不同碳氮比下分散式生活污水處理裝置處理效果研究

廖偉伶，黃健盛，唐敏，童啟邦，陳婷婷，朱力，張杰，姚源，呂圣紅

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；2.重慶市環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147；3.國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計研究院，北京 100069；4.北京澤信地產(chǎn)有限公司，北京 100070)

不同碳氮比下分散式生活污水處理裝置處理效果研究

廖偉伶1，黃健盛1，唐敏2，童啟邦1，陳婷婷1，朱力3，張杰4，姚源1，呂圣紅1

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 401147；2.重慶市環(huán)境監(jiān)測中心，重慶 401147；3.國內(nèi)貿(mào)易工程設(shè)計研究院，北京 100069；4.北京澤信地產(chǎn)有限公司，北京 100070)

為了考察分散式生活污水處理裝置對不同碳氮比污水的處理效果，本文研究了分散式生活污水處理裝置對不同碳氮比人工污水和實際生活污水的COD、NH3-N和TN去除性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該裝置處理碳氮比不低于17：1且COD濃度為500 mg/L的人工污水和處理碳氮比為19∶1～6∶1且COD<253.9 mg/L的實際污水時，系統(tǒng)出水COD、NH3-N、TN均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)處理低COD濃度實際生活污水時，對碳氮比的改變具有良好的適應(yīng)性。

碳氮比；分散式生活污水；處理裝置；性能

中國農(nóng)村每年產(chǎn)生的生活污水量約為90億噸[1]，其中絕大部分都未經(jīng)處理，隨意排放，對農(nóng)村水源和周圍環(huán)境造成了嚴重污染[2]。目前，國內(nèi)外使用的農(nóng)村生活污水治理的技術(shù)主要有人工濕地[3]、凈化槽[4]、Filter[5]、土壤滲濾[6]、穩(wěn)定塘[7]、高效藻類塘[8]、厭氧沼氣池[9]等。首先，由于我國農(nóng)村人口數(shù)量大，居住分散，造成農(nóng)村生活污水量大且難于收集[10]。根據(jù)農(nóng)村生活污水的特點，以及受氣候、植物種類的影響，人工濕地、土壤滲濾等技術(shù)的應(yīng)用也受到了限制。因此，較為經(jīng)濟可行的方法是對污水進行就地分散處理[11]。其次，農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量波動大，成分復(fù)雜，各種污染物濃度較低[12]，有機物與氮磷比例嚴重失調(diào)[13]。因此，研發(fā)高效除碳脫氮除磷一體化分散式生活污水處理裝置是農(nóng)村生活污水治理的發(fā)展趨勢。本文重點研究低碳氮比條件下，一體化分散生活污水處理裝置對人工污水和實際污水的處理性能影響，為一體化分散生活污水處理裝置的實際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

根據(jù)設(shè)計處理水量，結(jié)合項目組已有的生物轉(zhuǎn)籠技術(shù)，與“筒車”技術(shù)相耦合，研制基于生物轉(zhuǎn)籠技術(shù)的農(nóng)村分散式小型生活污水處理設(shè)施。裝置如圖1所示，裝置由缺氧池、生物轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池(好氧池)及沉淀池三部分組成，其有效容積分別為18.7 L、46.9 L、9.4 L。缺氧池內(nèi)安裝干城蔓掛簾填料，生物轉(zhuǎn)籠內(nèi)裝填直徑為25 mm和38 mm的多面空心球填料。

1-電機、2-轉(zhuǎn)動軸、3-轉(zhuǎn)籠反應(yīng)器、4-吸水管、5-轉(zhuǎn)動盤、6-過水孔、7-轉(zhuǎn)籠、8-進水口9-缺氧反應(yīng)池、10-過水擋板、11-集水槽、12-沉淀池、13-出水口、14-排空管、15-支座圖1 實驗裝置Fig.1 Diagram of experiment device

系統(tǒng)裝置運行，污水首先從進水口進入缺氧池，經(jīng)過池內(nèi)的干城蔓掛簾填料，水解酸化處理后流入轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池。生物轉(zhuǎn)籠依靠電機帶動，按一定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。污水經(jīng)好氧生物膜降解后流入沉淀池并最終排放，剩余污泥從排空管排出。

1.2 實驗材料

本實驗采用了干城蔓掛簾填料和多面空心球填料。干城蔓掛簾填料為高分子纖維填料，密度為1 g/cm3，比表面積為812.5～1625 m2/m3。直徑25 mm的多面空心球填料比表面積為500 m2/m3，孔隙率為80%，堆積系數(shù)為85 000個/m3，堆積重量為210 kg/m3；直徑38 mm的多面空心球填料的比表面積為300 m2/m3，孔隙率為86%，堆積系數(shù)為28 500個/m3，堆積重量為100 kg/m3[14]。

1.3 實驗對象

人工污水采用COD∶N∶P質(zhì)量比為100∶5∶1的人工配水，主要由葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀及碳酸氫鈉等試劑配制，并按容積比1∶10 000向配水中投加微量元素溶液。微量元素溶液配制方法[14]:CoSO4·7H2O 3 g/L；MnSO4·H2O 5 g/L；ZnSO4·7H2O 1 g/L；NiCl2·6H2O 0.1 g/L。

實際生活污水采自重慶市榮昌區(qū)直升鎮(zhèn)某農(nóng)村污水處理設(shè)施格柵井。

1.4 測試指標(biāo)及測試方法

測試指標(biāo)包括COD、氨氮、總氮。分析方法：COD采用快速消解分光光度法，氨氮采用納氏試劑分光光度法，總氮采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工污水對系統(tǒng)性能的影響

在系統(tǒng)HRT為14.3 h(轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池HRT為8 h)，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為10 r/min，回流比為2.5，COD濃度為500 mg/L下，通過調(diào)節(jié)人工配水中氯化銨(NH4Cl)投加量，考察進水碳氮比分別為20∶1、17∶1、14∶1、11∶1、8∶1、5∶1時系統(tǒng)對COD、NH3-N、TN的去除效果。

由圖2可知，隨著NH4Cl的投加量逐漸增大，碳氮比隨之從20∶1逐漸下降至5∶1，COD去除率在83.2%～94.2%范圍內(nèi)波動，表明系統(tǒng)對COD的去除不會因為碳氮比的改變而受到較大影響，具有良好的有機物去除能力。

圖2 碳氮比對COD去除效果影響Fig.2 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of COD

圖3 碳氮比對NH3-N去除效果影響Fig.3 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of NH3-N

由圖3可知，NH3-N去除率隨著碳氮比的降低而降低。當(dāng)碳氮比大于17∶1時，出水NH3-N均小于8.0 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)系統(tǒng)處于低碳氮比的情況下(碳氮比小于17∶1)，出水NH3-N逐漸增高，最高達到83.7 mg/L。由于硝化菌是自養(yǎng)型細菌，有機物濃度不是它的生長限制因素，因此碳氮比的改變不會影響氨氮的去除率。影響硝化反應(yīng)進行的是環(huán)境條件。硝化反應(yīng)的適宜溫度是20～30 ℃，15 ℃以下時，硝化速度下降。在該實驗階段，轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池溫度僅在碳氮比為20∶1和17∶1階段高于15 ℃，其余時段均低于15 ℃，嚴重影響了硝化菌的正常反應(yīng)，導(dǎo)致了氨氮去除率的不斷下降。

由圖4可知，隨著NH4Cl用量的增加，TN的進水濃度隨著碳氮比的降低而逐漸增高，從碳氮比20:1時的23.8 mg/L上升至5∶1時的93.0 mg/L。系統(tǒng)對TN的去除率隨著碳氮比的降低而逐漸降低。當(dāng)碳氮比大于14∶1時，出水TN濃度均小于20.0 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)碳氮比小于14∶1時，出水TN濃度均高于20.0 mg/L。原因為隨著碳氮比的降低，系統(tǒng)碳源不足，導(dǎo)致反硝化過程被抑制，影響系統(tǒng)脫氮[15]。結(jié)果顯示，在高碳氮比的條件下較為適合去除TN。

圖4 碳氮比對TN去除效果影響Fig.4 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of TN

綜上所述，針對COD濃度為500 mg/L的人工污水，當(dāng)碳氮比不低于17∶1，系統(tǒng)出水COD、NH3-N、TN濃度均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 實際污水對系統(tǒng)性能的影響

本文進一步考察一體化分散式生活污水處理裝置對實際污水的處理性能。在系統(tǒng)HRT為14.3 h(轉(zhuǎn)籠反應(yīng)池HRT為8 h)，轉(zhuǎn)籠轉(zhuǎn)速為10 r/min，回流比2.5的條件下，考察分散式生活污水處理裝置處理碳氮比在19∶1～3∶1波動的實際污水的COD、NH3-N、TN去除效果。

如圖5、圖6、圖7所示，進水COD、NH3-N、TN濃度分別為81.8～253.9 mg/L、11.8～25.9 mg/L、12.7～29.6 mg/L，對應(yīng)的碳氮比在19∶1～6∶1波動，出水COD濃度為24.9～42.1 mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)，COD去除率大于80%且隨碳氮比下降而下降；系統(tǒng)出水NH3-N濃度均低于3.7 mg/L，達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)；出水TN濃度均低于15.0 mg/L，達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 碳氮比對COD去除效果影響Fig.5 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of COD

圖6 碳氮比對NH3-N去除效果影響Fig.6 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of NH3-N

圖7 碳氮比對TN去除效果影響Fig.7 Impact of carbon-nitrogen ratio on the removal effect of TN

當(dāng)進水碳氮比由6∶1下降至3∶1且進水COD、NH3-N、TN濃度分別為81.8～156.5 mg/L、11.8～52.3 mg/L、13.2～52.0 mg/L時，出水COD濃度仍能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)，但出水NH3-N、TN濃度急劇上升，無法滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。

上述結(jié)果表明，基于生物轉(zhuǎn)籠技術(shù)的農(nóng)村分散式小型生活污水處理設(shè)施對實際污水有較強的適應(yīng)性，該裝置處理COD<253.9 mg/L，NH3-N<52.3 mg/L，TN<52.0 mg/L且碳氮比不低于6∶1的實際污水時具有良好的處理效果，出水COD、NH3-N、TN濃度均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)論

1)分散式生活污水處理裝置處理COD濃度為500 mg/L的不同碳氮比人工污水時，碳氮比對系統(tǒng)處理效果影響大，需碳氮比不低于17∶1才能保證系統(tǒng)出水滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。

2)分散式生活污水處理裝置處理COD<253.9 mg/L，NH3-N<52.255 mg/L，TN<51.955 mg/L的實際污水，在碳氮比為19∶1～6∶1，出水COD、NH3-N、TN均能滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級B標(biāo)準(zhǔn)。

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Performance of Integration Decentralized Sewage Treatment Device for Treating Wastewater of Different Carbon-Nitrogen Ratios

LIAO Wei-ling1, HUANG Jian-sheng1, TANG Min2, TONG Qi-bang1, CHEN Ting-ting1, ZHU Li3, ZHANG Jie4, YAO Yuan1, LV Sheng-hong1

(1.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 401147, China; 2.Chongqing Environmental Monitoring Center, Chongqing 401147, China; 3.Internal Trade Engineering Design & Research Institute, Beijing 100069, China; 4.Beijing Zexin Estate Co., Ltd., Beijing 100070, China)

In order to explore the performance of integration decentralized sewage treatment device for the sewage with different carbon-nitrogen ratios, the synthetic sewage and actual wastewater were treated by the device, and the removal performance of COD, NH3-N and TN were studied. The results showed that when treating the synthetic sewage with carbon-nitrogen ratio higher than 17:1 and COD concentration of 500 mg/L, as well as the actual wastewater with carbon-nitrogen ratio between 19:1 and 6:1 and COD concentration lower than 253.9 mg/L, the effluent’s concentration of COD, NH3-N and TN could all meet the Level 1-B Standard ofDischargestandardofpollutantsformunicipalwastewatertreatmentplant(GB 18918-2002). In addition, the device has good adaptability to changes of carbon-nitrogen ratio when treating actual wastewater with low COD concentration.

carbon-nitrogen ratio; decentralized sewage; treatment device; performance

2016-12-27

重慶市基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費計劃項目(2013cstc-jbky-01603、2013cstc-jbky-01611)

廖偉伶(1991—)，女，重慶石柱人，工程師，碩士，主要研究方向為水污染控制，E-mail:357800894@qq.com

作者簡介：黃健盛(1980—)，男，廣西藤縣人，正高級工程師，博士，主要研究方向為水污染控制，E-mail:303982960@qq.com

10.14068/j.ceia.2017.02.017

X703

A

2095-6444(2017)02-0068-04