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爱尔斯微课堂|农村生活污水处理装置实验研究
由于农村住户分散、生活污水随意排放且污水收集管网与集中处理设施不完善，农村水环境不断恶化，但近年来，随着人们对生态文明建设重要性的认识不断加深，农村污水处理也成了颇为关注的治理方面。国外对农村污水处理的研究较早，有过滤、土地处理与暗管排水相结合的“Filter”技术，利用生物质与粪便的生态厕所工艺，生物膜法与浮游生物结合的净化槽装置，利用菌藻共生的高效藻类塘处理技术等；国内研究较多的是厌氧沼气池、稳定塘、土地渗滤系统、生物/生态处理系统、MBR一体化设备等，无动力设施存在占地面积大、出水水质不稳定的问题，而一体化设备则存在运行电耗较高、缺乏专业人员管理的问题。为解决农村生活污水处理成本过高的问题，本文将介绍一种以太阳能光伏发电为动力的强化混凝/A/O生物接触氧化一体化装置，其运用光伏动力系统降低电耗，占地面积小，在农村污水处理领域具有一定的应用前景和推广价值。
实验部分
装置由PVC材料加工而成，外形尺寸为L×B×H=1.5m×1.4m×1.5m。装置主要处理单元如下：
混凝池：尺寸L×W=0.25m×0.25m，有效高度为0.32m，总高度0.58m。强化混凝阶段选择复配比为15：1、纯固含量分别为40%、30%的HCA/PAC复配混凝剂。
初沉池：尺寸L×W=0.30m×0.30m，有效高度为0.65m。主要作用为强化固液分离与调节水质，混凝后污水进入初沉池后，细小絮体碰撞形成较大的颗粒，从而被沉淀去除。
生物接触氧化池：缺氧池与好氧池容比约1：3，缺氧池尺寸L×W=0.2m×0.3m，好氧池尺寸L×W= 0.41m×0.5m，有效高度为1.0m。在缺氧池与好氧池底部隔板预留过水孔洞；好氧池内放置尺寸L×W= 0.47m×0.38m、高度为0.9m的填料支架，并在底部安装微孔曝气设施；缺氧池底部放置循环泵搅拌污泥。
二沉池：池体尺寸L×W=0.52m×0.52m，有效高度为0.55m。主要作用是沉淀去除生物接触氧化池中脱落的生物膜，保证出水水质。污泥池：污泥池尺寸L×WW=0.3m×0.4m，有效高度为1.0m。
回流系统：污泥回流系统与硝化液回流系统均由蠕动泵控制，在蠕动泵后设置浮子流量计调控回流量；通过微电脑时控开关进行时段控制以实现污泥回流系统的间歇运行。
光伏动力系统
配备太阳能光伏发电储能系统为一体化装置运行提供动力，光伏动力系统由太阳能光伏阵列、逆变器、控制器和蓄电池组构成，光伏发电储能系统在太阳能辐射充足时直接由光伏发电系统供电，太阳能辐射不足时，由蓄电池进行供电同时预备外接电源以保证一体化装置正常运行。
实验用水及指标测定方法
农村生活污水具有污水水质、水量波动较大，基本不含重金属等有毒物质的特点，校园生活污水与其水质成分相似且具有相同的特征。为方便实验研究，实验用水以校园生活污水模拟农村生活污水。
测定指标与方法：COD：HACH DRB200消解器消解、HACH DR5000紫外可见分光光度计测定；NH4+-N：纳氏试剂分光光度法；TN：碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；TP：过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法；DO与水温：HACH HQ-10便携式溶解氧分析仪。
一体化装置以接种挂膜法进行挂膜启动，接种污泥取自兰州安宁某污水处理厂，装置启动运行32d后，对COD与NH4+-N的去除率分别稳定在80%与60%以上，生物膜上微生物镜检观察到变形虫、轮虫和线虫等微生物，表明装置挂膜启动完成。装置稳定运行优化工艺条件后，选择复配比为15：1的HCA/PAC混凝剂，在混凝剂投加量为20mg/L、水力停留时间为13.3h、硝化液回流比为200%、气水比为18：1的运行条件下，对一体化装置去除各污染物情况做以分析说明。
COD的去除效能
在进水pH为7.5-8.5、水温为15-21℃、进水COD在260-410mg/L时，一体化装置对COD的去除情况如图所示。进水COD波动较大时，一体化装置对有机物有较好的去除效果，COD去除率稳定在90%以上（出水平均为28.17mg/L）。在强化混凝阶段适量投加HCA/PAC复配混凝剂可降低胶体的静电排斥作用，悬浮性有机物主要与混凝剂水解产物相互结合反应经电性中和作用，在吸附架桥、网捕卷扫辅助下得到有效去除；生物接触氧化阶段使用组合填料，易于挂膜又能形成良好的混合流态，接触传质与氧转移利用率高，生物膜水气充分交换，一定比例的硝化液回流提高了系统水力负荷，增强了对填料表面生物膜的冲刷作用，加速了生物膜的更新，适当的HRT降低了系统有机负荷，有机物在微生物作用下得到有效去除。
NH4+-N的去除效能
在进水溶解氧为3-4mg/L、pH为7.5-8.5、水温为15-21℃、NH4+-N质量浓度为45-80mg/L时，一体化装置对NH4+-N的去除情况如图所示。实验表明，一体化装置对NH4+-N有较好的去除效果，NH4+-N去除率稳定在90%以上（出水平均为4.14mg/L）。水中的氨氮大部分是以非离子氨和离子氨的形式存在，混凝阶段主要去除颗粒性物质，对其去除影响不大；生物处理阶段水力停留时间充足，污染物负荷较低，一定的硝化液回流稀释了缺氧池进水氨氮浓度，降低了冲击负荷，好氧池的有机物浓度降低，提高了硝化自养菌竞争力，抑制了异养菌的生长，使得硝化细菌为优势菌种，系统对NH4+-N的去除效果较好。
TN的去除效能
在进水pH为7.5-8.5、水温15-21℃、进水TN质量浓度为40-80mg/L时，一体化装置对TN的去除情况如图所示。实验阶段TN去除率在48%-56%，一体化装置对TN去除效果欠佳。一方面是由于强化混凝阶段，投加复配混凝剂使得部分有机物被去除，进入生物接触氧化池污水C/N比降低，导致反硝化脱氮过程碳源不足，影响了生物处理阶段对TN的去除；另一方面，一定比例的硝化液回流能提升缺氧池有机物浓度，为反硝化过程补充一定的电子供体，但经过混凝阶段絮凝沉淀与生化处理好氧段微生物降解作用，污水中有机物浓度不满足反硝化脱氮需求，导致一体化装置对TN去除效果不佳。
TP的去除效能
在进水pH为7.5-8.5、水温15-21℃、进水TP质量浓度在4-7mg/L时，一体化装置对TP的去除情况如图所示。一体化装置对TP的去除效果较好。混凝阶段对TP的去除率在38.41%-52.46%，投加HCA/PAC混凝剂使得金属盐与污水中溶解性磷酸盐发生絮凝沉析反应实现除磷，有机物去除率增加，对生物除磷阶段聚磷菌吸收有机物合成内碳源PHAs释磷与吸磷过程有一定影响；生化处理阶段，一定比例硝化液回流，一定程度上可以提高水流紊度，增加传质效率，使得较多的含磷污泥被排出水系统，一定的水力停留时间下系统的污染负荷较低，同时缺氧池污泥浓度增加，可以提高系统对磷的去除效果。
SS的去除效能
实验表明，进水SS质量浓度在120-200mg/L范围时，出水SS平均质量浓度为4.17mg/L，一体化装置对悬浮物去除效果较好，SS去除率稳定在96%以上。混凝阶段对SS的去除率稳定在63.54%-69.56%，生化阶段通过组合填料及填料表面生物膜的吸附截留作用对悬浮物有较好的去除效果。
进水流量对装置除污特性的影响
考虑到农村不同时间段污水水量波动大的特点，在进水pH为7.5-8.5、水温15-21℃、硝化液回流比250%的条件下，设置0.30、0.45、0.60m3/d三个流量梯度研究进水流量对装置除污特性的影响，同时通过硝化细菌与反硝化细菌计数反映不同流量下各污染物去除特性。
实验表明，在不同的进水流量下，系统对各污染物的去除效果较稳定，一体化装置有较强的耐冲击负荷能力。随着进水流量的增大，系统对COD、NH4+-N、SS的去除率均稳定在90%以上，TN与TP的去除效果先增后减，是由于进水流量的适当增加，能一定程度增加水流紊度，提高传质效率，促进氮磷的去除，进水流量过大时，污水与装置接触时间不足导致氮磷去除效果降低。
装置运行经济性分析
一体化装置运行处理水量为0.45m3/d，所需HCA/PAC复配混凝剂费用为0.054元/d，装置耗电量为3.40kWh/d，电费以0.55元/度计，经计算一体化装置处理污水费用为4.16元/m3。实验阶段，兰州地区太阳能日辐射时长平均5.0h，光伏发电系统电池板阵列功率为780W，经计算发电量为3.9kWh/d，太阳能光伏发电系统完全满足一体化装置运行的动力需求，可节约污水处理费用为4.155元/m3。
文章来源：水处理技术 期刊
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