截止 2017 年末，我國鄉(xiāng)村人口基數(shù)達 57 661 萬，為總人口的 41.48%，全國范圍內(nèi) 68.7%的行政村采用集中供水，卻僅有 20%的行政村對污水進行處理，可見我國農(nóng)村污水治理形勢嚴峻。我國農(nóng)村分布多為自然聚居形成，村村之間分布相對分散，建設污水管道收集系統(tǒng)成本高，導致了農(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。這些特點以及地域特點使城市的大型污水處理技術和模式難以適用，因而開發(fā)一體化處理設備，實現(xiàn)農(nóng)村污水就地處理是解決農(nóng)村污水治理問題尤為重要。
曝氣生物濾池相比活性污泥法在污水處理應用中，具有占地面積小、有機負荷高、不產(chǎn)生污泥膨脹等優(yōu)點，適合設計為一體化設備。而濾速直接反映了設備的處理能力，決定了設備的體積、設備造價等，是影響設備設計和處理效果的重要參數(shù)。因此有必要通過實驗確定優(yōu)化的濾速。
本研究以佛山某污水廠進水模擬農(nóng)村污水，考察濾速對一體化復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)，同時了解濾速對生物濾池作用規(guī)律，以期為實際工程設計的參數(shù)選取提供參考依據(jù)。
1 實驗部分
1.1 實驗裝置與工藝流程
實驗裝置為一體化復合生物濾池，由 AOA 3 級濾池串聯(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 I 號池(l×b×h=1.0 m×1.0 m×6.0 m)為降流式膨脹床生物濾池，正常運行過程不曝氣，底部設有膜孔氣沖系統(tǒng)，裝填 8～ 12 mm 漂浮濾料，濾料厚度 3.3 m。第 2 級 II 號池(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)，運行時持續(xù)曝氣，裝填粒徑 4～6 mm 濾料，濾料厚度 2.9 m。第 3級 III 號池(l×b×h=1.0 m×0.8 m×5.0 m)為降流式膨脹床生物過濾池，正常運行不曝氣，底部設有膜孔氣沖系統(tǒng)，裝填 4～6 mm 粒徑濾料，濾料厚度 2.9 m。各級濾池均采用上濾網(wǎng)下濾板結構，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，其水浸潤顆粒密度為 0.9～1.1 g/cm3。提升泵選用原水潛污泵，單臺功率 0.75 kW;曝氣風機選用羅茨鼓風機，單臺功率 0.75 kW。設備結構如圖 1 所示。設備運行時，提升泵將污水從調節(jié)池打入 I 號池頂部配水系統(tǒng)，經(jīng) I 號池降流處理后從底部進入 II 號池，II 號池頂部出水一部分回流至 I 號池剩余部分進入 III 號池，III 號池降流過濾后，實現(xiàn)污水處理達標排放。運行工藝流程如圖 2 所示。
1.2 水質與實驗方法
實驗采用佛山某污水廠調節(jié)池污水，其 COD為 150～350 mg/L，NH3-N、TN、TP 的質量濃度分別為 13～22、17～55、2～5.3 mg/L。
圖 1 一體化復合生物濾池結構
圖 2 運行工藝流程
設備安裝調試完成后，采用接種掛膜法啟動設備。將某污水處理廠的污泥投入設備后悶曝，進水體積流量由 30 m3/d 逐漸升至 100 m3/d，連續(xù)運行，對COD 的去除率達到 65%，對 NH3-N 的去除率平均為 65%，對 TN 和 TP 的去除率均達到了 20%左右，認為掛膜成功。掛膜成功后，設備在氣水體積比 5:1、回流體積比 100%工況下穩(wěn)定運行，調節(jié)進水流量改變?yōu)V池濾速，從而確定優(yōu)化運行工況。實驗設置了3 種運行工況，如表 1 所示。
表 1 濾速優(yōu)化實驗運行工況
1.3 分析方法
實驗過程水質檢測指標及方法如表 2 所示。
表 2 檢測指標及方法
2 結果與討論
2.1 COD 的去除效果
一體化復合生物濾池在不同濾速條件下對 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。在濾速一條件下，COD 出水平均總去除率為 84.99%，而在濾速二和濾速三條件下出水平均總去除率分別為 84.35%和 78.51%�？梢娫趯嶒灧秶鷥�(nèi)濾速提高對 COD 去除有不利影響。
一體化復合生物濾池運行過程中，濾速增大會導致水力剪切力增大，加劇對濾料的沖刷，合適強度下的沖刷有助于濾料表面生物膜的更新，過度沖刷則會導致生物膜脫落嚴重。實驗濾速從濾速一提升到濾速二時，COD 去除率變化不大，總平均去除率從 84.99%變?yōu)?84.35%，說明在濾速二條件下微生物仍能較穩(wěn)定生長，而當濾速提高到濾速三時，COD去除率下降幅度有所擴大，平均降為 78.51%，不排除是因為水力沖刷作用對微生物生長造成影響。
濾速增大縮短了污水與生物膜的接觸時間，過大的濾速使得污水中的污染物未來得及被濾料表面的微生物吸附降解就排出濾池，進而影響處理效果。同時陶粒濾料密度與水相當，II 號池中的陶粒濾料處于流化狀態(tài)，濾速加大，濾料間的間隙擴大，可能導致部分污水中的有機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 號池出水 COD 穩(wěn)定在 50 mg/L 以下，達到了 GB 8978-1996 的一級 A 標準。說明該一體化設備有較強的抗沖擊負荷能力，可適應一定的水量變化，適用農(nóng)村污水水量波動特點。
2.2 NH3-N 的去除效果
不同濾速條件下一體化復合生物濾池對 NH3-N的處理效果如圖 4 所示。由圖 4 可知，濾速對一體化設備去除 NH3-N 有較大影響。在濾速一、二條件下 NH3-N 去除效果較佳，總去除率平均可達 90.08%和 89.22%，而在濾速
三條件下，NH3-N 總去除率明顯下降，平均為 83.78%，說明濾速增大到一定程度時，一體化設備對 NH3-N處理效果會有較大幅度下滑。
污水中 NH3-N 的去除通過硝化細菌在好氧條件下將 NH3-N 轉化為硝酸鹽氮實現(xiàn)。硝化自養(yǎng)菌的世代時間長，且對底物、溶解氧和 pH 條件要求較苛刻，在污水中有機物含量較高的情況下，相對異養(yǎng)菌容易處于生長劣勢。結合圖 2，在濾速一、二條件下 II 號池出水 COD 去除效果較佳，可以判斷在有機物生長條件上硝化細菌處于優(yōu)勢地位。同時在此時的濾速條件下污水與 II 號池濾料接觸時間較長，硝化細菌有足夠時間完成硝化作用，因而有較高的 NH3-N 去除率。而在濾速三條件下，自養(yǎng)菌與硝化細菌競爭生長，同時較大濾速縮短了硝化細菌與污水接觸時間，且 II 號池持續(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，生長在陶粒表面的生物膜在此環(huán)境中容易脫落，在氣水攪動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http://wlmqsb.com更多相關技術文檔。
一體化復合生物濾池對 NH3-N 具有較好的去除效果，實驗中 3 種濾速條件下對 NH3-N 去除率均可達到 80%以上，較小濾速條件下可達到 90%。綜合實驗數(shù)據(jù)，可以看出保持 I 號池濾速在 10 m/h 也能保持出水 NH3-N 含量達到 GB 8978-1996 的一級 A 標準。
2.3 TN 的去除效果
一體化復合生物濾池在不同濾速條件下對 TN的去除率如圖 5 所示。
由圖 5 可知，TN 含量對濾速變化較為敏感，當濾速條件從濾速一調整為濾速三時，總去除率從平均 55.59%降到 46.97%。在濾速三條件下，出水 TN的質量濃度出現(xiàn)超過或接近 15 mg/L 的情況，不能穩(wěn)定達到GB 8978-1996 的一級 A 標準。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菌在缺氧環(huán)境下以有機物為電子供體，硝酸鹽或亞硝酸鹽作為電子受體進行生物化學反應，將污水中的硝酸鹽氮轉化為氮氣，實現(xiàn)TN 去除。結合圖 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，說明在濾速三中回流的硝化液可供反硝化細菌利用的硝酸鹽占TN 的比例降低，進而影響了 TN 的去除率。濾速一、二工況條件下，NH3-N 硝化效率高，II 號池出水COD 的去除率也達到了 80.21%和 78.68%，說明進水有機物大部分被用于反硝化反應，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菌的生長環(huán)境。當生物膜厚度較薄時，溶解氧容易進到生物膜里層，破壞反硝化細菌所需的缺氧環(huán)境[12]。濾速由濾速一提高到濾速三時，水力沖刷作用加強，濾料表面生物膜受到破壞，反硝化菌的生長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，盡管有水力沖刷提高的影響，但是濾速二提高了進水負荷，補充了反硝化所需碳源，有利于反硝化反應進行，因此也能保持較高的脫氮能力。
濾速提高帶來的水力停留時間變化也是影響脫氮性能的一個因素。濾速三工況下的濾速最大，污水與濾料接觸時間最短，部分進水可能未來得及與生物膜接觸就穿過濾床，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合生物濾池對污水中 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，通過排出好氧池的污泥達到去除水中磷元素的目的。一體化復合生物濾池不存在嚴格厭氧池，因此生物除磷效果不佳。
實驗中通過在 III 號池投加絮凝劑聚合硫酸鐵(PFS)達到去除 TP 的目的。II 號池出水與 PFS 混合攪拌之后進入 III 號池，在 III 號池的截留過濾作用下去除 TP。由圖 5 可以看出，通過化學輔助除磷，TP 去除率明顯提高，在 3 個濾速工況下總平均去除率分別達到 64.74%、66.53%、67.80%，濾速提高 TP去除率略有提高，原因可能是當濾速較大時，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 號池截留過濾。
在投加絮凝劑后，出水 TP 的質量濃度基本穩(wěn)定在 1 mg/L 以下，達到 GB 8978-1996 的一級 B標準，若要提高 TP 去除率使其達到一級 A 標準，可嘗試通過增加絮凝劑投加量和強化混和攪拌條件，使不同濾速工況都能達到較好的混合效果。
3結 論
保持氣水體積比 5:1、回流體積比 100%，在 I 號池濾速分別為 6.0、8.0、10.0 m/h 3 種濾速工況對一體化復合生物濾池對 COD、NH3-N、TN、TP 4 個水質指標進行監(jiān)測，結果表明，一體化復合生物濾池對COD、NH3-N、TN 的去除效果整體隨濾速增大而減小，其中 TN 指標對濾速變化更為敏感。而 TP 指標由于設備缺乏嚴格厭好氧環(huán)境切換而導致生物除磷效果差，可通過投加絮凝劑實現(xiàn)指標出水達標。在 3 種濾速工況中，濾速一和濾速二工況的實驗數(shù)據(jù)相對接近，表明在此范圍內(nèi)，濾速對處理效果影響較小，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 指標中，3 種濾速都能較穩(wěn)定的達到 GB 8978-1996 的一級 A標準，說明該設備對 COD、NH3-N 有較強的抗沖擊負荷能力。但是在 TN 指標，在濾速三工況下，會出現(xiàn)出水水質無法達到 GB 8978-1996 一級 A 標準的情況。而 TP 指標的達標主要取決于絮凝劑的投加，濾速對其影響較小。
因此在實際工程運行和設計中，在回流體積比100%，氣水體積比 5:1 條件時建議采用I 號池濾速 8m/h。此濾速條件下設備處理效果穩(wěn)定，出水水質好，相比于 I 號池濾速 6 m/h 的條件，其設計的設備體積要小、工程造價低。且在此濾速運行設計條件下，能適應水量的波動，對于處理農(nóng)村污水更為合適。(來源：華南理工大學環(huán)境與能源學院)
