光伏驅動一體化裝置處理農村生活污水的性能研究

張永平,李妮,溫靜靜,孫甲玉*,孟凡坤,吳雅文,夏夕雯

光伏驅動一體化裝置處理農村生活污水的性能研究

張永平1,李妮2,溫靜靜1,孫甲玉2*,孟凡坤2,吳雅文2,夏夕雯1

1. 水發規劃設計有限公司, 山東 濟南 250001 2. 山東農業大學 水利土木工程學院, 山東 泰安 271018

針對北方丘陵地區農村生活污水的排放特征，本論文構建了一套基于光伏系統驅動的生物接觸氧化污水一體化處理裝置，并研究了該裝置對模擬農村污水的處理效能。研究結果表明，在處理量為50和100 L·d-1條件下，該裝置可實現對COD、NH3-N、TN和TP 的穩定去除，出水均能滿足山東省《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB 37/3963-2019）一級標準。與其他常規生物處理工藝相比，該裝置具有便于安裝，無需大規模鋪設管網，無需外加電源，且處理后的出水可以直接回用于農田等優點，尤其是對居住相對分散的丘陵山區農村生活污水處理具有較強的推廣應用價值。

污水處理設備; 污水處理; 性能分析

隨著我國社會經濟的快速發展和農村生活水平的不斷提高，農村地區的污水排放量和污染物成分復雜度也在逐年提高。然而，農村居民排放的生活污水大多得不到有效的收集和處理，導致農村生活污水隨處排放，污染環境[1,2]。近年來，國內外均對農村污水處理問題開展了大量的研究和實踐，如美國采用高效藻類塘工藝，利用藻類與好氧細菌的共生關系，去除水中污染物[3]；澳大利亞采用滲濾系統將過濾、土地處理與暗管排水相結合去除水中污染物[4]；日本則主要采用生物膜法以及活性污泥法等處理工藝處理農村生活污水[5,6]。國內研究較多的是序批式活性污泥法、厭氧–缺氧–好氧活性污泥法、移動床生物膜反應器、土地滲濾系統、地表漫流系統和穩定塘組合等方法[7, 8]。

不可否認，通過近幾年對農村污水的治理有效地改善了我國農村的居住環境，但是目前采用的農村污水處理設施多數屬于城市污水處理設施的微型化，也造成了建設費用過高、能耗高、運維管理難以持續等問題，從而導致農村污水處理設施運行不穩定或“曬太陽”等現狀。尤其是北方丘陵山區，農民居住相對分散，污水管網建設難度大、費用昂貴，也制約了農村污水治理的進程?；谏鲜隹紤]，本文根據農村污水的排放特征和水質特征，構建了一套適合農村生活污水分散處理的光伏驅動農村生活污水一體化處理裝置，系統研究了該裝置的污水處理效能，并論證了該裝置對農村生活污水處理的適用性和經濟性，旨在促進農村污水處理及水環境改善提供一條簡易有效的途徑。

1 材料與方法

1.1 實驗用水

試驗進水水樣采用人工模擬生活污水。人工模擬生活污水主要由CH3COONa、(NH4)2SO4、KH2PO4、CaCl2、MgSO4和微量元素組成。微量元素主要由FeCl3·6H2O、H3BO3、CuSO4·5H2O、KI、MnCl2·4H2O、NaMoO4·2H2O、ZnSO4·7H2O、CoCl2·H2O和EDTA組成。將人工模擬生活污水母液[9]以1:100比例稀釋至自來水中形成人工模擬污水。

1.2 試驗裝置

光伏驅動農村生活污水一體化處理裝置結構如圖1所示。該裝置采用有機玻璃制成，長、寬、高分別為90、30和50 cm，設置超高15 cm，總有效容積為94.5 L。槽體中依次設置進水配水池、一級缺氧池、二級缺氧池和接觸氧化池，容積分別為15.75、21.00、21.00和36.75 L。進水配水池上部設計篩網，以攔截進水中較大的懸浮物。一級缺氧池和二級缺氧池內沿豎向依次布置8根懸掛式軟性填料，填料安裝高度均為30 cm，填料填充率均為71.77%。接觸氧化池內布設8根立體彈性填料，填料安裝高度為30 cm，填料填充率為74.32%。接觸氧化池底部設有微孔曝氣盤，并設有硝化液回流裝置。各池體與下一池體間設有間隙1.5 cm的導流槽，導流槽使污水自下而上流動，以防止污水短流。在室外陽光充足的地方設置兩塊太陽能電池板，連接試驗裝置的蓄電池，用以驅動曝氣盤和回流裝置。

1進水管，2頂蓋，3硝化液回流管，4篩網，5進水配水池，6一級缺氧池，7二級缺氧池，8接觸氧化池，9沉淀池，10軟性填料，11立體彈性填料，12回流泵，13增氧泵，14蓄電池，15太陽能電池板，16第一導流槽，17出水孔，18曝氣盤，19出水管

1.3 掛膜啟動與運行

裝置采取人工接種進行掛膜啟動，接種污泥取自山東省泰安市某城鎮污水處理廠二沉池。將接種的活性污泥分別投入一級缺氧池、二級缺氧池和接觸氧化池，加入生活污水悶曝24 h，然后采用小流量連續進水。運行11 d后，改為早、中、晚3次間歇進水，進水量分別為設計日處理量的1/3。掛膜期間，進水COD、NH3-N、TN和TP分別為194.65～232.14、19.41～21.19、20.52～22.67和2.13～2.51 mg·L?1，水溫為23.3～28.1 ℃，pH為在7.0～8.0，硝化液回流比為200%，接觸氧化池DO為4.2～5.8 mg·L?1。裝置啟動29 d后，對COD、NH3-N、TN和TP的去除率分別達到89.36%、81.07%、48.00%和34.01%，其中，COD、NH3-N和TN均達到山東省《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB 37/3963–2019）一級排放標準（COD≤60 mg·L?1，NH3-N≤8 mg·L?1，TN≤20 mg·L?1），且裝置運行穩定，判定生物膜已成熟，掛膜成功。

一體化裝置運行過程中，模擬農村排水實際，采用間歇式進水，即早、中、晚3次進水，進水量分別為設計日處理量的1/3。人均排放污水量為25 L·d-1，將戶均人口定為2、4和6人，則污水進水量設計為50、100和150 L·d-1。設計進水COD約為200 mg·L-1，NH3-N約為20 mg·L-1，TN約為20 mg·L-1，TP約為2.46 mg·L-1。在水溫為20.1～25.3 ℃，曝氣量為8 L·min-1，硝化液回流比為200%，pH為7～8，研究光伏驅動一體化裝置對COD、NH3-N、TN和TP的去除效果。

1.4 樣品檢測和評價

采集的樣品酸化后于24 h內測定化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）和總磷（TP）。COD采用重鉻酸鹽法測定，NH3-N采用納氏試劑分光光度法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，TP采用鉬酸銨分光光度法測定[10]。根據山東省《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB 37/3963-2019）（以下簡稱為“排放標準”）對水質進行分析和評價。

2 結果與討論

2.1 一體化裝置對COD的去除效果

一體化裝置對COD的去除效果如圖2所示。處理量為100 L·d-1，當進水COD為200.00～239.28 mg·L-1，出水為11.16～24.13 mg·L-1，去除率為85.76%～94.84%，出水均達到了“排放標準”的一級要求。運行20 d后，將處理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，當進水COD濃度為192.86～242.85 mg·L-1，出水濃度為12.53～29.49 mg·L-1，去除率為88.91%～94.42%，出水均達到了“排放標準”的一級要求。以處理量為50 L·d-1運行21 d后，再將處理量由50 L·d-1提高至150 L·d-1。當進水COD濃度為194.65～225.00 mg·L-1，出水濃度為22.08～66.11 mg·L-1，去除率為70.38%～90.11%。當處理量由50 L·d-1提高到150 L·d-1的第1 d，COD進水濃度為223.21 mg/L，出水濃度大幅度提高至66.11 mg·L-1，出水未能達到“排放標準”的一級要求，其他均達標。在整個運行過程中，填料上的微生物與大量懸浮微生物接觸到污水中的有機污染物，通過微生物的氧化分解、同化作用及硝化液回流稀釋作用實現了COD的快速降低[11]，說明該一體化裝置對農村污水COD的去除有較好的效果，且運行穩定，抗沖擊負荷能力強。

圖 2 一體化裝置對COD的去除效果

2.2 一體化裝置對NH3-N的去除效果

一體化裝置對NH3-N的去除效果如圖3所示。處理量100 L·d-1時，當NH3-N的進水濃度為19.39～20.82 mg·L-1，出水濃度為0.14～5.18 mg·L-1，去除率為75.00%～99.32%，出水均達到了“排放標準”的一級要求。在運行的3～14 d，出水NH3-N有小范圍的升高，主要是因為這幾天出現了連續的陰雨天氣，太陽能供電不足，導致夜間曝氣泵停止曝氣。太陽能供電恢復后，在運行的第16 d，NH3-N去除率提高至98.86%，出水濃度僅為0.23 mg·L-1。運行20 d后，將處理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，NH3-N的進水濃度為20.32～21.20 mg·L-1，出水濃度為0.01～0.22 mg·L-1，NH3-N的去除率為98.93%～99.95%，均達到“排放標準”的一級要求。在處理量50 L/d條件下運行20 d后，再將處理量由50 L·d-1提高到150 L·d-1，當NH3-N的進水濃度為19.95～21.37 mg·L-1，出水濃度為2.56～12.97 mg·L-1。在從50 L·d-1提高到150 L·d-1第1 d，NH3-N出水濃度大幅度增加至11.24 mg·L-1，在處理量為150 L·d-1運行10 d后達到在該條件下最高去除效果，此時，出水NH3-N濃度為2.56 mg·L-1，去除率為88.02%。但在后續的運行中裝置對NH3-N的去除效果逐漸變差。

上述試驗結果表明裝置在處理量為50 L·d-1和100 L·d-1時，對生活污水中的NH3-N有較好的去除效果，且運行相對穩定。但當處理量為150 L·d-1時，處理效果較差，且運行不穩定，這可能是因為隨著進水量的增大，生物膜增厚，導致曝氣裝置產生的氣泡不足以穿透生物膜，從而導致NH3-N出水濃度升高[12]。

圖 3 一體化裝置對NH3-N的去除效果

2.3 一體化裝置對TN的去除效果

一體化裝置對TN的去除效果如圖4所示。處理量為100 L·d-1時，當TN的進水濃度為20.14～21.50 mg·L-1，出水濃度為6.37～9.73 mg·L-1，去除率為51.69%～69.72%，出水均達到了“排放標準”的一級要求。運行20 d后，將裝置處理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，當TN的進水濃度為20.14～21.69 mg·L-1，出水濃度為3.28～6.79 mg·L-1，去除率為68.09%～83.93%，出水均達到了“排放標準”的一級要求。處理量為50 L·d-1時較100 L·d-1時TN的處理率有所提高，是因為隨著日處理量的降低，缺氧池的反硝化負荷相應降低[13]。此外，日處理量的降低，回流流量也相應降低，使缺氧池更易保持較低的溶解氧，提高了缺氧池中反硝化細菌的脫氮效率[14]。在處理量為50 L·d-1條件下運行20 d后，將處理量50 L·d-1提高到150 L·d-1。處理量為150 L·d-1時，TN的進水濃度為20.07～21.84 mg·L-1，出水濃度為10.34～15.05 mg·L-1，除率為26.41%～48.82%。在從50 L·d-1提高到150 L·d-1第1 d，TN出水濃度增加至15.05 mg·L-1，去除率降低為28.24%。隨之時間的延長，裝置適應了進水負荷，TN去除率有所提高，在運行的前13內基本穩定在40.00%以上，但在15 d后出現了大幅度下降。

上述試驗結果說明裝置在處理量為50 L·d-1和100 L·d-1時，對生活污水中的TN有較好的去除效果，且運行相對穩定；但當處理量為150 L·d-1時，處理效果較差，且運行不穩定。

圖 4 一體化裝置對TN的去除效果

2.4 一體化裝置對TP的去除效果

一體化裝置對TP的去除效果如圖5所示。在處理量100 L·d-1時，當TP的進水濃度為2.19～2.64 mg·L-1，出水濃度為1.38～1.98 mg·L-1，去除率為12.62%～45.17%，出水40.00%達到“排放標準”的一級要求。其中運行的第7～14 d，TP的去除率出現下降，是因為出現了連續的陰天天氣，太陽能供電不足，導致夜間曝氣泵停止工作，無法滿足微生物對溶解氧要求，曝氣泵正常工作后，裝置對TP的去除也恢復正常。運行20 d后，將裝置處理量由100 L·d-1降至50 L·d-1，TP的進水濃度為2.20～2.36 mg·L-1，出水濃度為1.15～1.30 mg·L-1，去除率為41.69%～49.76%，出水100%達到“排放標準”的一級要求。在處理量50 L·d-1條件下運行20 d后，將處理量由50 L·d-1提高到150 L·d-1。在處理量150 L·d-1時，TP的進水濃度為2.20～2.47 mg·L-1，出水濃度為1.52～3.28 mg·L-1，均未達“排放標準”的一級要求。

由于本裝置設計主要是為了解決農村污水突出的有機物和氮的超標問題，所以生物膜更新周期較長，很難通過排除富磷生物膜達到除磷的效果，所以系統對TP的去除主要為生物的同化作用[15]。

圖 5 一體化裝置對TP的去除效果

3 結論

（1）在處理量為50和100 L·d-1條件下，該裝置可實現對COD、NH3-N、TN和TP的穩定去除，出水均能滿足山東省《農村生活污水處理處置設施水污染物排放標準》（DB 37/3963-2019）一級標準。該裝置對農村間隙性排放的生活污水具有較好的處理效果，且運行穩定，具有較高推廣應用價值；

（2）光伏驅動農村生活污水一體化處理裝置無需外加電能，可大大降低建設和運維成本，減少碳排放，具有較高的經濟效益和生態效益。

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Study on the Performance of the Photovoltaic Driven Integrated Device for Treating Rural Domestic Sewage

ZHANG Yong-ping1, LI Ni2, WEN Jing-jing1, SUN Jia-yu2*, MENG Fan-kun2, WU Ya-wen2, XIA Xi-wen1

1.250001,2.271018,

In view of the discharge characteristics of rural domestic sewage in the northern hilly region, an integrated biological contact oxidation wastewater treatment device, which was driven by photovoltaic system, was proposed in this paper, and the performance of the device for removing pollutants in simulate rural sewage were also studied. The results showed that the proposed device exhibited a high stable removal efficiency for COD, NH3-N, TN, and TP under the treating capacity of 50 and 100 L·d-1, which could meet the 1st level standard of Discharge Standard for Water Pollutants of Rural Domestic Sewage Treatment and Disposal Facilities of Shandong Province (DB 37/3963-2019). As compared to those traditional biological treatment processes, the integrated device presents some advantages of easy installation, without large-scale pipe network, no external power supply, and the treated effluent can be directly recycled for farmland. In sum, the designed integrated device in this work can be practical applied in rural sewage treatment, especially for those relatively scattered living in the hilly and mountainous areas.

Sewage treatment device; sewage treatment; performance analysis

U664.9+2

A

1000-2324(2022)04-0599-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.015

2022-02-12

2022-04-18

張永平(1979-),男,碩士,高級工程師,研究方向:水文水資源、水利規劃. E-mail:13573769669@163.com

Author for correspondence. E-mail:1536929371@qq.com