A/O型拔風跌水復氧過濾器處理農村生活污水

李發站，高曉杰，張 南，申晨亮，劉曉鳳

(1.華北水利水電大學環境與市政工程學院，河南 鄭州 450046；2.中州水務控股有限公司，河南 鄭州 450046；3.華北水利水電大學圖書館，河南 鄭州 450046)

隨著農村經濟的飛速發展，村鎮居民生活水平得到不斷提高，同時也帶來了日益嚴重的水污染問題。我國目前已建的農村生活污水處理系統普遍存在運行管理復雜、運行費用高昂、工程質量參差不齊，最終導致系統停運等問題。本研究根據傳統水處理工藝，以A/O工藝為基礎、生物滴濾池為原型，提出一種A/O型拔風跌水復氧過濾器(ERWDF)試驗裝置。該試驗裝置具有復氧及處理效果良好、運行穩定、易管理等優點，且整體系統運行耗能僅相當于一臺小功率潛污泵，動力極微；同時，該試驗裝置可設備化生產、現場安裝，更能提升工程建設質量。本試驗以河南省平輿縣韓莊村生活污水為處理對象，通過監測試驗裝置進出水的水質，研究了ERWDF的復氧效果及其影響因素以及工藝系統的處理效果和最佳運行工況，以為今后農村生活污水處理裝置的研發與優化提供依據。

1 污染物去除機理

1.1 水解酸化菌群的降解作用

水解酸化菌為兼性厭氧菌，根據目前厭氧消化四階段理論，厭氧條件下水體中大分子有機污染物會被降解為小分子有機物，從而達到去除一部分污染物和提高廢水的可生化性的效果。

1.2 硝化細菌的硝化作用

硝化細菌為自養菌，其以無機碳為碳源。傳統A/O工藝中，好氧池內硝化細菌和亞硝化細菌在有氧條件下將氨氮轉化為硝態氮，其反應式如下：

1.3 反硝化菌群的脫氮作用

反硝化細菌為異養菌，其以有機碳為碳源。傳統A/O工藝中，缺氧(厭氧)池內的反硝化菌群利用水體中的有機碳源，并接受回流硝化液中的硝酸鹽氮進行反硝化反應，其反應式如下：

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置與工藝流程

本試驗裝置包括水解調節池、拔風跌水復氧過濾器(ERWDF)、沉淀池三部分，見圖1。其工藝流程為：污水經格柵進入前端半地下式水解調節池，調節池內懸掛組合填料，附著其上的微生物不僅能攔截、分解進水大分子顆粒，還能依靠進水碳源對回流液進行反硝化作用；水解調節池末端的潛污泵將污水提升至ERWDF內，經布水渠、兩級跌水板逐級跌落后均勻布水至填料區進行硝化處理，ERWDF頂部的通風管對逐級跌落、細分的污水進行連續拔風復氧；出水在重力作用下流入沉淀池，上清液溢流至排水槽，槽內設置可移動隔板控制調節混合液回流比，裝置設計處理能力為10 t/d。

圖1 試驗裝置工藝流程圖

本次試驗核心裝置——拔風跌水復氧過濾器(ERWDF)剖面圖，見圖2。污水由進水槽均勻分向4根

φ

100半圓形布水渠，逐級向下跌落至填料區進行生物處理；ERWDF頂端設置

φ

150通風管，高為500 mm，對逐級細化的水滴進行連續拔風復氧；布水渠、兩級跌水板、填料區之間的間距均為150 mm，濾料層高度為1 150 mm，從頂部至底部每間距300 mm設置1個取水口，共計3個取水口，以觀察內部污水變化情況。

圖2 拔風跌水復氧過濾器(ERWDF)剖面圖(單位：mm)

ERWDF內與水流垂直設置兩級跌水板。兩級跌水板大樣圖如圖3所示。其中，跌水板一上等間距分布16條寬15 mm節點(縫隙)，跌水板二上等間距分布32條相同節點。污水自布水渠向下跌落至跌水板一上相鄰兩條節點的中間位置，再由跌水板一節點向下跌落至跌水板二上相鄰兩條節點的中間位置，通過濺水形成水滴四散并均勻布水。

圖3 兩級跌水板大樣圖(單位：mm)

2.2 原水水質與試驗方法

試驗原水為河南省平輿縣韓莊村生活污水，水中有機物、氮、磷含量較高，可生化性較好。試驗階段的進水水質如表1所示。

表1 試驗階段進水水質(mg·L-1)

3 試驗結果與分析

3.1 試驗裝置對COD的去除效果

試驗裝置對COD的去除效果見圖4，試驗裝置沿程各處理單元對COD的去除效果見圖5。

圖4 試驗裝置對COD的去除效果

圖5 試驗裝置沿程各處理單元對COD的去除效果

由圖4可見：試驗裝置穩定運行期內進水中COD濃度的變化波動較大，其平均濃度為443 mg/L；出水中COD濃度較為穩定，其平均濃度為78 mg/L；COD去除率最高為88.04%，最低為71.94%，其平均去除率為82.45%，表明該試驗裝置對COD具有較好的去除效果。

由圖5可見，試驗裝置穩定運行期內進水中COD濃度為443 mg/L，水解調節池出水中COD濃度為212 mg/L，COD去除量為231 mg/L，其占整體COD去除總量的63.29%；排水槽出水中COD濃度為78 mg/L，COD去除量為134 mg/L，其占整體COD去除總量的36.71%。這表明COD的去除主要由水解調節池和ERWDF兩部分共同完成，且水解調節池COD的去除量大于ERWDF，其原因為：①調節池內組合填料首先對進水中大顆粒有機物進行吸附，降低了COD濃度；②組合填料上附著的反硝化菌進行反硝化反應時需要消耗碳源；③回流管中回流液起到稀釋進水的作用。

上述各處理單元對COD的去除效果情況表明，本次試驗水解調節池進水負荷偏高。有研究表明當進水中C/N比值在4.7～5.6之間時，充足的有機物利于異養菌的生長，對有機物的降解效率高，調節池出水中COD濃度低；當有機物濃度超過微生物所需時，未降解的有機物隨出水進入ERWDF中，這就容易增強其內異養菌和硝化菌對濾料表面空間和水中溶解氧的競爭，不利于ERWDF的硝化功能。因此，需對調節池進行改進，增大其水力停留時間或增加懸掛填料數量，提高調節池對COD的降解效率，以保證ERWDF的低COD濃度進水。

3.2 試驗裝置對N-N的去除效果

圖6 試驗裝置對N-N的去除效果

3.3 試驗裝置對TN的去除效果以及各階段氮形態的變化

試驗裝置對TN的去除效果，見圖7。

圖7 試驗裝置對TN的去除效果

由圖7可見：試驗裝置穩定運行期內進水中TN的濃度范圍在22.8～50.5 mg/L之間，其平均濃度為35.7 mg/L；出水中TN濃度保持在8.4～15.9 mg/L之間，其平均濃度為12.2 mg/L；TN去除率最高為79.10%，最低為32.02%，其平均去除率為65.68%，波動較大，這與進水中C/N比的變化有關，這也說明該試驗裝置對TN有較好的去除效果，出水中TN的平均濃度能夠滿足河南省地方標準《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB 41/1820—2019)中一級標準(TN<20 mg/L)的要求。

試驗裝置沿程各階段氮形態的變化，見圖8。

圖8 試驗裝置沿程各階段氮形態的變化

3.4 試驗裝置對TP的去除效果

試驗裝置對TP的去除效果，見圖9。

圖9 試驗裝置對TP的去除效果

由圖9可見：試驗裝置穩定運行期內進水中TP濃度偏高，其范圍在6.31～11.70 mg/L之間，平均濃度為9.61 mg/L；出水中TP濃度在3.45～8.14 mg/L之間，其平均濃度為5.24 mg/L；TP去除率最高為64.52 %，最低時為26.03 %，其平均去除率為45.49 %，這說明該試驗裝置對TP的去除效果一般。

本次試驗裝置未設置厭氧池且無回流污泥，無法實現生物強化除磷，但仍然有部分磷被去除，分析原因有：①微生物通過新陳代謝作用消耗部分磷；②ERWDF內濾料通過吸附作用去除部分磷；③調節池內組合填料通過截留作用去除部分懸浮性磷。但TP的去除率隨著試驗裝置運行時間的延長而逐漸降低，主要是因為濾料對磷的截留和吸附能力逐漸飽和。

3.5 水力負荷對ERWDF復氧效果的影響

兩種水力負荷對ERWDF進、出水中溶解氧(DO)的影響，見圖10。

圖10 兩種水力負荷對ERWDF進出水中溶解氧的影響

由圖10可見：ERWDF內水中DO濃度經兩級跌水迅速增加，而在濾料層內增加緩慢，這表明有大量的微生物生長附著在濾料表面使得其表面增厚，濾料之間的空隙減小，影響氣液接觸面積，導致氧轉移速率降低。當水力負荷為3.89 m/(m·d)時，ERWDF進水中DO濃度為2.4 mg/L，ERWDF出水中DO濃度為7.5 mg/L，DO濃度增量為5.1 mg/L；當水力負荷為7.88 m/(m·d)時，ERWDF進水中DO濃度為2.5 mg/L，ERWDF出水中DO濃度為6.9 mg/L，DO濃度增量為4.4 mg/L，且低水力負荷條件下各取水口水樣中DO濃度均高于高水力負荷條件。這是因為高水力負荷進水流速較大，污水呈股狀由布水渠向下跌落，氣液接觸面積減小，且接觸時間縮短，而在低水力負荷時污水呈連續水滴狀跌落，更容易實現水滴四散、細化水流的效果。

3.6 水力負荷對N-N去除效果的影響

圖11 不同水力負荷對N-N去除效果的影響

3.7 回流比對脫氮效果的影響

試驗水溫為19～22℃，試驗裝置進水中TN濃度在31.3～37.3 mg/L之間，水力負荷為3.67～3.84 m/(m·d)，考察不同回流比對TN去除效果的影響，其試驗結果見圖12。

圖12 不同回流比對TN去除效果的影響

由圖12可見，TN去除率隨著回流比的增大逐漸升高。當回流比在100%～300%之間時，TN去除率的波動變化較大；當回流比在300%～400%之間時，TN去除率的波動變化較小。這是因為回流比較小時回流液所攜帶的硝態氮含量較低，調節池內反硝化菌未能充分利用硝態氮完成反硝化反應。當回流比從300%增大至400%時,TN去除率僅升高了2.1%，且回流比越大消耗的動力越多，因此本次試驗裝置回流比宜保持在300%。

3.8 試驗裝置經濟性分析

目前，農村污水處理工藝高能耗問題仍是限制其發揮正常作用的因素之一，為了保證節約能源與可持續發展，對農村污水處理設備和裝置進行節能優化研究勢在必行。

本次試驗裝置水解調節池末端設置了兩臺潛污泵，流量為1.5 m/h，揚程為13 m，一用一備。整體工藝系統運行期間能耗僅為一臺水泵，單臺水泵功率為260 W，平輿縣韓莊村電費以0.51元/度計，則噸水處理費用約為0.34元/t。經驗證該試驗裝置處理成本低于常規農村污水處理裝置，達到二級排放標準成本(0.6～0.9元/t)。

4 結 論

(1) ERWDF內設置兩級跌水板，可將水流一股分為兩股再分為四股，在實現均勻布水的同時不斷細化污水。ERWDF頂部安裝通風管，可對細化的水流連續拔風復氧，滿足生物處理過程中微生物對氧氣的需求，省去了傳統鼓風機房和曝氣管道系統，降低了建設成本和能耗。

(3) 試驗結果表明：本次試驗裝置水力負荷宜保持在3.00～5.00 m/(m·d)之間，回流比宜保持在300%，整體工藝系統運行能耗僅為一臺小功率潛污泵，噸水處理費用約為0.34元/t。調節池和ERWDF均為生物膜工藝，無需污泥回流，省去專人值守，操作和管理方便。

(4) 由于本次試驗期間溫度變化不大，不能更好地驗證溫度對ERWDF復氧效果和工藝系統處理效率的影響，因此有必要在低溫條件下對試驗裝置進行優化研究。此外，本次試驗裝置未設置厭氧池且無回流污泥，其除磷效果一般，今后需進一步加強對農村污水中磷去除技術研究。