曝气混合代替搅拌器在处理农村生活污水中的应用探究

马海锋，李 超，陈嫚莉

（长安大学环境科学与工程学院，陕西 西安 710054）

目前，我国每年农村生活污水的排水量为8.0×109～9.9×109t，96%的村庄没有污水处理系统［1］。村镇污水处理率仅为11%，村庄污水处理率不到1%，生活污水的无组织排放是引起我国农村地区水污染的主要原因［2］。再加上农村地区经济相对落后，村民的环保意识较低且缺乏相关专业技术指导人员，而且排污点较为分散，传统的集中式的污水处理设施不能满足需要，因此必须设计出一套适合农村基本情况的污水处理设施以便推广到每户家庭使用，从而减轻甚至消除生活污水带来的水污染。本实验拟在推出一种简易的、不需要搅拌装置的生活污水处理设施，并从处理效果和节能方面论证其可行性。

1 实验部分

1.1 设计参数

好氧池：有效体积2 L；曝气量40 L/d；进水量4 L/d。缺氧池：有效体积0.34 L；水力停留时间5 h；泥龄25 d。

1.2 实验装置

试验主要有进水桶、反应器、出水桶3个部分组成。进水泵和曝气泵有PLC控制箱控制，工艺如图1所示。

图1 工艺流程

由图1可知，沉淀池和好氧池为一体，污泥通过好氧池和沉淀池之间的缝隙流入到沉淀池沉淀，处理完成的废水自沉淀污泥的底部通过沉淀污泥从下而上流入沉淀池，最后流出到出水桶。好氧池没有搅拌装置，曝气头是有8个微孔圆柱管。主要利用气体通过微孔时对污泥产生湍动作用，从而进行泥水的混合。好氧池由有机玻璃构成，实际尺寸为5.5 cm×5 cm×27 cm，有效容积为742.5 cm3，与好氧池连接的三角形缺氧池实际测量尺寸为10 cm×5 cm×20cm，有效体积为500cm3。进水流量平均为3.8L。

1.3 实验用水

原水是按照农村生活污水水质在实验室人工配置的，每次配置的水量为20 L。原水是由20 mL NH4Cl（20 g/L）、2 mL MgSO4·7H2O （100 g/L）、4 mL KH2PO4（20 g/L）、2 mL CaCl2（75.5 g/L）、2 mL FeSO4·7H2O（100 g/L）、微量元素以及20 L自来水组成。进水各项指标见表1。

表1 配置生活污水各项指标的浓度范围和平均值

1.4 水质分析方法

COD采用重铬酸钾消解法测定；NH4+—N采用纳氏试剂分光光度法；NO3-—N采用紫外分光光度法；NO2-—N采用N—(1—萘基)—乙二胺分光光度法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；TP采用钼酸铵分光光度法；生物相通过显微镜观察。

1.5 实验方法

到目前为止，实验共进行了5个工况。分别为连续曝气：A1-连续曝气24 h、A2-连续曝气12 h/停12 h、A3-连续曝气6 h/停18 h和间歇曝气：B1-曝1 h/停2 h、B2-曝2 h/停4 h。

2 结果与讨论

2.1 COD的去除

尽管进水中的COD浓度有所波动，但5个工况出水中的COD含量都在50 mg/L以下，且每种工况的平均去除率均在90%以上，达到GB 18918—2002城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级A标准（见图2）。

图2 5种工况稳定下出水COD和去除率关系

在连续曝气工况中，A3的出水COD浓度最低，平均为25.87 mg/L，去除率最高，平均为93.35%；在间歇曝气工况中，B2的去除率高于B3的，出水的COD平均浓度为26.85 mg/L，去除率为93.1%。

2.2 NH4+—N的去除

对连续曝气工况，反应池中的溶解氧始终保持在5 mg/L以上，这就为氨氧化细菌（ANOs） 将NH4+—N转化为NO2-—N，在由亚硝酸盐氧化菌（NNOs） 将NO2-—N转化为NO3-—N提供了充足的电子受体。连续不断的进水，为细菌的新陈代谢提供了充足的底物浓度。当停止曝气时，由于氧气的消耗在30 min左右迅速降到0 mg/L，反应器进入厌氧或者缺氧状态，ANOs和NNOs的活性受到了抑制，出水的NH4+—N浓度增大。因此，连续曝气的时间越长，去除率越高。当进入间歇曝气工况时，停止曝气时间越长，曝停比越小，氨氮去除负荷越低［3］。故工况曝2 h停4 h的出水NH4+—N高于曝1 h停2 h的。因此，连续曝气的去除率高于间歇曝气，且随着连续曝气时间的增加而增加，出水标准全部达到GB 18918—2002城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级A标准，B1工况出水达到一级B标准。如表2和图3所示。

表2 5个工况NH4+—N的平均出水浓度和去除效率

图3 5种工况稳定下NH4+—N出水浓度

2.3 NO2-—N和NO3-—N的去除

图4所示为不同工况稳定下NO2-—N和NO3-—N的平均出水浓度。

图4 5种工况稳定下NO2-—N和NO3-—N平均出水浓度

对于曝气24 h、曝气12 h和曝气6 h，NO2-—N的浓度随着曝气时间的减少而升高，NO3-—N浓度随着曝气时间的减少而降低。充足的DO保证了NH4+—N→NO2-—N→NO3-—N的完成，所以出水的NO3-—N浓度较高，NO2-—N的浓度较低。从传统的生物脱氮理论来看，由于没有缺氧段，微生物不会以NO3-为最终电子受体，故反硝化过程不会发生［4］，出水的NO3-浓度较高。进入间歇曝气，一旦停止曝气，曝气池中的氧气会在30 min左右降为0 mg/L，这就会对NNOs将NO2-—N转化为NO3-—N产生抑制，但是缺氧又会导致反硝化作用的发生，从而将NO3-—N还原为N2。因此NO2-—N的浓度随着停曝时间的增加而升高，NO3-—N浓度随着停曝时间的增加而减少。

2.4 TN的去除

Lyunook Kim等［5］利用有效容积为4 L的交替式缺氧好氧反应器进行研究，发现该系统可将生活污水中的TN浓度降低到8 mg/L以下。邓荣森等［6］对四川某污水厂进行了连续流间歇曝气，总氮去除率可达到75%。相比于以上5种工况，对于连续曝气而言，A2的出水浓度最低，平均为4.42 mg/L，平均去除率为81.47%；A1的最高，平均为8.93 mg/L，平均去除率为62.56%。工况A3和B2的出水浓度差别不大，平均值为7.98 mg/L和8.09 mg/L，平均值的差别为0.11 mg/L，平均去除率分别为66.92%和66.08%。如图5～6所示，对于5种工况而言，当停止曝气的时间在0～12 h时，TN出水浓度随着停止曝气时间的增加而降低；当超过12 h时，TN出水浓度随着停止曝气时间的增加而增加。因此，对于总氮的去除而言，A2能达到最好的效果。其次为B1，平均出水浓度为7.47 mg/L，去除率为68.68%，达到GB 18918—2002城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级A标准。

图5 5种工况稳定下TN出水浓度

图6 出水TN平均浓度与工况关系

2.5 TP的去除

从图7可以看出，A3工况的出水浓度最高，平均为1.69 mg/L，平均去除率为52.3%；B1工况的出水浓度最低，平均为0.24 mg/L，平均去除率为93%，出水水质能达到GB 18918—2002城镇污水处理厂污染物排放标准中的一级A标准。根据生物除磷机理，聚磷菌在厌氧段完成对磷的释放，好氧段完成对磷的吸收。张永胜等［7］认为好氧时间对TP的去除影响显著，最佳的好氧反应时间为9 h。A1、A2工况由于好氧时间过长，聚磷菌体内的磷含量达到饱和，除磷效果下降。工况A3由于好氧时间不够，除磷效果也不好。工况B2由于厌氧时间过长，好氧时间较短，厌氧段释放的磷来不及被完全好氧段所吸收而随水流出，除磷效果也不好。相比于曝气24 h，曝1 h停2 h可节能66.7%。

图7 5种工况稳定下TP出水浓度

3 结论

1）与传统的污水处理工艺不同，本实验采用了没有搅拌装置的反应器，设计了一种含有8个微孔的圆筒状曝头，利用气体用过微孔时对污泥的冲击产生紊乱，从而完成泥水的混合。

2）通过对本实验5种工况的分析比较，发现B1工况条件下，出水COD的平均浓度为35.36 mg/L，平均去除率为90.92%；出水NH4+—N的平均浓度为5.37 mg/L，平均去除率为72.42%；出水TN的平均浓度为7.47 mg/L，平均去除率为68.68%；出水TP的平均浓度为0.24 mg/L，平均去除率为93%；从脱氮除磷的综合情况考虑，B1工况为最佳。

3） 从节能的角度分析，工况B1相比于A1、A2可分别节约66.7%、16.67%的电能。还有人在研究采用太阳能进行曝气，更有助于本实验装置在农村的推广使用。

［1］ 谭学军，张惠锋，张辰.农村污水收集与处理技术现状及进展［J］.净水技术，2011，30（2）：5-9，13.

［2］ 李玲，周北海，马方曙，等.一体式A/O接触反应器处理农村生活污水启动研究［J］.水处理技术，2013，39（3）：77-80.

［3］ 苏东霞，李东，张肖静，等.曝停时间比对间歇曝气SBR短程硝化的影响［J］.中国环境科学，2014，34（5）：1152-1158.

［4］ 高大文，彭永臻，王淑莹.交替好氧/缺氧短程硝化反硝化生物脱氮方法实现与控制［J］.环境科学学报，2004，24（5）：761-768.

［5］ Kim H，Hao O J.pH and oxidation-reduction potential control strategy for optimization of nitrogen removal in an alternating aerobic-anoxic system［J］.Water Sci Technol，2001，73（1）：95-102.

［6］ 邓荣森，肖海文，王涛，等.四川省城市污水处理示范工程：一体化氧化沟［J］.给水排水，2001，27（4）：1-4.

［7］ 张永胜，陈浬，周健，等.间歇曝气、连续流生物膜反应器的除磷效能［J］.中国给水排水，2012，28(17)：26-28.