一体化生活污水净化反应装置模拟实际运行效果研究

钱姗,高贤彪,吴迪, 李玉华,李妍

摘要：通过试验室模拟生活污水的运行，对一体化生活污水净化反应装置的生物降解能力进行了研究。该装置日处理生活污水300 L，总水力停留时间（HRT）为3.8 d。试验结果显示，COD和BOD的平均去除率分别为83.48%和95.92%，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级B标准，且抗冲击能力强。由于二次沉淀区运行不当，NH3-N、TN和TP去除效果不理想，但试验证明装置本身具有脱氮除磷功能。

关键词：农村生活污水；一体化生活污水净化反应装置；A/O工艺；脱氮除磷

中图分类号：X703 文献标识码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2012.02.028

Study on the Simulating Operation Performance of Integrated Purifying Reactor for Domestic Sewage Treatment

QIAN Shan，GAO Xian-biao，WU Di，LI Yu-hua，LI Yan

（Tianjin Institute of Agriculture Resource and Environment Sciences. Tianjin 300380,China）

Ａｂｓｔｒａｃｔ: An experimental study on simulating the operation of integrated purifying reactor for domestic sewage treatment has been conducted for investigating the biodegradation performance. The results indicated that the average percentage removal for COD and BOD was 83.48% and 95.92% respectively, the water quality of effluent water reached the “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant” level 1B and the reactor had a strong ability of minimizing the negative affects associated with influent spikes at a fixed hydraulic retention time (HRT) of 3.8 d and the flow rate of 300 L·d-1.This test proved that the reactor could remove nitrogen and phosphor, but it was also noted the removal of NH3-N, TN and TP was not desired in reality because of the secondary clarifier operating problems.

Key words: rural domestic sewage；integrated purifying reactor for domestic sewage treatment；A/O process；removal of nitrogen and phosphor

伴随着城市污水处理工艺近20年来的快速发展，农村水污染治理也受到了人们的重视[1]。不同于城市具有完备的市政污水输送管网，中国绝大多数建制镇和几乎所有农村由于地理位置分散或资金的缺乏无力建设污水集中处理设施及排水管网系统[2]，因此，适用于农村分散式排放、处理水量小等特点的集成式污水处理装置被广泛应用[3-5]，这种技术也在不断地拓展中。

本研究对象为自主开发的一体化生活污水净化反应装置，采用缺氧/好氧联合生物处理工艺，污水以自流的方式依次完成工艺流程，几乎没有动力消耗。为达到较好的脱氮除磷效果，增加了内循环部分，将二次沉淀区的泥水混合液回流至缺氧反应区内，为缺氧反应区的反硝化过程提供硝酸盐，也保证了区域内的活性污泥浓度。通过模拟生活污水的试验，初步分析了该装置启动和运行过程中生物降解的特点和能力，尤其对氮、磷等物质的去除效果，为其实际运行提供数据基础。

1材料和方法

1.1试验装置与运行工况

一体化生活污水净化反应装置由玻璃钢制成，采用一体化合建式，如图1所示。装置分为4个格室，待处理污水依次流经初次沉淀区、缺氧反应区、好氧生物膜反应区和二次沉淀区，其中缺氧反应区内设一道折流板，增大污水停留时间。好氧生物膜反应区敷设圆形悬浮填料，填料直径15 cm，挂膜后比重约为1，填充率为40%。该装置总长2.1 m，宽0.85 m，高1.2 m，缺氧反应区与好氧生物膜反应区的有效容积分别为650 L和500 L，容积比约为13∶10。

污水由储水箱经QDX型潜水泵提升至装置的初沉区内，储水箱容积为1 000 L，进水量为300 L·d-1，为模拟实际生活情况，由时间继电器控制，分早、中、晚3个时段各100 L自动间歇进水，生物反应区相应HRT约为3.8 d。好氧反应区采用24 h连续曝气，曝气系统为1个215型曝气盘，由电磁式空气压缩机控制，曝气量为80 L·min-1。试验结束调试、进入稳定运行期时，二沉区开始有泥水混合液回流至缺氧区，由QDX型潜水泵控制，每隔2 h回流30 min，每次回流量约为500 L。

1.2试验用水与污泥

整个试验运行期间均采用实验室配制的模拟污水，配制方法见表1。接种污泥取用天津市某市政污水处理厂二次沉淀池剩余污泥，该厂采用A2O工艺，模拟污水大约经86 d的培养、驯化后，系统进入稳定状态。

1.3分析项目与方法

BOD采用220A型微生物法BOD快速测定仪；COD、NH3-N和TP采用PORS-15便携式水质快速测定仪；TN使用标准法测定[6]。

1.4试验数据处理

所有数据的时间零点选为结束调试、稳定运行的第一天（8月18日）。

本试验使用实验室药品配制污水，反应装置进水的各项指标理论上应为定值，但由于每次所配污水在储水箱内平均停留3 d，不可避免地会发生生化反应，影响污水实际水质，并且由于无法保证混合完全均匀造成每次进水有所差别，因此，本试验所测的进水水质数据来自于通过蠕动泵从储水箱所采水样，数据更加准确，也符合实际运行时进水水质波动的状态。

2结果与分析

对该反应装置进行了为期半年的运行监测，仔细研究了该装置的运行效果，通过BOD、COD、NH3-N、TN和TP 5项指标的监测数据总结其运行规律并对可能影响其运行效果的因素进行了初步分析。

2.1对COD的去除效果

装置对COD的处理效果见图2。进水COD波动幅度很大，最大值为1 002.5 mg·L-1，最小值为107.25 mg·L-1，但出水水质较稳定，基本稳定在40 mg·L-1左右，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A出水标准，平均去除率为83.48%，最高去除率达到99.15%，表明该装置对COD的去除具有明显效果，且具有良好的抗冲击能力。反应装置足够长的水力停留时间保证了缺氧反应区和好氧生物膜反应区微生物降解作用的发挥，水的推流状态也可形成良好的反应梯度，反应推动力大，促进生物反应持续有效地进行。但在试验的最后20～30 d内，COD去除率有一定幅度的降低，出水COD值在70～80 mg·L-1之间，可能是由于天津地区进入冬季，温度降低，导致水中微生物代谢速率减慢，影响了对有机物的吸附与分解[7]。

2.2对BOD的去除效果

BOD测量方法的标准为HJ/T86-2002，不同于《城镇污水处理厂污染物排放标准》规定的GB7488－87，因此仅就数据变化趋势而言，装置对BOD的处理效果见图3。进水BOD范围在138～

1 795 mg·L-1之间，相差达13倍，且为非连续进水，波动幅度非常大，但出水水质很稳定，冬季之前出水浓度在5.3～28.7 mg·L-1之间，进入冬季后出水BOD在40.9～59.8 mg·L-1范围内，整个试验过程的平均去除率为95.92%，最高去除率达到99.24%。数据显示反应装置的生物系统对BOD产生了高效的去除作用，而且去除率平均高于COD，说明污水中存在一定量的难以生物降解物质。总体来看，净化槽对有机物有非常好的去除效果。

2.3 对NH3-N与TN的去除效果

污水中的氮元素主要以有机氮、氨态氮（NH3-N）、硝酸氮（NO3--N）与亚硝酸氮（NO2--N）4种形式存在。氨氮的去除效果如图4所示，大部分取样的出水浓度大于进水浓度，即氨氮未被有效去除，反而有更多的氨氮生成。活性污泥反应系统中氮循环的传统理论认为，新鲜污水的主要存在形式——有机氮，将首先被氨化菌氧化生成氨氮，氨化菌多为异养菌，此过程与有机物的去除同时进行；之后在硝化菌的作用下，氨态氮进一步分解氧化，被转化为亚硝酸氮与硝酸氮；而氮的真正去除则依赖接下来的反硝化过程，在这个阶段，硝酸氮和亚硝酸氮被还原为气态氮（N2）排出系统[8]。因此在反应的初始，由于有机氮的氨化，水中氨氮含量必然会大幅上升，针对数据显示的出水氨氮异常增高现象，分析有两种可能的原因：一是氮循环停留在氨化阶段，硝化菌未能成为优势菌种，导致大量氨氮不能被氧化成硝态氮，造成氨氮积累，不能进行下面的脱氮流程；另外在厌氧条件下微生物也可发生氨化反应，例如腐败梭菌、兼性大肠杆菌、酵母菌、变形杆菌等都具备这种能力，所以亦或是由于二沉区运行不当，沉淀污泥形成厌氧环境，发生了厌氧消化反应，大部分可生物降解的氮都转化为消化液中的NH3，使出水水质恶化。

为验证这两种推断，对TN和NO3--N数据进行了分析，表2和表3分别列举了运行期内每月总氮的平均水平。

数据显示，污泥系统对水中的TN具有明显的脱除，且脱除量大于原污水中硝酸氮的进、出水差值，说明有另外的硝酸氮生成途径，即活性污泥发挥了硝化功能，使氨氮正常转化成了硝酸氮。该装置好氧区采用生物膜处理法，微生物可附着在填料上生长，生物固体停留时间与水力停留时间分离，从而使世代时间较长的硝化菌和亚硝化菌得以繁衍增殖。所以可以推断该系统出水氨氮与总氮含量过高、去除效果不理想与工艺本身生物反应区微生物组成无关，是由二沉区运行不当引起，泥水混合液回流量过大是重要因素[9]。

2.4 对TP的去除效果

系统对TP的去除率较低。Mulkerrins等[10]系统地归纳了影响生物除磷的因素，包括污水组分、挥发性脂肪酸、阳离子、温度、污泥沉降性能、溶解氧、厌氧释磷、磷负荷、pH等，具体到本次试验，反应装置内没有独立的厌氧环境，聚磷菌始终受到硝酸盐的抑制，不能有效释磷再生，且试验期间没有剩余污泥排出装置，这些都是磷无法离开系统彻底去除的原因。

3结论

（1） 一体化生活污水净化反应装置对有机物具有非常好的去除效果，进水COD在107.25～1 002.5 mg·L-1范围内的平均去除率为83.48%，BOD的平均去除率为95.92%，出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）的一级B标准。该系统的运行效果表明，本工艺运行稳定，对水质和温度的适应能力较强，具有较好的抗冲击能力。

（2）一体化生活污水净化反应装置的工艺本身具备脱氮除磷能力，但二沉区的运行状态可以在很大程度上影响到出水水质，在实际运行中，还应寻找到二沉区的最适运行参数，包括泥水混合液回流量、剩余污泥排放量等，使其发挥出可同步脱氮除磷的技术优势。

参考文献：

[1] 吴迪，李玉华，赵琳娜，等.沼气型厌氧好氧一体生化反应器处理分散型生活污水的研究[J].天津农业科学，2010，16（3）：118-120.

[2] 王筱雯，马伟芳，林海，等. 集成式污水处理装置的技术进展[J].环境科学与管理，2011，36（7）：63-66.

[3] 许春莲, 宋乾武, 王文君, 等. 日本净化槽技术管理体系经验及启示[J]. 中国给水排水, 2008, 24( 14): 1-14.

[4] 王然, 王昶, 杜晓雪, 等. 高效自流式家庭生活污水净化槽的研究[J]. 环境工程, 2007, 25( 5): 21- 24.

[5] Boller M. Small waste water treatment plants—A challenge to waste water engineers[J]. Water Sci Technol，1997, 35( 6): 1- 12.

[6] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法（第4版）[M].北京：中国环境科学出版社，2002.

[7] 吴迪，赵秋，高贤彪，等.厌氧—3级好氧/缺氧生物膜工艺处理农村生活污水[J].中国给水排水，2010，26（7）：9-11，15.

[8] Wu C Y,Chen L Q,Liu X H,et al. Nitrification-denitrification via nitrite in SBR using real-time control strategy when treating domestic wastewater[J].Biochem Eng J, 2007(36):87-92.

[9] 王昶，杜晓雪，贾青竹，等. 家庭生活污水分散处理净化槽的研究[J].水处理技术，2008，34（2）：79-82.

[10] 赵丹，任南琪，马放，等.生物脱氮微生物学及研究进展[J].哈尔滨建筑大学学报，2002，35（5）：60-65.