小流量分散型污水处理生物反应器试验研究

环保网讯:1引言(Introduction) 分散污水是指农村社区、军队驻地、高速公路服务区、机场、独立别墅区、旅游风景区等地处郊区，分布分散，无法纳入市政管网覆盖范围的特定区域产生的污水，这类污水具有水量小、排放分散、水质水量波动较大、可生化性好等特点(陈书雪等，2011;吕锡武，2012;陈吕军，2014;陈汗龙等，2015).分散污水不适宜进行集中处理，应进行就地处理，就地回用.

根据水量及收集方式的不同，分散式污水处理有不同的处理规模，如在农村污水处理中，可分为单户污水分散收集处理模式、联户污水分散收集处理模式和村落污水集中收集处理模式(Libralatoetal.,2012;王阳等，2015).由于当地居住状况和经济情况不同，对污水处理设施的选择也不相同.

当前小流量分散污水常用的生物膜法、稳定塘、氧化塘、人工湿地等处理工艺，对污染物的削减有一定的作用，但也面临着诸多问题.比如，稳定塘占地面积大、污泥容易淤积(刘云国等，2014);人工湿地一般不宜直接处理较高浓度的生活污水，并存在水力负荷低、占地面积大、易受气候和温度影响等问题(刘峰等，2010;孙宗建等，2007);净化槽工艺虽对污水中COD、BOD和NH4+-N等具有较好的处理效果，但设计中较少考虑TN和TP的去除(王昶等，2009);而生物接触氧化法的填料造价高，增加了投资，另外对生物接触池内布水、布气的均匀性有一定要求(赵贤慧等，2010).随着更严格的污水排放标准的出台，对总磷、总氮等污染物的处理要求也进一步提升，以往分散式污水处理设施很难满足新的要求.

连续流间歇曝气工艺在国内外均有研究，相对于传统活性污泥工艺，间歇曝气工艺可以减少反硝化过程中对碳源的需求，适用于低C/N污水的脱氮(Haoetal.,1996;Fulazzakyetal.,2015).Insel等(2006)研究认为，曝气停曝的循环时间和其中曝气时间的占比对整个反应脱氮的过程有重要影响.国内对间歇曝气工艺的研究多集中在现有污水处理厂的提标改造及处理过程中的控制参数上，如张雯等(2013)研究了间歇曝气和连续曝气对完全混合反应器脱氮性能的影响，指出间歇曝气时，由于厌氧阶段有利于异养型兼性厌氧菌的代谢活动，故反硝化进行得较为彻底，对总氮的去除率可以维持在70%以上.金春姬等(2003)对低C/N污水进行间歇曝气工艺处理，考察了间歇曝气周期对污水脱氮的影响，认为曝气时间应根据进水氨氮负荷保持在0.5h以上，搅拌缺氧的时间应该控制在1h左右.乔海兵等(2006)通过对连续流间歇曝气氧化沟的研究，指出循环周期越小，好氧和缺氧交替频率越高，系统中的DO水平相对较高，有利于硝化，同时也有利于消除停气期的短流影响;随着曝气时间占比的降低，停气时间的增加，进水中的有机物进入沟内，作为反硝化的外加碳源，从而使反硝化速率加快.然而，对于分散式的间歇式曝气活性污泥工艺应用于分散式污水处理还鲜有报道.由于处理成本及水量水质条件的制约，研究处理量小、能耗较低的间歇曝气反应器的处理效能具有重要的现实意义.

本文通过对应用于分散型污水处理的间歇曝气生物反应器进行生产性试验研究，考察生物反应器去除COD、氮、磷的效果，以期为其在分散式污水处理过程中的应用提供建议.

2材料与方法(Materialandmethods)

2.1实验装置

连续流间歇曝气前缺氧生物反应器(以下简称“生物反应器”)根据课题组前期研究成果设计加工(Liuetal.,2017;Liuetal.,2017)，具体如图1所示.生物反应器整装在一个集装箱内，总容积为27.6m3，其中，混合池为3.2m3，间歇曝气池为19m3，污泥截留池为2.2m3，终沉池为1.9m3.污水进入混合池进行混合后进入间歇曝气池.间歇曝气池运用溶氧仪在线控制装置和中控电路(PLC)控制曝气强度和曝气时间比.间歇曝气池与混合池之间通过内回流管路相连，通过调节回流流量控制混合液回流比.污水流经间歇曝气池后，经折板或细管与污泥截留池相连，泥水混合物在截流池进行泥水分离澄清后，上清液流入终沉池进行进一步澄清并外排，截留的污泥通过污泥回流装置返回到间歇曝气池，可使间歇曝气池保持较高的污泥浓度.终沉池设置污泥排出装置，将所有沉淀的剩余污泥排出.可通过控制排泥时间，达到控制污泥停留时间的目的.

图1生物反应器示意图

生物反应器间歇曝气池通过PLC自动控制曝气和停曝时间，实现间歇式曝气.曝气阶段溶解氧浓度由溶氧仪(型号：WTWIQSensorNet2020XTController)控制.当曝气后溶解氧的浓度达到设定上限值(如2.5mg˙L-1)时，曝气风机自动停止曝气，此时混合装置自动开启，生物反应器中生物消耗溶氧.当溶解氧浓度下降到设定下限值(如0.5mg˙L-1)时，曝气风机自动开启，进行鼓风曝气.本研究中通过调节曝气时间比、混合液回流比、HRT等组合工况条件，考察了该生物反应器去除COD、氮、磷效果.每个工况维持至少15d，其中，工况Ⅵ维持30d以上，工况Ⅶ维持3个月.工况条件如表1所示.

2.2实验用水

实验污水取自山东省日照市某市政生活污水处理厂曝气沉砂池，经提升泵进入反应装置.生物反应器接种污泥取自此污水厂氧化沟.反应器进水水质指标如表2所示.

2.3分析项目及方法

污水进出水样品混合均匀后测定其总COD、总氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、总磷(TP)，上述各指标所采用的Hach水质分析法的序号分别为8000、10072、10031、10020、8190.反应池中污泥浓度(MLSS)采用重量法测定，pH使用便携式pH计(WTWMulti3220)测定.

3结果与讨论(Resultsanddiscussion)

3.1生物反应器内溶解氧浓度变化

生物反应器间歇曝气池中溶解氧在一个间歇曝气周期随时间变化情况如图2所示.曝气阶段，池中平均溶解氧浓度由图中水平虚线标示.以工况Ⅰ为例，曝气开始时，池中溶解氧浓度上升，当达到曝气上限2.5mg˙L-1时，曝气泵停止工作;当溶解氧达到设定下限0.5mg˙L-1时，曝气泵自动开启.如此循环往复，直到曝气周期停止，池中平均溶解氧浓度为1.64mg˙L-1.当曝气阶段结束，进入停曝混合阶段，溶解氧需要被消耗10~20min才能进入缺氧阶段.传统活性污泥法要求曝气池溶解氧浓度不小2.0mg˙L-1，以保证硝化反应的完全.研究表明，降低反应器溶解氧浓度，可以减小曝气能耗，如将曝气溶解氧浓度控制在0.5mg˙L-1，据估计将节约10%的运行能耗(Liuetal.,2013).同时低溶解氧浓度可以促使反应器中菌群变化，促进同步硝化反硝化的进行，提升TN去除率(吕锡武等，2001;吴昌永等，2012;Liuetal.,2013).

图2不同曝气和停曝时长曝气区溶解氧浓度的变化

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