隨著經濟的發(fā)展和農村城鎮(zhèn)化建設的推進，自來水、馬桶、淋浴以及整體廚房等城市化設施在農村逐漸普及，導致農村用水習慣發(fā)生顯著變化，用水量增加，污水排放量也隨之增加。但多數農村地區(qū)基礎配套設施不齊全，缺乏污水收集和處理的環(huán)保設施，帶來了嚴重的環(huán)境污染和公共衛(wèi)生安全問題，引起社會的廣泛關注。如何結合農村經濟、技術情況，對農村污水實施有效處理，是十分必要的。
近年來，政府加大了農村水環(huán)境治理投入，建設了一批集中式污水處理廠和農村分散式污水處理站。但面對占全國總面積近90%，占全國總人口約50%的農村地區(qū)，從財力上來說無法解決%而已建成的大部分農村污水處理站，由于農村基層缺乏運行管理技術、經驗和專業(yè)技術人員，長期無法正常運行或閑置，造成了環(huán)境污染和國有資產的損失。因此，結合農村地區(qū)實際情況，研發(fā)適宜農村污水處理的一體化裝置，對我國農村環(huán)境污染治理具有深遠的意義。
針對我國農村家庭相對分散，沒有污水收集管網或地勢比較復雜污水難以收集的地區(qū)，在前期研究的基礎上，改進完善了一款以農村家庭為處理單元的一體式污水處理裝置一填料生物轉盤%并研究了該裝置在農村家庭生活污水的處理效果，為實現農村家庭污水分散處理提供技術參考。
一、實驗部分
1.1 填料生物轉盤
實驗設計的填料生物轉盤裝置由池體、填料轉盤和電機組成，如圖1所示。池體為半圓柱體，池體分為三個部分：厭氧區(qū)、好氧區(qū)和沉淀區(qū)，為典型的A/O工藝。
池體直徑0.6m，長1.6m，有效容積約0.22m3，其中厭氧區(qū)長度0.3m，好氧區(qū)長度1.1m，沉淀區(qū)長度0.2m，設計處理規(guī)模為0.3m3/d(3-4人/戶)。填料生物轉盤裝置厭氧區(qū)和好氧區(qū)設有填料轉盤，厭氧區(qū)填料轉盤直徑為0.2m，長0.25m，填料為φIOmm的輕質多面空心球生物填料，完全浸沒水面下。好氧區(qū)填料轉盤直徑為0.5m，長0.9m，填料為φ20m的輕質多面空心球生物填料。填料裝填高度為轉盤直徑0.75倍，以防止填料結塊、便于老化生物膜的脫落和空氣傳質。沉淀區(qū)內置填料高度0.2m，填料為粒徑3〜5mm的活性碳顆粒，底部設有排泥口，重力排泥。
農村家庭的生活污水通過家庭化糞池收集，經懦動泵泵入厭氧區(qū)，在厭氧微生物的作用下，進行污染物的初步降解。厭氧出水溢流進入好氧區(qū)，在好氧區(qū)生物膜的作用下，污染物進行碳化、硝化反應，得到充分降解，降解后的出水經過沉淀區(qū)沉淀和濾料過濾處理后，一部分回流到蠕動泵進水口，一部分排放，水中脫落的生物膜沉淀到沉淀區(qū)底部定期排放到化糞池;排放的同時，依靠重力流完成濾料的反洗。
在厭氧和好氧區(qū)中設有填料轉盤，由電機帶動旋轉進行厭氧區(qū)的攪拌和好氧區(qū)的機械曝氣，以節(jié)約能耗，降低運行成本。裝填的輕型生物填料作為生物膜固著介質，以形成較大的生物附著表面。為了便于運行管理，裝置運行的動力來源于一臺減速電機，結構簡單。裝置是結合生物濾池和生物轉盤的特點設計的，屬于生物膜法工藝，不存在活性污泥法的漂泥、膨脹、泡沫等問題，易于管理，生物量大、污泥產量小，處理效果好，適宜農村家庭使用。
1.2 實驗水質
實驗研究于2017年4月在秦皇島市盧龍縣董家略一戶農家進行，該農戶居住人口4人，家中設有化糞池，其廚房、洗手間及院內洗衣等產生的廢水都進入化糞池，通過前期分析測試，平均廢水量為0.24m3/d，廢水COD為160〜260mg/L。NIV-N質量濃度為16.8〜23.6mg/L。TN質量濃度為24.2〜32.5mg/L。TP質量濃度為1.5〜4.8mg/L。pH為7〜8。
1.3 裝置啟動和運行
填料生物轉盤裝置生物膜的培養(yǎng)采用間接掛膜法，接種污泥取自秦皇島市某污水處理廠剩余污泥，和生活污水4：1比例混勻后，泵入到填料生物轉盤的厭氧區(qū)和好氧區(qū)，啟動填料裝盤，以2r/min轉速旋轉進行悶曝培養(yǎng)，24h后關閉轉盤沉淀2h，排掉上清液，泵入新鮮生活污水，再啟動轉盤悶曝培養(yǎng)，重復上述操作，7天左右轉盤的框架和填料表面掛上一薄層灰色生物膜，沉淀排放掉底部污泥，改為小水量連續(xù)進水，進行動態(tài)培養(yǎng)，并逐漸加大流量，大概20天左右，填料上的膜明顯變厚，觸摸柔滑，有粘性，鏡檢出現輪蟲和線蟲，表明生物膜培養(yǎng)成熟，調節(jié)流量為設計流量運行。
1.4 分析項目與方法
COD、NH4+-N、TN、TP常規(guī)水質指標采用連華科技多功能水質分析儀，按照國家環(huán)境保護部頒布的相應標準方法測定。pH和DO采用哈希便攜式pH計和溶解氧儀測定。
二、結果與討論
2.1 COD的處理效果
填料生物轉盤裝置在生物膜培養(yǎng)階段即掛膜啟動階段COD的變化和去除效果如圖2所示。
由圖2可知，填料生物轉盤啟動階段進水COD在170〜250mg/L，培養(yǎng)初期系統COD的去除率達23.6%，這是投加的活性污泥菌種的吸附作用，隨著投加的活性污泥在系統里的適應并在填料上附著生長，COD的去除率穩(wěn)步上升，培養(yǎng)7—8天時COD的去除率就穩(wěn)定在50%以上，轉盤的框架和填料表面掛上一薄層淺灰色生物膜如圖3(a)所示，系統改為小流量連續(xù)進水，第9、10天COD的去除率略有下降，主要有兩方面原因：一方面為減少活性污泥跟生物膜的競爭，排放了底部的活性污泥，導致處理效果下降。另一方面系統小流量進水，開始階段池內有機物較少，影響了生物膜對有機物的降解M。隨著流量的增加和系統微生物對連續(xù)進水的適應，COD去除率持續(xù)增加，20天左右穩(wěn)定在75%以上。轉盤的框架和填料表面的灰色生物膜明顯增厚如圖3(b)所示，出水COD穩(wěn)定在50mg/L以下，表明填料生物轉盤掛膜完成。整個掛膜周期持續(xù)20天，較一般生物濾池掛膜周期長，主要原因：一方面4月份秦皇島地區(qū)溫度較低，早晚溫差較大，另一方面填料在轉盤內隨轉盤旋轉運動，較靜止填料吸附掛膜要慢。
2.2 NH4+-N的處理效果
填料生物轉盤生物膜培養(yǎng)階段NH/-N的變化和去除效果如圖4所示。
由圖4可知，掛膜啟動后，填料生物轉盤運行的前6d，對NH/-N的去除率較低，平均不足8%，且增長緩慢，主要因為在掛膜初期，細菌在轉盤的填料上附著不穩(wěn)定，易隨轉盤旋轉而脫離;同時，硝化菌為自養(yǎng)型細菌，生長增值速度較降解有機物的異養(yǎng)菌慢，與異養(yǎng)菌爭奪碳源和溶解氧處于劣勢，影響著硝化反應的進行，需要更長的時間在轉盤填料表面附著與適應。6天后，NH/-N的去除率快速增加，16天左右去除率達到81%，表明這一階段硝化菌適應了新環(huán)境后開始大量的生長和繁殖，與異養(yǎng)菌的競爭劣勢減弱。20天左右，去除率穩(wěn)定在85%以上，且運行穩(wěn)定。
2.3 TN的處理效果
污水中總氮的去除是通過微生物的同化作用和反硝化作用完成的，其中同化作用對TN的去除較少，反硝化作用是去除總氮的主要過程。而反硝化脫氮需要好氧區(qū)產生的硝酸鹽，在系統啟動初期，填料生物轉盤的生物膜未形成，好氧區(qū)混合液中硝酸鹽產生較少，因此啟動初期未進行硝化液回流，也未進行總氮的測定。此次實驗在生物膜培養(yǎng)20d時，開始硝化液回流(重力回流至泵進水口)，回流比為150%，測定TN的變化和去除效果如圖5所示。
由圖5可知，在混合液回流比為150%的條件下，運行第2天，TN的去除率即達到36.3%，表明前20天的掛膜，厭氧區(qū)的填料中已有反硝化細菌生物膜，回流后，為反硝化菌的脫氮創(chuàng)造了有利的條件。之后，TN的去除率逐步上升，脫氮試驗運行第5天，TN去除率就穩(wěn)定在60%以上，表明厭氧區(qū)生物轉盤為反硝化菌提供了良好的生長環(huán)境，促進了反硝化菌的快速生長和繁殖。
2.4 系統穩(wěn)定運行的處理效果
填料生物轉盤生物膜培養(yǎng)完成后系統進入正常運行階段，2017年5—11月份之間系統運行效果見表1，進水水質、出水水質為測定期間的平均值。
由表1可知，填料生物轉盤在運行期間(5—11月)運行較為穩(wěn)定，COD、氨氮、總氮和總磷去除效率分別穩(wěn)定在75%、85%、65%和75%以上，出水水質的COD、氨氮、總氮優(yōu)F城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918—2002)—級A標準，總磷達到一級B標準。11月份處理效果略低于其他月份，這是由于氣溫降低，填料轉盤上生物膜的生物酶的活性減弱，降解速率減慢，導致污染物去除效果下降。因此冬天該裝置的運行，需要考慮采用加外罩或放置室內等保溫措施。
2.5 裝置運行管理
由于農村家庭污水水量少，裝置設計采用的進水泵為蠕動泵，泵與污水無直接接觸，不存在泵的堵塞、腐蝕等問題，僅需要定期檢查泵的蠕動管，發(fā)現泵管損壞，自行更換即可。除了泵之外，該裝置還有一個動力設備減速電機，基本不需要維護。工藝上裝置采用生物膜法，不存在活性污泥法中的污泥膨脹等技術性問題，不需要專業(yè)技術人員運行維護。運行過程中，沉淀區(qū)的污泥需定期打開排泥閥，排放到化糞池，排放底部污泥的同時，沉淀池中的填料同時得到反沖洗，一般冬天10-15天/次，夏季3-5天/次，每次沉淀區(qū)中水排完為止。整個運行過程簡單，不需要專業(yè)技術人員。
三、結論
1)填料生物轉盤裝置能夠實現農村家庭污水污染物的處理，且結構緊湊，占地面積小、不需要專業(yè)人員維護，易于用戶運行管理，適用于村鎮(zhèn)家庭分散式生活污水的處理。
2)填料生物轉盤裝置穩(wěn)定運行后，對污水中的COD、氨氮、總氮和總磷具有較好的去除效果，出水水質穩(wěn)定。出水COD、氨氮和總氮優(yōu)于GB18918—2002—級A出水標準，TP能夠達到GB18918—2002—級B出水標準要求。（來源：河北環(huán)境工程學院）
