A/O型拔风跌水复氧过滤器处理农村生活污水

李发站，高晓杰，张 南，申晨亮，刘晓凤

(1.华北水利水电大学环境与市政工程学院，河南 郑州 450046；2.中州水务控股有限公司，河南 郑州 450046；3.华北水利水电大学图书馆，河南 郑州 450046)

随着农村经济的飞速发展，村镇居民生活水平得到不断提高，同时也带来了日益严重的水污染问题。我国目前已建的农村生活污水处理系统普遍存在运行管理复杂、运行费用高昂、工程质量参差不齐，最终导致系统停运等问题。本研究根据传统水处理工艺，以A/O工艺为基础、生物滴滤池为原型，提出一种A/O型拔风跌水复氧过滤器(ERWDF)试验装置。该试验装置具有复氧及处理效果良好、运行稳定、易管理等优点，且整体系统运行耗能仅相当于一台小功率潜污泵，动力极微；同时，该试验装置可设备化生产、现场安装，更能提升工程建设质量。本试验以河南省平舆县韩庄村生活污水为处理对象，通过监测试验装置进出水的水质，研究了ERWDF的复氧效果及其影响因素以及工艺系统的处理效果和最佳运行工况，以为今后农村生活污水处理装置的研发与优化提供依据。

1 污染物去除机理

1.1 水解酸化菌群的降解作用

水解酸化菌为兼性厌氧菌，根据目前厌氧消化四阶段理论，厌氧条件下水体中大分子有机污染物会被降解为小分子有机物，从而达到去除一部分污染物和提高废水的可生化性的效果。

1.2 硝化细菌的硝化作用

硝化细菌为自养菌，其以无机碳为碳源。传统A/O工艺中，好氧池内硝化细菌和亚硝化细菌在有氧条件下将氨氮转化为硝态氮，其反应式如下：

1.3 反硝化菌群的脱氮作用

反硝化细菌为异养菌，其以有机碳为碳源。传统A/O工艺中，缺氧(厌氧)池内的反硝化菌群利用水体中的有机碳源，并接受回流硝化液中的硝酸盐氮进行反硝化反应，其反应式如下：

2 试验装置与方法

2.1 试验装置与工艺流程

本试验装置包括水解调节池、拔风跌水复氧过滤器(ERWDF)、沉淀池三部分，见图1。其工艺流程为：污水经格栅进入前端半地下式水解调节池，调节池内悬挂组合填料，附着其上的微生物不仅能拦截、分解进水大分子颗粒，还能依靠进水碳源对回流液进行反硝化作用；水解调节池末端的潜污泵将污水提升至ERWDF内，经布水渠、两级跌水板逐级跌落后均匀布水至填料区进行硝化处理，ERWDF顶部的通风管对逐级跌落、细分的污水进行连续拔风复氧；出水在重力作用下流入沉淀池，上清液溢流至排水槽，槽内设置可移动隔板控制调节混合液回流比，装置设计处理能力为10 t/d。

图1 试验装置工艺流程图

本次试验核心装置——拔风跌水复氧过滤器(ERWDF)剖面图，见图2。污水由进水槽均匀分向4根

φ

100半圆形布水渠，逐级向下跌落至填料区进行生物处理；ERWDF顶端设置

φ

150通风管，高为500 mm，对逐级细化的水滴进行连续拔风复氧；布水渠、两级跌水板、填料区之间的间距均为150 mm，滤料层高度为1 150 mm，从顶部至底部每间距300 mm设置1个取水口，共计3个取水口，以观察内部污水变化情况。

图2 拔风跌水复氧过滤器(ERWDF)剖面图(单位：mm)

ERWDF内与水流垂直设置两级跌水板。两级跌水板大样图如图3所示。其中，跌水板一上等间距分布16条宽15 mm节点(缝隙)，跌水板二上等间距分布32条相同节点。污水自布水渠向下跌落至跌水板一上相邻两条节点的中间位置，再由跌水板一节点向下跌落至跌水板二上相邻两条节点的中间位置，通过溅水形成水滴四散并均匀布水。

图3 两级跌水板大样图(单位：mm)

2.2 原水水质与试验方法

试验原水为河南省平舆县韩庄村生活污水，水中有机物、氮、磷含量较高，可生化性较好。试验阶段的进水水质如表1所示。

表1 试验阶段进水水质(mg·L-1)

3 试验结果与分析

3.1 试验装置对COD的去除效果

试验装置对COD的去除效果见图4，试验装置沿程各处理单元对COD的去除效果见图5。

图4 试验装置对COD的去除效果

图5 试验装置沿程各处理单元对COD的去除效果

由图4可见：试验装置稳定运行期内进水中COD浓度的变化波动较大，其平均浓度为443 mg/L；出水中COD浓度较为稳定，其平均浓度为78 mg/L；COD去除率最高为88.04%，最低为71.94%，其平均去除率为82.45%，表明该试验装置对COD具有较好的去除效果。

由图5可见，试验装置稳定运行期内进水中COD浓度为443 mg/L，水解调节池出水中COD浓度为212 mg/L，COD去除量为231 mg/L，其占整体COD去除总量的63.29%；排水槽出水中COD浓度为78 mg/L，COD去除量为134 mg/L，其占整体COD去除总量的36.71%。这表明COD的去除主要由水解调节池和ERWDF两部分共同完成，且水解调节池COD的去除量大于ERWDF，其原因为：①调节池内组合填料首先对进水中大颗粒有机物进行吸附，降低了COD浓度；②组合填料上附着的反硝化菌进行反硝化反应时需要消耗碳源；③回流管中回流液起到稀释进水的作用。

上述各处理单元对COD的去除效果情况表明，本次试验水解调节池进水负荷偏高。有研究表明当进水中C/N比值在4.7～5.6之间时，充足的有机物利于异养菌的生长，对有机物的降解效率高，调节池出水中COD浓度低；当有机物浓度超过微生物所需时，未降解的有机物随出水进入ERWDF中，这就容易增强其内异养菌和硝化菌对滤料表面空间和水中溶解氧的竞争，不利于ERWDF的硝化功能。因此，需对调节池进行改进，增大其水力停留时间或增加悬挂填料数量，提高调节池对COD的降解效率，以保证ERWDF的低COD浓度进水。

3.2 试验装置对N-N的去除效果

图6 试验装置对N-N的去除效果

3.3 试验装置对TN的去除效果以及各阶段氮形态的变化

试验装置对TN的去除效果，见图7。

图7 试验装置对TN的去除效果

由图7可见：试验装置稳定运行期内进水中TN的浓度范围在22.8～50.5 mg/L之间，其平均浓度为35.7 mg/L；出水中TN浓度保持在8.4～15.9 mg/L之间，其平均浓度为12.2 mg/L；TN去除率最高为79.10%，最低为32.02%，其平均去除率为65.68%，波动较大，这与进水中C/N比的变化有关，这也说明该试验装置对TN有较好的去除效果，出水中TN的平均浓度能够满足河南省地方标准《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 41/1820—2019)中一级标准(TN<20 mg/L)的要求。

试验装置沿程各阶段氮形态的变化，见图8。

图8 试验装置沿程各阶段氮形态的变化

3.4 试验装置对TP的去除效果

试验装置对TP的去除效果，见图9。

图9 试验装置对TP的去除效果

由图9可见：试验装置稳定运行期内进水中TP浓度偏高，其范围在6.31～11.70 mg/L之间，平均浓度为9.61 mg/L；出水中TP浓度在3.45～8.14 mg/L之间，其平均浓度为5.24 mg/L；TP去除率最高为64.52 %，最低时为26.03 %，其平均去除率为45.49 %，这说明该试验装置对TP的去除效果一般。

本次试验装置未设置厌氧池且无回流污泥，无法实现生物强化除磷，但仍然有部分磷被去除，分析原因有：①微生物通过新陈代谢作用消耗部分磷；②ERWDF内滤料通过吸附作用去除部分磷；③调节池内组合填料通过截留作用去除部分悬浮性磷。但TP的去除率随着试验装置运行时间的延长而逐渐降低，主要是因为滤料对磷的截留和吸附能力逐渐饱和。

3.5 水力负荷对ERWDF复氧效果的影响

两种水力负荷对ERWDF进、出水中溶解氧(DO)的影响，见图10。

图10 两种水力负荷对ERWDF进出水中溶解氧的影响

由图10可见：ERWDF内水中DO浓度经两级跌水迅速增加，而在滤料层内增加缓慢，这表明有大量的微生物生长附着在滤料表面使得其表面增厚，滤料之间的空隙减小，影响气液接触面积，导致氧转移速率降低。当水力负荷为3.89 m/(m·d)时，ERWDF进水中DO浓度为2.4 mg/L，ERWDF出水中DO浓度为7.5 mg/L，DO浓度增量为5.1 mg/L；当水力负荷为7.88 m/(m·d)时，ERWDF进水中DO浓度为2.5 mg/L，ERWDF出水中DO浓度为6.9 mg/L，DO浓度增量为4.4 mg/L，且低水力负荷条件下各取水口水样中DO浓度均高于高水力负荷条件。这是因为高水力负荷进水流速较大，污水呈股状由布水渠向下跌落，气液接触面积减小，且接触时间缩短，而在低水力负荷时污水呈连续水滴状跌落，更容易实现水滴四散、细化水流的效果。

3.6 水力负荷对N-N去除效果的影响

图11 不同水力负荷对N-N去除效果的影响

3.7 回流比对脱氮效果的影响

试验水温为19～22℃，试验装置进水中TN浓度在31.3～37.3 mg/L之间，水力负荷为3.67～3.84 m/(m·d)，考察不同回流比对TN去除效果的影响，其试验结果见图12。

图12 不同回流比对TN去除效果的影响

由图12可见，TN去除率随着回流比的增大逐渐升高。当回流比在100%～300%之间时，TN去除率的波动变化较大；当回流比在300%～400%之间时，TN去除率的波动变化较小。这是因为回流比较小时回流液所携带的硝态氮含量较低，调节池内反硝化菌未能充分利用硝态氮完成反硝化反应。当回流比从300%增大至400%时,TN去除率仅升高了2.1%，且回流比越大消耗的动力越多，因此本次试验装置回流比宜保持在300%。

3.8 试验装置经济性分析

目前，农村污水处理工艺高能耗问题仍是限制其发挥正常作用的因素之一，为了保证节约能源与可持续发展，对农村污水处理设备和装置进行节能优化研究势在必行。

本次试验装置水解调节池末端设置了两台潜污泵，流量为1.5 m/h，扬程为13 m，一用一备。整体工艺系统运行期间能耗仅为一台水泵，单台水泵功率为260 W，平舆县韩庄村电费以0.51元/度计，则吨水处理费用约为0.34元/t。经验证该试验装置处理成本低于常规农村污水处理装置，达到二级排放标准成本(0.6～0.9元/t)。

4 结 论

(1) ERWDF内设置两级跌水板，可将水流一股分为两股再分为四股，在实现均匀布水的同时不断细化污水。ERWDF顶部安装通风管，可对细化的水流连续拔风复氧，满足生物处理过程中微生物对氧气的需求，省去了传统鼓风机房和曝气管道系统，降低了建设成本和能耗。

(3) 试验结果表明：本次试验装置水力负荷宜保持在3.00～5.00 m/(m·d)之间，回流比宜保持在300%，整体工艺系统运行能耗仅为一台小功率潜污泵，吨水处理费用约为0.34元/t。调节池和ERWDF均为生物膜工艺，无需污泥回流，省去专人值守，操作和管理方便。

(4) 由于本次试验期间温度变化不大，不能更好地验证温度对ERWDF复氧效果和工艺系统处理效率的影响，因此有必要在低温条件下对试验装置进行优化研究。此外，本次试验装置未设置厌氧池且无回流污泥，其除磷效果一般，今后需进一步加强对农村污水中磷去除技术研究。