張鼎強(qiáng)，蔡天洲，楊 帆，劉張靜，劉待成，張 霞，惲云波，郭 勇，李 果，羅 森，楊 超

（1.德汶環(huán)?？萍加邢薰荆拇ǔ啥?610073； 2.中國石油四川石化有限責(zé)任公司，四川成都 611930；3.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川成都 610207）

隨著農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民生活水平的提高，農(nóng)村生活污水的排放量不斷增加。農(nóng)村生活污水主要包括人類、家禽糞尿及洗浴、洗滌、廚房廢水等，其中有機(jī)物、氮、磷等污染物含量較高〔1〕。由于農(nóng)村生活污水具有量少、分散、遠(yuǎn)離排污管網(wǎng)等特點(diǎn)，通常不經(jīng)任何處理直接就近排放，致使農(nóng)村地區(qū)水體黑臭及富營養(yǎng)化現(xiàn)象加劇，對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和居民生活造成不良影響〔2-3〕。

我國高度重視農(nóng)村生活污水治理工作，目前，全國各地正大力興建農(nóng)村生活污水處理設(shè)施，并取得了一定成效。然而，現(xiàn)有農(nóng)村污水處理設(shè)施大多存在投資和運(yùn)行費(fèi)用高、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜、處理后出水難以長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等問題，推廣應(yīng)用困難。同時，隨著鄉(xiāng)村振興和新農(nóng)村建設(shè)的不斷推進(jìn)，我國對農(nóng)村生活污水處理后出水的排放要求逐漸提高〔4〕，現(xiàn)有農(nóng)村污水處理設(shè)施面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，開發(fā)高效率、低投資、低能耗、運(yùn)行維護(hù)簡單的農(nóng)村生活污水處理工藝及設(shè)備，對提高農(nóng)村生活污水處理效能、助力新農(nóng)村建設(shè)具有重要意義。

目前，應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理的技術(shù)較多，其中，序批式活性污泥法（SBR）因其工藝簡單、運(yùn)行靈活、處理效率高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、占地面積小、基建費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)外廣泛研究的熱門污水生化處理工藝〔5〕。同時，伴隨著自動化控制和在線監(jiān)測技術(shù)的飛速發(fā)展，SBR 工藝在農(nóng)村分散式生活污水處理中表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)條件等因素的限制，傳統(tǒng)SBR 工藝仍難以滿足農(nóng)村生活污水處理的高效率、低成本和低能耗等要求。因此，對傳統(tǒng)SBR 工藝及設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和完善，是解決農(nóng)村生活污水污染問題的重要途徑之一。

針對農(nóng)村生活污水排放分散、水質(zhì)水量波動大以及現(xiàn)有污水處理設(shè)施運(yùn)行費(fèi)用高、難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)等問題，本研究將兩種改良SBR 工藝應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理，并考察其對污染物的去除效能，以期為農(nóng)村生活污水處理提供可行方案和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

兩種SBR 工藝采用兩種不同型號的設(shè)備，并以相同結(jié)構(gòu)和尺寸的罐體作為池體，如圖1 所示。罐體材質(zhì)為玻璃鋼，圓柱形結(jié)構(gòu)，被中間隔板平均分為兩部分，一部分作為預(yù)處理區(qū)兼貯泥池，另一部分作為反應(yīng)區(qū)兼沉淀區(qū)，SBR 的主體設(shè)備置于中間隔板上。罐體內(nèi)徑、高度及有效容積分別為2.3 m、3.5 m 和14.5 m3。

圖1 兩種改良SBR 工藝示意Fig. 1 Schematic diagram of two improved SBR processes

Ⅰ型設(shè)備以氣提裝置為主體，通過特殊浮球閥控制氣體走向，實(shí)現(xiàn)曝氣和氣提功能的自動切換，從而依次實(shí)現(xiàn)SBR 一個周期的反硝化、硝化、沉淀、排水4 個階段。每一個周期開始，污水經(jīng)污水管道進(jìn)入預(yù)處理區(qū)后，通過隔板上設(shè)置的連通管進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。系統(tǒng)首先進(jìn)入反硝化階段，氣泵間歇工作（開1 min，停9 min），對反應(yīng)區(qū)污水進(jìn)行間歇攪拌；隨后系統(tǒng)進(jìn)入硝化階段，氣泵間歇工作（開4 min，停6 min），對反應(yīng)區(qū)污水進(jìn)行攪拌和曝氣充氧；當(dāng)反應(yīng)區(qū)水位達(dá)到設(shè)定的最高液位時，系統(tǒng)結(jié)束硝化階段，進(jìn)入沉淀階段；待沉淀階段結(jié)束，浮球閥自動切換，氣泵開啟，空氣依次通過氣提裝置和氣提管，在氣提作用下進(jìn)行排水；待水位達(dá)到設(shè)定的最低液位時，系統(tǒng)結(jié)束排水，進(jìn)行下一個周期循環(huán)。此外，通過氣提裝置還可實(shí)現(xiàn)排泥及污泥回流，污泥可經(jīng)緩沖槽返回到預(yù)處理區(qū)。該設(shè)備通過氣提裝置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)集曝氣、排水及污泥回流三大功能于一體，整個系統(tǒng)無任何水泵及電磁閥等設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)罐體內(nèi)液位自動運(yùn)行，工藝操作運(yùn)行簡單，自動化程度高，運(yùn)行維護(hù)成本低。

Ⅱ型設(shè)備以氣泵和水泵為主體，其整體工藝流程每個周期亦依次為反硝化、硝化、沉淀、排水4 個階段。每一個周期，系統(tǒng)首先進(jìn)入反硝化階段，預(yù)處理區(qū)污水被泵入反應(yīng)區(qū)，氣泵間歇開啟（開1 min，停9 min），對反應(yīng)區(qū)污水進(jìn)行間歇攪拌；進(jìn)入硝化階段，氣泵間歇開啟（開4 min，停6 min），對反應(yīng)區(qū)污水進(jìn)行攪拌和曝氣充氧；當(dāng)反應(yīng)區(qū)水位達(dá)到設(shè)定的最高液位時，硝化階段結(jié)束，進(jìn)入沉淀階段；沉淀階段結(jié)束，水泵開啟，進(jìn)行排水，水位達(dá)到設(shè)定的最低液位時結(jié)束排水，系統(tǒng)進(jìn)行下一個周期循環(huán)。該設(shè)備通過控制裝置，僅需一臺潛污泵，即可同時滿足進(jìn)水、污泥回流及排水三大功能，無需配置污泥回流泵及排水泵，相比于傳統(tǒng)SBR 工藝可減少一臺泵的使用，也在一定程度上減少了設(shè)備的故障率。

兩種型號設(shè)備的控制器均設(shè)置有節(jié)能模式和超級節(jié)能模式，若24 h 內(nèi)無污水進(jìn)入或僅有少量污水進(jìn)入，系統(tǒng)將自動切換為節(jié)能模式，48 h 后仍無污水進(jìn)入或少量污水進(jìn)入，系統(tǒng)將自動切換為超級節(jié)能模式。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)在四川省某鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理站內(nèi)進(jìn)行，污水處理工藝流程如圖2 所示。Ⅰ型設(shè)備和Ⅱ型設(shè)備所對應(yīng)的SBR 分別記為R1 和R2，兩種SBR 工藝的運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 兩種SBR 工藝的運(yùn)行參數(shù)Table 1 Operation parameters of the two SBR processes

圖2 污水處理工藝流程Fig. 2 Flow of sewage treatment process

生化處理系統(tǒng)的啟動采用直接啟動法。將接種污泥與生活污水在罐內(nèi)充分混合，悶曝2 d，隨后在保持水力停留時間為8 h 的條件下連續(xù)進(jìn)水，待出水水質(zhì)趨于穩(wěn)定則完成啟動，緊接著進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段。實(shí)驗(yàn)進(jìn)水取自各罐體前端的預(yù)處理區(qū)，CODCr、NH3-N、TN、TP 分別為108~436、7~48、8~70、0.8~6 mg/L，其水質(zhì)指標(biāo)能較好地代表當(dāng)?shù)剞r(nóng)村生活污水的水質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)分為兩個階段，第1~15 天為第一階段，處理量為1.0 m3/d，第16~25 天為第二階段，處理量為1.2 m3/d。整個實(shí)驗(yàn)期間，每天對各罐體進(jìn)出水的CODCr、NH3-N、TN、TP 等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，以考察兩種改良SBR 工藝的處理效能。CODCr、NH3-N、TN 和TP 等水質(zhì)指標(biāo)均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法〔6〕進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 CODCr去除效果

兩種SBR 工藝對CODCr的去除效果見圖3。

圖3 R1 和R2 對CODCr的去除效果Fig. 3 CODCr removal effects of R1 and R2

從圖3 可以看出，在第一階段，處理量為1.0 m3/d 時，兩種SBR 均對CODCr表現(xiàn)出很好的去除效果，R1 出水CODCr為20~96 mg/L，平均去除率為78%；R2 出水CODCr為33~75 mg/L，平均去除率為68%。相比之下，R1 對CODCr的去除效果更佳，平均去除率較R2 高出10%。

在第二階段，處理量從1.0 m3/d 提升至1.2 m3/d，生化系統(tǒng)受到一定的水力負(fù)荷沖擊，但兩種SBR 仍然能夠維持很好的CODCr去除效果，R1 出水CODCr為11~72 mg/L，平均去除率為83%；R2 出水CODCr為16~82 mg/L，平均去除率為84%，去除效果與R1相當(dāng)。相較于第一階段，R1 和R2 在第二階段的CODCr去除率波動幅度更小，且對CODCr的平均去除率有所增加，其主要原因在于：污泥經(jīng)第一階段的培養(yǎng)及馴化后，其異養(yǎng)菌的數(shù)量增加，生化系統(tǒng)的除碳能力得到提升，從而表現(xiàn)出更好的CODCr去除效果。

基于以上結(jié)果可知，在進(jìn)水量不超過1.2 m3/d的條件下，兩種改良SBR 工藝均能實(shí)現(xiàn)對CODCr的高效去除，其出水CODCr均能穩(wěn)定達(dá)到四川省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 51/2626—2019）中的三級標(biāo)準(zhǔn)（CODCr≤100 mg/L）。此外，根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）中的一級A 標(biāo)準(zhǔn)要求（CODCr≤50 mg/L），在連續(xù)25 d 的監(jiān)測結(jié)果中，R1 有19 d 達(dá)標(biāo)，R2 有12 d 達(dá)標(biāo)，因此，從除碳潛力來看，R1 更具優(yōu)勢。

2.2 氨氮去除效果

兩種改良SBR 工藝對NH3-N 的去除效果見圖4。

圖4 R1 和R2 對NH3-N 的去除效果Fig. 4 Ammonia removal effects of R1 and R2

從圖4 可以看出，在整個實(shí)驗(yàn)階段，R1 和R2 對NH3-N 的去除能力相當(dāng)，均可實(shí)現(xiàn)對NH3-N 的高效去除。R1 出水NH3-N 為0.1~7.6 mg/L，平均去除率為92%；R2 出水NH3-N 為0.6~7.7 mg/L，平均去除率為93%。兩種SBR 工藝的出水NH3-N 均能穩(wěn)定達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 51/2626—2019）中的一級標(biāo)準(zhǔn)（NH3-N≤8 mg/L）。此外，當(dāng)處理量從1.0 m3/d 增加到1.2 m3/d 時，R1 和R2對NH3-N 的去除效率均未受到明顯影響，其主要原因在于硝化階段的反應(yīng)時間和溶解氧充足，兩個生化系統(tǒng)內(nèi)均培養(yǎng)出了大量高活性硝化細(xì)菌，從而保證了生化系統(tǒng)高效的NH3-N 去除能力。

2.3 總氮去除效果

SBR 工藝的脫氮原理主要是利用反硝化細(xì)菌在反硝化過程中以有機(jī)質(zhì)作為電子供體，硝酸鹽作為電子受體，最終將硝酸鹽還原為N2，從而實(shí)現(xiàn)對廢水中氮素的去除〔7〕。R1 和R2 對TN 的去除效果見圖5。

從圖5 可以看出，在第一階段，當(dāng)處理量為1.0 m3/d 時，兩種SBR 均對TN 表現(xiàn)出良好的去除效果，R1 出水TN 為0.3~9.0 mg/L，平均去除率為87%；R2出水TN 為2.3~11.9 mg/L，平均去除率為72%。相比之下，R1 對TN 的去除效果更好，平均去除率較R2高出15%。

在第二階段，當(dāng)處理量從1.0 m3/d增加到1.2 m3/d時，兩個SBR 對TN 的去除率大幅下降，且出現(xiàn)明顯波動現(xiàn)象。R1 出水TN 為7.7~32.3 mg/L，平均去除率為50%；R2 出水TN 為12.9~30.9 mg/L，平均去除率為57%。這主要是因?yàn)樯到y(tǒng)內(nèi)大量好氧異養(yǎng)菌對有機(jī)質(zhì)具有競爭優(yōu)勢，致使反硝化階段缺乏碳源，從而使得生化系統(tǒng)對TN 的去除效率下降。

根據(jù)以上結(jié)果，并結(jié)合農(nóng)村生活污水的水質(zhì)特征，可以認(rèn)為，當(dāng)處理量不超過1.0 m3/d 時，兩種改良SBR 工藝在無任何碳源投加的情況下均能獲得良好的脫氮效果，其出水TN 均在15 mg/L 以下，滿足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 51/2626—2019）中的一級標(biāo)準(zhǔn)（TN≤20 mg/L），并且R1 對TN 的去除更具優(yōu)勢。

2.4 總磷去除效果

SBR 工藝的除磷原理是在厭氧-好氧交替運(yùn)行的條件下，利用聚磷菌厭氧釋磷及好氧超量吸磷的特性，使過量吸收的磷貯存在聚磷菌體內(nèi)，最終通過排放富含磷的剩余污泥而達(dá)到除磷的目的〔7〕。因此，定期排泥是實(shí)現(xiàn)高效除磷的重要前提。在本研究中，為探究兩個改良SBR 的適宜污泥齡參數(shù)，整個實(shí)驗(yàn)階段并未進(jìn)行排泥。兩種SBR 工藝對TP 的去除情況見圖6。

圖6 R1 和R2 對TP 的去除效果Fig. 6 Total phosphorus removal effects of R1 and R2

由圖6 可知，在第一階段，當(dāng)處理量為1.0 m3/d時，R1 和R2 均對TP 表現(xiàn)出良好的去除效果，R1 出水TP 為0.03~0.42 mg/L，平均去除率為93%；R2 出水TP 為0.07~1.50 mg/L，平均去除率為71%。相比之下，R1 對TP 的去除效果更佳，平均去除率較R2高出22%。在此階段，兩種SBR 工藝處理后出水TP均能穩(wěn)定達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 51/2626—2019）中的一級標(biāo)準(zhǔn)（TP≤1.5 mg/L）。

在第二階段，第16 天將處理量從1.0 m3/d 突然增加到1.2 m3/d，R1 和R2 仍表現(xiàn)出良好的TP 去除效果，這說明水力負(fù)荷沖擊并未對TP 去除產(chǎn)生明顯影響。然而，從第17 天起，R1 對TP 的去除率出現(xiàn)大幅波動，出水TP 為0.44~2.6 mg/L，平均去除率為64%。同時，在第17~25 天，R2 對TP 的去除率呈連續(xù)下降的趨勢，從92% 下降到25%，出水TP 為0.39~3.79 mg/L，平均去除率為60%。基于生物除磷原理可以推斷，R1 和R2 在第二階段對TP 去除效果明顯變差的原因主要是系統(tǒng)運(yùn)行過程中未進(jìn)行排泥，活性污泥的泥齡過長，導(dǎo)致聚磷菌過量吸收的磷被部分釋放，從而使得出水TP 增加。因此，為保證出水TP 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，在兩種改良SBR 生化系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行約15 d后應(yīng)對其進(jìn)行排泥。從除磷潛力角度看，R1 更具優(yōu)勢。

2.5 能耗分析

低能耗是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水低成本處理和正常運(yùn)行的重要前提之一。對兩個SBR 生化系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行25 d 的能耗進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果表明，R1 和R2 的總耗電量分別為16.42 kW?h 和58.26 kW?h，平均日耗電量分別約為0.66 kW?h 和2.33 kW?h。由此可見，R1 的能耗遠(yuǎn)低于R2，其平均日耗電量僅為R2 的28%。因此，R1 在節(jié)能方面較R2 具有明顯優(yōu)勢，可大幅度降低運(yùn)行費(fèi)用。

3 結(jié)論

1）實(shí)際運(yùn)行效果表明，在處理量不超過1.0 m3/d的設(shè)計(jì)條件下，兩種改良SBR 工藝均可實(shí)現(xiàn)對農(nóng)村生活污水的高效處理，其處理后出水NH3-N、TN 及TP 均能穩(wěn)定達(dá)到四川省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 51/2626—2019）中的一級標(biāo)準(zhǔn)，出水CODCr穩(wěn)定達(dá)到其三級標(biāo)準(zhǔn)。

2）相比于Ⅱ型設(shè)備（R2），Ⅰ型設(shè)備（R1）在污染物去除潛力和節(jié)能等方面更具優(yōu)勢，在處理量為1.0 m3/d 的條件下，R1 的CODCr、TN、TP 平均去除率較R2 分別高出10%、15%和22%，其平均日耗電量（0.66 kW?h）僅為R2 的28%，運(yùn)行及維護(hù)費(fèi)用低，具有更好的推廣應(yīng)用價值。