局部循環供氧生物膜技術處理分散污水脫氮除磷分析

趙 秋 吳 迪 錢 姍 高賢彪 孫向陽

(1.北京林業大學林學院， 北京 100083; 2.天津市農業資源與環境研究所, 天津 300192)

局部循環供氧生物膜技術處理分散污水脫氮除磷分析

趙 秋1,2吳 迪2錢 姍2高賢彪2孫向陽1

(1.北京林業大學林學院， 北京 100083; 2.天津市農業資源與環境研究所, 天津 300192)

針對現代農業科技示范區污水特點，在處理農村生活污水的“兩級回流連續供氧生物膜”工藝基礎上設計“兩級交替回流局部循環供氧生物膜”工藝，并對該工藝處理分散污水的脫氮除磷效能進行了實際應用研究。系統采用沉淀池和循環池交替回流技術，簡化調節池為集水池，改造水解酸化池為水解酸化調節池，在平均處理量100 t/d，水力停留時間(HRT)為2 d的情況下，穩定運行2 a結果表明：工藝對有機污染物、NH3-N、總氮和總磷的去除率分別為71.6%、64.4%、45.5%和72.0%；出水有機污染物、NH3-N、總氮和總磷的平均質量濃度分別為15.3、9.2、17.2、0.8 mg/L，出水符合城鎮污水處理廠污染物排放(GB 18918—2002)一級B標準。進水有機污染物與總氮比值、有機污染物與總磷比值與總磷、有機污染物和NH3-N去除率呈正相關關系，與總氮去除率呈負相關關系。實踐證實，該工藝對波動較大的冬季低溫期及復雜水質期高沖擊、高負荷的特殊分散污水具有較好的脫氮除磷和有機物去除能力。

分散污水； 局部循環供氧； 生物膜； 兩級交替回流； 脫氮除磷

引言

分散污水(新農村、旅游景區、觀光園區、農業示范區等地的污水)具有高氮磷的特點，對河流湖泊等受納水體造成嚴重污染，使其成為我國現階段面源污染的主要污染源之一[1-4]。

目前，我國分散污水處理技術(如一體化脫氮除磷污水凈化裝置[5]、小型合并處理凈化槽[6]、“分散處理系統”、“菲爾托”技術、一體化集成凈化裝置等[7-10])在氮、磷去除方面很難達到排放標準。而人工濕地和人工復合生態床等處理技術也存在有機負荷低、處理效果受季節影響大和日常維護難等缺點[11-12]。

水資源供需矛盾在京津冀地區更加突出，因而再生水被廣泛用于農業灌溉、景觀水體、綠化、養殖等領域，尤其是補充景觀水體和生態河道成為現階段利用的主要方面，這對出水的氮、磷提出了更高要求[13-14]。

本文所用工藝為自主開發的“兩級交替回流局部循環供氧生物膜”工藝，本工藝是在處理農村生活污水的“兩級回流連續曝氣生物膜”工藝基礎上開發的新工藝[15]。本文以實際運行的污水處理站為研究對象，探討間歇進水條件下，新工藝對有機物和氮、磷的去除效果。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

天津現代農業科技創新基地位于天津市武清開發區西側，距離市區較遠，產生的污水無法納入市政管網，屬于典型的分散污水。基地占地200 hm2，日常工作人員300余人，高峰期可達1 200人，污水主要由行政辦公、實驗室、專家樓、宿舍、餐廳和中試孵化6個區域產生。整個污水處理工程示意圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Schematic diagram of combined process of experimental tanks1.泄洪管 2.格柵 3.布水板 4.生物填料 5.鼓風機 6.環形導流板 7.水泵 8.污泥泵 9.曝氣系統 10.排泥口 11.污水泵

污水處理站總有效容積為234 m3，設計最大處理能力為150 m3/d，平均進水量為100 m3/d，水力停留時間約為2 d(HRT)。其中，集水池33.6 m3、水解酸化調節池120 m3、局部循環供氧池75 m3、沉淀池27 m3、循環池14.4 m3。污水泵、污泥泵為南方泵業有限公司生產的50WQ20-15-2.2型；水泵為50WQ15-15-1.5型；三葉羅茨鼓風機為章晃鼓風機有限公司生產的SSR-65-3型，其轉速為1 530 r/min；風量2.0 m3/min，2臺羅茨鼓風機交替工作。污泥泵每2 h工作10 min，水泵保證系統在無進水和污泥回流情況下的正常水力推流。全部操作均由S7-200型PLC控制中心(西門子電氣集團有限公司)進行控制。

1.2 試驗水質指標

試驗進水時間2013年7月—2015年6月。進水水質比農村生活污水復雜[16]，具體水質指標為有機污染物質量濃度33.2～166.7 mg/L、NH3-N質量濃度14.2～50.4 mg/L、總氮質量濃度22.6～62.2 mg/L、總磷質量濃度1.835～6.96 mg/L、pH值為6.5～8.1。

1.3 試驗設計與運行管理

該項目于2013年4月建成后，于2013年6月完成設備運行工況的調試，在調試過程中一直以間歇進水、局部供氧、交替回流方式運行。試驗從7月開始分別在每月中旬采集一次出水樣和進水樣，分別為500 mL，連續采集24個月，樣品冷凍保存。

試驗設計最大處理量為150 m3/d，實際最大進水量為140 m3/d，最小進水量為80 m3/d，平均進水量為100 m3/d；系統采用沉淀池和循環池交替回流，PLC自動控制，調節回流比為2∶1；水解酸化調節池和局部循環供氧池組合填料填充深度均為2.0 m，填充率分別為60%和70%，水力負荷分別為1.25 m3/(m3·d)和2.0 m3/(m3·d)。進水方式為液位自動控制間歇進水，污水泵工作時間約6 h/d。曝氣方式為連續局部供氧，污泥泵工作頻率為每2 h工作10 min，水泵保證系統在無進水和污泥回流情況下的正常水力推流。

1.4 測定項目及方法

有機污染物質量濃度采用稀釋與接種法測定；NH3-N質量濃度利用流動分析儀測定；pH值利用pH-HJ90B型酸度劑測定；總磷質量濃度采用鉬酸銨分光光度法測定；總氮質量濃度測定參照文獻[17]。

1.5 數據分析

試驗數據采用Excel軟件進行統計分析和制圖，用SPSS 17.0軟件進行統計分析，LSD法作多重比較。

2 結果與討論

通過有機污染物質量濃度、NH3-N質量濃度、總氮質量濃度和總磷質量濃度4項指標的監測數據總結其運行規律并對可能影響其運行效果的因素進行分析。

2.1 對有機污染物的去除效果

如圖2所示，局部循環供氧一體化生物膜工藝對進水波動較大的分散污水有機污染物有較好的去除效果，并具有良好的穩定性。2 a運行期有機污染物去除率維持在47.6%～90.9%之間，平均去除率為71.6%，顯著高于兩級回流連續曝氣工藝的63.7%；出水有機污染物質量濃度穩定在6.5～23.6 mg/L之間，平均值為15.3 mg/L，優于改造前的有機污染物20.8 mg/L。對于波動強、高有機物污水處理約18個月時間有機污染物去除率穩定在75%以上，有機污染物質量濃度穩定在13.6 mg/L以下。該工藝的高度穩定性和處理效果得益于兩方面：第一，水解酸化調節池和局部供氧池進水頻率改變，即污水泵啟停頻次由每天10次增加到20～25次，啟動時間由每次30 min縮短至10～12 min，進水量由每次15 m3降低到5 m3，緩解了瞬間大量進水對系統的沖擊，對系統工作的穩定性起到關鍵性的作用；第二，水解酸化調節池組合填料腐解微生物與泥水循環系統回流污泥協同作用促進了有機物的截流與降解功能，同時加速了反硝化進程。史明明等[18]也認為腐解微生物是消耗碳源的重要條件。

圖2 有機污染物去除效果Fig.2 Monthly variation of BOD5 removal performance

運行期間，有2個特殊時期，分別為冬季低溫期(12月、1月、2月、3月)和水質復雜期(10月和11月)。冬季低溫期(進水量和有機物含量均為全年最低水平)有機物平均去除率為58.6%，低于全年平均值。分析原因，冬季進水溫度逐漸降低，微生物新陳代謝速率下降使系統對有機物去除率降低。HE等[19]研究認為低溫導致微生物功能下降。水質復雜期有大量中試孵化區企業排放的廢水，雖然進水有機污染物平均質量濃度(151.9 mg/L)遠高于整個監測期平均值(65.9 mg/L)，但出水有機污染物平均質量濃度達到了城鎮污水處理廠排放一級B標準，為19.4 mg/L。說明現有工藝對可生化廢水具有較強的處理能力。

圖3 NH3-N去除效果Fig.3 Monthly variation of NH3-N removal performance

圖4 總氮去除效果Fig.4 Monthly variation of TN removal performance

2.2 對NH3-N、總氮的去除效果

由圖3、4可以看出，監測期間進水NH3-N平均質量濃度為28.0 mg/L，出水NH3-N平均質量濃度為9.2 mg/L，NH3-N平均去除率為64.4%；進水總氮平均質量濃度為39.4 mg/L，出水總氮平均質量濃度為17.16 mg/L，總氮去除率為45.5%。雖然進水的NH3-N和總氮質量濃度波動較大(進水NH3-N質量濃度為14.2～50.4 mg/L，總氮質量濃度為22.6～62.2 mg/L)，但是出水NH3-N質量濃度維持在15.0～17.0 mg/L之間、總氮質量濃度維持在19.0～21.0 mg/L之間，保持相對穩定的狀態。

分散污水中氮主要以有機氮的形式存在，水解酸化調節池內的氨化菌以污水中有機物為碳源和能源，將有機氮分解為NH3-N；局部循環供氧池的好氧段(曝氣系統上方、局部循環供氧池中間區域)的硝化細菌和亞硝化細菌聯合作用將NH3-N氧化為亞硝態氮和硝態氮；局部循環供氧池的缺氧段(局部循環供氧池非曝氣區域)的反硝化細菌再以硝態氮和亞硝態氮為電子受體，利用水解酸化調節池分解后的有機物和進水直接分流到此區域的有機物(水解酸化調節池與局部循環供氧池缺氧段進水比例為1∶5)為碳源和能源將硝態氮和亞硝態氮還原為氣態氮(N2)排出系統實現氮的脫除[20]。使有機物在反硝化過程中被大量消耗，為硝化細菌的生長提供了條件[21-22]。該系統中的生物膜和污泥回流工藝聯合作用促進了碳源生成、無氧條件和硝酸鹽的積累，從而達到脫氮目的。

進水NH3-N、總氮最高峰和最低峰分別在水質復雜期和冬季低溫期出現，與有機物變化規律相同。

冬季低溫期NH3-N平均去除率51.9%，低于全年平均值(64.4%)；出水NH3-N平均質量濃度為10.1 mg/L，高于監測期間出水平均值9.2 mg/L。NH3-N的去除是由硝化細菌(亞硝化細菌)作用完成的，硝化細菌和亞硝化細菌是一類化能無機微生物，系統中的有機物(碳源)對其有抑制作用。冬季低溫期，系統中大量以有機物為能源微生物活性降低，導致有機物在系統內積累，部分有機物進入局部循環供氧池好氧區，使硝化細菌和亞硝化細菌失去競爭優勢，致使NH3-N去除能力降低。

冬季低溫期總氮平均去除率53.9%，高于全年平均值(45.5%)；出水總氮質量濃度平均值為15.9 mg/L，低于監測期間出水平均值17.2 mg/L。總氮的去除最終由反硝化細菌反硝化作用脫除，反硝化細菌是一類化能有機微生物，在將硝態氮、亞硝態氮反硝化為氮氣(N2)的過程中需要大量有機物作為碳源和能源。系統中存在大量生物膜和活性污泥，低溫期利用有機物的微生物(水解酸化調節池)活性降低，為反硝化細菌利用有機物提供了條件，同時，水解酸化調節池與局部循環供氧池缺氧區進水分配比例為5∶1，為局部循環供氧池缺氧區的反硝化細菌提供了較為充足的碳源，再加上進水總氮普遍偏低，使其去除率比整個監測期間平均去除率高。

水質復雜期由于有大量中試孵化區企業排放的有機廢水，其進水總氮平均質量濃度為55.7 mg/L，比整個監測期間進水總氮平均值(39.4 mg/L)高41.3%，NH3-N平均質量濃度為43.3 mg/L，比整個監測期間進水NH3-N平均值(28.0 mg/L)高55.0%。而經過本工藝處理后，水質復雜期的出水總氮質量濃度平均值為20.0 mg/L，出水NH3-N質量濃度平均值為10.0 mg/L，均達到了安全排放的指標。在此期間，雖然氨氮、總氮及有機物是整個監測期間最高的，但有機物與氮的比值較低；環境溫度較高，系統微生物均在適宜環境中生長，有利于系統脫氮效能發揮。實踐證實，本工藝局部循環供氧池的好氧/缺氧環境提高了系統的脫氮能力。

2.3 對總磷的去除效果

圖5 總磷去除效果Fig.5 Monthly variation of TP removal performance

由圖5可知，整個運行過程中系統對總磷平均去除率為72.0%，進水總磷的平均質量濃度為3.0 mg/L，出水總磷平均質量濃度為0.8 mg/L，達到了城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB 18918—2002)中一級B的規定。根據分析，整個系統以水解酸化-缺氧/好氧脫氮除磷為核心，將污泥的外排設置在水解酸化調節池末端，二次沉淀池的回流污泥需回流入水解酸化調節池，再進入水解酸化調節池末端的儲泥池后定期排出系統，因而增加了水解酸化池污泥濃度，提高了聚磷菌生物總量[23-24]。同時，工藝設定排泥頻次(早、中、晚各1次)，減少了外排污泥量，有效控制了厭氧水解對磷的釋放，提高了系統對磷的去除效果。

冬季低溫期總磷平均去除率為69.6%，低于整個監測期間總磷去除平均值(72.0%)。進水中總磷平均質量濃度為2.3 mg/L，出水總磷平均質量濃度為0.7 mg/L，均低于整個監測期間進水總磷質量濃度平均值(3.0 mg/L)和出水總磷質量濃度平均值(0.8 mg/L)。冬季低溫是影響聚磷菌活性的主要因素[25-26]。隨著進水溫度逐漸降低，此時進水總磷濃度降低，影響了聚磷菌對磷的攝入量，因此，出水總磷質量濃度較低。

水質復雜期總磷平均去除率為79.8%，高于整個監測期間總磷去除率平均值(72.0%)。進水中總磷平均質量濃度為5.8 mg/L，出水總磷平均質量濃度為1.1 mg/L，均高于整個監測期間進水總磷質量濃度平均值和出水總磷質量濃度平均值。水質復雜期雖然出水總磷質量濃度高于全年平均值，但總磷去除率是全年最高的，比全年平均去除率提高10.8%。說明該時期是系統除磷能力最強時期。

2.4 進水指標與污染物去除率的關系

由表1可知，在該模式下處理農業園區的分散污水2 a期間，進水各項指標與各污染物去除率之間的相互關系表現為：有機污染物、NH3-N和總磷去除率隨著有機污染物與總氮比值的升高而升高，總氮去除率隨著有機污染物與總氮比值和有機污染物與總磷比值的升高而降低；有機污染物、總氮、NH3-N和總磷去除率受進水的總氮與總磷比值變化影響較小。

表1 進水指標與去除率之間的相關系數Tab.1 Correlation between quality of influent sewage and pollutant removal efficiency

3 結論

(1)根據實際分散污水(農業示范園區)水質和排放特點對“局部循環供氧一體化生物膜”工藝進行改進設計和建設，并跟蹤監測2 a進水、出水有機物、氮、磷等指標。結果證實出水有機污染物、NH3-N、總氮和總磷的平均質量濃度分別為15.3、9.2、17.2、0.8 mg/L，均符合GB 18918—2002中的一級B排放標準，改進工藝具有較強的脫氮除磷、去有機物能力，更適應此類分散污水處理需求。

(2)通過長期的運行監測分析，該系統實現了對波動性較大的農業示范園區復雜污水的氮、磷和有機物脫除，主要在于現有工藝對于調節池與儲存池容積改進，排泥頻次、生物膜與回流污泥循環模式設計等，從而實現NH3-N、總氮、總磷和有機污染物平均去除率在64.4%、45.5%、72.0%和71.6%以上。

(3)該工藝解決了冬季低溫期因低溫微生物活性抑制造成的系統有機物、氮、磷去除率低的問題，提高了水質復雜期污水有機物、磷的去除能力。

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Nitrogen and Phosphorus Removal Effect of Decentralized Sewage Treatment Using Biofilm Technology with Integration of Local Circulating and Oxygen-supply

ZHAO Qiu1，2WU Di2QIAN Shan2GAO Xianbiao2SUN Xiangyang1

(1.CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2.TianjinInstituteofAgriculturalResourcesandEnvironment，Tianjin300192,China)

Simultaneous nitrogen and phosphorus removal performance of a kind of biomembrane process integrated with partial circulatory aeration and two-stage treated water returning alternately was studied by utilizing the technology to treat typical decentralized wastewater from Modern Agricultural Science and Technology Innovation Base in Tianjin. The system with a total effective volume of 234 m3was composed of collecting tank, hydrolysis acidification balance tank, partial aerobic tank, secondary sedimentation tank and circulation tank. Sewage pumps in collecting tank were controlled by PLC automatic control system. Sludge pumps in secondary sedimentation tank worked 10 min every 2 h controlled by PLC automatic control system. Circulating water pumps in circulation tank controlled by PLC automatic control system could maintain necessary water flowing when inflowing and sludge returning were simultaneously stopped. The nominal air delivery of clover roots blowers in equipment room was 2.0 m3/h. Hydrolysis acidification balance tank and partial aerobic tank were both filled with combined bio-carrier at a filling height of 2 m and the filling percentage and hydraulic load of the two tanks were 60%, 1.25 m3/(m3·d) and 70%, 2.0 m3/(m3·d), respectively. The operation of the whole system was controlled by PLC. Pumps for inflow worked intermittently and total time of it’s working was 6 h every day. Aeration was continuous and partial. Since June, 2013, the test running was completed, the system was always operating formally in the way of intermittent inflow, partial aeration and alternate wastewate return. The raw decentralized wastewater was discharged from office buiding, research activities building, expert floor, restaurant, guest house and industry incubator and except for those from restaurants and toilets, which were firstly discharged into oil separation tank and septic tank for pre-treating, the most was discharged directly into the system to treat. The designed treating capacity of this system was 150 m3/d and the maximum influent quantity, minimum influent quantity and average influent quantity in reality was 140 m3/d, 80 m3/d and 100 m3/d, respectively. The return ratio was controlled at 2∶1 by PLC. Through long tem operation of two years, the results showed that the average removal percentages for BOD5, NH3-N, TN and TP were 71.6%, 64.4%, 45.5% and 72.0%, respectively, and the average effluent concentrations of BOD5, NH3-N, TN and TP were 15.3 mg/L, 9.2 mg/L, 17.2 mg/L and 0.8 mg/L, respectively. It was indicated that the quality of treated effluent was up to “Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plant” level 1B and treated water can be used as irrigation water. Nitrogen and phosphorus removal function was also well established when treating decentralized wastewater with high fluctuation and high loading. And it was further observed that removal percentages for BOD5, NH3-N and TP were increased with the increase of BOD5/TN and removal percentage for TN was decreased with the increase of BOD5/TN and BOD5/TP, while TN/TP was not one of main contributors to affecting removal percentage of BOD5,NH3-N, TN and TP.

decentralized sewage; partial circulating oxygen-supply; biofilm; two-stage alternate return; nitrogen and phosphorus removal

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.039

2016-06-29

2016-08-08

天津市科技支撐項目(14ZCZDNC00019)和天津市農轉資金項目(201101037)

趙秋(1977—)，女，博士生，天津市農業資源與環境研究所副研究員，主要從事廢棄物利用研究，E-mail: qiuzhao_2008@163.com

吳迪(1977—)，男，副研究員，主要從事污水處理研究，E-mail: wudi_1008@163.com

X703.1

A

1000-1298(2017)02-0294-06