新型精濾膜構成的一體化農村污水處理方法及試驗研究

陳丹，周少奇 ，黃心穎，陳峰

（1.山東省城建設計院，濟南 250012；2.貴州科學院，貴陽 550001；3.廣州新之地環(huán)保產業(yè)有限公司，廣州 510370）

目前，我國城鎮(zhèn)集中污水處理技術的應用與研究較為成熟，而分散式污水處理技術仍處于發(fā)展階段。農村地區(qū)生活污水產量大，分散式污水處理技術能有效解決污水對農村水環(huán)境造成的危害。因此，需要深入研究分散式污水處理技術，解決現(xiàn)有的問題和弊端[1]。同時，大多數(shù)農村污水治理工程多參考城鎮(zhèn)污水處理廠的排放標準，以去除污染物為目的，將水中的氮、磷等肥料元素都作為污染物加以處理，而農村環(huán)境整治應以資源利用為核心。

新型精濾膜一體化農村污水處理方法可將農村污水中易引起水體黑臭的五日生化需氧量（BOD5）、COD、NH4+-N 等適當去除，在保證水體不黑不臭的同時留住污水中的氮、磷等肥料元素，再將這些再生水就近回用于周圍的農林。

為檢驗小型一體化污水處理裝置在農村污水分散處理模式中的應用效果，檢測了COD、SS 及NH4+-N等指標的去除效率。試驗證明，該新型精濾膜構成的一體化農村污水處理裝置對農村污水中COD、SS、NH3-N 等指標的去除效率可以達到90%及以上，上述各出水指標符合《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標準[2]。

1 新型精濾膜一體化農村污水處理方法

1.1 新型精濾膜一體化農村污水處理方法

簡單地說，新型精濾膜構成的一體化污水處理方法是一種厭氧-缺氧-好氧法（A2O）+膜生物反應器法（MBR）工藝，屬于分散式小型一體化污水處理裝置。我國分散式污水處理技術的應用始于20 世紀80 年代，大部分應用項目分布在技術經濟領先的發(fā)達城市與沿海地區(qū)[5]。隨著相關政策支持與生產建設成本的降低，分散式污水治理技術在農村被大力普及，現(xiàn)有的工藝多種多樣，農村分散式污水處理系統(tǒng)可分為初級處理系統(tǒng)、自然生態(tài)處理系統(tǒng)、人工生物處理系統(tǒng)[6]。本工藝屬于人工生物處理系統(tǒng)的一種，新型精濾膜構成的一體化污水處理裝置主要包括厭氧池、缺氧池、好氧池（膜池），是將自主研發(fā)的“混合液、污泥可自動回流的小型一體化污水處理裝置”[3]和“一種一體化小型污水處理裝置和污水處理方法”[4]相結合的裝置，該裝置可應用于山地、農村等小規(guī)模污水處理領域。

新型精濾膜構成的一體化污水處理工藝原理如圖1 所示,污水依次流入缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、好氧區(qū)a及好氧區(qū)b，再經由精濾膜過濾出水。

圖1 精濾膜一體化農村污水處理原理

連續(xù)出水過程中，在一組精濾膜曝氣的同時，另一組精濾膜出水，反之亦然，以此實現(xiàn)連續(xù)出水、連續(xù)曝氣。

在連續(xù)曝氣過程中,筒體內的混合液利用風機輸送給空氣的能量以及自身重力形成豎直循環(huán)流，完成混合液回流及污泥回流，無須另外設置污水回流泵及污泥回流泵，剩余污泥可以通過重力排放，因此本工藝屬于一種微動力小型污水處理方法。

下面簡單敘述空氣與混合液之間能量轉換原理，為了敘述方便，忽略能量在轉化過程中的損耗，空氣動能及重力對混合液做功計算公式如下：

式中，m1和u1為氣體的質量與速度；m2和u2為混合液的質量與速度。

式中，ρ1和V1為氣體的密度與體積；ρ2和V2為混合液的密度與體積。

空氣經曝氣進入混合液中，氣體的體積與其排開的液體體積相等，即：

那么，式①可以簡化為：

污水處理中，一般曝氣支管的流速為10—15m/s，取u1=10m/s、ρ1=1.29m3/kJ、ρ2=1000m3/kJ，那么根據(jù)式④可以計算出：u2=0.35m/s，符合《室外排水設計規(guī)范》（GB 50014—2016）中“氧化溝內的平均流速宜大于0.25m/s”的有關要求。

1.2 精濾膜技術參數(shù)

本工藝中精濾膜材質采用的是疏水性納米微濾材料，材質本身具有與蓮花表面類似的分層結構。

在連續(xù)出水過程中，膜通量在200—500L/m2·h，SS 去除率在95%—100%。材質的表面結構可以提升精濾膜表面的疏水性和疏泥性，提高活性污泥與膜表面的相互作用，附著的活性污泥被限制在膜表面外層，可被周圍流動的污水帶走，降低膜污染，減輕精濾膜的污堵。圖2a 為精濾膜片經過1h 機械出水后的狀態(tài)，其表面附著一層污泥，污泥層對進入膜片內的污水混合液具有網捕作用，可起到精細過濾和提高出水水質的作用。

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曝氣過程（即反沖洗過程）中,氣泡直徑維持在1—3mm，空氣流量為36—50m3/h·m2，氧氣利用率可以達到約35%。膜組的曝氣過程也是空氣反沖洗的過程，膜空隙的污堵由內而外被空氣清除，膜通量得到恢復。圖2b 是精濾膜片經過1h 反沖洗（即前述的曝氣過程）后的狀態(tài)，其污泥層經過氣體自內而外的沖刷，空隙內的污堵得到清除，膜片外表面的泥層也在氣流的作用下逐漸剝離，膜片通量基本恢復到初始階段。

圖2 精濾膜片出水、反沖洗前后的泥膜對比圖

2 新型精濾膜一體化污水處理裝置及試驗研究

2.1 試驗材料

試驗材料采用的污水是貴州省某縣化糞池上半部分的混合液，進水主要指標如下表所示。

試驗用污水進水指標情況

2.2 試驗裝置

試驗裝置由外筒、內筒、隔板、精濾膜組、風機、自吸泵等構成，本次試驗利用自吸泵機械出水。

2.3 試驗啟動及運行

試驗周期為20d。

試驗過程中，好氧區(qū)溶解氧保持在1.5—2.5mg/L，好氧區(qū)污泥濃度保持在8000—12 000mg/L。

污水處理流程如圖3 所示，同時參看圖1。

圖3 精濾膜一體化農村污水處理工藝流程圖

（1）污水經提升泵提至高位水箱后再通過重力輸送至環(huán)狀缺氧區(qū)腔體內，與筒體內的污水混合；開啟風機、奇數(shù)膜組曝氣閥門及偶數(shù)膜組出水閥門，關閉奇數(shù)膜組出水閥門及偶數(shù)膜組曝氣閥門，空氣由精濾膜輸送至內筒；污水混合液在重力及空氣攜帶的動能作用下形成豎直循環(huán)流，依次流入厭氧區(qū)、好氧區(qū)a及好氧區(qū)b，逐漸完成生化過程，并在好氧區(qū)a 內由精濾膜過濾出水，這是奇數(shù)組精濾膜曝氣、偶數(shù)組精濾膜出水過程，持續(xù)時間1h。

（2）30min 后，關閉奇數(shù)膜組曝氣閥門及偶數(shù)膜組出水閥門，開啟奇數(shù)膜組出水閥門及偶數(shù)膜組曝氣閥門，開始偶數(shù)組精濾膜曝氣、奇數(shù)組精濾膜出水過程，持續(xù)時間30min。

（3）上述過程循環(huán)往復，在曝氣的同時，該組精濾膜實現(xiàn)了反沖洗，膜通量得到恢復，整個試驗過程中，膜通量在300—325L/m2·h。

（4）污水處理過程中，由于水量不穩(wěn)定，液面超過溢流口后，混合液經溢流管進入排水系統(tǒng)。

3 結果與分析

如圖4 所示，試驗運行期間COD 最高去除效率為93%，出水指標均低于15mg/L，出水指標最低為18mg/L、最高為34mg/L、平均濃度為26mg/L，出水COD 排放濃度符合《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標準。

圖4 COD 進出水指標變化圖

如圖5 所示，運行期間NH4+-N 的最高去除效率為96%，出水NH4+-N 濃度最低為5mg/L、最高為15mg/L、平均為12mg/L，出水NH4+-N 排放濃度符合《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標準。

圖5 NH4+-N 進出水指標變化圖

如圖6 所示，運行期間SS 的最高去除效率為100%，出水SS 濃度最低為0.2mg/L、最高為5.8mg/L、平均為1.2mg/L，出水SS 排放濃度符合《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標準。

圖6 SS 進出水指標變化圖

4 結語

（1）試驗結果表明，新型精濾膜構成的一體化農村污水處理方法可以有效去除污水中的COD、SS、NH4+-N，去除效率可達到90%及以上，可滿足《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 52/1424—2019）中的一級排放標準。

（2）新型精濾膜構成的一體化農村污水處理裝置利用風機輸入的空氣動能和混合液自身的重力勢能形成豎直循環(huán)流，完成污水處理過程中混合液在各處理區(qū)間的傳送、攪拌、回流等過程；將曝氣過程與反沖洗過程合二為一，精濾膜通量及時得到恢復，與傳統(tǒng)膜片外掛清洗相比，該裝置運行效率高、運行成本低。

（3）新型精濾膜構成的一體化農村污水處理裝置結構簡潔、安裝方便、運行簡便、易于控制，是一種投資成本及運行費用低、出水效果穩(wěn)定的污水處理裝置，適用于農村小型污水處理領域。