农村污水处理的厌氧一跌水曝气工艺参数研究

张震宇 谷俊杰 宁平 和弦

摘要：针对农村生活污水处理特点，提出了一套占地面积小、脱氮除磷效果好但工艺流程简单、管理要求低、投资和运行费用省的“厌氧缺氧跌水曝气”组合工艺。通过实验室小试试验对各单元参数进行研究，结果表明：厌氧单元采用2～3级简化型UBF厌氧反应;好氧单元采用5级跌水曝气，总跌水高度2.5m，相邻两池间的跌水高度0.5m;好氧回流比30%，回流至缺氧单元，可达到较理想的效果。

关键词：农村;生活污水;厌氧缺氧跌水曝气工艺

中图分类号：X703

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）10-0108-03

1引言

农村生活污水存在以下特点：①建成区规模较小，居住分散，地势起伏，污水收集困难;②污水间歇排放，水质水量变化大;③难做到有效雨污分流;④现场管理粗放，缺乏维护资金和维护人才。因此，造成很多污水处理工艺在农村地区运行效果不佳，运行不正常甚至无法运维的情况。同时，随着环保要求的提高，对农村污水处理的要求也在逐步提高，很多地区政府要求农村污水处理站出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准。这就要求农村污水处理工艺必须具备占地面积小、脱氮除磷效果好但工艺流程简单、管理要求低、投资和运行费用省的特点。

目前，国内外农村生活污水的处理方法主要是生物处理方法和生态处理系统两大类。生物处理方法的机理是利用自然界存在的各种微生物的代谢作用，将污水中的有机物分解和向无机物转化，使污水得到净化，包括好氧处理和厌氧处理。采用传统的好氧生物技术处理污水需要消耗大量的能源，跌水曝气利用势能的转换实现复氧，与鼓风曝气、机械曝气相比，具有结构简单、造价低、能耗小、易操作等特点，可以适应平原、丘陵和山区等多种地形特征，降低运行费用，减少工程造价，是一种低成本的曝气充氧方式。

本研究为实验室小试试验，对“厌氧缺氧跌水曝气”组合工艺各单元参数进行研究，以提高该工艺脱氮处理效果为目标，力争实现工艺参数最优化。

2小试装置

在实验室搭建小试装置，通过模拟实验的方式确定各单元工艺参数。研究装置包括高位水箱、厌氧装置、缺氧池、跌水池和连接管，示意图见图1。各单元的配置如下。

①高位水箱：1台，配置试验污水，PVC材质，有效容积为500L。②厌氧装置：多台串联，有机玻璃材质，高为1.5m，直径为0.2m，有效容积47L.内装弹性填料，用污水处理厂污泥进行接种。③缺氧池：1台，PVC材质，有效容积20L，出口接蠕动泵。④跌水池：多台串联，PVC材质，有效容积2～4L，内装弹性填料，挡板可拆卸，下部支架高度可调。⑤连接管：PVC管。

试验污水参考常见农村生活污水水质指标人工配置而成，CODcr浓度约为300mg/L，C：N：P为100：10：1。污水中CODcr的主要来源为葡萄糖，氮的主要来源为氯化铵、尿素，而磷的主要来源为磷酸二氢钾。

3实验结果及讨论

3.1厌氧反应器优化

农村污水厌氧单元常用的工艺为厌氧接触工艺和折板式厌氧反应器，其占地面积大，厌氧效果不充分。为了达到更好的厌氧处理效果，对几种厌氧工艺进行了比选，选择了升流式厌氧流化床工艺（UBF），其优点是：①污泥浓度高，活性强;②污水与污泥接触充分，有机负荷高，处理量大;③占地面积小，适应性强，工期短;④无需混合搅拌设备，靠进水水流与发酵过程中产生的沼气的上升运动，使污泥床上部的污泥处于悬浮状态，对下部的污泥层也有一定程度的搅动，运行费用低。但其也存在如下问题：①为保证出水水质需要性能优良的气、液、固三相分离器来阻挡气泡，分离污泥和沼气，由此也造成构造的复杂化，并占去了一定的容积;②当进水的浓度低或SS太高时会导致污泥大量流失，影响出水水质。根据其不足，我们做了如下改进：①进一步增大径深比，增大污水与污泥充分接触的时间，池底呈完全厌氧状态;②略去三相分离器，采用多级简化型UBF反应器串联的形式来实现气、液、固三相分离，简化工艺组件，并进一步增强厌氧效果和增大厌氧时间，减少污泥流失。见图2。

根据实验结果，①在保持水力停留时间HRT=ioh条件下，使用单级简化型UBF，出水SS较高，容易对后级单元造成堵塞。随着串联级数的增加，出水SS降低明显。②在单一厌氧环境下由于厌氧微生物的氨化作用和释磷菌的存在，UBF对氨氮、总氮、总磷的去除效果不明显，需结合其它工艺流程对其处理。③UBF对CODcr的去除效果明显，当HRT>6h，CODcr去除率>70%;CODcr去除率随着HRT的增加而增加，当HRT=10h，CODcr去除率可达到80%;当HRT>10h，CODcr去除率变缓。

综合考虑实验效果，从污水处理设施建设成本、处理效益比出发，简化型UBF设置串联级数为2～3级，HRT=10h。

3.2回流比

不同回流比对脱氮除磷效果有明显影响。实验室小试装置在水温为23～28℃、水力停留时间为1h、泥龄为12d的条件下，比较了回流比为20%～100%时好氧池底流污泥浓度和进入好氧池的混合液浓度，结果见图3。

当混合液回流比为20%、30%时，底流污泥浓度可达1000mg/L，40%时为9000mg/L，50%时降至7500mg/L，100%时仅为6000mg/L。随着混合液回流量的增大，底流污泥浓度减小，因而虽然回流比增加很多，但所带走的污泥量的增加幅度并没有回流量增加的幅度大，如回流比为100%时的回流量仅是30%时的2倍，而回流量却是30%时的33倍。对最后一级好氧池的污泥量进行物料衡算，当混合液回流比为40%、50%、100%时最后一级好氧池内的污泥累积量

当混合液回流比为20%时最后一级好氧池多次發生污泥上浮，说明20%的混合液回流比不可取，因此开展了30%、40%、50%、100%四种混合液回流比下脱氮除磷效果的研究，结果见图4。当回流比为100%时的脱氮除磷效果差，这主要是由于污泥的回流量太大，相当于试验设备的处理水量增加了一倍，污水在每个反应池中水力停留时间仅为1h左右，不能保证磷的有效释放，反硝化也受到影响。

综合污泥累积状况和脱氮除磷效果，可将混合液回流比在30%～50%，但是基于节省动力的考虑，在实际运行中宜将混合液回流比控制在30%。

3.3跌水曝气高度

跌水曝气是依靠空气中的氧分压与水中溶解氧浓度相应的氧的平衡压强之间的差值作为推动力来进行水体自行充氧，省去了曝气所需的鼓风机动力消耗，以满足氧化池对氧的需求，降低了运行成本。根据“菲克（Fick）定律”和“双膜理论”，跌水后水中的溶解氧值随着跌水高度的增加而增加。

通过调整跌水池支架高度的方式考察了单级跌水高度对充氧效果的影响，结果见表l。跌水高度从0.3m增加到0.5m，提高0.2m，DO差值提高了0.3mg/L;而跌水高度从0.5m增加至0.8m，提高0.3m，DO差值仅提高了0.2mg/L。

对跌水池进行多级串联，考察了级数对充氧效果的影响。发现跌水曝气效果并不随跌水高度的增加而线性增加。当跌水高度总高度为2.5m时，跌水后DO值为5.07mg/L;当高度增大60%，达到4.0m时，DO值仅增加6%，为5.38mg/L。

跌水高度的增加对提高充氧能力的作用有限，过高的跌水高度会增加泵的扬程，从而增大动力消耗，导致运行费用增加，并且也增加了基建的费用。本试验确定跌水池总跌水高度为2.5m，相邻两池间的合理跌水高度为0.5m。

4结论

（1）“厌氧缺氧跌水曝气”的污水处理工艺具备占地面积小、脱氮除磷效果好、工艺流程简单、管理要求低、投资和运行费用省的特点，适合在农村地区使用。

（2）采用2～3级串联的简化型UBF厌氧反应器厌氧效果较好，当HRT=10h，CODα去除率可达到80%。

（3）不同回流比對脱氮除磷效果有明显影响，在实际运行中宜将混合液回流比控制在30%。

（4）跌水池总跌水高度为2.5m，相邻两池间的跌水高度为0.5m，可达到较理想的曝气效果。

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