周 娟，丁 勇，黃 霞，朱明石，周少奇▲

(1貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2貴州科學(xué)院，貴州 貴陽 550001；3清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；4貴州沁揚(yáng)農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限公司，貴州 興義 562400)

近年來，隨著城鎮(zhèn)化的加速發(fā)展，各類污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，農(nóng)村地區(qū)的水資源污染狀況也變得尤為突出。目前農(nóng)村污水中的變化系數(shù)大且處理技術(shù)過程相對較為復(fù)雜，導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)的水資源污染狀況不斷加劇[1-3]，傳統(tǒng)的污水處理工藝優(yōu)化改造方法花費(fèi)時間長，投入經(jīng)費(fèi)大，并且還存在不可預(yù)測的風(fēng)險。這給農(nóng)村污水處理帶來嚴(yán)峻考驗(yàn)，為確保農(nóng)村水源安全和綠化周圍環(huán)境，農(nóng)村污水治理刻不容緩。

根據(jù)我們的研究與工程實(shí)踐，可以認(rèn)為：農(nóng)村污水處理主要分為鄉(xiāng)鎮(zhèn)級、村組級、散戶級三個層次。鄉(xiāng)鎮(zhèn)級農(nóng)村污水處理，因水量較大，可以考慮采用傳統(tǒng)的污水處理工藝包括活性污泥法、氧化溝工藝、A/O(厭氧好氧工藝法)、SBR(序批式活性污泥法)、A2/O(厭氧-缺氧-好氧工藝法)以及MBR(膜生物反應(yīng)器法)等，A2/O污水處理工藝可實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷，具有結(jié)果簡單、運(yùn)行成本較低等優(yōu)點(diǎn)，是我國運(yùn)用最廣泛的污水處理工藝之一[4-5]。而MBR(膜生物反應(yīng)器)是一種新型的污水處理技術(shù)，能有效的處理生活污水和工業(yè)廢水，MBR在實(shí)際工程中得到普遍運(yùn)用，能將膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，被認(rèn)為是當(dāng)今世界最前沿高效的污水處理與資源化技術(shù)之一[6，7]。與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，MBR具有去除效率高、占地面積小、剩余污泥產(chǎn)量少等優(yōu)點(diǎn)。本研究通過改良一體化MBR工藝設(shè)備，設(shè)計(jì)適用于農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)級或村組級污水處理的高效工藝及其裝備，在一定程度上對推動改良一體化MBR工藝設(shè)備在農(nóng)村地區(qū)的規(guī)模化應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 工藝流程

針對貴州喀斯特農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)級及村組級污水處理需要，設(shè)計(jì)該MBR反應(yīng)器處理規(guī)模為50 m3/d，適用于農(nóng)村村組污水集中處理。污水經(jīng)格柵去除污水中的較大顆粒和懸浮雜質(zhì)，流入調(diào)節(jié)池初步處理后，進(jìn)入?yún)捬醭嘏c污泥回流液混合后再依次進(jìn)入缺氧池和好氧池(MBR)，其中，缺氧池底部設(shè)有穿孔管，好氧池設(shè)有微孔曝氣器，對污水進(jìn)行曝氣處理，且污水處理終端位置設(shè)有回流通道。

圖1 改良一體化MBR工藝流程圖

改良一體化MBR工藝是通過清理好氧區(qū)池底老污泥，同時投加適量的活性污泥，缺氧區(qū)通過曝氣方式代替攪拌機(jī)，在一定程度上節(jié)省了成本，增設(shè)回流泵，調(diào)節(jié)缺氧區(qū)和好氧區(qū)內(nèi)的曝氣量。

2 水質(zhì)與檢測方法

污水廠出水水質(zhì)符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)及檢測方法見表1。

表1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)及檢測方法

3 結(jié)果與分析

3.1 改良一體化MBR工藝對COD去除效果

由圖2可以看出，3月份至6月份進(jìn)水COD濃度在80.89～133.56 mg/L之間，COD進(jìn)水濃度高，且波動大。由于季節(jié)的變換，降雨量逐漸增多，7月份至9月份的進(jìn)水COD濃度有所下降，10月份至12月份COD的進(jìn)水濃度總體波動不大，但比7月份至9月份的進(jìn)水濃度高，全年COD進(jìn)水平均值為99.38 mg/L，COD出水濃度在30 mg/L以下，全年COD去除率在85%以上，其中最高去除率為95%，平均去除率為91.22%，可見MBR運(yùn)行穩(wěn)定且對COD的變化有著較強(qiáng)的抗沖擊能力，能夠達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 進(jìn)出水COD值

3.2 改良一體化MBR工藝對氨氮去除效果

由圖3可以看出，3月份至6月份，隨著季節(jié)的變化，溫度逐漸升高，生化池內(nèi)的微生物的活性增強(qiáng)，導(dǎo)致代謝速率加快，促進(jìn)了氨氮的反應(yīng)，氨氮進(jìn)水濃度在10.23～23.56 mg/L之間波動，且波動范圍較廣。7月份至9月份，一方面由于雨季雨水量的增多，生活污水中會滲入少量的雨水，另一方面夏季居民用水量的增加導(dǎo)致氨氮進(jìn)水濃度減小，9月份至12月份，氨氮進(jìn)水濃度逐漸增大，波動范圍低。氨氮進(jìn)水濃度最高在3月份為21.22 mg/L，最低在7月份為9.61 mg/L，氨氮進(jìn)水平均值為14.73 mg/L。氨氮出水濃度維持在5 mg/L以下，出水平均值為1.39 mg/L。氨氮平均去除率為90.97%。

圖3 進(jìn)出水氨氮值

3.3 改良一體化MBR工藝對TN去除效果

由圖4可以看出，改良一體化MBR工藝在3月份至12月份的運(yùn)行期間，TN進(jìn)水濃度較高，TN進(jìn)水濃度在16.13～32.12 mg/L之間，TN進(jìn)水濃度平均值為22.11 mg/L，TN平均去除率為55.81%，其中夏季平均去除率最高為60.06%。

圖4 進(jìn)出水TN值

3.4 改良一體化MBR工藝對TP去除效果

由圖5可以看出，進(jìn)水TP濃度在1.21～4.01 mg/L之間。7月份至9月份TP進(jìn)水濃度都比較偏低，波動范圍也較小。TP出水濃度在4月份至10月份相對較為平穩(wěn)，維持在0.5 mg/L以下，全年TP出水平均值為0.29 mg/L，TP平均去除率為84.71%，TP去除主要是通過聚磷菌在好氧環(huán)境下，分解污水中的有機(jī)物，一部分生成的能量用于磷的汲取和聚磷的發(fā)生，另一部分能量被聚磷菌將ADP轉(zhuǎn)化為ATP的形式儲存起來，在厭氧環(huán)境下，聚磷菌體內(nèi)的ATP進(jìn)行水解，釋放出磷酸鹽和能量，這一過程稱為聚磷菌磷的釋放[8]。

圖5 進(jìn)出水TP值

3.5 一體化MBR工藝改良前后脫氮除磷效果對比

由圖6可以看出，改良后一體化MBR工藝的脫氮除磷效果有了明顯的改變。改良前的一體化MBR工藝的COD去除率為80.7%，氨氮去除率為84.34%，TN去除率為5.45%，TP去除率為31.8%，改良后一體化MBR工藝在3月份至12月份的COD去除率由改良前的80.7%提高至91.22%，氨氮去除率由改良前的84.34%提高至90.97%，TN去除率由改良前的5.45%提高至55.81%，TP去除率由改進(jìn)前的31.8%提高到84.71%。

圖6 MBR改進(jìn)前后污染物去除率對比圖

改良后一體化MBR工藝在9月份至12月份的COD去除率由改良前的80.7%提高至91.76%，氨氮去除率由改良前的84.34%提高到91.71%，TN去除率由改良前5.45%提高至57.08%，TP去除率由改良前的31.8%提高至85.24%。由于在改良后的一體化MBR工藝中增加回流泵，使得聚磷菌體內(nèi)的ATP在厭氧環(huán)境下發(fā)生水解反應(yīng)，釋放出磷酸鹽，從而轉(zhuǎn)化為PHB和部分能量。從而使磷在好氧環(huán)境下被聚磷菌吸收得以去除[9-11]，缺氧區(qū)和厭氧區(qū)中的活性污泥通過厭氧環(huán)境在反硝化菌的作用下將污水中的N轉(zhuǎn)化為N2而被去除[12]，從而提高了TN的去除率。

改良后一體化MBR工藝在貴州高原喀斯特地區(qū)農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)級、村組級污水處理方面有較好的實(shí)用性。工程應(yīng)用后，總體出水指標(biāo)能達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，但在不同季節(jié)呈現(xiàn)出一定的差異，即夏秋季溫度高時，總氮總磷去除效果更好，冬春季去除率稍低，這些有待于在今后的工程化應(yīng)用中，進(jìn)一步開展優(yōu)化設(shè)計(jì)和設(shè)備的優(yōu)化運(yùn)行管理。

4 結(jié)論

通過清理好氧池內(nèi)的老污泥，重新投泥，系統(tǒng)增設(shè)污泥回流泵，調(diào)節(jié)好氧區(qū)與缺氧區(qū)內(nèi)的曝氣量，改良后的一體化MBR相對于改進(jìn)前對污水中的污染物有著明顯的去除效果。

1)改良一體化MBR工藝在污水廠運(yùn)行穩(wěn)定，對COD、NH4-N、TN、TP具有很好的去除率，且具有較強(qiáng)的抗沖擊性能。

2)進(jìn)水的水質(zhì)指標(biāo)COD為80.89～133.56 mg/L、NH4-N為10.23～23.56 mg/L、TN為16.13～32.12 mg/L、TP為1.21～4.01 mg/L時，通過調(diào)試運(yùn)行，出水水質(zhì)指標(biāo)COD≤30 mg/L、NH4-N≤5 mg/L、TN≤20 mg/L、TP≤5 mg/L，可穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918—2002)的一級 A 標(biāo)準(zhǔn)。

3)改良一體化MBR工藝的出水平均值0.29 mg/L，平均去除率84.71%，改良后的一體化MBR工藝相比于改良前一體化MBR工藝的平均去除率提高了52.91%。