水力停留時(shí)間對(duì)改良型AAO-MBR工藝處理夏季農(nóng)村生活污水的影響

曹亞麗，王 霞，胡 凱，孫 杏，侯克鎖

(1.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)環(huán)境科技有限公司，江蘇南京 210014；2.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210098)

截至2020年，我國農(nóng)村生活污水年排放量接近233億t[1]。由于污水處理設(shè)施匱乏、運(yùn)行管理不善、村民環(huán)保意識(shí)薄弱等，大部分污水未經(jīng)處理直接排入地表水體，造成農(nóng)村水環(huán)境污染。近年，國家先后公布并施行《中華人民共和國水污染防治法(修改版)》《村莊整治技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》等政策條例，不斷加大農(nóng)村污水治理力度。但現(xiàn)階段農(nóng)村污水處理技術(shù)研發(fā)集中在城鎮(zhèn)污水方面，對(duì)于排放量小、排放點(diǎn)分散、水質(zhì)差異大、水量變化系數(shù)大的分散式農(nóng)村生活污水及其處理技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用尚處于起步階段。

農(nóng)村生活污水主要包括廚房污水、生活洗滌、沐浴污水和廁所污水。研究表明[2-5]，農(nóng)村污水污染物濃度變化較大，BOD5質(zhì)量濃度為70～250 mg/L，CODCr質(zhì)量濃度為80～500 mg/L，pH值為6～8，沖廁廢水中N、P等濃度較高。

膜生物反應(yīng)器(MBR)是20世紀(jì)末興起的新型水處理技術(shù)，具有出水水質(zhì)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定、剩余污泥產(chǎn)量少、占地面積小、易于自控等特點(diǎn)，適宜作為分散式污水處理技術(shù)。但該工藝脫氮除磷效果有限，面對(duì)農(nóng)村生活污水處理要求，需要將MBR工藝與AAO工藝(或AAO變形工藝)耦合，不僅可彌補(bǔ)MBR在脫氮除磷方面的不足，而且可利用膜組件取消AAO工藝的二沉池，實(shí)現(xiàn)固體停留時(shí)間(SRT)和水力停留時(shí)間(HRT)完全分離，有效解決了AAO工藝污泥產(chǎn)量高、SRT短的問題[6-7]。

針對(duì)低濃度農(nóng)村生活污水，AAO-MBR組合工藝的處理效果與運(yùn)行優(yōu)化有待研究。HRT是影響AAO工藝脫氮除磷效率的關(guān)鍵因素，但其對(duì)于組合工藝的影響研究較少。因此，本文采用改良型AAO-MBR組合工藝處理江蘇省某農(nóng)村生活污水，考察生化段HRT對(duì)組合工藝處理效果的影響。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行條件

改良型AAO-MBR試驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置采用焊接鋼板，處理量為10 m3/d，長×寬×高=4.2 m×1.5 m×3.0 m，其中厭氧段、缺氧段、好氧段和膜池容積分別為0.83、1.67、5.00 m3和4.50 m3。膜池采用PVDF中空纖維膜組件，膜孔徑為0.1 μm，膜架高度為1.4 m。

1—進(jìn)水泵；2—細(xì)格柵；3—調(diào)節(jié)池；4—厭氧段；5—缺氧段；6—好氧段；7 —MBR池；8—膜組件； 9—出水泵；10—反沖洗泵；11—反沖洗水箱；12—鼓風(fēng)機(jī)圖1 改良型AAO-MBR裝置工藝流程圖Fig.1 Flow Diagram of Modified AAO-MBR Process

來自某鄉(xiāng)村排水管網(wǎng)的污水由調(diào)節(jié)池經(jīng)潛污泵提升后，依次流經(jīng)厭氧段、缺氧段和好氧段，最后進(jìn)入膜池，經(jīng)膜過濾后出水(圖1)，采用鼓風(fēng)機(jī)向好氧段及膜池曝氣。裝置設(shè)置兩套回流系統(tǒng)，一套將缺氧段混合液回流至厭氧段，回流比為50%，補(bǔ)充生化池流失的污泥，類似AAO工藝的外回流作用。該工藝采用了從缺氧段到厭氧段的混合液回流，混合液中含有較多的溶解性BOD5，而硝酸鹽很少，為厭氧段內(nèi)有機(jī)物水解反應(yīng)提供適宜條件。另一套將膜池混合液回流至缺氧段，回流比為100%，進(jìn)行反硝化脫氮，類似AAO工藝的內(nèi)回流作用。該工藝采用膜池污泥先回流至缺氧段，再通過缺氧段混合液回流至厭氧段的方式，完成回流膜池污泥至厭氧段的目的，這種間接回流污泥至首段補(bǔ)充生化池流失污泥的做法可以防止硝酸鹽進(jìn)入?yún)捬醵危茐膮捬醵蔚膮捬鯛顟B(tài)而影響系統(tǒng)的除磷率。

裝置采用連續(xù)流，通過電磁閥控制進(jìn)出水閥門的啟閉，從而控制各生化池水深，實(shí)現(xiàn)不同工藝段HRT的變化。好氧段氣水體積比為10∶1，膜池氣水體積比為15∶1，均采用連續(xù)曝氣，膜通量為17.36 L/(m2·h)，缺氧段至厭氧段回流比為50%，膜池至缺氧段回流比為100%。試驗(yàn)在MBR裝置穩(wěn)定運(yùn)行(40 d)后開展，不同HRT下具體試驗(yàn)條件如表1所示。

1.2 農(nóng)村生活污水水質(zhì)

裝置進(jìn)水來自江蘇某鄉(xiāng)村排水管網(wǎng)，主要收集附近農(nóng)戶生活污水。試驗(yàn)期間，裝置進(jìn)水水溫為25～30 ℃，pH值為6.5±0.5，CODCr、氨氮、TN和TP日均質(zhì)量濃度分別為(110±20)、(14.000±4.000)、(19.60±1.80)mg/L和(0.89±0.36)mg/L，該地區(qū)農(nóng)村生活污水具有有機(jī)物濃度低、碳氮比較低等特征。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)與分析方法

CODCr、氨氮、TN、TP等水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法參照國標(biāo)[8]，水樣pH采用pH計(jì)測(cè)定(pHS-3C，上海雷磁)。

2 結(jié)果和討論

在低濃度農(nóng)村生活污水條件下，改變各生化段HRT，裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，污染物去除效果如圖2～圖5所示。

注：橫坐標(biāo)軸數(shù)值分別表示厭氧段、缺氧段和好氧段的HRT圖2 不同HRT下的CODCr去除效果Fig.2 Removal Effect of CODCr under Different HRT

2.1 HRT對(duì)CODCr去除的影響

由圖2可知，不同HRT條件下，裝置出水CODCr質(zhì)量濃度為27～38 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到江蘇省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 32/3462—2020)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)期間，CODCr去除率隨厭氧段和缺氧段HRT增大而增大，CODCr平均去除率為69.50%，與郭耀杰等[9]研究結(jié)果一致。朱星等[10]研究了HRT對(duì)倒置AAO-MBR組合工藝中CODCr去除效果的影響，當(dāng)進(jìn)水CODCr平均質(zhì)量濃度為274 mg/L時(shí)，在缺氧段HRT分別為1.5、3.7 h時(shí)，系統(tǒng)CODCr去除率均在90.00%以上，優(yōu)于本試驗(yàn)結(jié)果。原因可能是后者的MBR反應(yīng)器污泥濃度較高，以及進(jìn)水中有機(jī)物形態(tài)不同，膜對(duì)大分子有機(jī)物具有截留作用，使大分子有機(jī)物與微生物接觸時(shí)間增加，強(qiáng)化了系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的去除。

隨著好氧段HRT的增大，CODCr去除率先增大后趨于穩(wěn)定。好氧段HRT從6.0 h增至12.0 h時(shí)，裝置出水CODCr質(zhì)量濃度均穩(wěn)定在35 mg/L左右，因此，出水剩余CODCr主要是難生物降解或微生物內(nèi)源呼吸的殘留物。汪浩等[11]采用AAO-MBR工藝處理城鎮(zhèn)生活污水，發(fā)現(xiàn)好氧段HRT從3.6 h增加到10.8 h的過程中，CODCr去除率逐漸增大，但增幅較小，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 HRT對(duì)氨氮去除的影響

由圖3可知，不同HRT條件下，裝置出水氨氮質(zhì)量濃度為0.029～0.295 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到江蘇省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 32/3462—2020)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

注：橫坐標(biāo)軸數(shù)值分別表示厭氧段、缺氧段和好氧段的HRT圖3 不同HRT下的氨氮去除效果Fig.3 Effect of Ammonia Nitrogen Removal under Different HRT

試驗(yàn)表明，厭氧段和缺氧段HRT對(duì)氨氮去除影響不大，與劉哲等[12]研究結(jié)果一致。氨氮去除率較穩(wěn)定(98.29%～99.79%)，平均去除率為98.97%?？赡苁且?yàn)槟こ嘏拍嘀芷谳^長，污泥齡較大，系統(tǒng)內(nèi)富集了較多硝化菌，有利于將進(jìn)水氨氮氧化為硝態(tài)氮[1]。氨氮去除率隨好氧段HRT增加略有提高，與楊胤等[13]研究結(jié)果一致。這是因?yàn)楹醚醵蜨RT增加使得好氧段微生物特別是硝化細(xì)菌具有充足的生長時(shí)間，硝化反應(yīng)較徹底。

2.3 HRT對(duì)TN去除的影響

由圖4可知，不同HRT條件下，裝置出水TN質(zhì)量濃度為8.73～14.60 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到江蘇省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 32/3462—2020)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

注：橫坐標(biāo)軸數(shù)值分別表示厭氧段、缺氧段和好氧段的HRT圖4 不同HRT下的TN去除效果Fig.4 Effect of TN Removal under Different HRT

試驗(yàn)條件下，TN去除率為26.49%～56.57%，平均去除率為35.96%，HRT變化對(duì)TN去除效果影響較大。TN去除率隨厭氧段HRT增大顯著提高，可能因?yàn)楫?dāng)厭氧段HRT 較小(1.0 h)時(shí)，反硝化無法反應(yīng)完全，延長厭氧段HRT后，TN去除率逐漸上升，但與朱星等[10]研究結(jié)果(TN平均去除率為69.51%)相比，本研究TN去除率偏低。彭永臻等[14]研究表明，當(dāng)進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度為211 mg/L、C/N為4.0～7.0時(shí)，TN可得到較好去除(去除率為78.00%)。而本試驗(yàn)進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度為110 mg/L、C/N為5.6，可能因?yàn)檫M(jìn)水碳源不足限制了TN的去除效果。張娟[15]研究表明，改良型AAO工藝脫氮的限制因素不在于硝化反應(yīng)，而是由反硝化過程決定，在進(jìn)水CODCr質(zhì)量濃度為210 mg/L、TN質(zhì)量濃度為35.00 mg/L的條件下，缺氧段HRT為3.0 h時(shí)，基本能滿足反硝化要求，之后繼續(xù)增加缺氧段HRT對(duì)反硝化的影響很小，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。

好氧段HRT從6.0 h增至10.0 h后，TN去除率增加了26.00%，可能因?yàn)橄趸?xì)菌世代周期長，較長的HRT使硝化細(xì)菌得到有效富集，保證硝化反應(yīng)徹底進(jìn)行，回流到缺氧段的硝化液中硝態(tài)氮濃度更大，使得反硝化菌得到有效增殖。當(dāng)好氧段HRT為12.0 h時(shí)，TN去除率明顯降低，因?yàn)镠RT越大，有機(jī)負(fù)荷越低，由于反硝化菌屬于化能異養(yǎng)菌，較長的HRT可能導(dǎo)致活性污泥發(fā)生內(nèi)源呼吸，使得污泥濃度降低，影響反硝化效果[16]。

2.4 HRT對(duì)TP去除的影響

由圖5可知，不同HRT條件下，裝置出水TP質(zhì)量濃度為0.22～0.42 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到江蘇省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 32/3462—2020)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

注：橫坐標(biāo)軸數(shù)值分別表示厭氧段、缺氧段和好氧段的HRT圖5 不同HRT下的TP去除效果Fig.5 Effect of TP Removal under Different HRT

圖5表明，增大厭氧段HRT，TP去除率增大，與沈陽等[17]結(jié)論一致。因?yàn)榛钚晕勰嘣趨捬鯒l件下會(huì)發(fā)生內(nèi)源呼吸，釋放自身基質(zhì)，使厭氧段有機(jī)底物濃度升高，為厭氧釋磷提供了充足的碳源，上述內(nèi)源呼吸隨厭氧停留時(shí)間增大而增大。此外，徐榮樂等[18]研究發(fā)現(xiàn)，AAO工藝中厭氧段HRT不宜過長(不宜超過3.0 h)，否則將導(dǎo)致聚磷菌二次釋磷，此時(shí)這類細(xì)菌將不能積累聚β-羥基丁酸酯(PHB)，從而影響其在好氧段的吸磷效果。另外，增大缺氧段HRT，TP去除率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，厭氧段、好氧段HRT一定時(shí)，缺氧段HRT為3.0 h的TP去除率最高(69.70%)。潘欣語等[19]研究表明，缺氧段HRT增大，TP 去除率不一定升高，而是呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，與本試驗(yàn)結(jié)果一致。這是因?yàn)檫m當(dāng)增大缺氧段HRT有利于提高反硝化聚磷菌數(shù)量，強(qiáng)化反硝化吸磷作用，但缺氧段HRT過大，在碳源有限的情況下，反硝化菌與聚磷菌形成競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，而聚磷菌對(duì)于碳源的要求嚴(yán)于反硝化菌，即易降解有機(jī)物優(yōu)先被反硝化菌利用，導(dǎo)致聚磷菌吸附的碳源較少，不利于吸磷作用。

好氧段HRT從6.0 h增至12.0 h時(shí)，TP去除率逐漸增大，厭氧段、缺氧段HRT一定時(shí)，好氧段HRT為12.0 h的TP去除率最高(66.10%)。研究表明[19]，在低碳源條件下，雖然聚磷菌在厭氧、缺氧階段釋磷不充分，但在好氧段HRT較長且曝氣充足的條件下仍能過量吸收磷。此時(shí)，聚磷菌在好氧條件下過量吸磷的能量來源，既包括厭氧釋磷時(shí)形成的PHB等細(xì)胞能源物質(zhì)氧化分解而產(chǎn)生的能量，也包括來自好氧代謝過程中多余的能量。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用改良型AAO-MBR工藝處理低濃度農(nóng)村生活污水，結(jié)論如下。

(1)改良型AAO-MBR工藝中，HRT變化對(duì)CODCr、氨氮去除效果影響不大，CODCr、氨氮去除效果較穩(wěn)定，平均去除率分別為69.50%、98.97%。

(2)改良型AAO-MBR工藝中，不同HRT條件下，TN去除率為26.49%～56.57%，TP去除率為48.60%～69.70%。TN去除率隨厭氧段和缺氧段HRT增大而顯著提高，TP去除率隨缺氧段HRT增大而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

(3)綜合考慮污染物去除效果，提出改良型AAO-MBR工藝處理低濃度農(nóng)村生活污水時(shí)，厭氧段、缺氧段、好氧段最佳HRT分別為2.0、4.0、10.0 h，此條件下CODCr、氨氮、TN、TP去除率分別為71.64%、99.15%、56.57%、62.16%，裝置出水各污染物質(zhì)量濃度分別為38、0.104、8.73、0.42 mg/L，穩(wěn)定達(dá)到江蘇省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。