隨著城鄉(xiāng)水環(huán)境保護(hù)治理要求日益嚴(yán)格,農(nóng)村水環(huán)境污染治理問(wèn)題逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)?,F(xiàn)有的城市污水處理工藝不適宜在污水總量小、分散且經(jīng)濟(jì)條件差、技術(shù)匱乏的農(nóng)村地區(qū)采用,因此針對(duì)農(nóng)村地區(qū)開(kāi)發(fā)出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)、能耗低、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單的分散污水處理工藝對(duì)強(qiáng)化農(nóng)村地區(qū)生活污水處理具有重要意義。多級(jí)A/O工藝是一種高效的脫氮除磷污水處理工藝,在水處理中應(yīng)用廣泛,但由于好氧段的硝化液需要回流至缺氧段進(jìn)行反硝化脫氮,能耗相對(duì)較高。分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝通過(guò)將污水分段加入各缺氧段實(shí)現(xiàn)反硝化過(guò)程中的碳源補(bǔ)充,可有效降低工藝運(yùn)行成本,具有操作靈活簡(jiǎn)便的特點(diǎn),但傳統(tǒng)的分段進(jìn)水多級(jí)A/O工藝主要基于活性污泥法開(kāi)發(fā)。多級(jí)生物接觸氧化工藝具有填料固定生物量大、掛膜周期短、水力停留時(shí)間短、體積小等特點(diǎn),在分散生活污水處理方面表現(xiàn)出優(yōu)異潛力。將生物接觸氧化工藝與多點(diǎn)進(jìn)水技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)生物接觸氧化系統(tǒng)中碳源、溶解氧的再分配,有望進(jìn)一步強(qiáng)化多級(jí)生物接觸氧化工藝對(duì)低碳氮比生活污水的凈化效能。本研究針對(duì)傳統(tǒng)生物接觸氧化工藝的弊端,結(jié)合農(nóng)村分散型生活污水的特點(diǎn),設(shè)計(jì)多點(diǎn)進(jìn)水的多級(jí)生物接觸氧化工藝,將進(jìn)水以不同比例投加到不同的生物接觸氧化工藝段,利用原水中的有機(jī)物實(shí)現(xiàn)對(duì)缺氧段碳源補(bǔ)給和溶解氧的再分配,以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)村生活污水的高效低耗凈化。1、材料與方法1.1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置由不銹鋼鋼板加工制作而成,分為6個(gè)反應(yīng)區(qū),即調(diào)節(jié)池、好氧池1#(O1)、缺氧池1#(A1)、缺氧池2#(A2)、好氧池2#(O2)及沉淀池(圖1)裝置總尺寸為1.225m×1.2m×0.7m,反應(yīng)區(qū)的有效容積為770L。內(nèi)填充速分球作為填料,外為直徑10cm的PVC殼體,內(nèi)為火山巖碎塊,填充率采用經(jīng)驗(yàn)值,即每立方米裝填1000個(gè)直徑10cm的速分球??諌簷C(jī)通過(guò)與空氣管相連的微孔曝氣盤(pán)向好氧池1#(O1池)和好氧池2#(O2池)充氧曝氣。裝置污水采用上進(jìn)下出、下進(jìn)上出的方式,單點(diǎn)進(jìn)水時(shí),由自吸泵通過(guò)進(jìn)水管進(jìn)入配水渠;多點(diǎn)進(jìn)水時(shí),自吸泵中的污水部分從進(jìn)水管進(jìn)入配水渠,部分進(jìn)入缺氧池1#(A1池)或缺氧池2#(A2池)。本研究設(shè)計(jì)2套總體積相同、各段體積不同的裝置。裝置一各段的水力停留時(shí)間比為O1∶A1∶A2∶O2=9∶1∶3∶6,即每個(gè)工藝段的體積比為9∶1∶3∶6;裝置二各段水力停留時(shí)間比為O1∶A1∶A2∶O2=1∶1∶1∶1,即每個(gè)工藝段的體積相等。2套裝置平面設(shè)計(jì)圖如圖2所示。1.2 微生物掛膜生物接觸氧化裝置采用活性污泥掛膜法,接種的活性污泥取自北京市郊區(qū)某污水處理廠好氧池,污泥濃度約5.5g·L−1。將活性污泥悶曝48h,靜置沉淀后排出上清液,然后將接種的活性污泥與生活污水以體積比約1∶20混合后注入生物接觸氧化池,好氧池溶解氧控制在4mg·L−1左右,缺氧池不曝氣。繼續(xù)在池內(nèi)污水悶曝24h后,排出底部老化的活性污泥,連續(xù)通入生活污水,掛膜至24d時(shí),可觀察到好氧池填料上有棕黃色的生物膜,缺氧池內(nèi)的生物膜呈黑色(圖3),此時(shí)COD和氨氮的去除率均高于75%,出水水質(zhì)良好,表明掛膜成功,可以進(jìn)行下一階段實(shí)驗(yàn)。1.3 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)水取自北京市郊區(qū)某污水處理廠進(jìn)水口,污水源為周邊農(nóng)村居民生活污水,實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo):COD、TN、NH4+-N質(zhì)量濃度為101~364、22~42、4~25.8mg·L−1,溫度為18.3~31.3℃,pH為7.69~7.98。實(shí)驗(yàn)周期為5個(gè)月。1.4 運(yùn)行工況裝置運(yùn)行參數(shù)為:生物接觸氧化系統(tǒng)進(jìn)水流量為120L·h−1,不設(shè)回流。O1段溶解氧控制為(4.0±0.1)mg·L−1,O2段溶解氧控制為(3.0±0.1)mg·L−1。由于裝置不設(shè)回流,多點(diǎn)進(jìn)水時(shí)將污水以4∶1及2∶1的比例進(jìn)入O1段、A1段或O1段、A2段,把系統(tǒng)進(jìn)水分為O1∶A1=4∶1(工況I),O1∶A1=2∶1(工況II),O1∶A2=4∶1(工況III),O1∶A2=2∶1(工況IV)4個(gè)工況。1.5 儀器與方法溫度、pH、DO采用YSIProPlus便攜式多參數(shù)水質(zhì)分析儀,COD采用快速消解法,TN采用過(guò)硫酸鉀氧化法,NH4+-N采用納氏試劑法。2、結(jié)果與討論2.1 不同工況下多級(jí)生物接觸氧化工藝的COD去除效果圖4所示為單點(diǎn)和多點(diǎn)進(jìn)水情況下生物接觸氧化工藝對(duì)生活污水中COD的去除效果變化情況。盡管進(jìn)水COD波動(dòng)較大,但單點(diǎn)和多點(diǎn)進(jìn)水情況下出水COD值始終在30mg·L−1左右。單點(diǎn)進(jìn)水與多點(diǎn)進(jìn)水下的出水COD值相差不大,甚至在多點(diǎn)進(jìn)水情況下出現(xiàn)出水COD值升高的現(xiàn)象。多點(diǎn)進(jìn)水時(shí),裝置一在工況I時(shí)的出水COD值,為20.2mg·L1,平均去除率為92.0%。多點(diǎn)進(jìn)水時(shí),對(duì)比工況I和工況II,進(jìn)水位置相同、進(jìn)水比例不同時(shí)出水COD值相差不大,但工況I的進(jìn)水COD去除率較工況II高,很可能是因?yàn)镺1段進(jìn)水在裝置中停留時(shí)間較長(zhǎng),有較好的生化效果;對(duì)比工況I和工況III,相同的進(jìn)水比例在不同的進(jìn)水位置也會(huì)有不同的出水COD值,進(jìn)水O1段流量相同,A1段進(jìn)水較A2段進(jìn)水時(shí)COD的去除率高,很可能是缺氧段時(shí)間越長(zhǎng),反硝化作用越強(qiáng);對(duì)比工況I和工況IV,盡管進(jìn)水位置及比例均不同,但出水COD值均穩(wěn)定在30mg·L−1以下,且去除率處于較高的水平。2.2 不同工況下多級(jí)生物接觸氧化工藝的氨氮去除效果圖5為單點(diǎn)和多點(diǎn)進(jìn)水情況下生物接觸氧化工藝對(duì)生活污水中氨氮的去除效果。單點(diǎn)進(jìn)水條件下2套裝置對(duì)氨氮的去除率相近,平均去除率為95.5%。多點(diǎn)進(jìn)水時(shí)在不同的工況下,氨氮的出水濃度有所差異,去除率變化明顯。當(dāng)進(jìn)水位置及比例有所改變時(shí),裝置一在工況I時(shí)對(duì)氨氮的處理效果好,出水平均濃度為0.5mg·L−1,平均去除率為97.1%。對(duì)比工況I和工況II,進(jìn)水位置相同、進(jìn)水比例不同時(shí),O1段進(jìn)水流量較高,A1段進(jìn)水較低時(shí)的氨氮去除率較高;對(duì)比工況I和工況III,進(jìn)水比例相同、進(jìn)水位置不同時(shí),進(jìn)水A1段較A2段的氨氮去除率稍高;對(duì)比工況I和工況IV,在進(jìn)水總量相同,進(jìn)水位置及比例均不同時(shí),工況I對(duì)氨氮的去除率較高,原因是好氧段水力停留時(shí)間越長(zhǎng),氨氮的出水效果越好。2.3 不同工況下多級(jí)生物接觸氧化工藝的總氮去除效果圖6所示為單點(diǎn)和多點(diǎn)進(jìn)水情況下生物接觸氧化工藝對(duì)生活污水中TN的去除效果變化情況。單點(diǎn)進(jìn)水時(shí),進(jìn)水總氮在24~28mg·L−1,2套裝置對(duì)總氮的去除效果均不佳,平均出水濃度為18.2mg·L−1,平均去除率為31.5%,不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。多點(diǎn)進(jìn)水時(shí),2套裝置在4個(gè)工況下的出水總氮濃度變化幅度較大,總體來(lái)說(shuō),裝置一的總氮去除效果優(yōu)于裝置二,且在工況I時(shí)的裝置一總氮平均出水濃度為9.0mg·L−1,平均去除率為64.3%,可以穩(wěn)定達(dá)到北京市地標(biāo)農(nóng)村生活污水一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn),這在不設(shè)回流、不外加碳源的情況下是較難實(shí)現(xiàn)的。對(duì)比工況I和工況II,進(jìn)水位置相同、進(jìn)水比例不同時(shí),O1段進(jìn)水流量越大,出水總氮越低;對(duì)比工況I和工況III,進(jìn)水比例相同、進(jìn)水位置不同時(shí),原水進(jìn)入A1段時(shí)的總氮去除率較進(jìn)入A2段時(shí)高;對(duì)比工況I和工況IV,在進(jìn)水總量相同,進(jìn)水位置及比例都不相同時(shí),工況I運(yùn)行時(shí)出水總氮濃度較低,脫氮效果好。多點(diǎn)進(jìn)水模式實(shí)現(xiàn)了碳源在多級(jí)A/O工藝中的再分配,A1或A2段進(jìn)水彌補(bǔ)了厭氧段由于碳源不足導(dǎo)致的反硝化能力不足問(wèn)題,但同時(shí)當(dāng)缺氧段存在大量有機(jī)物時(shí),容易造成缺氧段異養(yǎng)菌繁殖,進(jìn)而與反硝化細(xì)菌產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用,限制反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng),在一定程度上抑制反硝化效率。綜上可知,多點(diǎn)進(jìn)水時(shí)多級(jí)生物接觸氧化工藝對(duì)生活污水的處理效果優(yōu)于單點(diǎn)進(jìn)水。在工況I(O1∶A1=4∶1)的進(jìn)水情況下出水效果,且裝置一的出水效果優(yōu)于裝置二,的COD、氨氮、總氮的出水平均濃度分別為20.2、0.5、9mg·L−1,平均去除率分別為92.0%、97.1%、64.3%。2.4 水力停留時(shí)間對(duì)多級(jí)生物接觸氧化工藝去除COD效果的影響圖7所示不同水力停留時(shí)間下多級(jí)生物接觸氧化工藝COD去除變化曲線(xiàn)。單點(diǎn)進(jìn)水時(shí),2套裝置出水的COD值相近,COD的去除率隨著水力停留時(shí)間(HRT)的減小而降低,當(dāng)HRT為6.55h時(shí),裝置一中出水COD平均值為10.8mg·L−1,平均去除率為92.1%;當(dāng)HRT為4.91h時(shí),裝置一中出水COD平均值為28.4mg·L−1,平均去除率為81.8%。多點(diǎn)進(jìn)水下,當(dāng)HRT從6.55h減少到4.91h時(shí),裝置一的出水COD平均值由20.2mg·L−1增加至31.2mg·L−1,平均去除率隨之降低。隨著HRT的減小,反應(yīng)器的水力負(fù)荷有所增加,必然會(huì)影響有機(jī)物的處理效率。縮短HRT,使得反應(yīng)器內(nèi)的生物膜受到氣流的擾動(dòng)作用和水力的剪切作用加強(qiáng),接觸時(shí)間變短,生物氧化作用不,再加上生物量流失增加,導(dǎo)致反應(yīng),出水水質(zhì)下降。同時(shí)發(fā)現(xiàn)減少HRT時(shí),COD去除下降效果不太顯著,表明系統(tǒng)對(duì)COD的去除有較高的抗沖擊負(fù)荷能力,增加水力負(fù)荷時(shí),對(duì)COD仍有較高的去除率。2.5 水力停留時(shí)間對(duì)多級(jí)生物接觸氧化工藝去除氨氮效果的影響圖8所示為不同水力停留時(shí)間下多級(jí)生物接觸氧化工藝氨氮去除變化曲線(xiàn)。單點(diǎn)進(jìn)水時(shí),裝置一對(duì)氨氮的去除率略好于裝置二。當(dāng)HRT為6.55h時(shí),裝置一中氨氮的平均出水濃度為0.66mg·L−1,平均去除率為95.5%;當(dāng)HRT為4.91h時(shí),裝置一中氨氮的平均出水濃度為1.76mg·L−1,平均去除率為87.7%。多點(diǎn)進(jìn)水時(shí),裝置一對(duì)氨氮的去除率稍高于裝置二,其在水力停留時(shí)間較長(zhǎng)的6.55h時(shí),氨氮的出水效果好,平均出水濃度為0.5mg·L−1,平均去除率高達(dá)97.1%。隨著水力停留時(shí)間的減少,反應(yīng)器內(nèi)硝化菌去除氨氮的作用減弱,當(dāng)水力停留時(shí)間減少至4.91h時(shí),氨氮平均出水濃度為3.10mg·L−1,平均去除率減至86.8%。HRT是影響氨氮去除效果的重要影響因素。在一定范圍內(nèi),HRT越長(zhǎng),氨氮的去除率越高;HRT越短,氨氮的去除率越低。HRT由6.55h降低為4.91h時(shí),系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除有所下降,下降幅度較小。這可能是隨著進(jìn)水流量的增加,O2段可供利用的有機(jī)物含量升高,加快了微生物的新陳代謝,使得生物活性得到提高,使得出水氨氮濃度下降的幅度較小。2.6 水力停留時(shí)間對(duì)多級(jí)生物接觸氧化工藝去除總氮效果的影響圖9所示為2套生物接觸氧化裝置的總氮去除變化情況。在單點(diǎn)進(jìn)水條件下,當(dāng)水力停留時(shí)間為6.55h時(shí),平均出水總氮濃度為18.2mg·L−1,平均去除率僅為31.5%。多點(diǎn)進(jìn)水時(shí),隨著水力停留時(shí)間逐漸減少,總氮的去除率呈現(xiàn)直線(xiàn)下降的趨勢(shì),且裝置一較裝置二對(duì)總氮的去除率稍高。當(dāng)水力停留時(shí)間為6.55h時(shí),裝置一中總氮的出水濃度,去除率,平均出水濃度為9.0mg·L−1,平均去除率可達(dá)到64.3%,隨著水力停留時(shí)間減少至4.91h,總氮的平均出水濃度增加至16.6mg·L−1,平均去除率降低為54.1%。總氮的去除依靠同步硝化反硝化過(guò)程和缺氧段的反硝化過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)的水力負(fù)荷隨水體停留時(shí)間的減少而逐漸增加時(shí),水流的水力沖刷作用增強(qiáng),生物膜的附著性變差,缺氧段生物膜分泌物質(zhì)的粘性作用不足以抗拒水流的沖刷,將會(huì)加快生物膜的脫落,使得反硝化菌隨水流流失嚴(yán)重,反硝化脫氮的效果減弱,總氮的去除率降低。另外,水力負(fù)荷的增加,使得好氧段微生物對(duì)氨氮的轉(zhuǎn)化能力減弱,氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的效率較低,反硝化過(guò)程受到制約,從而降低總氮的去除效果。2.7 多點(diǎn)進(jìn)水多級(jí)生物接觸氧化工藝的除氮過(guò)程分析由多點(diǎn)進(jìn)水條件下多級(jí)生物接觸氧化工藝對(duì)COD、氨氮及總氮的去除效果的影響結(jié)果表明,進(jìn)水位置及比例為O1∶A1=4∶1,水力停留時(shí)間為6.55h的運(yùn)行工況下的出水效果好,因此,以裝置一中工況I的氮濃度變化來(lái)探究總氮的去除機(jī)理。圖10所示為多級(jí)生物接觸氧化工藝不同段出水中氮濃度變化曲線(xiàn)。進(jìn)水中的總氮及氨氮濃度較高,硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度較低,經(jīng)好氧段O1后,總氮及氨氮值均有明顯下降,且氨氮降幅較大,硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮值均有提高,說(shuō)明氨氮在O1段硝化菌的作用下轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮,同時(shí)總氮在在O1段有所減少表明在好氧段O1段發(fā)生了反硝化作用。值得注意的是,由于進(jìn)水中有機(jī)物濃度較高,導(dǎo)致硝化速度不及反硝化速度,導(dǎo)致在O1段存在一定的亞硝酸鹽累計(jì);同時(shí),O1段內(nèi)的微生物可以獲取進(jìn)水中的有機(jī)物質(zhì)供給自身進(jìn)行增殖,隨著生物膜厚度的逐漸增加,水中的溶解氧穿透生物膜表層的能力越來(lái)越弱,使得填料內(nèi)部火山巖上生長(zhǎng)的微生物處于缺氧的環(huán)境,在生物膜內(nèi)外形成一定的缺氧區(qū)和好氧區(qū),同步硝化反硝化作用得以進(jìn)行。當(dāng)污水經(jīng)好氧段O1流入缺氧段A1的同時(shí),部分原水進(jìn)入A1段,由于原水中的氨氮及總氮濃度較高,直接進(jìn)入A1段時(shí),提高了缺氧段出水的總氮和氨氮值。然而缺氧段的反硝化菌可利用原水中的有機(jī)物將好氧段提供的硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮還原為氮?dú)?,從而降低了總氮及硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的濃度,所以在A2段出水時(shí)很難檢測(cè)到硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的存在。但總氮在缺氧段呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),表明缺氧段的反硝化作用強(qiáng)于進(jìn)水和O1段出水濃度的混合提高,因此,總氮的去除效果較為明顯。污水流出O2段時(shí),氨氮在好氧的條件下得到轉(zhuǎn)化,硝態(tài)氮及亞硝態(tài)氮的濃度均有所提高;總氮濃度的降低也表明了O2段內(nèi)同步硝化反硝化過(guò)程依然存在,因此,系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果較好。2.8 多點(diǎn)進(jìn)水多級(jí)生物接觸氧化工藝微生物分析當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至穩(wěn)定狀況時(shí),填料上的生物膜經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后達(dá)到穩(wěn)定,分析裝置一中O1段、A1段、A2段、O2段中生物膜中微生物的菌群結(jié)構(gòu)。圖11(a)為好氧段生物膜門(mén)水平上微生物及相對(duì)豐度。相對(duì)豐度的為變形菌門(mén)(Proteobacteria)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes),二者可有效去除水中的有機(jī)污染物,同時(shí)具有脫氮功能。此外,在好氧段生物膜中也存在較高的硝化螺旋菌門(mén),是重要的亞硝酸鹽氧化細(xì)菌,是污水處理中執(zhí)行亞硝酸鹽氧化功能的關(guān)鍵菌群。圖11(b)所示為缺氧段生物膜門(mén)水平上微生物組成情況。與好氧段類(lèi)似,相對(duì)豐度的為變形菌門(mén)(Proteobacteria)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes),其次相對(duì)豐度較高的是厚壁菌門(mén)(Firmicutes),厚壁菌門(mén)中大都可以產(chǎn)生芽孢,可用以抵抗外部環(huán)境,是污水處理中被的重要功能菌群。圖11(c)所示為好氧段生物膜屬水平上微生物5及相對(duì)豐度。相對(duì)豐度較高的黃桿菌屬(Flavobacterium)、Denitratisoma菌屬、Phaeodactylibacter菌屬、硝化螺旋菌屬(Nitrospira)、噬氫菌屬(Hydrogenophaga)等都有利于生物脫氮反應(yīng)的進(jìn)行,而球衣菌屬(Sphaerotilus)具有降解有機(jī)污染物的功能,可促進(jìn)COD去除;亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)可以調(diào)節(jié)酶來(lái)控制硝化過(guò)程。在反應(yīng)器的好氧段生物膜中存在部分反硝化菌屬,表明好氧段內(nèi)存在缺氧甚至是厭氧環(huán)境,證實(shí)了好氧段同步硝化反硝化過(guò)程的存在。圖11(d)所示為缺氧段生物膜屬水平上微生物群落結(jié)構(gòu)。屬水平上相對(duì)豐度較高的為球衣菌屬(Sphaerotilus),具有降解有機(jī)污染物的功能;絲硫菌屬(Thiothrix)常出現(xiàn)在氮源較少,碳源及能源豐富的環(huán)境中;弓形桿菌屬(Arcobacter)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、Denitratisoma菌屬、Phaeodactylibacter菌屬、索氏菌屬(Thauera)等菌屬均為重要的脫氮微生物。缺氧段中存在的豐富弓形桿菌屬(Arcobacter)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、Phaeodactylibacter菌屬、和Denitratisoma菌屬等微生物,有利于生物的反硝化過(guò)程,進(jìn)而提高總氮去除率。3、結(jié)論1)多點(diǎn)進(jìn)水的多級(jí)生物接觸氧化條件下,進(jìn)水位置及比例對(duì)污染物去除效果具有明顯影響。進(jìn)水位置及比例為O1∶A1=4∶1時(shí)的出水效果好,COD、NH4+-N及TN的平均出水濃度分別為20.2、0.5、9.0mg·L−1,平均去除率分別為92.0%、97.1%、64.3%。2)HRT對(duì)COD、氨氮和總氮去除效果有顯著影響。隨著HRT的減少,COD、氨氮和總氮的出水濃度逐漸升高,去除率逐漸降低,出水水質(zhì)惡化,實(shí)驗(yàn)得出的水力停留時(shí)間為6.55h。3)多點(diǎn)進(jìn)水條件下多級(jí)生物接觸氧化工藝在好氧段內(nèi)存在同步硝化反硝化過(guò)程,對(duì)總氮去除具有一定的提升作用,經(jīng)缺氧段后總氮出水繼續(xù)降低,末端好氧段后COD、氨氮及總氮均可達(dá)標(biāo)出水。