內循環生活污水處理裝置試驗研究

文_付春雨 中國石油化工集團公司

隨著我國環保意識和環保水平的不斷提升，如何高效經濟地處理小處理量、分散式生活污水成為熱點問題，如全國各村鎮已陸續建設生活污水處理站，石化管道項目場站等偏遠地帶也紛紛獨立建設自己的小型生活污水處理設施。

目前，常見的生物法小型處理裝置包括箱式一體化設備、凈化槽、生物轉盤、地埋式處理設備等，這些設備在一些特定場合的生活污水處理方面取得了一定的成效，但同時暴露出一些問題。如，箱式污水處理裝置往往需要較大的設備體積，否則在容積負荷率不變的情況下，其內部用于分隔好氧、缺氧與厭氧生物反應的最小容積將難以保證。又如凈化槽與地埋式處理工藝，需要污水源頭附近較大面積的地下掩埋空間，維護與維修較困難，且處理效率較低。再如多段式處理工藝，其本質即傳統A2O工藝的簡單縮小，導致污水水量、水質波動對處理系統的穩定性影響較大。

基于上述分析，小型化生活污水處理裝置的研發趨勢必然要面向加強容積負荷率高、減小占地面積、操作與維護簡便等方面。考慮到流化床在傳質效率和設備占地面積方面具有較大優勢，因此以流化床的結構為基礎，同時依靠氣體的補充、釋放作為動力源來強化氣液兩相介質的循環流態，自行研發一種氣升式內循環生活污水處理裝置，設計并加工完成后，于某污水提升泵房進行了為期6d的中試試驗，以驗證該裝置對生活污水的處理效果，為下一步的應用和改進提供數據支撐。

1 結構設計及裝置加工

1.1 結構方案簡述

氣升式內循環生活污水處理裝置如圖1所示，裝置主體為立式罐體，罐體底部封閉而上層敞開。罐體內部上方位置設置整流筒，整流筒內設置引氣管與排氣管，兩管均軸向貫穿整流筒內部。引氣管中段連接一臺潛水泵，潛水泵設置在整流筒內部。在潛水泵的帶動下，整流筒內液相被泵送至罐體底部，與此同時，引氣管內的液相流動造成與外界空間的壓差，裝置外的空氣受負壓自行進入引氣管，與液相流一并于裝置底部排出，此過程在裝置底部塑造出好氧反應區。裝置底部的氣體含量較大，排氣管深入裝置底部區域，此時未能溶于水的氣相自行進入排氣管，并最終由裝置上方、暴露于外部空間的排氣管出口排出。氣體提升過程中，裝置底部液相自發隨氣體一并提升，其中一部分液相裹挾部分氣體在裝置中部流出，此時裝置中部相當于缺氧區；另一部分液相在提升至裝置上方、整流筒與罐體形成的環形區域時流出排氣管，即環形區域功能相當于沉淀池。裝置中的液相自整流筒內泵送至裝置底部，再自發提升至環形區域，此過程圍繞整流筒形成了氣液兩相的內循環流動。由于整流筒內部空間氣體含量最低，因此相當于厭氧區。

圖1 氣升式內循環生活污水處理裝置結構

1.2 工藝流程特點

傳統A20工藝如圖2所示，由于傳統工藝中往往將不同反應區以物理手段分隔，因此溶解氧濃度、污泥齡控制、回流率等操作參數尤為重要。但在氣升式內循環生活污水處理裝置中，隨著循環流在罐體中的流動，根據溶解氧濃度梯度變化，裝置沿軸向形成厭氧區、缺氧區與好氧區，同時整流筒與裝置內壁的環形空間形成了沉淀池，各反應區之間實際上并沒有真實存在的物理邊界，且氣液兩相的內循環流動又伴隨著傳質傳熱過程，因此從整體角度來看，進入該裝置的待處理污水時刻處于動態循環的流動過程。

圖2 傳統A2O工藝流程

2 中試試驗結果與分析

2.1 中試試驗裝置安裝調試階段

2020年9月，加工完成處理量為10m3/d的氣升式內循環生活污水處理裝置，該裝置直徑為1.5m，總長度8m，罐體材質為碳鋼防腐，內部部件材質采用304不銹鋼。氣升式內循環生活污水處理裝置配備變頻控制柜1套，潛水泵2臺，液體流量計、氣體流量計各2只。

2020年9月15日，裝置進入運行調試階段，此階段的污水來源為提升泵房格柵池過濾后污水，處理裝置內活性污泥來源于某污水處理廠。此階段的主要任務是培養活性污泥，污水進水流量調節至10m3/h，通過調整回流流量改變進氣量，裝置底部溶解氧濃度約保持在2～3mg/L，裝置中部溶解氧濃度約保持在0.3～0.5mg/L，整流筒內溶解氧濃度約保持在0.1mg/L左右。

經過約7d的調試，處理系統已較為穩定運行，9月25日與9月27日取樣監測，結果如表1所示。根據檢測結果可知，此階段出水尚未達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級A類標準，但COD的去除率已達到70%以上，時隔2d后，各項污染物的去除率均在穩步提升，說明系統運行穩定后，活性污泥尚未達到最佳活性狀態，裝置的處理能力仍需運行一段時間才能達到最佳效果，因此決定在盡量減少人為調整情況下，繼續自動運行10d。

表1 調試階段水質檢測結果

2.2 中試試驗檢測結果

2020年10月10日至10月16日進行連續取樣檢測（11日因天氣原因未進行檢測），進水水質如表2所示，出水水質檢測結果如表3所示。

表2 進水水質檢測結果

表3 出水水質檢測結果

由于中試試驗所選用的污水提升泵房的污水來源為周邊小區、學校等地的生活污水，水質較為穩定，因此僅在10日、13日和15日對進水水質進行檢測，并以平均值作為污水進水水質指標。

2.3 中試試驗結果分析

根據檢測結果，可以看出除去10月15日、10月16日兩天內的總氮指標略有超標，其余時段內各項污染物濃濃度的檢測結果均優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A類標準。總體上來看，此裝置較好地滿足生活污水的達標處理，且裝置在人工操作較少、自動運行程度較高的情況下，可以保持較穩定的連續運行。

COD、總氮、氨氮、總磷的處理效率如圖3所示，可以看出COD和氨氮的去除率始終較為理想，而總氮、總磷的去除率在最后兩天內有所下降，因此對造成此問題的原因進行著重討論。首先，在A20工藝中，脫除總氮需要碳源為微生物提供能量，而本裝置對于COD具有更強的處理能力，因此系統內的碳源在連續運行過程中逐漸難以滿足脫氮除磷所需，導致試驗后期的氮、磷比過高。除磷效率隨除總氮效率同步大幅降低，同時COD去除效率逐漸提升便是對此結論的佐證。

圖3 各污染物去除效率變化

其次，經過對裝置的觀察發現，運行一段時間后的剩余污泥排出口有堵塞現象發生，而沉淀池內漂浮的絮狀體增多，導致此現象的原因是剩余污泥排出不暢，裝置內的過量空氣難以逸出，致使處理系統的溶解氧過高，污泥自身氧化使污泥絮凝性變差、結構分散，從而懸浮物增多。由于溶解氧濃度過高，因此好氧菌增加、厭氧菌數量降低，系統的硝化能力始終保持較高水平，反硝化能力減弱，最終使氨氮的去除率居高不下，總氮處理效率反而降低。

3 結語

自主開發了一種氣升式內循環生活污水處理裝置，加工出處理量為10m3/d的試驗裝置，于某污水提升泵房進行了為期6d的中試試驗。根據試驗檢測結果，得出如下結論：

①裝置結構設計較為合理，通過氣升式內循環流動，使進入該裝置的待處理污水時刻處于動態循環的流動過程，并進一步使裝置內部根據溶解氧濃度的不同出現好氧、缺氧、厭氧反應區。此外，處理系統內的不同類型菌種數量完全通過處理過程自發動態調節，因此較常規處理設施，需要調節的操作參數變少，人工需求降低，系統穩定性得到提升，且增加了裝置的容積負荷率、減小了停留時間、減少了剩余污泥的產生。

②試驗結果表明，該裝置基本能夠使出水滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)的一級A類標準，其中COD、氨氮的去除效率尤為突出，而總氮、總磷的去除效率次之。若能進一步優化裝置結構，使剩余污泥能夠及時排出，保證系統溶解氧濃度處于合理范圍內，則總氮和總磷的去除效率同樣可以得到保證。