新型精滤膜构成的一体化农村污水处理方法及试验研究

陈丹，周少奇 ，黄心颖，陈峰

（1.山东省城建设计院，济南 250012；2.贵州科学院，贵阳 550001；3.广州新之地环保产业有限公司，广州 510370）

目前，我国城镇集中污水处理技术的应用与研究较为成熟，而分散式污水处理技术仍处于发展阶段。农村地区生活污水产量大，分散式污水处理技术能有效解决污水对农村水环境造成的危害。因此，需要深入研究分散式污水处理技术，解决现有的问题和弊端[1]。同时，大多数农村污水治理工程多参考城镇污水处理厂的排放标准，以去除污染物为目的，将水中的氮、磷等肥料元素都作为污染物加以处理，而农村环境整治应以资源利用为核心。

新型精滤膜一体化农村污水处理方法可将农村污水中易引起水体黑臭的五日生化需氧量（BOD5）、COD、NH4+-N 等适当去除，在保证水体不黑不臭的同时留住污水中的氮、磷等肥料元素，再将这些再生水就近回用于周围的农林。

为检验小型一体化污水处理装置在农村污水分散处理模式中的应用效果，检测了COD、SS 及NH4+-N等指标的去除效率。试验证明，该新型精滤膜构成的一体化农村污水处理装置对农村污水中COD、SS、NH3-N 等指标的去除效率可以达到90%及以上，上述各出水指标符合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 52/1424—2019）中的一级排放标准[2]。

1 新型精滤膜一体化农村污水处理方法

1.1 新型精滤膜一体化农村污水处理方法

简单地说，新型精滤膜构成的一体化污水处理方法是一种厌氧-缺氧-好氧法（A2O）+膜生物反应器法（MBR）工艺，属于分散式小型一体化污水处理装置。我国分散式污水处理技术的应用始于20 世纪80 年代，大部分应用项目分布在技术经济领先的发达城市与沿海地区[5]。随着相关政策支持与生产建设成本的降低，分散式污水治理技术在农村被大力普及，现有的工艺多种多样，农村分散式污水处理系统可分为初级处理系统、自然生态处理系统、人工生物处理系统[6]。本工艺属于人工生物处理系统的一种，新型精滤膜构成的一体化污水处理装置主要包括厌氧池、缺氧池、好氧池（膜池），是将自主研发的“混合液、污泥可自动回流的小型一体化污水处理装置”[3]和“一种一体化小型污水处理装置和污水处理方法”[4]相结合的装置，该装置可应用于山地、农村等小规模污水处理领域。

新型精滤膜构成的一体化污水处理工艺原理如图1 所示,污水依次流入缺氧区、厌氧区、好氧区a及好氧区b，再经由精滤膜过滤出水。

图1 精滤膜一体化农村污水处理原理

连续出水过程中，在一组精滤膜曝气的同时，另一组精滤膜出水，反之亦然，以此实现连续出水、连续曝气。

在连续曝气过程中,筒体内的混合液利用风机输送给空气的能量以及自身重力形成竖直循环流，完成混合液回流及污泥回流，无须另外设置污水回流泵及污泥回流泵，剩余污泥可以通过重力排放，因此本工艺属于一种微动力小型污水处理方法。

下面简单叙述空气与混合液之间能量转换原理，为了叙述方便，忽略能量在转化过程中的损耗，空气动能及重力对混合液做功计算公式如下：

式中，m1和u1为气体的质量与速度；m2和u2为混合液的质量与速度。

式中，ρ1和V1为气体的密度与体积；ρ2和V2为混合液的密度与体积。

空气经曝气进入混合液中，气体的体积与其排开的液体体积相等，即：

那么，式①可以简化为：

污水处理中，一般曝气支管的流速为10—15m/s，取u1=10m/s、ρ1=1.29m3/kJ、ρ2=1000m3/kJ，那么根据式④可以计算出：u2=0.35m/s，符合《室外排水设计规范》（GB 50014—2016）中“氧化沟内的平均流速宜大于0.25m/s”的有关要求。

1.2 精滤膜技术参数

本工艺中精滤膜材质采用的是疏水性纳米微滤材料，材质本身具有与莲花表面类似的分层结构。

在连续出水过程中，膜通量在200—500L/m2·h，SS 去除率在95%—100%。材质的表面结构可以提升精滤膜表面的疏水性和疏泥性，提高活性污泥与膜表面的相互作用，附着的活性污泥被限制在膜表面外层，可被周围流动的污水带走，降低膜污染，减轻精滤膜的污堵。图2a 为精滤膜片经过1h 机械出水后的状态，其表面附着一层污泥，污泥层对进入膜片内的污水混合液具有网捕作用，可起到精细过滤和提高出水水质的作用。

教师可在元旦晚会或者迎新晚会之际，协调学校相关部门举行古诗歌朗诵大赛。这种大型的实践活动，是展示学生诵读水平的平台，也是提升学生诵读能力的一个契机，可充分调动师生的参与性与积极性。这就需要教师指导学生筛选参赛古诗文，并应用多元化的表演方式进行准备与排练，点燃学生的诵读热情，学生的诵读水平也能得到显著提升，同时学生家长的参与热情也高涨，为学生的参赛做准备。一次大型的实践活动，展示出学生的诵读水平，也是教师进行进一步诵读教学的主要依据。经典诵读，促进学生接受古典文化的洗礼；大型实践活动，促使学生积极主动地学习古典文化，形成了一个良好的互动循环。

曝气过程（即反冲洗过程）中,气泡直径维持在1—3mm，空气流量为36—50m3/h·m2，氧气利用率可以达到约35%。膜组的曝气过程也是空气反冲洗的过程，膜空隙的污堵由内而外被空气清除，膜通量得到恢复。图2b 是精滤膜片经过1h 反冲洗（即前述的曝气过程）后的状态，其污泥层经过气体自内而外的冲刷，空隙内的污堵得到清除，膜片外表面的泥层也在气流的作用下逐渐剥离，膜片通量基本恢复到初始阶段。

图2 精滤膜片出水、反冲洗前后的泥膜对比图

2 新型精滤膜一体化污水处理装置及试验研究

2.1 试验材料

试验材料采用的污水是贵州省某县化粪池上半部分的混合液，进水主要指标如下表所示。

试验用污水进水指标情况

2.2 试验装置

试验装置由外筒、内筒、隔板、精滤膜组、风机、自吸泵等构成，本次试验利用自吸泵机械出水。

2.3 试验启动及运行

试验周期为20d。

试验过程中，好氧区溶解氧保持在1.5—2.5mg/L，好氧区污泥浓度保持在8000—12 000mg/L。

污水处理流程如图3 所示，同时参看图1。

图3 精滤膜一体化农村污水处理工艺流程图

（1）污水经提升泵提至高位水箱后再通过重力输送至环状缺氧区腔体内，与筒体内的污水混合；开启风机、奇数膜组曝气阀门及偶数膜组出水阀门，关闭奇数膜组出水阀门及偶数膜组曝气阀门，空气由精滤膜输送至内筒；污水混合液在重力及空气携带的动能作用下形成竖直循环流，依次流入厌氧区、好氧区a及好氧区b，逐渐完成生化过程，并在好氧区a 内由精滤膜过滤出水，这是奇数组精滤膜曝气、偶数组精滤膜出水过程，持续时间1h。

（2）30min 后，关闭奇数膜组曝气阀门及偶数膜组出水阀门，开启奇数膜组出水阀门及偶数膜组曝气阀门，开始偶数组精滤膜曝气、奇数组精滤膜出水过程，持续时间30min。

（3）上述过程循环往复，在曝气的同时，该组精滤膜实现了反冲洗，膜通量得到恢复，整个试验过程中，膜通量在300—325L/m2·h。

（4）污水处理过程中，由于水量不稳定，液面超过溢流口后，混合液经溢流管进入排水系统。

3 结果与分析

如图4 所示，试验运行期间COD 最高去除效率为93%，出水指标均低于15mg/L，出水指标最低为18mg/L、最高为34mg/L、平均浓度为26mg/L，出水COD 排放浓度符合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 52/1424—2019）中的一级排放标准。

图4 COD 进出水指标变化图

如图5 所示，运行期间NH4+-N 的最高去除效率为96%，出水NH4+-N 浓度最低为5mg/L、最高为15mg/L、平均为12mg/L，出水NH4+-N 排放浓度符合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 52/1424—2019）中的一级排放标准。

图5 NH4+-N 进出水指标变化图

如图6 所示，运行期间SS 的最高去除效率为100%，出水SS 浓度最低为0.2mg/L、最高为5.8mg/L、平均为1.2mg/L，出水SS 排放浓度符合《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 52/1424—2019）中的一级排放标准。

图6 SS 进出水指标变化图

4 结语

（1）试验结果表明，新型精滤膜构成的一体化农村污水处理方法可以有效去除污水中的COD、SS、NH4+-N，去除效率可达到90%及以上，可满足《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 52/1424—2019）中的一级排放标准。

（2）新型精滤膜构成的一体化农村污水处理装置利用风机输入的空气动能和混合液自身的重力势能形成竖直循环流，完成污水处理过程中混合液在各处理区间的传送、搅拌、回流等过程；将曝气过程与反冲洗过程合二为一，精滤膜通量及时得到恢复，与传统膜片外挂清洗相比，该装置运行效率高、运行成本低。

（3）新型精滤膜构成的一体化农村污水处理装置结构简洁、安装方便、运行简便、易于控制，是一种投资成本及运行费用低、出水效果稳定的污水处理装置，适用于农村小型污水处理领域。