污水深度处理一体化装置效果研究

张丹丹，郭鹏飞，陆元州，张羽

（1.上海川盛环境科技有限公司，上海 200000；2.合肥中盛水务发展有限公司，安徽 合肥 230000）

0 引言

随着国务院2015年印发的《水污染防治行动计划》的施行，城镇污水处理厂出水要求不断提高。另一方面，农村生活污水和旅游区、度假村等分散型污水由于规模小、排水管网不完善，未经处理直接排入地表水体或者渗入地下水体，对当地及下游水体造成极其严重的污染[1]。生态环境部、住房和城乡建设部2018年印发了《关于加快制定地方农村生活污水处理排放标准的通知》，对农村生活污水处理排放要求进行规定。而为了控制分散型污水污染物限值排放的目标，需要就地处理后才可排放。污水分散处理系统如日本的净化槽技术、美国的就地处理系统、英国的活化器生态系统[2]等，也是国内外更具可持续性的选择方案[3-4]。分散型污水处理装置的优点是节省污水管网所需的资源、大幅降低安装成本，并增加了污水经处理回用的可能性[5]。随着污水排放标准的日益严格，分散型污水处理装置依靠传统的单一处理工艺，已经很难稳定地达到排放标准。因此，以AAO工艺为基础，后端配置一体化深度处理工艺，使其强化脱氮除磷功能，使出水能达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中V类要求及以上，从而实现农村生活污水以及其他分散型污水稳定达标排放。

1 试验材料和方法

1.1 分散型污水深度处理一体化装置

（1）装置工艺流程。国内城镇污水处理厂提标改造主要应用高效沉淀池和反硝化深床滤池工艺，对污水进行深度处理[6-8]，但工艺机械设备多、占地面积和能耗大、运行管理复杂，不适用于分散型污水深度处理。一体化污水处理工艺通过对传统污水处理工艺各功能模块进行优化设计、组合，减少工艺复杂度，满足不同规模、成本、进水水质等要求的污水处理工艺，其优势包括方便运输、现场安装简单及占地面积较小等[9-10]。目前以AAO工艺为主流的一体化污水处理装置，处理效果可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）的二级标准或一级B标准。为满足出水要求，本研究的深度处理一体化装置主体采用生物接触氧化法，可配套在一体化AAO工艺装置末端，能够应对较强的冲击负荷和水质变化[11]。试验装置以固定型悬挂填料作为生物膜载体，工艺流程见图1。在缺氧区前端设置选择区，在此段投加碳源（葡萄糖），使污水均质化流入缺氧区进行反硝化，设置搅拌，为防止缺氧区污泥沉淀无法排出，也在缺氧区设置曝气管，定期曝气，出水流入好氧区，好氧区使有机负荷进一步去除，经好氧区出水流入混合区。在混合区投加PAC（聚合氯化铝），在絮凝区反应后经斜板沉淀泥水分离，最后出水。

图1 工艺流程图

（2）装置工作原理。装置为不锈钢制成的长方体，通过设置隔板对各区进行间隔，滤料为半软性的悬挂型固定填料，水流采用下行上行流，装置尺寸为L×B×H=3.7m×1.0m× 2.6m，有效容积为6.9m3。填料悬挂密度为100m/m3，曝气装置设于反应器底部。主要工作原理是：①选择区：用于缓冲来自沉淀区的污水对缺氧区的扰动，与碳源混合流入缺氧区；②缺氧区：主要进行脱氮处理，设置半软性填料以作为反硝化细菌的载体，利用外加碳源，进一步进行反硝化，将污水中的硝态氮、亚硝态氮还原成N2，水力停留时间为1.0h；③好氧区：该区域好氧菌以固定型悬挂填料作为生物膜载体，污水含有的有机物为养料，所需氧气来自鼓风曝气，水力停留时间为1.0h；④混凝区：投加PAC，进行化学除磷；⑤斜板沉淀区：进入斜板沉淀区前，设置缓冲，斜板沉淀可保证沉淀区较高的上升流速（可达7m/h），沉淀时间在6～7min。生物接触氧化工艺污泥产量较低，采用污泥泵定期排泥即可。

1.2 装置设计水质情况及分析方法

（1）装置设计处理水量和水质情况。该深度处理一体化中试装置设计处理量为50m3/d，拟将AAO工艺出水深度处理限值，为了与生活污水一体化设备AAO工艺出水水质类似，选择合肥某污水处理厂AAO工艺处理后出水作为装置进水，该深度处理一体化中试装置设计进出水水质情况见表1。

表1 进出水水质注：括号外数值为水温＞12℃时的控制指标，括号内数值为水温≤12℃时的控制指标

（2）监测项目及测试方法。装置中试运行中，主要监测指标有COD、NH4+-N、硝态氮（NO3--N）、TN、TP、pH、溶解氧（DO）、SS、温度，均采用《水和废水监测分析方法》（国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会，2002）检测。运行期间每天上午九点对装置进行进水取样，根据装置停留时间，对装置各出水口进行采样，当天在实验室分析，温度计测定装置进水温度，溶解氧仪测定各取水口DO值。

（3）药剂。中试过程中投加的葡萄糖和聚合氯化铝使用情况见下表2。

表2 药剂使用情况

2 结果与讨论

2.1 中试装置挂膜启动

取污水厂曝气池后端污泥作为种泥，接种至中试装置，根据进水水质进行营养源投加，按照COD：N：P=100：5：1比例，碳源为葡萄糖，氮源为氯化铵，磷源为磷酸盐。经过内循环曝气、静置、间隔换水等过程，两周后，填料表面附着了黄色生物膜，表面有粘性，厚度为0.5～1mm。装置挂膜成熟后，测定COD去除率达75%以上，氨氮去除率在56%以上，硝态氮去除率在78%以上，TP去除率在58%以上，具体见图2。

2.2 试验装置处理效果

进水流量通过人工调节进水阀门对装置不断进水，进水管安装缓冲塑料膜，防止进水对悬挂滤料的冲击。正常运行后，调节进水流量分别为2.0m3/h、2.5m3/h、3.0m3/h、4.0m3/h，装置各指标出水效果稳定，各污染物去除效果见图2。由图2a可知，COD进水在55～95mg/L范围内波动，出水浓度维持在21～34mg/L，均值为28.05mg/L，去除率均值保持在65%，说明装置设置的接触选择区和缺氧区提高了污水的可生化性。由图2b可知，挂膜稳定后，进水NH4+-N在0.10～3.02mg/L之间浮动，已基本满足出水要求。经过深度处理装置，NH4+-N出水浓度低于0.69mg/L。由图2c可知，挂膜前期，TN出水均值为8.7mg/L，在挂膜后期投加葡萄糖（配制浓度为20%），溶解氧控制在≤0.5mg/L。TN去除率均值由59%提高至79%，TN出水均值为4.3mg/L，说明缺氧区生物反硝化功能因外加碳源提升明显。正式运行期间，当TN进水范围为3.46～14.10mg/L，TN出水可以达到2.0mg/L以下，出水均值为1.45mg/L，平均去除率达到84.0%，证明装置反硝化效果良好。通过图2d可知，挂膜期间在没有进行絮凝剂投加的情况下，TP的出水浓度均值为0.40mg/L左右，正式运行期间进行PAC的投加。在混凝区投加PAC（配置浓度为15%）进行化学除磷，TP进水在0.61～1.29mg/L范围内变化时，TP出水低于0.3mg/L，均值为0.17mg/L，去除率均值为82%。相比未投加PAC，去除效果明显提升，说明装置进行絮凝剂投加后，通过化学作用絮凝，使TP去除效果提升。由图2e可知，进水SS在5.4～43.4mg/L范围变化，经斜板沉淀后，SS去除率均值为61%，出水均值为5.7mg/L，说明选择斜板沉淀可以有效提升悬浮物的阻截沉降功能。以上结果说明，经过深度处理一体化装置后，出水指标均达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的V类水及以上。

图2 各污染物去除效果

此外，AAO+该深度处理一体化装置运行成本为1.57元/m3。目前，厌氧/缺氧/好氧-膜生物反应器(AAO-MBR)也能达到相应的处理水平，但平均水处理成本高达1.8元/m3。同时MBR装置中如未设置严格的缺氧段来强化反硝化效果，则脱氮效果不佳，TN的去除率随进水波动大，这是因为MBR工艺主要问题有膜污染和高能耗[12]。显然，与MBR装置相比，该中试装置提高了经济效益。

3 结语

设计的深度处理一体化装置处理效果达到预期设计要求：提高了污水的可生化性，在碳源投加的情况下，反硝化效果良好，TN去除率可以达到75%以上。通过生化区后端投加PAC，TP去除率均值为82%，装置出水SS去除率均值为61%，说明将设备作为末端治理设备，可以满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）的V类水标准。本中试装置能够应对进水水量变化，以选择式接触氧化工艺为基础，污泥产生量相应降低，使装置具有占地面积少、处理效率高、管理方便、运行成本低等优点，可为后续分散式污水深度处理一体化装置规模化提供技术支持与指导。