截止 2017 年末，我國(guó)鄉(xiāng)村人口基數(shù)達(dá) 57 661 萬(wàn)，為總?cè)丝诘?41.48%，全國(guó)范圍內(nèi) 68.7%的行政村采用集中供水，卻僅有 20%的行政村對(duì)污水進(jìn)行處理，可見(jiàn)我國(guó)農(nóng)村污水治理形勢(shì)嚴(yán)峻。我國(guó)農(nóng)村分布多為自然聚居形成，村村之間分布相對(duì)分散，建設(shè)污水管道收集系統(tǒng)成本高，導(dǎo)致了農(nóng)村污水具有區(qū)域水量小、水量變化系數(shù)大、宏觀上總量大的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)以及地域特點(diǎn)使城市的大型污水處理技術(shù)和模式難以適用，因而開(kāi)發(fā)一體化處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村污水就地處理是解決農(nóng)村污水治理問(wèn)題尤為重要。

　　曝氣生物濾池相比活性污泥法在污水處理應(yīng)用中，具有占地面積小、有機(jī)負(fù)荷高、不產(chǎn)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，適合設(shè)計(jì)為一體化設(shè)備。而濾速直接反映了設(shè)備的處理能力，決定了設(shè)備的體積、設(shè)備造價(jià)等，是影響設(shè)備設(shè)計(jì)和處理效果的重要參數(shù)。因此有必要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定優(yōu)化的濾速。

　　本研究以佛山某污水廠進(jìn)水模擬農(nóng)村污水，考察濾速對(duì)一體化復(fù)合生物濾池污水處理效果的影響，根據(jù)不同工況條件下的處理效果，得出優(yōu)化工藝參數(shù)，同時(shí)了解濾速對(duì)生物濾池作用規(guī)律，以期為實(shí)際工程設(shè)計(jì)的參數(shù)選取提供參考依據(jù)。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與工藝流程

　　實(shí)驗(yàn)裝置為一體化復(fù)合生物濾池，由 AOA 3 級(jí)濾池串聯(lián)而成，材料為不銹鋼板，外形尺寸 l×b×h=1.8 m×1.8 m×6.0 m，占地 4 m2。第 1 級(jí) I 號(hào)池(l×b×h=1.0 m×1.0 m×6.0 m)為降流式膨脹床生物濾池，正常運(yùn)行過(guò)程不曝氣，底部設(shè)有膜孔氣沖系統(tǒng)，裝填 8～ 12 mm 漂浮濾料，濾料厚度 3.3 m。第 2 級(jí) II 號(hào)池(l×b×h=1.8 m×0.8 m×5.0 m)為升流式流化床曝氣生物濾池，底部搭配單孔膜曝氣系統(tǒng)，運(yùn)行時(shí)持續(xù)曝氣，裝填粒徑 4～6 mm 濾料，濾料厚度 2.9 m。第 3級(jí) III 號(hào)池(l×b×h=1.0 m×0.8 m×5.0 m)為降流式膨脹床生物過(guò)濾池，正常運(yùn)行不曝氣，底部設(shè)有膜孔氣沖系統(tǒng)，裝填 4～6 mm 粒徑濾料，濾料厚度 2.9 m。各級(jí)濾池均采用上濾網(wǎng)下濾板結(jié)構(gòu)，上部不銹鋼濾網(wǎng)孔徑 2.5 mm，漂浮陶粒填充在濾網(wǎng)濾板之間，其水浸潤(rùn)顆粒密度為 0.9～1.1 g/cm3。提升泵選用原水潛污泵，單臺(tái)功率 0.75 kW;曝氣風(fēng)機(jī)選用羅茨鼓風(fēng)機(jī)，單臺(tái)功率 0.75 kW。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，提升泵將污水從調(diào)節(jié)池打入 I 號(hào)池頂部配水系統(tǒng)，經(jīng) I 號(hào)池降流處理后從底部進(jìn)入 II 號(hào)池，II 號(hào)池頂部出水一部分回流至 I 號(hào)池剩余部分進(jìn)入 III 號(hào)池，III 號(hào)池降流過(guò)濾后，實(shí)現(xiàn)污水處理達(dá)標(biāo)排放。運(yùn)行工藝流程如圖 2 所示。

　　1.2 水質(zhì)與實(shí)驗(yàn)方法

　　實(shí)驗(yàn)采用佛山某污水廠調(diào)節(jié)池污水，其 COD為 150～350 mg/L，NH3-N、TN、TP 的質(zhì)量濃度分別為 13～22、17～55、2～5.3 mg/L。

圖 1  一體化復(fù)合生物濾池結(jié)構(gòu)

圖 2  運(yùn)行工藝流程

　　設(shè)備安裝調(diào)試完成后，采用接種掛膜法啟動(dòng)設(shè)備。將某污水處理廠的污泥投入設(shè)備后悶曝，進(jìn)水體積流量由 30 m3/d 逐漸升至 100 m3/d，連續(xù)運(yùn)行，對(duì)COD 的去除率達(dá)到 65%，對(duì) NH3-N 的去除率平均為 65%，對(duì) TN 和 TP 的去除率均達(dá)到了 20%左右，認(rèn)為掛膜成功。掛膜成功后，設(shè)備在氣水體積比 5:1、回流體積比 100%工況下穩(wěn)定運(yùn)行，調(diào)節(jié)進(jìn)水流量改變?yōu)V池濾速，從而確定優(yōu)化運(yùn)行工況。實(shí)驗(yàn)設(shè)置了3 種運(yùn)行工況，如表 1 所示。

　　表 1 濾速優(yōu)化實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況

　　1.3 分析方法

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)及方法如表 2 所示。

　　表 2 檢測(cè)指標(biāo)及方法

　2 結(jié)果與討論

　　2.1 COD 的去除效果

　　一體化復(fù)合生物濾池在不同濾速條件下對(duì) COD的處理效果如圖 3 所示。

　　由圖 3 可知，隨著濾速提高 COD 去除效果呈下降趨勢(shì)。在濾速一條件下，COD 出水平均總?cè)コ�率�?84.99%，而在濾速二和濾速三條件下出水平均總?cè)コ�率分別為 84.35%和 78.51%。可見(jiàn)在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)濾速提高對(duì) COD 去除有不利影響。

　　一體化復(fù)合生物濾池運(yùn)行過(guò)程中，濾速增大會(huì)導(dǎo)致水力剪切力增大，加劇對(duì)濾料的沖刷，合適強(qiáng)度下的沖刷有助于濾料表面生物膜的更新，過(guò)度沖刷則會(huì)導(dǎo)致生物膜脫落嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)濾速?gòu)臑V速一提升到濾速二時(shí)，COD 去除率變化不大，總平均去除率從 84.99%變?yōu)?84.35%，說(shuō)明在濾速二條件下微生物仍能較穩(wěn)定生長(zhǎng)，而當(dāng)濾速提高到濾速三時(shí)，COD去除率下降幅度有所擴(kuò)大，平均降為 78.51%，不排除是因?yàn)樗�力沖刷作用對(duì)微生物生長(zhǎng)造成影響。

　　濾速增大縮短了污水與生物膜的接觸時(shí)間，過(guò)大的濾速使得污水中的污染物未來(lái)得及被濾料表面的微生物吸附降解就排出濾池，進(jìn)而影響處理效果。同時(shí)陶粒濾料密度與水相當(dāng)，II 號(hào)池中的陶粒濾料處于流化狀態(tài)，濾速加大，濾料間的間隙擴(kuò)大，可能導(dǎo)致部分污水中的有機(jī)物尚未與濾料表面的微生物接觸就排出濾池，因此濾速最大的濾速三工況的 COD去除率也是最低的。

　　在濾速三條件下，雖然 COD 去除率有所下降，但 III 號(hào)池出水 COD 穩(wěn)定在 50 mg/L 以下，達(dá)到了 GB 8978-1996 的一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)。說(shuō)明該一體化設(shè)備有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，可適應(yīng)一定的水量變化，適用農(nóng)村污水水量波動(dòng)特點(diǎn)。

　　2.2 NH3-N 的去除效果

　　不同濾速條件下一體化復(fù)合生物濾池對(duì) NH3-N的處理效果如圖 4 所示。由圖 4 可知，濾速對(duì)一體化設(shè)備去除 NH3-N 有較大影響。在濾速一、二條件下 NH3-N 去除效果較佳，總?cè)コ�率平均可達(dá) 90.08%和 89.22%，而在濾速

　　三條件下，NH3-N 總?cè)コ�率明顯下降，平均為 83.78%，說(shuō)明濾速增大到一定程度時(shí)，一體化設(shè)備對(duì) NH3-N處理效果會(huì)有較大幅度下滑。

　　污水中 NH3-N 的去除通過(guò)硝化細(xì)菌在好氧條件下將 NH3-N 轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮實(shí)現(xiàn)。硝化自養(yǎng)菌的世代時(shí)間長(zhǎng)，且對(duì)底物、溶解氧和 pH 條件要求較苛刻，在污水中有機(jī)物含量較高的情況下，相對(duì)異養(yǎng)菌容易處于生長(zhǎng)劣勢(shì)。結(jié)合圖 2，在濾速一、二條件下 II 號(hào)池出水 COD 去除效果較佳，可以判斷在有機(jī)物生長(zhǎng)條件上硝化細(xì)菌處于優(yōu)勢(shì)地位。同時(shí)在此時(shí)的濾速條件下污水與 II 號(hào)池濾料接觸時(shí)間較長(zhǎng)，硝化細(xì)菌有足夠時(shí)間完成硝化作用，因而有較高的 NH3-N 去除率。而在濾速三條件下，自養(yǎng)菌與硝化細(xì)菌競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，同時(shí)較大濾速縮短了硝化細(xì)菌與污水接觸時(shí)間，且 II 號(hào)池持續(xù)曝氣，在較大的濾速和曝氣狀態(tài)下，流化的陶粒濾料相互碰撞摩擦加劇，生長(zhǎng)在陶粒表面的生物膜在此環(huán)境中容易脫落，在氣水?dāng)噭?dòng)沖刷作用下隨出水排出濾池，因此濾速三條件下 NH3-N 去除效果不如濾速一和濾速二。具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://m.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　一體化復(fù)合生物濾池對(duì) NH3-N 具有較好的去除效果，實(shí)驗(yàn)中 3 種濾速條件下對(duì) NH3-N 去除率均可達(dá)到 80%以上，較小濾速條件下可達(dá)到 90%。綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出保持 I 號(hào)池濾速在 10 m/h 也能保持出水 NH3-N 含量達(dá)到 GB 8978-1996 的一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.3 TN 的去除效果

　　一體化復(fù)合生物濾池在不同濾速條件下對(duì) TN的去除率如圖 5 所示。

　　由圖 5 可知，TN 含量對(duì)濾速變化較為敏感，當(dāng)濾速條件從濾速一調(diào)整為濾速三時(shí)，總?cè)コ�率從平�?55.59%降到 46.97%。在濾速三條件下，出水 TN的質(zhì)量濃度出現(xiàn)超過(guò)或接近 15 mg/L 的情況，不能穩(wěn)定達(dá)到GB 8978-1996 的一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)。濾速二工

　　況下，TN 平均去除率為 54.76%，相比濾速一工況略有下降。

　　反硝化脫氮由反硝化細(xì)菌在缺氧環(huán)境下以有機(jī)物為電子供體，硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行生物化學(xué)反應(yīng)，將污水中的硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)猓瑢?shí)現(xiàn)TN 去除。結(jié)合圖 3 可以發(fā)現(xiàn)，濾速三工況下的 NH3-N 去除率比濾速一、二工況要低，說(shuō)明在濾速三中回流的硝化液可供反硝化細(xì)菌利用的硝酸鹽占TN 的比例降低，進(jìn)而影響了 TN 的去除率。濾速一、二工況條件下，NH3-N 硝化效率高，II 號(hào)池出水COD 的去除率也達(dá)到了 80.21%和 78.68%，說(shuō)明進(jìn)水有機(jī)物大部分被用于反硝化反應(yīng)，因此濾速一、二工況下的 TN 去除效果較好。

　　另一方面，濾料表面的生物膜厚度影響了反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)環(huán)境。當(dāng)生物膜厚度較薄時(shí)，溶解氧容易進(jìn)到生物膜里層，破壞反硝化細(xì)菌所需的缺氧環(huán)境[12]。濾速由濾速一提高到濾速三時(shí)，水力沖刷作用加強(qiáng)，濾料表面生物膜受到破壞，反硝化菌的生長(zhǎng)受到一定程度的抑制，因此 TN 去除率下降。而濾速由濾速一提高到濾速二時(shí)，盡管有水力沖刷提高的影響，但是濾速二提高了進(jìn)水負(fù)荷，補(bǔ)充了反硝化所需碳源，有利于反硝化反應(yīng)進(jìn)行，因此也能保持較高的脫氮能力。

　　濾速提高帶來(lái)的水力停留時(shí)間變化也是影響脫氮性能的一個(gè)因素。濾速三工況下的濾速最大，污水與濾料接觸時(shí)間最短，部分進(jìn)水可能未來(lái)得及與生物膜接觸就穿過(guò)濾床，因而濾速三脫除 TN 的效率最低。

　　2.3 TP 的去除效果

　　不同濾速工況下的一體化復(fù)合生物濾池對(duì)污水中 TP 的去除效果如圖 6 所示。

　　由圖 6 可知，在濾速一、二、三工況下 II 號(hào)池出水 TP 平均去除率分別為 18.4%、17.86%、16.78%，

　　去除效果不明顯。生物除磷的原理之一是聚磷菌在厭氧條件下釋磷，在好氧條件下超量吸磷，通過(guò)排出好氧池的污泥達(dá)到去除水中磷元素的目的。一體化復(fù)合生物濾池不存在嚴(yán)格厭氧池，因此生物除磷效果不佳。

　　實(shí)驗(yàn)中通過(guò)在 III 號(hào)池投加絮凝劑聚合硫酸鐵(PFS)達(dá)到去除 TP 的目的。II 號(hào)池出水與 PFS 混合攪拌之后進(jìn)入 III 號(hào)池，在 III 號(hào)池的截留過(guò)濾作用下去除 TP。由圖 5 可以看出，通過(guò)化學(xué)輔助除磷，TP 去除率明顯提高，在 3 個(gè)濾速工況下總平均去除率分別達(dá)到 64.74%、66.53%、67.80%，濾速提高 TP去除率略有提高，原因可能是當(dāng)濾速較大時(shí)，絮凝劑與污水混合攪拌更加充分，其水解產(chǎn)物與污水中的磷元素能有更多碰撞，更容易形成絮體被 III 號(hào)池截留過(guò)濾。

　　在投加絮凝劑后，出水 TP 的質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定在 1 mg/L 以下，達(dá)到 GB 8978-1996 的一級(jí) B標(biāo)準(zhǔn)，若要提高 TP 去除率使其達(dá)到一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)，可嘗試通過(guò)增加絮凝劑投加量和強(qiáng)化混和攪拌條件，使不同濾速工況都能達(dá)到較好的混合效果。

　　3結(jié) 論

　　保持氣水體積比 5:1、回流體積比 100%，在 I 號(hào)池濾速分別為 6.0、8.0、10.0 m/h 3 種濾速工況對(duì)一體化復(fù)合生物濾池對(duì) COD、NH3-N、TN、TP 4 個(gè)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，一體化復(fù)合生物濾池對(duì)COD、NH3-N、TN 的去除效果整體隨濾速增大而減小，其中 TN 指標(biāo)對(duì)濾速變化更為敏感。而 TP 指標(biāo)由于設(shè)備缺乏嚴(yán)格厭好氧環(huán)境切換而導(dǎo)致生物除磷效果差，可通過(guò)投加絮凝劑實(shí)現(xiàn)指標(biāo)出水達(dá)標(biāo)。在 3 種濾速工況中，濾速一和濾速二工況的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)接近，表明在此范圍內(nèi)，濾速對(duì)處理效果影響較小，而濾速三工況的數(shù)據(jù)顯示其處理效果明顯要劣于濾速一、二。在 COD、NH3-N 指標(biāo)中，3 種濾速都能較穩(wěn)定的達(dá)到 GB 8978-1996 的一級(jí) A標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明該設(shè)備對(duì) COD、NH3-N 有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。但是在 TN 指標(biāo)，在濾速三工況下，會(huì)出現(xiàn)出水水質(zhì)無(wú)法達(dá)到 GB 8978-1996 一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)的情況。而 TP 指標(biāo)的達(dá)標(biāo)主要取決于絮凝劑的投加，濾速對(duì)其影響較小。

　　因此在實(shí)際工程運(yùn)行和設(shè)計(jì)中，在回流體積比100%，氣水體積比 5:1 條件時(shí)建議采用I 號(hào)池濾速 8m/h。此濾速條件下設(shè)備處理效果穩(wěn)定，出水水質(zhì)好，相比于 I 號(hào)池濾速 6 m/h 的條件，其設(shè)計(jì)的設(shè)備體積要小、工程造價(jià)低。且在此濾速運(yùn)行設(shè)計(jì)條件下，能適應(yīng)水量的波動(dòng)，對(duì)于處理農(nóng)村污水更為合適。(來(lái)源：華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院)