàng)污染物的去除率均在穩(wěn)步提升，說(shuō)明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，活性污泥尚未達(dá)到最佳活性狀態(tài)，裝置的處理能力仍需運(yùn)行一段時(shí)間才能達(dá)到最佳效果，因此決定在盡量減少人為調(diào)整情況下，繼續(xù)自動(dòng)運(yùn)行10d。

表1 調(diào)試階段水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

2.2 中試試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

2020年10月10日至10月16日進(jìn)行連續(xù)取樣檢測(cè)（11日因天氣原因未進(jìn)行檢測(cè)），進(jìn)水水質(zhì)如表2所示，出水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表2 進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

表3 出水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

由于中試試驗(yàn)所選用的污水提升泵房的污水來(lái)源為周邊小區(qū)、學(xué)校等地的生活污水，水質(zhì)較為穩(wěn)定，因此僅在10日、13日和15日對(duì)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，并以平均值作為污水進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)。

2.3 中試試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，可以看出除去10月15日、10月16日兩天內(nèi)的總氮指標(biāo)略有超標(biāo)，其余時(shí)段內(nèi)各項(xiàng)污染物濃濃度的檢測(cè)結(jié)果均優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)?？傮w上來(lái)看，此裝置較好地滿(mǎn)足生活污水的達(dá)標(biāo)處理，且裝置在人工操作較少、自動(dòng)運(yùn)行程度較高的情況下，可以保持較穩(wěn)定的連續(xù)運(yùn)行。

COD、總氮、氨氮、總磷的處理效率如圖3所示，可以看出COD和氨氮的去除率始終較為理想，而總氮、總磷的去除率在最后兩天內(nèi)有所下降，因此對(duì)造成此問(wèn)題的原因進(jìn)行著重討論。首先，在A20工藝中，脫除總氮需要碳源為微生物提供能量，而本裝置對(duì)于COD具有更強(qiáng)的處理能力，因此系統(tǒng)內(nèi)的碳源在連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中逐漸難以滿(mǎn)足脫氮除磷所需，導(dǎo)致試驗(yàn)后期的氮、磷比過(guò)高。除磷效率隨除總氮效率同步大幅降低，同時(shí)COD去除效率逐漸提升便是對(duì)此結(jié)論的佐證。

圖3 各污染物去除效率變化

其次，經(jīng)過(guò)對(duì)裝置的觀察發(fā)現(xiàn)，運(yùn)行一段時(shí)間后的剩余污泥排出口有堵塞現(xiàn)象發(fā)生，而沉淀池內(nèi)漂浮的絮狀體增多，導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因是剩余污泥排出不暢，裝置內(nèi)的過(guò)量空氣難以逸出，致使處理系統(tǒng)的溶解氧過(guò)高，污泥自身氧化使污泥絮凝性變差、結(jié)構(gòu)分散，從而懸浮物增多。由于溶解氧濃度過(guò)高，因此好氧菌增加、厭氧菌數(shù)量降低，系統(tǒng)的硝化能力始終保持較高水平，反硝化能力減弱，最終使氨氮的去除率居高不下，總氮處理效率反而降低。

3 結(jié)語(yǔ)

自主開(kāi)發(fā)了一種氣升式內(nèi)循環(huán)生活污水處理裝置，加工出處理量為10m3/d的試驗(yàn)裝置，于某污水提升泵房進(jìn)行了為期6d的中試試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，得出如下結(jié)論：

①裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，通過(guò)氣升式內(nèi)循環(huán)流動(dòng)，使進(jìn)入該裝置的待處理污水時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)循環(huán)的流動(dòng)過(guò)程，并進(jìn)一步使裝置內(nèi)部根據(jù)溶解氧濃度的不同出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧反應(yīng)區(qū)。此外，處理系統(tǒng)內(nèi)的不同類(lèi)型菌種數(shù)量完全通過(guò)處理過(guò)程自發(fā)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因此較常規(guī)處理設(shè)施，需要調(diào)節(jié)的操作參數(shù)變少，人工需求降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到提升，且增加了裝置的容積負(fù)荷率、減小了停留時(shí)間、減少了剩余污泥的產(chǎn)生。

②試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置基本能夠使出水滿(mǎn)足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)的一級(jí)A類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，其中COD、氨氮的去除效率尤為突出，而總氮、總磷的去除效率次之。若能進(jìn)一步優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，使剩余污泥能夠及時(shí)排出，保證系統(tǒng)溶解氧濃度處于合理范圍內(nèi)，則總氮和總磷的去除效率同樣可以得到保證。