我國農(nóng)村生活污水具有水量大且污水源分散的特點，特別是對于山區(qū)農(nóng)村污水難以實現(xiàn)集中處理�，F(xiàn)階段大部分農(nóng)村生活污水以直接外排、化糞池處理為主，生活污水處理率低，對農(nóng)村附近水環(huán)境和土壤環(huán)境具有較大影響。但由于農(nóng)村建設(shè)資金有限、人口居住分散、管網(wǎng)建設(shè)難度大，導致現(xiàn)存污水處理技術(shù)并不適合推廣使用。
針對以上問題，一體化農(nóng)村生活污水處理反應器應運而生，其具有基建投資費用低、占地面積小、無需專人看守、運行費用低等優(yōu)點。目前我國流行的一體化農(nóng)村污水處理反應器主要以A2O、AO、SBR和MBR為主體工藝，而以上一體化設(shè)備多用于相對集中式、規(guī)�；霓r(nóng)村污水處理。為解決那些無法鋪設(shè)污水收集管網(wǎng)的山區(qū)住戶和鄉(xiāng)村住宅等污水處理難題，筆者以戶為處理單位，在現(xiàn)有AO工藝和生物膜工藝基礎(chǔ)上進行改良，開發(fā)了多級AO生物膜農(nóng)村污水處理器，以氣升泵實現(xiàn)充氧和污水循環(huán)流動，用以處理農(nóng)村污水，以期為分散式農(nóng)村污水處理設(shè)備提供一種新的選擇。該反應器將多級AO生物膜工藝與二沉池進行一體化設(shè)計，無需污泥回流，設(shè)施構(gòu)造緊湊、合理。
1、試驗裝置與方法
1.1 華水罐一體化反應器原理
華水罐一體化反應器由生化反應區(qū)、污泥沉淀區(qū)兩部分組成，工藝流程見圖1。生化反應區(qū)為外環(huán)反應池，按照比例分成4個區(qū)域形成兩級AO工藝，其中好氧區(qū)有效容積為64L，缺氧區(qū)有效容積為26L，每個區(qū)域中均設(shè)置懸浮球生物填料；污泥沉淀區(qū)為內(nèi)環(huán)反應池，底部設(shè)置污泥斗用于收集老化脫落的生物膜，有效容積為15L。生化反應池為同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，形成連續(xù)流兩級AO生物膜工藝，同時也具有氧化溝工藝的特點，各區(qū)域功能設(shè)置合理、循環(huán)推進，以確保出水水質(zhì)。
華水罐一體化反應器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。生活污水經(jīng)過化糞池預處理以后，利用重力作用進入華水罐一體化反應器，采用多點進水，分別進入一級缺氧區(qū)（A1）和二級缺氧區(qū)（A2）；進入一級缺氧區(qū)（A1）的污水與前端二級好氧區(qū)（O2）流入的含有NOx--N的污水混合進行反硝化；一級缺氧區(qū)（A1）污水經(jīng)下孔隔板利用重力作用流入一級好氧區(qū)（O1），一級好氧區(qū)（O1）設(shè)有鼓風曝氣系統(tǒng)，此區(qū)域完成原水剩余有機物的碳化和氨氮的硝化過程，同時通過鼓風曝氣為原水提供能量（水位升高、勢能增加），確保原水持續(xù)循環(huán)；一級好氧區(qū)（O1）污水經(jīng)上孔隔板流入二級缺氧區(qū)（A2），多點進水在A2區(qū)域進一步完成反硝化；二級缺氧區(qū)（A2）污水經(jīng)下孔隔板經(jīng)重力作用流入二級好氧區(qū)（O2），此區(qū)同樣設(shè)有鼓風曝氣系統(tǒng)，主要功能為進一步完成硝化過程，提高出水水質(zhì)，并且為污水增加勢能，確保后續(xù)循環(huán)流動。二級好氧區(qū)（O2）污水出流分兩部分，一部分經(jīng)上孔隔板進入一級缺氧區(qū)（A1），與原水充分混合后進行反硝化；另一部分經(jīng)二級好氧區(qū)（O2）內(nèi)側(cè)壁開口進入沉淀區(qū)進水槽。內(nèi)側(cè)壁開口孔洞高度高于上孔隔板開口孔洞，二級好氧區(qū)（O2）出水首先通過二級好氧區(qū)（O2）和一級厭氧區(qū)（A1）中間的上孔隔板進行循環(huán)，部分經(jīng)過兩級AO工藝處理后的污水通過二級好氧區(qū)（O2）內(nèi)側(cè)壁開口進入沉淀池進水槽，沉淀池進水槽和出水槽中間設(shè)有擋流板，防止沉淀池出現(xiàn)短流現(xiàn)象。以上4個區(qū)域均設(shè)置生物填料，為微生物生長提供載體，即4個區(qū)域均為生物膜法。沉淀區(qū)設(shè)在華水罐的中心部位，沉淀區(qū)上部為華水罐的開孔部位，定期經(jīng)人工或抽糞車排除沉淀污泥。沉淀區(qū)設(shè)有進水槽和出水槽，確保均勻進出水，提高沉淀效果。沉淀池出水流入后續(xù)人工生態(tài)處理系統(tǒng)中，達到除磷的目的。
華水罐一體化反應器以氣升泵實現(xiàn)充氧和污水循環(huán)流動。好氧反應器底部充氧，液位提升，好氧池和缺氧池形成液位差，通過上孔隔板形成薄壁小孔流水現(xiàn)象，該液位差為反應器循環(huán)流動的動力。曝氣量越大，液位差也越大，反應器循環(huán)流量就越大。因此，硝化液回流比的大小根據(jù)曝氣量控制。同時，曝氣量也要滿足好氧池微生物生長的需求。
1.2 試驗材料
本試驗采用懸浮球生物填料，填充比為50%。填料由聚氨酯球形外殼和聚氨酯海綿塊內(nèi)部兩部分組成。聚氨酯海綿為多孔墻體結(jié)構(gòu)，比表面積>4000m2/m3，親水性極強，吸水膨脹后密度接近于水。鄒海明等發(fā)現(xiàn)，生物膜的兩種掛膜方式對污水中污染物的去除效率沒有影響。因此，本試驗采用自然掛膜法。
1.3 試驗水質(zhì)
試驗裝置位于華北水利水電大學環(huán)境與市政工程學院實驗樓，原水為學術(shù)交流中心的生活污水。污水通過下水道管網(wǎng)收集于蓄水池中，直接從蓄水池取水使用。污水水質(zhì)如下：COD為100~220mg/L，均值為162.8mg/L；氨氮為50~60mg/L，均值為54.5mg/L；總氮為60~70mg/L，均值為65.5mg/L；pH為6.5~8.5，均值為7.5；水溫為15~28℃，均值為21℃。
1.4 試驗方法
華水罐啟動階段：啟動時間為60d（2021年5月初—6月底），進水量為180L/d，保持穩(wěn)定持續(xù)進水，硝化液回流比為100%，好氧池溶解氧控制在2~3mg/L。每隔3d取樣一次，以檢測污染物的去除情況，并觀察生物膜生長情況。
反應器抗沖擊負荷性能：調(diào)節(jié)進水量，改變水力停留時間（HRT），觀察在8、10、12h三種不同的HRT下華水罐一體化反應器的抗沖擊負荷性能。
反應器污染物去除沿程分析：調(diào)節(jié)華水罐一體化反應器的HRT為10h、硝化液回流比為200%、一級與二級缺氧區(qū)的流量分配比為2∶1、試驗水溫在15℃以上，分析污染物濃度的沿程變化。
1.5 分析項目及方法
COD、NH4+-N、TN、DO、pH分別采用重鉻酸鉀法、納氏試劑分光光度法、過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、溶解氧儀、pH測試儀進行測定。
2、結(jié)果與討論
2.1 啟動階段對污染物的去除效果
在啟動階段華水罐一體化反應器對污染物的去除效果如圖3所示。其中，對COD和氨氮的去除率可分別達到84.57%、91.2%，而對總氮的去除率較低，僅為51.23%。
分析原因，一方面，由于原水的碳氮比較低，而在低碳氮比的農(nóng)村生活污水處理中，對總氮的去除效果大都比較差；另一方面，可能是由于啟動階段沒有形成嚴格的缺氧環(huán)境，生物膜上的反硝化細菌沒有形成優(yōu)勢菌種，缺氧池中有大量的溶解氧存在，而且缺氧區(qū)氧化還原電位偏高，導致反硝化作用較弱。
同時發(fā)現(xiàn)，對COD、氨氮、總氮的去除率均隨著時間的延長呈增大趨勢，證明反應器內(nèi)懸浮球生物膜上的生物量逐漸增加。反應器在運行約45d時趨于穩(wěn)定。COD、NH4+-N、TN的平均出水濃度分別為30、5.74、31.55mg/L，COD和氨氮滿足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標準》（DB41/1820—2019）一級排放標準，戶用農(nóng)村污水處理一體化反應器——華水罐啟動成功，對生活污水具有良好的處理效果。
缺氧池和好氧池生物膜的鏡檢結(jié)果見圖4。
由圖4可知，懸浮球生物膜上的生物相較豐富，且有少量藻類存在。由于反應器放置的地方有太陽直射，因此會滋生藻類。在夏季太陽能直射到反應器的時候，使用黑色塑料布將其覆蓋，避免反應器內(nèi)綠藻泛濫影響試驗結(jié)果。在缺氧和好氧段能清楚地觀察到鐘蟲、輪蟲等指示生物，說明污水經(jīng)過處理后水質(zhì)良好。
2.2 反應器抗沖擊負荷性能
通過調(diào)整反應器的HRT來檢驗反應器抗沖擊負荷的能力，根據(jù)多級AO生物膜工藝的特點及試驗需求設(shè)置HRT。反應器抗沖擊負荷的性能見圖5。由圖5（a）可知，反應器對COD的去除效果較穩(wěn)定，盡管進水水質(zhì)存在波動，但在不同的HRT下，反應器出水COD濃度均保持在31.5mg/L左右，平均去除率在80%以上，可見反應器抗COD沖擊負荷能力較好。由圖5（b）可知，當HRT≥10h時，出水氨氮濃度無明顯變化，基本在5.03mg/L左右，平均去除率達到90%以上。當HRT=8h時，氨氮去除率降低5%左右。在增加水力負荷的情況下，氨氮去除率變化不大，說明生物膜中的微生物含量較豐富，增加水力負荷對硝化作用的影響較弱�？梢�，反應器抗氨氮沖擊負荷能力良好。
由圖5（c）可知，當HRT為8h時，對總氮的去除效果較差，出水總氮濃度維持在39.40mg/L左右，去除率僅約為40%。HRT較短時（華水罐一體化反應器好氧區(qū)與厭氧區(qū)的體積比為1∶2），導致缺氧區(qū)溶解氧濃度升高，影響反硝化菌的生長繁殖。當HRT為8h時，測定缺氧池的溶解氧，發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度大于0.5mg/L。延長HRT后，總氮去除率逐漸升高，但與艾勝書等人獲得的結(jié)果（平均出水總氮濃度為10.9mg/L）相比，本系統(tǒng)對總氮的去除率偏低。彭永臻等的研究表明，當進水C/N值為4~7時，對總氮的去除效果較好（去除率在78%左右）。而本試驗進水C/N值在2.3左右，分析認為進水碳源不足限制了總氮的去除效果。
2.3 污染物沿程去除效果
華水罐一體化反應器掛膜成功以后，調(diào)整硝化液回流比為200%、HRT為10h、一級和二級缺氧區(qū)流量分配比為2∶1，同時確保試驗水溫在15℃以上。連續(xù)穩(wěn)定運行30d后，在缺氧池、好氧池、進水口、出水口等點位進行取樣，并檢測相關(guān)水質(zhì)指標。
2.3.1 COD沿程去除效果
COD濃度在華水罐一級缺氧段下降速度最快，一方面是缺氧區(qū)發(fā)生了稀釋和微生物吸附作用；另一因素為AO工藝的缺氧段發(fā)生了反硝化反應，在缺氧條件下反硝化細菌利用污水中的有機物作為碳源，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣脫離系統(tǒng)。在好氧區(qū)COD濃度有所降低，有可能在懸浮球填料上的生物膜內(nèi)部形成了厭/缺氧條件，微生物利用少量COD作為碳源進行反硝化作用，而且總氮濃度在好氧區(qū)的降低也驗證了生物膜內(nèi)部發(fā)生了反硝化反應，從而消耗了部分碳源。同時好氧區(qū)填料上的異養(yǎng)菌對有機物的好氧氧化分解亦可能是一個原因，異養(yǎng)菌利用污水中的有機物和溶解氧來獲取營養(yǎng)和能量進行生長繁殖。二級缺氧段COD濃度出現(xiàn)升高的現(xiàn)象，原因是反應器采用分段進水，原水中有機物濃度較高所致。
2.3.2 總氮、氨氮沿程去除效果
反應器中氨氮和總氮的沿程變化如圖6所示�？芍患壢毖醵伟钡獫舛认陆邓俣容^慢，由進水的55mg/L左右下降到40mg/L，這是由于硝化液回流造成的稀釋作用和缺氧區(qū)存在降低氨氮的自養(yǎng)菌。在一級好氧段硝化細菌利用進水中的氨氮進行硝化作用，氨氮濃度降低較快。在二級缺氧段氨氮濃度出現(xiàn)短暫升高，是由于反應器采用分段進水導致的。二級好氧段的氨氮濃度進一步降低，系統(tǒng)對氨氮的總?cè)コ瘦^高。
一級缺氧段和一級好氧段的TN濃度逐漸降低，一級缺氧段為反硝化作用，可將系統(tǒng)中的硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣脫離系統(tǒng)；一級好氧段TN濃度下降，分析原因可能是好氧區(qū)懸浮球填料上的生物膜內(nèi)部形成了厭/缺氧微環(huán)境，發(fā)生短程硝化反硝化反應將含氮有機物轉(zhuǎn)化為氮氣脫離系統(tǒng)。二級缺氧段總氮濃度出現(xiàn)短暫升高，依然是分段進水導致的。
最優(yōu)工況下，華水罐一體化反應器的出水總氮濃度在22mg/L左右，去除率在58%左右，去除率偏低。根據(jù)理論最大脫氮效率（η）計算公式：η=（r+R）（/1+r+R）（R為污泥回流比，r為混合液回流比），反應器在硝化液回流比為200%的情況下，最大脫氮效率在67%左右。經(jīng)分析，總氮去除率偏低是由于污水的C/N值較低，即污水中有機碳源不足。厭/缺氧環(huán)境中的反硝化作用需要足夠的碳源，才能有效去除污水中的含氮有機物，保證反應器出水總氮濃度達標。
2.4 經(jīng)濟性分析
華水罐一體化反應器采用二級AO生物工藝，反應器具備內(nèi)回流功能，無需外置硝化液回流系統(tǒng)，該反應器較傳統(tǒng)二級AO工藝節(jié)約了硝化液回流系統(tǒng)，降低了運行費用；反應器內(nèi)置懸浮球生物填料，經(jīng)實測系統(tǒng)內(nèi)污泥濃度為0.8~1.2g/L，無需污泥回流系統(tǒng)，該反應器正常運行僅需1臺鼓風曝氣裝置。按照河南省鄭州市居民用電標準電價收取，即0.56元（/kW·h）。本次試驗的用電總功率為10W、功率系數(shù)為0.55、24h連續(xù)運行。華水罐一體化反應器處理水量為0.25m3/d，經(jīng)計算處理費用約為0.30元/m3。與我國目前運行的一體化污水處理設(shè)備相比，在只考慮運行期間電能消耗方面，運行費用低廉，更適用于農(nóng)村生活污水的處理。
3、結(jié)論
①華水罐一體化反應器在運行45d左右后逐漸趨于穩(wěn)定，COD、NH4+-N、TN的平均出水濃度分別為30、5.74、31.55mg/L，COD和氨氮滿足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標準》的一級排放標準。
②華水罐一體化反應器的最佳HRT為10~12h，其抗COD、氨氮沖擊負荷等能力良好，抗總氮沖擊負荷能力一般。
③該反應器在運行過程中僅需1臺小功率鼓風曝氣泵，處理費用約為0.30元/m3。整體工藝為多級AO生物膜工藝，無需污泥回流及排泥措施，操作管理方便。（來源：中州水務控股有限公司，華北水利水電大學環(huán)境與市政工程學院，鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院）
