自然循環(huán)炭系載體系統(tǒng)用于城鎮(zhèn)生活污水處理的試驗

程曉夏，黃 劍，鄭 力，鄒 剛，劉 菲

(湖北省自動化研究所股份有限公司，湖北武漢 430072)

自然凈化是污水處理技術(shù)的一種，主要借鑒污水在自然環(huán)境下的自凈循環(huán)過程，利用土壤、植物以及天然材料等載體對污水進(jìn)行處理[1-3]。其中，自然循環(huán)(natural circulation，NC)系統(tǒng)即一類基于天然材料的污水自然凈化系統(tǒng)，在20世紀(jì)90年代由日本Matsumoto教授等[4]首先提出。該技術(shù)采用朽木、木炭、貝殼乃至石塊等天然材料作為濾材，利用天然材料的生物親和性和高孔隙度，促進(jìn)功能微生物在材料表面的生長，對污水中的有機物、氮、磷等主要污染物進(jìn)行處理，達(dá)到較好的處理效果[5]。基于該技術(shù)的Shimanto-gawa 系統(tǒng)作為一種低成本、高效、環(huán)境友好的污水處理模式，在日本及多個國家成功推廣，成為河道及流域處理的有效技術(shù)手段之一[6-9]。

但污染水體種類繁多，需要處理的污染物也千差萬別，以純天然炭(如朽木、木炭)為載體的NC污水處理技術(shù)的處理能力相對局限，一定程度上限制了NC系統(tǒng)的應(yīng)用前景。為此，江鷹等[10]在NC系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使用生物酶木炭等材料作為載體，形成自然循環(huán)炭系載體(natural circulation carbon-based，NCC)系統(tǒng)，在保持原技術(shù)優(yōu)勢的同時增加系統(tǒng)的處理能力，使其可以更廣泛地應(yīng)用于各類污水處理場合。

隨著城市化的進(jìn)程，越來越多的城鎮(zhèn)納入城市體系，但與之配套的生活污水處理系統(tǒng)并未完全跟上，導(dǎo)致部分生活污水未經(jīng)處理便排入天然水體，或者因合流制溢流形成污染，嚴(yán)重威脅周邊水體環(huán)境，甚至形成黑臭水體[11-13]。對城鎮(zhèn)生活污水的實證研究[14-15]發(fā)現(xiàn)，我國生活污水主要為有機污染，而且其污染呈現(xiàn)季節(jié)波動大的特點，對AO等城鎮(zhèn)污水處理廠使用的常見工藝造成一定沖擊，處理效果不佳。NCC系統(tǒng)由于良好的穩(wěn)定性，對污水水量、水質(zhì)的沖擊耐受更好。但NCC系統(tǒng)更適宜深度處理，研究[16]表明，炭系填料在進(jìn)水水質(zhì)較差時(CODCr>500 mg/L)，處理效果會受到一定影響。因此，本研究采用連續(xù)進(jìn)水周期循環(huán)曝氣活性污泥(CASS)工藝與NCC工藝作為組合，對某城區(qū)合流制的城鎮(zhèn)生活污水進(jìn)行處理，通過對運行期間進(jìn)出水水質(zhì)的檢測和分析，為NCC工藝在城鎮(zhèn)生活污水治理中的應(yīng)用提供實踐參考。

1 項目概況

1.1 項目背景

本研究處理的生活污水主要來自周圍開發(fā)區(qū)生活區(qū)域，該區(qū)域原為城郊，未進(jìn)行雨污分流改造，周邊雨水管和污水管錯接、混接，導(dǎo)致形成合流制溢流污染。該區(qū)域雖已建有污水處理廠，但生活污水的排放量大大超過了該區(qū)域污水處理廠的消納能力。因此，實際運行中，該區(qū)域大部分生活污水直接流入河道，長期積累導(dǎo)致淤積，進(jìn)而發(fā)酵發(fā)臭，成為黑臭水體。

本研究的主要目標(biāo)是對排入該河段的生活污水進(jìn)行處理，待處理完成符合排放水質(zhì)要求之后再流入河道，以達(dá)到削減污染物、治理黑臭水體的目的。根據(jù)相關(guān)政策要求，排入該河道的排水水質(zhì)應(yīng)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 設(shè)計規(guī)模和進(jìn)水水質(zhì)

根據(jù)所在泵站的歷年水量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并綜合考慮遠(yuǎn)期的排水量，確定系統(tǒng)處理規(guī)模為8 000 m3/d。根據(jù)前期監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)水水質(zhì)隨季節(jié)波動較大。處理目標(biāo)則根據(jù)運營期內(nèi)要求出水水質(zhì)達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，具體設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Designed Quality of Influent and Effluent

2 工藝方案

2.1 技術(shù)選擇

由于城鎮(zhèn)生活污水水質(zhì)和水量的變化都較大，其CODCr質(zhì)量濃度最高可達(dá)500 mg/L，超出NCC系統(tǒng)的適宜處理范圍。考慮到NCC系統(tǒng)的技術(shù)特點，最終工藝設(shè)計選擇CASS系統(tǒng)作為前置處理技術(shù)，將NCC系統(tǒng)作為深度處理，在保證出水水質(zhì)的前提下，提高工藝的效率和穩(wěn)定性。此外，配套沉砂池、污泥池和消毒池，分別實現(xiàn)SS沉淀、污泥收集及干化和紫外線消毒等功能，保持系統(tǒng)功能完整。

同時，考慮到該污水處理站的建設(shè)地點位于已建成的城市區(qū)域，故將整個廠區(qū)和設(shè)備設(shè)計為地埋式結(jié)構(gòu)，地面建設(shè)為體育運動場和城中心娛樂公園，其外觀與周圍的街道綠地、小區(qū)建筑大樓環(huán)境相互融合，滿足工藝和實際需求。

2.2 工藝流程

根據(jù)進(jìn)出水水質(zhì)要求和工藝需求分析，設(shè)計工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

污水進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)過沉砂池，去除大部分懸浮顆粒物，隨后進(jìn)入CASS系統(tǒng)。在CASS系統(tǒng)中，通過活性污泥的作用，污水中的污染物得到初步處理，較大部分的有機物、氨氮、TP和TN被去除，然后流入NCC系統(tǒng)進(jìn)行深度處理。CASS系統(tǒng)和NCC系統(tǒng)之間通過調(diào)節(jié)緩沖池相連，調(diào)節(jié)緩沖池用于維持NCC系統(tǒng)的進(jìn)水穩(wěn)定性。經(jīng)NCC系統(tǒng)處理后，再通過渠道式紫外線消毒器進(jìn)行消毒，去除其中的有害微生物。出水經(jīng)檢測達(dá)標(biāo)之后排入河道。CASS系統(tǒng)和NCC系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的污泥定期清理，干化后運出。

2.3 NCC系統(tǒng)簡介

2.3.1 NCC工藝流程

NCC系統(tǒng)為本工藝的核心系統(tǒng)。污水經(jīng)過初步沉淀和CASS系統(tǒng)的初步處理之后，進(jìn)入NCC系統(tǒng)進(jìn)行深度處理。NCC系統(tǒng)組成如圖2所示，由快濾池、好氧消化池和除磷池3個部分組成。

其中，快濾池用于截留進(jìn)水中攜帶的主要SS，包括來自CASS系統(tǒng)的部分污泥；好氧消化池對污水中的BOD5、CODCr、氨氮等污染物進(jìn)行生物氧化處理，主要填充普通炭系填料(生物酶木炭)，配合填充部分鈣系填料補充功能，并在消化池底部布設(shè)曝氣管道供氧；除磷池位于系統(tǒng)末端，池中填裝除磷炭系填料(生物酶木炭)，池底曝氣，對污水的TP進(jìn)行物理性吸附和生物性吸收。3個處理單元之間水流通過自流方式沿著導(dǎo)流管流動，水流方向和氣流方向一致。

由于NCC技術(shù)所產(chǎn)生的污泥極少，不另外設(shè)計污泥池，只在系統(tǒng)進(jìn)行反沖洗時將產(chǎn)生的微量污泥與反沖洗水一起排出。

2.3.2 核心填料

NCC系統(tǒng)采用的核心填料為生物酶木炭。生物酶木炭是將天然木質(zhì)材料低溫炭化，并利用改性手段，在木炭表面增加相關(guān)功能微生物(如磷聚合菌、硝化細(xì)菌等)以及其他相關(guān)功能組分(如金屬)等。根據(jù)組成和功能不同，NCC系統(tǒng)使用的生物酶木炭包括2類：普通炭系填料和除磷炭系填料。

普通炭系填料的填料比表面積達(dá)100～300 m2/g，為微生物的生長繁殖提供了大量場所，有利于生物膜的形成。另外由于改性，增加了填料的微生物親和性，使微生物在填料表面和內(nèi)部大量繁殖(圖3)，形成“極爆效應(yīng)”，填料微生物量高達(dá)1.2×1010～5.6×1010個/g，從而達(dá)到對污水中CODCr、BOD5、陰離子表面活性劑(LAS)、氨氮等污染物質(zhì)高效穩(wěn)定地去除。

圖3 生物酶木炭(普通炭系填料)表面[17]Fig.3 Surface of Bioenzyme Charcoal (Normal Carbon-Based Packing)[17]

除磷炭系填料是在普通炭系填料的組成中添加腐殖質(zhì)泥炭、金屬等組分，并在表面進(jìn)行磷聚合菌的固定和包埋。其使用須和普通炭系填料配合，通過普通炭系填料熟化形成的生物酸，使聚合除磷填料內(nèi)部的金屬離子產(chǎn)生可控性溶解，待處理水流經(jīng)聚合除磷填料時，水體中的微量磷酸鹽和聚合除磷填料內(nèi)部的金屬離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，而待處理水體中的磷酸鹽附著在填料表面，從而達(dá)到持續(xù)除磷的效果。聚合除磷填料定期進(jìn)行反沖洗，反沖洗的含磷泥水混合物進(jìn)入污泥系統(tǒng)，聚合除磷填料則恢復(fù)除磷能力。其顯微結(jié)構(gòu)如圖4所示(40倍)。

圖4 除磷炭系填料(40倍)Fig.4 Phosphorus Removal Carbon-Based Packing (40 Times)

針對本項目，設(shè)計NCC系統(tǒng)的水力停留時間為4 h，生物酶木炭填料量為250 m3，填料上下采用不銹鋼承托濾板攔截，防止填料流失。BOD5容積負(fù)荷為0.6～2.5 kg/(m3·d)，可以應(yīng)對水質(zhì)變化的沖擊影響。生物酶木炭區(qū)連續(xù)曝氣，曝氣方式采用穿孔曝氣管，各單元定期反沖洗、排泥。

2.4 分析項目和方法

為測試NCC系統(tǒng)的運行效果，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，采用在線水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)定期監(jiān)測NCC系統(tǒng)進(jìn)出水的CODCr、氨氮，并定期取樣檢測進(jìn)出水的TP。此外，在系統(tǒng)正常運行1年后(2020年3月)，對系統(tǒng)各單元的出水水質(zhì)進(jìn)行檢測(CODCr、氨氮、TN、TP)，以評估CASS單元和NCC單元在污水處理中的貢獻(xiàn)。

其中，CODCr及氨氮均采取連續(xù)流動注射比色法進(jìn)行自動監(jiān)測，其余水質(zhì)指標(biāo)則參考《水和廢水檢測分析方法》[18]進(jìn)行檢測。

3 運行狀況及處理效果

該污水處理設(shè)施建成后，經(jīng)過試運行和調(diào)試，于2019年3月開始正式運行。通過對2019年3月—2020年1月的污水處理系統(tǒng)進(jìn)出水水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和分析，發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)均優(yōu)于設(shè)計目標(biāo)，對各污染物的去除效果良好，具體如下。

3.1 CODCr的去除效果

2019年3月—2020年1月，進(jìn)出水CODCr及系統(tǒng)對CODCr的去除率如圖5所示。進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度在24.05～396.00 mg/L，均值為156.12 mg/L。監(jiān)測期間，系統(tǒng)進(jìn)水CODCr變化波動相對較大，最高達(dá)396.00 mg/L。經(jīng)過“CASS系統(tǒng)+NCC系統(tǒng)”組合工藝處理后，系統(tǒng)出水CODCr基本穩(wěn)定，運行前期(2019年3月—6月)出水CODCr質(zhì)量濃度在14.09～49.52 mg/L，運行后期(2019年7月—2020年1月)出水CODCr質(zhì)量濃度在3.00～12.32 mg/L，均滿足設(shè)計目標(biāo)。

整個監(jiān)測期間，CODCr去除率在41.41%～99.01%，均值為86.33%。運行前期(2019年3月—6月)CODCr去除率波動幅度相對較大，運行后期(2019年7月—2020年1月)CODCr去除率穩(wěn)定在95.00%左右。

圖5 凈化設(shè)施進(jìn)出水CODCr變化Fig.5 Changes of CODCr in Influent and Effluent of Purification Facilities

3.2 氨氮的去除效果

2019年3月—2020年1月，進(jìn)出水氨氮濃度及系統(tǒng)對氨氮的去除率如圖6所示。整個監(jiān)測期間，系統(tǒng)進(jìn)水的平均氨氮質(zhì)量濃度為42.70 mg/L，其中，2019年11月26日—12月16日進(jìn)水氨氮濃度異常，分別達(dá)到了97.50、125.30、119.50 mg/L，其余時刻基本上保持在60.00 mg/L以下。監(jiān)測期間，系統(tǒng)出水的平均氨氮質(zhì)量濃度為0.85 mg/L，與CODCr的變化趨勢類似，運行后期的出水氨氮濃度相比運行前期有明顯的下降。運行前期(2019年3月—6月)出水氨氮質(zhì)量濃度在0.72～3.71 mg/L，平均質(zhì)量濃度為1.61 mg/L，運行后期(2019年7月—2020年1月)出水氨氮質(zhì)量濃度在0.03～2.15 mg/L，平均質(zhì)量濃度為0.52 mg/L，其中運行后期除了2次數(shù)據(jù)異常之外，基本上保持在0.03～0.50 mg/L。

圖6 凈化設(shè)施進(jìn)出水氨氮變化Fig.6 Changes of Ammonia Nitrogen in Influent and Effluent of Purification Facilities

除了監(jiān)測早期(2019年3月)氨氮去除率較低(37.00%)外，其余時間氨氮去除率都一直穩(wěn)定在90.00%以上，2019年4月—10月氨氮去除率為92.00%～99.00%，2019年11月—2020年1月氨氮去除率穩(wěn)定在99.50%左右。

數(shù)據(jù)表明，經(jīng)過一定時期的調(diào)試運行，系統(tǒng)氨氮去除率穩(wěn)定在99.00%左右，出水氨氮質(zhì)量濃度均在1.00 mg/L以下，效果穩(wěn)定，且遠(yuǎn)高于設(shè)計要求。此外，系統(tǒng)完全成熟后，進(jìn)水的氨氮濃度波動性對出水水質(zhì)沒有影響，可持續(xù)穩(wěn)定運行，保證出水水質(zhì)。

3.3 TP的去除效果

2019年3月—2020年1月，進(jìn)出水TP濃度及系統(tǒng)對TP的去除率如圖7所示。與氨氮及CODCr采用在線監(jiān)測不同，TP采用定期人工采樣檢測。整個監(jiān)測期間，系統(tǒng)進(jìn)水TP的質(zhì)量濃度為6.00～22.80 mg/L，平均值為13.14 mg/L 。經(jīng)系統(tǒng)處理后，出水TP的質(zhì)量濃度為0.10～0.48 mg/L，平均值為0.30 mg/L，出水TP變化趨勢比較穩(wěn)定，未表現(xiàn)出運行前后期的區(qū)別。在整個監(jiān)測期間，TP的去除率為93.90%～99.50%，平均去除率為97.30%，呈現(xiàn)出十分穩(wěn)定的處理能力。

圖7 凈化設(shè)施進(jìn)出水TP變化Fig.7 Changes of TP in Influent and Effluent of Purification Facilities

3.4 系統(tǒng)各工藝單元的處理效果及貢獻(xiàn)

系統(tǒng)各工藝單元的處理效果和去除率如表2所示。在系統(tǒng)正常運行狀態(tài)中，CASS工藝將進(jìn)水CODCr平均質(zhì)量濃度從189.80 mg/L降至57.26 mg/L，氨氮平均質(zhì)量濃度從27.08 mg/L降至6.60 mg/L，TP平均質(zhì)量濃度從13.04 mg/L降至3.76 mg/L，TN平均質(zhì)量濃度從37.22 mg/L降至18.00 mg/L，獨立平均去除率分別為68.7%、76.0%、70.6%和52.1%。NCC工藝則在CASS的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將水體CODCr、氨氮、TP、TN平均質(zhì)量濃度降至13.30、0.28、0.13、6.41 mg/L，獨立平均去除率分別為75.8%、95.7%、96.3%、60.8%。系統(tǒng)總平均去除率分別為92.1%、99.0%、98.8%、82.4%。

表2 系統(tǒng)各工藝單元出水水質(zhì)對比 (n=5)Tab.2 Comparison of Water Quality in Each Process Unit (n=5)

各工藝單元的去除貢獻(xiàn)占比如圖8所示。在整個系統(tǒng)對水體各污染物(CODCr、氨氮、TP、TN)的去除中，CASS單元分別貢獻(xiàn)了72.6%、76.4%、71.9%、62.4%的平均削減量，NCC單元分別貢獻(xiàn)了27.4%、23.6%、28.1%、37.6%的平均削減量。

圖8 各工藝單元的去除貢獻(xiàn)Fig.8 Removal Contribution of Each Process Unit and Total Process

4 討論

4.1 NCC系統(tǒng)對原CASS工藝的提升

CASS水處理工藝是一種改良型的SBR工藝，主要應(yīng)用于有脫氮除磷要求、有機污染物含量較高的污染水體，常用于城市生活污水和部分工業(yè)廢水[19-22]。CASS具有組成簡單、運行靈活、可靠性好的特點，但同時也存在生物脫氮除磷效果難以提升的問題[23]，此外，CASS在實際運行中需要精確調(diào)節(jié)來適應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)的波動[24-25]，對運行管理的要求較高。針對這一現(xiàn)狀，工程應(yīng)用中也越來越多地采用其他工藝和CASS的組合工藝。

本研究將CASS和NCC系統(tǒng)相結(jié)合，對城鎮(zhèn)生活污水進(jìn)行治理，進(jìn)一步提升了對污染水體中的氨氮、TP、CODCr的去除效果。從本項目的實際運行效果看，CODCr的處理效能使通常的出水質(zhì)量濃度為50.00～150.00 mg/L降至15.00 mg/L以下，氨氮的處理效能使出水質(zhì)量濃度為5.00 mg/L降至1.00 mg/L以下，TP的處理效能使出水質(zhì)量濃度為0.50～1.00 mg/L降至平均值為0.30 mg/L以下，而且處理能力穩(wěn)定，進(jìn)水水質(zhì)的波動對出水水質(zhì)影響較小。

從各處理單元的去除率對比以及其在總污染物削減中的貢獻(xiàn)可以看到，CASS系統(tǒng)貢獻(xiàn)70.00%左右的削減量，NCC系統(tǒng)貢獻(xiàn)30.00%左右的削減量。結(jié)果表明，NCC系統(tǒng)適宜深度處理，在進(jìn)水污染物濃度較低時(除TP外，均滿足城鎮(zhèn)污水處理二級排放標(biāo)準(zhǔn))，氨氮和TP的去除率仍可保持95.00%以上，CODCr和TN去除率可達(dá)到60.00%～76.00%，將出水水質(zhì)提升至地表水“準(zhǔn)Ⅳ類”標(biāo)準(zhǔn)(除TN外，其他指標(biāo)均達(dá)到Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn))。

4.2 炭系載體對NC水處理技術(shù)的提升

研究[8,26-27]表明，NC處理技術(shù)的主要優(yōu)勢是處理氨氮、TP效果高，以及應(yīng)對水質(zhì)沖擊的能力好，本項研究也同樣證明了NC水處理技術(shù)的這些優(yōu)勢。在進(jìn)行了生物酶木炭的工藝改進(jìn)之后，NCC系統(tǒng)的處理能力得到進(jìn)一步提升，對氨氮、TP的處理能力都穩(wěn)定維持在90.00%以上。而且，在運行過程中，系統(tǒng)處理能力可以隨著系統(tǒng)熟化進(jìn)一步增長，結(jié)果表明，在運行后期系統(tǒng)完全成熟后，對氨氮和TP的處理能力可以維持在99.00%以上。

根據(jù)對現(xiàn)場運行效果的觀察和分析，推測NCC系統(tǒng)能長期維持高處理效能的原因可能在于：(1)填料表面固定生物酶，有利于保持填料的處理活性，因水質(zhì)變化而帶來的沖擊更小；(2)填料的高孔隙度和獨特的充氧效率，使得系統(tǒng)中的微生物的生長和群落演替比通常情況下更為迅速，系統(tǒng)因此具有一定的成長性，可以在運行后期進(jìn)一步提升處理效率。

4.3 NCC系統(tǒng)可供改進(jìn)的方向

(1)根據(jù)本項目的運行結(jié)果，NCC系統(tǒng)對TN的處理效能沒有達(dá)到氨氮、TP的水平，這可能是系統(tǒng)的好氧特性導(dǎo)致對硝酸鹽的處理能力不高。雖然本項目與具有一定反硝化能力的CASS工藝進(jìn)行了組合，但CASS工藝前置，使得聚合深度處理池產(chǎn)生的硝酸鹽未能完全被處理。NCC系統(tǒng)下一步可以在TN的去除能力上進(jìn)行改進(jìn)。

(2)雖然NCC系統(tǒng)表現(xiàn)出對微生物良好的促進(jìn)能力，但對具體微生物組成以及演替規(guī)律仍知之甚少[5]，微生物群落因處理污水的不同而產(chǎn)生的響應(yīng)仍屬未知。而污水處理中微生物的群落變化是解釋工藝效能的重要環(huán)節(jié)，在了解其變化規(guī)律后，可以利用填料材料和營養(yǎng)來誘導(dǎo)功能微生物的生長[28]。NCC系統(tǒng)下一步可以在系統(tǒng)功能微生物的組成和演替規(guī)律上進(jìn)行探索，以進(jìn)一步對生物酶木炭和系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

5 結(jié)論與展望

城鎮(zhèn)生活污水經(jīng)過CASS系統(tǒng)+NCC系統(tǒng)的組合工藝處理后，CODCr去除率達(dá)到95.00%，氨氮和TP去除率達(dá)到99.00%，在進(jìn)水負(fù)荷波動較大的情況下，出水主要水質(zhì)指標(biāo)均到達(dá)設(shè)計目標(biāo)。組合工藝中，CASS系統(tǒng)貢獻(xiàn)了約70.00%的平均削減量，NCC系統(tǒng)則在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步去除60.00%以上的CODCr、90.00%以上的氨氮和TP，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計出水的一級A標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到地表Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

運行結(jié)果表明，NCC系統(tǒng)對生活污水具有良好的深度處理效果。將NCC系統(tǒng)與CASS、SBR等前處理工藝相組合，具有處理效率高、運行管理簡單方便、對周圍環(huán)境影響小、生態(tài)景觀等優(yōu)點，可在生活污水處理、黑臭水體治理等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。