低C/N農村生活污水處理試驗研究

郝如杰 鄭紀永 韓士偉 李峰

摘 要：采用組合處理技術好氧/缺氧（A/O）/反硝化/混凝沉淀/纖維過濾處理低碳氮比（C/N）農村生活污水，通過改進運行參數、強化污泥回流、增設外加碳源等方式，以期實現低C農村生活污水的深度處理。結果表明，當控制條件：好氧區溶解氧濃度為1.5～2.5 mg/L、缺氧區溶解氧濃度為0.2～0.5 mg/L、C/N為10：1、進水：外回流：內回流=1：1：2.5時，排出水體的化學需氧量（COD）濃度約為13.0 mg/L、氨氮（NH3-N）濃度約為0.4 mg/L、總磷（TP）濃度約為0.1 mg/L、總氮（TN）濃度約為2.2 mg/L，處理效率分別達到97%、99%、97%、94%，出水水質達到“準Ⅳ類水”要求。進而證明，在該控制條件下，可實現農村生活污水的深度高效處理。

關鍵詞：農村生活污水；低碳氮比；反硝化；混凝沉淀

中圖分類號：X703? 文獻標志碼：A? 文章編號：1673-9655（2023）02-0-05

0 引言

針對當前國內部分地區水環境質量較差、水生態受損嚴重等問題，多地制定了地方城鎮污水處理廠排放標準，除“TN”外，各項指標均與《地表水環境質量標準》中Ⅳ類水標準相近，被業界稱“準四類水”[1]。農村生活污水具有水量小、難收集、低C/N等特點，一直是我國污水處理領域研究的熱點之一，國內諸多學者對于農村生活污水處理工藝的研究屢見不鮮，A/O、A/A/O（厭氧/缺氧/好氧）、改良A/A/O、MBR（膜生物反應器）、MABR（膜曝氣生物反應器）、缺氧接觸氧化/生物轉盤、人工濕地、生態綜合治理等工藝技術均被用于農村生活污水處理，出水水質可達到《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準[2-7]。傅木星[8]利用生物轉盤處理C/N＜3的城鎮污水，當轉盤轉速為4 r/min時，出水TN濃度為9.96 mg/L，去除率最高為81.22%。馮寧[9]研究了改進倒置A/A/O-MBR系統處理低C/N生活污水，通過強化污泥回流和采用分段進水，將進水分配比調整為5：5時，COD、NH3-N、TP 和 TN 出水濃度分別為 21.55 、1.14 、0.51、12.85 mg/L。出水水質較“準Ⅳ類水”仍有較大差距。

試驗以低C/N（≤4）農村生活污水為研究對象，利用好氧/缺氧（A/O）/反硝化/混凝沉淀/纖維過濾組合工藝開展 “準Ⅳ類水”提標試驗研究，通過優化系統運行參數及碳源添加比例，以及對工藝運行后COD、NH3-N、TP、TN去除效果進行分析，以期為低C/N農村生活污水處理提供一定的數據支撐。

1 材料及方法

1.1 試驗裝置組成

試驗裝置由A/O系統、反硝化濾池、混凝沉淀裝置、纖維過濾器四個部分組成，具體參數詳見表1。

1.2 試驗藥劑、用水及接種污泥

本次試驗用DE90%的工業級葡萄糖（Glc）作為外加碳源，工業級聚合氯化鋁（PAC）作為混凝劑。試驗依托某農村一體化污水處理設備A/O系統，后續增加反硝化濾池、混凝沉淀裝置、纖維過濾器，用水為某農村產生的生活污水，COD、NH3-N、TP、TN進水濃度分別為77～117、21～40、2.3～3.8、31.8～49.3 mg/L。該污水處設備已平穩運行2年以上，運行期間水量約為200 m3/d，本次試驗不更換原系統污泥。污泥經檢測MLSS約4500 mg/L，SV約50%，SVI約110 mg/L，SRT約15 d，

狀態良好。

1.3 試驗方法

1.3.1 改進運行參數

反應區域的HRT與硝化、反硝化能力密切相關。反硝化和硝化，夏季分別需要1～2 h、3～4 h；在冬季分別需要2～3 h、5～6 h。SRT是同步脫氮除磷工藝最重要的影響因素之一，為協調同步脫氮除磷，必須選擇合適的SRT。通過調整A/O系統曝氣量、進水流量等參數，改變溶解氧、水力停留時間等條件，強化處理效率[10]。

1.3.2 強化污泥回流

試驗設備用污泥回流分內回流和外回流兩部分，分別由二沉池、好氧池回流至A/O系統缺氧段前端進水管道。內回流一般設計范圍為200%～400%，外回流范圍為50%～100%。調整內回流、外回流與進水比例，尋找最適回流比。

1.3.3 增設外加碳源

硝化-反硝化是生物脫氮的主要途徑，理論上電子受體NO3--N的COD當量為2.86 g/g，即將1 gNO3--N還原為N2，需消耗碳源有機物2.86 g[11]。

Barnard[12]曾發現在多數城市污水處理試驗中，C/N為7時，可以實現完全的反硝化反應；Didem[13]認為通常情況下，如果想要達到同時脫氮除磷，則C/N 至少要在9以上；業內普遍認為C/N達到5：1即可認為碳源已經飽和，可以達到較高的污染物去除效果。農村生活污水C/N較低，微生物的反硝化過程將會受到碳源不足的影響，試驗用污水C/N約為2：1，低于理論飽和比例，需外加碳源，提高C/N，促進反硝化效率。控制C/N條件為5：1、10：1、15：1，碳源添加位置為缺氧段及反硝化濾池。

1.3.4 深度處理

現有A/O工藝運行良好，設備出水滿足《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準。為完成各污染物出水提標，經綜合考慮，采用“反硝化濾池+混凝沉淀+纖維過濾”進行污水的深度處理。反硝化濾池采用污水下進上出模式設計，設水洗、氣洗反洗方式，以火山巖作為反硝化菌載體，同時外加碳源提高反硝化效率，以去除硝態氮及亞硝態氮。混凝沉淀裝置通過添加PAC作為混凝劑，在混凝劑的作用下，污水中的膠體和細微懸浮物凝聚成絮凝體，分離去除。PAC采用濕法添加，配置濃度為5%的溶液，添加量控制為10～30 g/m3。

纖維過濾器采用彗星式纖維濾料，一端為彗尾結構松散，一端為彗核結構緊密。濾床橫斷面空隙率均勻，縱斷面由上到下逐漸減小，有利于懸浮物分離，進水方式為上進下出，設水洗、氣洗反洗方式，過濾精度≥5 ?m，過濾速度30～65 m/h，

對混凝沉淀后的廢水進行物理層面過濾，去除水中剩余的雜質，保證出水水質。混凝沉淀裝置、纖維過濾器前端設置容積為5 m3的（1#、2#）污水緩存罐，用以保證處理工藝的連續運行。

整體工藝設計如圖1所示。

2 結果與討論

2.1 運行參數、回流比調整

影響A/O系統運行參數主要有水溫、pH、DO、HRT、SRT等，試驗期間水溫范圍為13～26℃，進水pH 6～8，均適于A/O系統正常運行，可不進行調整。通過前期試驗結果，控制運行條件為：缺氧區DO 0.2～0.5 mg/L；好氧區DO 1.5～2.5 mg/L；HRT 24 h；SRT15 d；進水：內回流：外回流=1：1：2.5。

2.2 反硝化濾池啟動

試驗用反硝化濾池采用自然掛膜啟動方式，根據出水COD、NH3-N、TN數值確定是否啟動。反硝化濾池啟動階段大體可分為三個階段，不可逆附著期、潛伏期和對數增長期[14]。第一階段，微生物隨污水進入系統附著在基質（火山巖）表面，逐漸積累遞增，COD、NH3-N、TN去除率變化為15%、9%、10%。第二階段，微生物進一步增加，進入對數生長期，活性增加，污染物去除率出現明顯上升，COD、NH3-N、TN去除率提升為47%、21%、20%。第三階段，微生物進入高原期，不再出現明顯增長，維持在一個相對穩定的范圍內，新陳代謝形成良性循壞，COD、NH3-N、TN去除率基本穩定為45%、23%、20%。

2.3 污染物去除效果分析

試驗大致分為三個階段，第一階段（2021.4—5月）、第二階段（2021.6—7月）、第三階段（2021.8—9月），分別控制C/N為5：1、10：1、15：1。

2.3.1 TN去除效果分析

進水TN波動范圍為31.8～49.3 mg/L，平均值為40.3 mg/L，出水均值為5.8 mg/L，平均去除率86%。 第一階段，C/N=5：1，TN去除率為77%，出水濃度均值為10.7 mg/L；第二階段，C/N=10：1，TN去除率為90%，出水濃度均值為3.7 mg/L；第三階段，C/N=15：1，TN去除率為92%，出水濃度均值為3.0 mg/L。可以看出隨C/N升高，TN去除效果總體呈上升趨勢。在缺氧段添加碳源后，有利于在無氧條件下，反硝化菌將硝酸鹽（NO3-）作為電子受體完成呼吸作用，將其還原成N2，TN去除率得到有效提升。

2.3.2 TP去除效果分析

由圖2可知，進水TP波動較小，范圍為2.30～3.82 mg/L，平均值為3.18 mg/L，出水均值為0.11 mg/L，平均去除率97%。隨試驗進行，TP進、出水均呈下降趨勢，去除率穩定。據報道，生活污水的TP主要包含磷酸鹽、聚磷酸鹽和有機磷，含量一般在10～15 mg/L，試驗進水TP較常見水平濃度較低。試驗中A/O生物處理工藝通過聚磷菌的厭氧釋磷、好氧吸磷作用能將其轉化為細胞體內的聚合磷酸鹽，形成沉淀污泥，同時在后續深度處理工藝中設置混凝沉淀裝置，采用濕法投加方式添加PAC，使水中磷酸根離子生成難溶性鹽，與水分離后沉淀。經組合工藝處理，試驗各階段，均能高效降低污水中的TP含量。

2.3.3 COD去除效果分析

試驗期間，進水COD一直呈波動狀態，范圍為77～117 mg/L，平均值為102 mg/L，出水均值為22 mg/L，平均去除率94%。進水COD總體呈上升趨勢，出水濃度值相對平穩。試驗各階段，因碳源添加量不同，COD濃度各月波動較大，缺氧段添加碳源后根據處理水量核算COD理論值范圍為252～594 mg/L。大波動范圍下COD去除率始終保證相對平穩，說明組合處理工藝具有穩定、高效的COD去除效果、較強的抗沖擊負荷能力。

2.3.4 NH3-N去除效果分析

進水NH3-N波動范圍為21.6～40.1 mg/L，平均值為27.3 mg/L，出水均值為0.4 mg/L，平均去除率99%。試驗期間 NH3-N進水濃度有所波動，去除效果保持穩定，并未隨C/N調整發生變化，說明A/O工藝段硝化反應始終保持高效穩定運行，能夠及時將NH3-N轉化為NO3-、NO2-。

2.4 各工藝段處理效率分析

C/N=10：1階段，“A/O/反硝化濾池/混凝沉淀/纖維過濾”組合處理技術各工藝段處理效率見表2。

由表可知，A/O段對各項污染物去除效果較好，COD、NH3-N、TP、TN去除率均在85%以上，可見厭氧段外加碳源提升C/N后，硝化液回流至厭氧段反硝化作用強烈，TN去除效果明顯，整體出水優于《GB 18918-2002城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。經A/O段處理后污水進入反硝化濾池，通過外加碳源提升反硝化菌活性，此段出水長期穩定，可以看出反硝化段沒有出現COD殘留及NO2-積累問題，此環節TN出水2.5 mg/L，去除率均值達40%，反硝化效率較高；混凝沉淀、纖維過濾對于各項污染均有一定的去除效果，物化結合深度處理手段有效提升了出水水質。綜上，組合處理技術能有效保證主要污染物的去除，適宜的碳氮比保證了反硝化的高效率，COD、NH3-N、TP、TN去除率分別為95%、99%、97%、94%，TP、TN去除效果明顯提升。

3 總結

采用好氧/缺氧（A/O）/反硝化/混凝沉淀/纖維過濾組合工藝處理低C/N農村生活污水，通過優化運行參數、強化A/O系統內外回流、增設外加碳源等方式，實現了低C/N城鎮生活污水的深度處理，出水水質達到“準Ⅳ類水”標準。此試驗對低C/N農村生活污水的深度處理研究具有一定的參考價值。

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Abstract： A combined treatment technology was used to filter and treat low carbon/nitrogen （C/N） rural domestic wastewater， which consisted of a combination of aerobic/anoxic （A/O）/denitrification/coagulation and sedimentation/fibre. In addition， improved operating parameters， enhanced sludge reflux and the addition of an additional carbon source were used with a view to achieving deeper treatment of low C/N rural domestic wastewater. The results showed that when the control conditions that dissolved oxygen concentration in the aerobic zone was 1.5～2.5 mg/L， dissolved oxygen concentration in the anoxic zone was 0.2～0.5 mg/L， C/N was 10：1， the ratio of influent and external return and internal return was 1：1：2.5， the discharge water had a chemical oxygen demand （COD） concentration of approximately 13 mg/L， ammonia nitrogen （NH3-N） concentration of approximately 0.4 mg/L， the treatment efficiency of TP was 97%， TN was 94%， COD was 97% and NH3-N was 99%， and the discharge water reached the requirements of "quasi-IV water". It was further proved that under this control condition， the deep and efficient treatment of rural domestic wastewater would be achieved.

Key words： rural domestic sewage; low carbon/nitrogen; denitrification filter; coagulation sedimentation