高效節能小型生物污水處理設備研發與應用

李瑩瑩 鄧崇琨 樊德強

（1 桂林電子科技大學 廣西桂林 541004 2 廣西瑞智科技有限公司 廣西桂林 541004）

引言

村屯、醫院、小型養殖業等產生的污水具有流量小、分散、水質波動大等特點。特別是我國農村人口比重大，而農村的村落布局又很分散、村民住房無規劃情況較為普遍，加上基礎設施相對滯后，造成了大量分散的、小流量的生活污水無組織排放。桂林市域內所排放污水中，還可能混合著比重較大的養殖、餐飲等廢水，因而使得農村生活污水成為了漓江流域的重要水源污染源之一。

因此對小規模污水進行有效處理，不僅能夠減輕污水無組織排放對水體造成的影響，而且對保護區域水環境質量具有積極的作用。開展高效節能小規模污水處理一體化設備的研發，就是要為這類分散而又難于集中處理的污水尋找有效的治理方案，對保護區域水環境有著重大的現實意義，特別是對于保護漓江流域以及類似流域的環境質量，控制面源污染將是十分有效的舉措。

從技術和經濟方面綜合考慮，開發低投資、低成本、操作簡單、管理方便的適用于鄉鎮污水的處理技術是目前新農村建設的當務之急。而目前低投資、低成本、操作簡單、管理方便的鄉鎮污水處理技術成功應用并穩定運行的案例還不多。由于廣西各鄉村的地形地勢差異大，各村可供建設污水處理站的可用地也越來越難找，因此，優選適宜的集中污水處理工藝，并開發高效節能的一體化設備，對于加快村屯的污水處理，保護流域的環境質量就顯得尤為重要。部分已建成的污水處理站，其出水水質或隱性效果已經不能滿足需求，迫切需要對系統的運行參數進行優化，或者對處理站進行改造，才能保證出水水質并節約運行費用，也需要進一步提供重要的基礎資料和經驗參數。

1 材料與方法

本項目將SND（Simultaneous Nitrification and Denitrification，同步硝化反硝化工藝）[1][2]過程與曝氣生物濾池工藝有機結合起來，研發出一種低運行成本的“間歇曝氣好氧生物濾池”（AOBAF 工藝）處理技術；使用污泥培養[3]方法，穩定和提升SND 的處理效果；完善SND 過程控制手段，優化設備工藝參數，改進結構，同時選擇高效生物載體[4]促進微生物倍增，提高污水去除率。集成以上成果，研發一套采用太陽能供電進行微曝氣自動控制的小型一體化[5]污水處理設備，實現分散式污水處理[6]的高效益和遠程管理。在現有國內外的工藝流程上進行改進，彌補了其缺點，設計出了以“鄉鎮污水→預處理系統→AOBAF 工藝→消毒→排放”的工藝流程。

1.1 污水處理技術的應用優勢

1.1.1 AOBAF 工藝處理技術

污水中的氮主要以有機氮（如蛋白質）和氨氮（NH4+-N）的形式存在，同時在環境中會發生轉化，導致亞硝酸鹽氮（NO2--N）和硝酸鹽氮（NO3--N）的存在。污水生物脫氮主要是利用不同的微生物的代謝功能，將水體中的有機氮和氨氮逐漸被氧化并最終被還原為氣態氮（如氧化亞氮和氮氣）釋放到大氣中，從而實現水體中的氮的脫除。

硝化作用是指在好氧條件下微生物將NH4+-N 逐漸氧化為NO2--N 和NO3--N 的過程。該過程主要是在硝化細菌的作用下完成的，其中，將NH4+-N 氧化為NO2--N 的好氧微生物稱為氨氧化細菌（ammonia-oxidizing bacteria，AOB），將NO2--N 進一步氧化為NO3--N的微生物稱為亞硝酸鹽氧化細菌（nitrite-oxidizing bacteria，NOB）。

硝化反應第一階段的生化反應式為：

硝化反應第二階段的生化反應式為：

硝化反應的總反應過程如下：

反硝化作用是在缺氧條件下，異養微生物將NO2--N和NO3--N 還原為氧化亞氮和N2的過程。能夠進行反硝化作用的異養微生物統稱為反硝化細菌。硝酸鹽還原可分為同化性硝酸鹽還原和異化性硝酸鹽還原。在同化性硝酸鹽還原中，反硝化菌將NO2--N 和NO3--N還原為NH4+-N，為細胞新陳代謝提供物質；在異化硝酸鹽還原中，反硝化菌利用多種反硝化酶的化學轉化作用，將NO2--N 和NO3--N 還原為一氧化氮（NO）、氧化亞氮（N2O）和N2等氣體物質，這也是傳統的反硝化過程。

反硝化反應是在多種反硝化酶的作用下，逐步將NO3--N 還原，其中包含了多步酶反應（NO3-→NO2-→NO →N2O →N2），并涉及多種氣態氮化物（NO、N2O 和N2），其中主要以N2O 和N2為主。反硝化反應的反應式可以表示如下（以甲醇為碳源）：

反硝化除磷過程相比傳統生物脫氮除磷工藝，最大的優點是實現了“一碳兩用”，緩解了脫氮和除磷過程對碳源的競爭，非常適合低C/N 比城市污水的處理。同時減少了曝氣量和剩余污泥的產量，降低了工藝運行成本和污泥處理費用。同時因為反硝化除磷污泥呈顆粒狀，沉降性能非常好。

與結構復雜、缺氧區和好氧區分離的傳統生物脫氮工藝相比，SND（同步硝化反硝化工藝）可以在同一反應器中同時分解有機物和硝化反硝化脫氮，從而簡化工藝操作，降低污水處理廠的建設和運行成本。此外，SND 過程中反硝化過程可直接將硝化過程產生的NO3-進行還原，避免了產物積累對硝化反應速率的抑制作用。此外，在反硝化過程中，產生的OH-還提供了硝化過程的堿度，從而實現了硝化與反硝化過程的相互促進，使得SND 工藝具有較高的脫氮效率。

SND（同步硝化反硝化工藝）與傳統脫氮工藝相比，可以節省碳源，減少曝氣量，減少運行費用等優點。本項目將SND 過程與曝氣生物濾池工藝有機結合起來，研發一種低運行成本的AOBAF 處理工藝技術，在反應器中增加懸浮填料，促進微生物倍增，來提高污水去除率。

通過對污泥的培養將SND（同步硝化反硝化過程）引入氨氮去除的過程中，將活性污泥法與生物膜法有機結合，開發適用于鄉鎮小規模、分散式污水特點的低運行成本工藝。在項目實施過程中使用污泥培養方法，設有厭氧分解與過濾功能，可提高系統的脫氮除磷能力，生物膜污泥齡長，因此硝化能力顯著，氨氮的去除率可以達到90%以上；同時利用活性污泥法的固液充分接觸特點，高濃度的生物量以及生長特性使反應池內一直保持較高的生物濃度，可降低進水水質的沖擊影響，保證出水水質穩定。

1.1.2 高效生物載體

傳統和現在流行的生物處理工藝可分為兩類：懸浮型處理系統和附著型處理系統。前者以活性污泥法為代表，目前也有許多改進模型。活性污泥結構松散，為了滿足出水的設計要求，沉淀系統的容積一般比較大。附著型系統以生物濾池和接觸氧化工藝為代表，其中好氧微生物以膜的形式存在于載體或填料的表面。在操作條件下，單位反應器的生物質體積相對恒定，因此很難增加污泥負荷，再加上載體或填料的體積，實際反應器體積相對較大。在生物處理系統中，處理效率由微生物的特性決定。反應器中生物量越大，活性越高，沉降性能越好，單位體積反應器的處理效率越高。利用微生物自身的生理生態特性，可以生產出絮體密度更高、水力強度更高、沉降性能更好、傳質性能更好的活性污泥。

生物除磷是在→類異養微生物-聚磷菌（Phosphate accumulating orgasims，PAOs）的作用下完成的。PAOs 的代謝過程比較特殊，它能夠在厭氧/好氧交替運行條件下進行不同的物質代謝，從污水中吸收磷而實現污水除磷。生物除磷過程包含了厭氧釋磷和好氧過量吸磷兩個階段。在厭氧條件下，PAOs 水解胞內儲存的聚磷酸鹽，同時將磷酸鹽排出胞外，水解產生的能量被PAOs 利用于攝取環境中的有機物，并以聚羥基脂肪酸酯（PHA）的形式儲存在胞內；隨后在好氧條件下，PAOs 以氧氣作為電子受體，分解胞內儲存的PHA產生能量用于從環境中攝取磷酸鹽，并以聚磷酸鹽的形式儲存在胞內，從而達到環境水體中磷濃度下降的目的。在污水處理工藝中，可以通過排出剩余污泥達到生物除磷的最終目的。

目前，城鎮污水處理廠廣泛應用的生物脫氮除磷工藝都是以傳統生物脫氮除磷理論為基礎，通過厭氧、缺氧、好氧三種狀態的有機組合，使硝化、反硝化和除磷過程均能獲得適宜的條件，從而實現同步脫氮除磷。

本項目根據最佳參數和生物載體的性能，通過選擇具有表面積大、孔隙率高、親水親和力強、耐用等特性的高效生物載體，然后根據優化參數和生物載體進行新工藝設計，促進微生物倍增，提高污水去除率。

1.1.3 參數優化

調研小規模污水處理工程的水質、水量變化規律及其相關性，結合工藝運行效果研究分析，不同水力停留時間、水力負荷、有機負荷對新工藝處理效果影響，利用流體力學知識和正交分析，對最佳參數進行優化，確定小規模污水處理工藝所需污水提升泵的流量、揚程等性能參數及混合液回流比，探求出了最佳工藝操作條件。同時實現將污水有機物氧化、硝化以及反硝化在反應器中，既提高脫氮除磷效果，又節約曝氣和混合液回流所需的能源。

1.1.4 太陽能曝氣生物濾池

曝氣生物濾池（BAF）是集生物降解和固液分離于一體的污水處理工藝。它是生物接觸氧化工藝和過濾工藝的有機結合。曝氣生物濾池通過對生物膜的過濾、絮凝和生物氧化作用，可以有效地脫氮。然而，所有硝化和反硝化過程都需要碳源作為電子供體。反硝化碳源的缺乏是制約曝氣生物濾池反硝化的關鍵問題，需要通過外加碳源來解決。

在優化的小規模污水處理工藝的基礎上，組合泥水分離技術，經沉淀、過濾、膜分離，高效生物膜和活性污泥復合氧化反應床及水力流態優化處理，開發出了達到不同出水水質標準要求的高效節能小型生物污水處理一體化設備。采用太陽能電池作為設備運轉的直接動力，太陽能發電裝置以及蓄電池分別連接至集電控制器，單獨向曝氣機供電。整個系統均采用樹脂結構，結構緊湊。并且運用ICA 技術對污水處理曝氣環節進行自動調節，同時集成探測裝置和自動報警裝置，并采用物聯網和GPRS 等技術對水質自動監測，通過控制中心反饋控制污水站點設備的運行，實現分散式污水處理的遠程、高效和實時監控管理。

2 結果與討論

2.1 結果

基于太陽能的微曝氣自動控制系統，采用太陽能電池作為設備運轉的直接動力，綠色能源，節能環保；樹脂結構，結構緊湊；運用ICA 技術對污水處理曝氣環節進行自動調節，同時集成探測裝置和自動報警裝置，并通過GPRS 通信技術實現遠程控制，實現分散式污水處理的高效益、精細化和規模化運營管理。

2.2 平樂縣張家鎮中心衛生院污水處理工程實踐

2.2.1 污水處理現狀概述

平樂縣張家鎮中心衛生院原有診室、住院部（病床約50 張），新建醫院綜合大樓有診室、住院部及洗衣房等，規劃病床位數為80 床。綜合大樓的門診、病房、手術室、各類檢查科、病理解剖室，以及洗衣房、食堂、廁所等都要排出大量診療、生活及糞便污水，污水中含有一些特殊的污染物，如藥物、消毒劑、診斷用劑、洗滌劑，以及大量病原性微生物、寄生蟲卵及各種病毒，如蛔蟲卵、肝炎病毒、結核菌和痢疾菌等；與一般生活污水相比，它具有用水量小，污染力強的特點，如任其排放，必然會污染水源，傳播疾病，尤其當醫院的污水量連同其污泥不經無害化處理而直接用于蔬菜瓜果的施肥，將會導致細菌性、病毒性疾病和寄生蟲病的發病率驟增，故必須將這些污染物質消滅在源頭。

按照設計規范計算，新建綜合大樓醫療廢水處理規模為60m3/d（含洗衣廢水、廁所污水、化驗、洗手廢水等）；醫院為新建項目，排水系統實行清污分流，洗衣廢水直接分流排放至張家鎮的市政排污管網，降低污水處理站工程規模和工程造價；參照平樂縣同類規模鄉鎮衛生院污水處理站運行數據，本項目設計處理規模為30m3/d，處理出水水質要求達到《醫療機構水污染物排放標準》（GB18466-2005）“預處理標準”執行。

2.2.2 工程流程

經過實地調查及研究，污水處理流程見圖1。

2.2.3 步驟說明

（1）醫療廢水先排入醫院化糞池，沉淀去除大顆粒物質，并進行一定程度厭氧反應，去除部分有機物。

（2）化糞池中污水通過格柵進一步去除大顆雜物后自留入調節池，在調節池中污水進行勻質、勻量。

（3）調節池污水經提升泵，提升至厭氧池，在厭氧條件下，把大分子有機物分解成小分子物質，同時去除部分有機物，有利于后續進一步深化處理。

（4）污水從厭氧池自留入接觸氧化池，在好氧條件下，接觸氧化池通過硝化菌群，磷細菌等微生物降解水中大部分中大部分含碳、氨氮、磷等有機物質，以達到凈化目的。

（5）接觸氧化池出水自留入沉淀池，進行固液分離，上清液自留入消毒池；消毒池中加入消毒劑（次氯酸鈉）把糞大腸菌群和病原菌滅活后，出水水質達到“排放標準”要求后排放。

（6）沉淀池中污泥可根據現場運行實際情況回流至厭氧池，剩余污泥抽至污泥池，污泥池中污泥定期抽出按醫療廢棄物進行無害化處理。

2.2.4 設計水質水量及排放標準

設計處理規模30m3/d，設計進水水質BOD=100mg/L，COD=250mg/L，pH 值=6～9，糞大腸菌群數=5000MPN/L，懸浮物=60mg/L。

設計出水水質達到《醫療機構水污染物排放標準》（GB18466-2005）預處理標準。

結語

本項目已經研發生產高效節能小型生物污水處理設備2 套（平樂縣張家鎮中心醫院項目和桂林理工大學校醫院項目），并建成小規模污水處理示范項目2 項（平樂縣張家鎮中心醫院項目和桂林理工大學校醫院項目）。實踐表明，優化后的工藝設備與傳統工藝相比，節能20%-40%。和其他工藝相比，采用由高效地埋式生物反應器、潛流復合型人工濕地、景觀生態處理系統組成的組合處理工藝來處理分散型村鎮生活污水，而且污水處理后水質可達到或優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中的一級A 標準。

以本設備為主體的處理流程和工程占地省，投資小，且已經有兩次成功的實踐。實踐證明本設備非常適合應用于我國村屯、醫院、小型養殖業等的污水的處理，有廣闊的應用前景。本項目研究成果對于加快村屯污水處理的進程，改善廣大農村居民的生活條件，保護好流域水環境質量，將提供最有效的方案。