小型体化污水处理设备工艺研究
张静1，侯红勋1，王淦1，梅鹏星2，乐成银3，朱甲华1
（1.安徽国祯环保节能科技股份有限公司，合肥
230088；2．合肥工业大学，合肥
230009；
3．安徽建筑大学，合肥
230601）
小型一体化污水处理设备工艺研究
基金项目：安徽省科技攻关项目（12010402093）
1
概述
目前，我国农村和小城镇的污水无害化处理设施建设得过少，大部分小城镇的污水直接排入水体及相关流域，不仅污染了江河湖泊和地下水，而且对土壤和大气也都造成了不良影响，导致潜在的疾病传播，已成为一个急需解决的社会问题。同时，已建污水处理设施不够完善，运行经费缺乏，运行管理不利。小城镇污水对环境的污染仍在加剧，与我国经济蓬勃发展的大好形势极不相称。2012年
全国城市污水的处理率为82％，县城为60％，而建制镇为20％，农村仅为7％；90％以上的小城镇的水体受到不同程度的污染，78％的城镇河段不宜做饮用水，50％的城镇地下水受到影响［1］。农村和小城镇污水对环境造成的污染不容忽视。
1．1农村和小城镇污水的特点
目前，我国农村和小城镇排水体制多为合流
制，且没有较完善的管道系统，排水系统普及率较低。相对于大、中城市而言，农村和小城镇污水具
摘要：分析了我国农村和小城镇污水水质、水量的特点，以及目前一体化污水处理设备在农村和小城镇污水处理中应用时所存在的问题。提出了一种小型一体化污水处理设备（MST ），该设备在工艺上借鉴生物膜法中的生物接触氧化法和流动床工艺，采用模块化设计的理念，将气提反应模块代替传统二沉池。通过中试试验验证了该设备具有良好的去除有机物、氨氮和SS 的效果，特别是出水SS 的质量浓度能够稳定达到10mg ／L 以下。为我国农村和小城镇污水处理提供新的解决办法。
关键词：MST ；气提反应模块；生物膜；模块化设计中图分类号：X703.3
文献标识码：A
文章编号：%1009－2455（2014）01－0060－05
Process research on mini sewage treatment integrated equipment
ZHANG Jing 1，HOU Hong－xun 1，WANG Gan 1，MEI Peng－xing 2，LE Cheng－yin 3，ZHU Jia－hua 1
（1.Anhui Guozhen Environmental Protection Science and Technology Co.,Ltd.,Hefei 230088,China;2.Hefei University
of Technology,Hefei 230009,China;3.Anhui University of Architecture,Hefei 230601,China ）
Abstract ：The quality and quantity characteristics of sewage from countryside and small towns of China were analyzed.Based on the existing problems of integrated equipments treating that kind of sewage,a kind of mini sewage treatment integrated equipment named MST was pointed out.Adopting the principle of modular de -sign and learning from the experiences of biological contact oxidation process and biological fluidized bed process of biofilm technology as references,the equipment designers used airlift reaction zone to replace traditional sec -ondary setting tank.The results of the pilot scale test showed that,the said equipment had good removal effect on organic matters,ammonia nitrogen and SS,the mass concentration of SS in the effluent water could be stable at 10mg/L or even lower.Therefore,mini sewage treatment integrated equipment can be a novel and feasible pro -cess for sewage treatment in countryside and small towns of China.
Keywords ：MST;airlift reaction module;biofilm;block-based design
有以下特点：①相应人口比大中城市的少，工业产业相对简单，用水量标准较低，污水处理规模小；
②由于工业布局、地理位置以及经济状况的差异，污水受雨季影响较大，其用水量时变化系数也较大，因此污水水量、水质变化大；③与大、中城市相比较，农村和小城镇污水主要为生活污水（占50％以上），污水中SS浓度较高，特别是一些小城镇排水系统不完善，大多采用明渠排水，雨水和地下水入渗现象严重，降低了污水中的有机物浓度；
④污水水质存在以下特点：ρ（COD Cr）＜500mg／L，ρ（B OD5）＜500mg／L，ρ（SS）＜500mg／L，色度＜100倍，含有一定量的氮和磷［2］，可生化性好。1．2农村和小城镇污水处理技术要求
由于农村和小城镇人口少，污水处理规模小，时变化系数大，水质、水量变化大，因此在选择处理工艺时需注意处理效果的稳定性。在工艺的选择上尽量选取低负荷型、稳定性好的处理工艺。适宜农村和小城镇采用的污水处理工艺应具备基建投资省、运行费用低、节能降耗明显；处理工艺具有较强的耐冲击负荷能力，去除效率高；工艺简便灵活、运行稳定、维护管理方便，能较好地适应现阶段达标处理排放要求与未来考虑进行再生利用需要的变化等特点。
一体化污水处理设备是多功能处理工艺的综合体，具有结构紧凑、施工安装方便快捷等特点，对于规模在100m3／d以下的生活污水处理工程是很好的选择。随着环境要求的提高，以及受到管理水平的限制，城镇小型生活污水处理设备在强化脱氮除磷效果的同时，还应进一步向组装系列化、密闭性、高效的处理效率方向发展。
1．3一体化设备的应用现状和存在的问题
目前我国环保市场上所出现的一体化污水处理装置多为大型污水处理厂各个单元工艺的缩小和整合。笔者对我国43个一体化设备生产厂家进行了工艺调研，结果显示：我国目前生活污水处理的一体化设备多以生物接触氧化为主体工艺，其次是膜生物技术（MBR）。被调研的设备厂家中，约47％的厂家采用生物接触氧化工艺，28％采用膜生物反应器技术，16％采用生物转盘等生物膜技术，9％采用SBR等技术。
对于农村和小城镇的污水处理，由于农村和小城镇污水处理站处理出水一般直接排放到河流，因此其出水水质多参考GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》［3］中的一级A排放标准执行。
现有一体化设备在农村和小城镇污水处理应用中存在以下工艺技术问题：
（1）MBR技术由于存在微孔过滤机理，出水水质能够达到GB18918—2002一级A标准的要求。但存在膜片造价高、需要定期清洗等问题。从造价和运行方面都不适合在农村和小城镇大规模应用。
（2）除MBR以外的工艺其出水往往只能达到GB18918—2002一级B标准的要求。
（3）对于MBR以外的工艺，在不增加处理单元的前提下，对于氮、磷的提标可考虑降低负荷和加药的方法来实现，但是对于SS则没有有效的处理办法。
因此，从出水一级B级标准提升至一级A标准的主要难点为SS的去除。如何在一级B标准的基础上，在不增加砂滤或者人工湿地等深度处理单元的前提下实现出水SS浓度达标是一体化设备工艺研究的主要问题之一。
1．4研究内容
针对现有一体化污水处理设备在农村和小城镇的应用中存在的问题，提出了一种面向该地区的小型一体化污水处理设备（Mini S ewage T reatment，简称MST），并进行中试试验，对其进行研究。
该设备在工艺上借鉴生物膜法中的生物接触氧化法和流动床工艺，设备整体分为预反应区、生化反应区和气提反应区；并采用模块化设计的理念，将装置分为外池和内部模块；同时，采用气提反应模块代替传统二沉池。本研究通过中试试验验证了其在工艺上具有良好的去除有机物、氨氮和SS的效果，特别是出水SS的质量浓度能够稳定达到10 mg／L以下。为我国农村和小城镇污水处理提供新的解决办法。
2试验部分
2．1试验装置
MST装置分为外池和内置模块，材质均为不锈钢。外池池壁设置插板槽，可以改变插板位置从而改变运行工况。外池尺寸为4．50m×1．49m×1．44m，有效水深为1．10m，有效容积为7．38m3，总容积为9．66m3。
利用插板将装置分成预反应区、生化反应区和气提反应区3个区域。装置构造如图1所示。
图1
MST 试验装置构造
Fig.1Structure of experimental MST equipment
进水量／（L ·min －1）
进水时
间／h
58 5.477.6311.473
16
9.11
12.72
19.11
停留时间／h
预反应区
生化反应区
气提反应区
表2
各功能单元区的主要参数
Tab.2Main parameters of each unit
进水
ρ（COD Cr ）ρ（BOD 5）ρ（SS ）ρ（NH 3-N ）ρ（TN ）ρ（TP ）218.33
106.33
138.67
26.09
36.70
3.73
表1污水厂2010~2012年平均进水水质
Tab.1Average influent water quality of wastewater treatment
plant from 2010to 2012mg ·L -1
（1）预反应区：主要功能为对原水进行预曝气和水质、水量调节，反应时控制溶解氧的质量浓度为0．5mg ／L ，对原水中的有机物进行水解，同时对有机氮进行氨化反应。装置外形尺寸为1．00m ×1．49
m ×1．44m ，有效水深为1．10m ，有效容积为1．64
m 3。内部设置0．5m 3的粒状柱悬浮填料。设置穿孔
曝气管1根，孔口直径2mm ，曝气管长1．0m 。
（2）生化反应区：主要功能为去除有机物和氨氮。反应时溶解氧的质量浓度控制在3mg ／L 。装置外形尺寸为1．40m ×1．49m ×1．44m ，有效水深
1．10m ，有效容积为2．29m 3。内设悬浮反应模块1个，模块下部设置管式曝气器（Φ×L ＝63mm ×500mm ）3根。内设0．6m 3的粒状柱悬浮填料（Φ×H ＝25mm ×12mm ）。
（3）气提反应区：主要功能为进一步去除有机
物和氨氮，同时进行固液分离。反应时溶解氧的质量浓度控制在3mg ／L 。装置外形尺寸为2．10m ×
1．49m ×1．44m ，有效水深为1．10m ，有效容积为3．44m 3。内部设置一气提反应模块，其外形尺寸为1．73m ×1．25m ×1．15m ，气提反应模块出水侧设置一段45°的斜坡以便污泥滑落；气提反应模块内部设置填料，填料的有效容积为1．5m 3，填充高度为0．7m ，模块内部设置空气提升曝气器1个，空气提升器距离池底0．3m ，由空气管、扬水管、溅
水盘、导流板等组成。
装置所配备风机额定风量为1．12m 3／min ，额定功率为1．5kW 。进水流量和系统风量通过管路上阀门调节。装置底部设置放空管。
2．2试验用水
合肥市经开区污水厂2010~2012年连续3年
的平均进水水质如表1所示。从表1可看出该厂进水水质符合农村生活污水水质的特点，采用合肥市经开区污水厂的进水进行中试试验是可行的。
2．3试验条件
装置采用变负荷运行方式，白天9:00～17:00
进水量为5L ／min ，晚上17:00～次日9:00进水量为
3L ／min ，旨在确保硝化菌的筛选和生长。
试验时，沉砂池出水自流入试验装置。通过安装在管路上的阀门进行水量调节，确保全天处理能力为5．3m 3／d 。填料的挂膜采用来水自然培菌，不进行污泥接种。系统不设污泥回流单元，定期用潜水泵抽吸污泥进行排泥。
试验时各功能单元区的主要参数如表2所示。预反应区、生化反应区、气提反应区的溶解氧质量浓度分别为0．5、3．0、3．0mg ／L 。
3结果与讨论
试验日期为2013年7月24日~8月31日。
MST 装置在进水量分别为5L ／min 和3L ／min 时，进、出水COD Cr 、NH 3－N 、SS 及其去除率情况分别
如图2～图7所示。在进水量分别为5L ／min 和3
L ／min 时，MST 装置的污染物的平均进、出水浓度及其去除率如表3所示。
在进水COD Cr 、NH 3-N 、SS 的平均质量浓度分别为223、20.6、195.8mg ／L 的情况下，对应的出水平均质量浓度分别为42、8.93、8.6mg ／L ，平均
预反应区
生化反应区
气提反应区
出水
表3
污染物去除率情况
Tab.3Pollutants removal rates
进水量／（L ·min －1）
进水时
间／h
进水
出水
进水
出水
582415922.638.973
16
208
28
18.88
8.89
ρ（COD Cr ）／（mg ·L －1）ρ（NH 3-N ）／（mg ·L －1）ρ（SS ）／（mg ·L －1）进水
出水
1988.8194
8.5
去除率／％
COD Cr NH 3-N SS 75.560.395.686.5
52.9
95.6
图3进水量为5L ／min 时NH 3-N 的去除效果
Fig.3Removal effect of NH 3-N when influent flow is 5L ／min
日期／月-日
ρ（N H 3-N ）／（m g ·L －1）
403020100
100806040200
去除率／%图2进水量为5L ／min 时COD Cr 的去除效果Fig.2Removal effect of COD Cr when influent flow is 5L ／min
08-31
08-26
08-21
08-16
08-11
08-06
08-01
07-27
07-22
日期／月－日ρ（C O D C r ）／（m g ·L －1）
5004003002001000
10080
6040200
去除率／%
图5进水量为3L ／min 时COD Cr 的去除效果
Fig.5Removal effect of COD Cr when influent flow is 3L ／min
日期／月-日
100806040200
去除率／%
08-27
08-23
08-19
08-15
08-11
08-07
08-03
07-30
07-26
08-31
ρ（C O D C r ）／（m g
·L －1）5004003002001000
图7
进水量为3L ／min 时SS 的去除效果
Fig.7Removal effect of SS when influent flow is 3L ／min
日期／月-日
去除率／%ρ（S S ）／（m g ·L －1）
500400300200100
图6进水量为3L ／min 时NH 3-N 的去除效果Fig.6Removal effect of NH 3-N when influent flow is 3L ／min
日期／月-日
去除率／%
ρ（N H 3-N ）／（m g ·L －1）
2520151050
图4进水量为5L ／min 时SS 的去除效果Fig.4Removal effect of SS when influent flow is 5L ／min
日期／月-日
ρ（S S ）／（m g ·L －1）
5004003002001000
去除率／%
08-31
08-26
08-21
08-16
08-11
08-06
08-01
07-27
07-22
08-3108-2608-21
08-16
08-11
08-06
08-01
07-27
07-22
08-1708-1408-1108-0808-0508-0207-3007-2707-24
08-2008-2308-2608-2909-01
08-1708-1408-1108-0808-0508-0207-3007-2707-2408-2008-2308-2608-2909-01
去除率分别达到81.2%、56.7%、95.6%。其中平均出水COD C r 和SS 满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A 排放标准的要求。NH 3-N 的浓度接近一级B 标准的要求。全天平均COD Cr 填料负荷为0．4kg ［COD Cr ］／（m 3［填料］·d ）。
MST 一体化设备产泥量少，基本上半年排1次泥。
MST 的出水SS 浓度优于同类的活性污泥法。这是因为：①MST 工艺借鉴了生物膜法中的生物
接触氧化和流化床工艺，对于生物膜法本身不需要进行污泥回流，混合液悬浮物浓度低；②由于生物
见光区域有较强响应。
（3）在La／S／TiO2催化剂的投加量为10g／L，电子受体H2O2的投加量为5mL／L，反应时间为120min，体系温度为25℃的条件下，以日光灯或自然光照射处理质量浓度为20mg／L的甲基橙溶液，降解率可达90％以上，说明对TiO2进行La／S 双掺杂改性，可明显提高其可见光催化活性。
参考文献:
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作者简介：刘增超（1978－），男，陕西西安人，讲师，主要从事水污染光催化处理技术及水资源相关研究，（电子信箱）liuzengchao@https://www.wendangku.net/doc/b99831502.html,。
收稿日期：2013-12-23（修回稿）
膜上微生物的生物链长，产泥量较少，剩余污泥为脱落的老化生物膜，含水率低，沉降性能好；③生化反应区与气提反应区之间设有挡板将2个区域分开，生化反应区的进水从上部溢流进入气提反应区，生化反应区的曝气搅拌不会对气提反应区底部沉积的污泥产生扰动，而气提反应模块从下部进水，在污水流动的过程中，一部分脱落的生物膜会沉淀到气提反应区下部；④气提提升是利用气水混合物的密度比水轻，在密度差的作用下将污水提升，在升液管中，液体的流动是一个上向流，上向流运动过程有利于污泥的沉淀；⑤空气提升器距离池子底部0．3m，这个高度可以储存一部分污泥，保证气提提升不对底部沉积的污泥产生扰动。
4结论
（1）MST一体化污水处理设备利用气提反应模块代替二沉池，在工艺流程中不设置二沉池，具有一定的可行性。
（2）利用气提法代替二沉池只能应用于生物膜工艺，同时要保证气提反应区底部的污泥不被扰动，否则会造成填料堵塞，空气提升器距离池子底部必须有一定的高度，同时气提反应区与生化反应区应采用挡板隔开，进水为上部溢流进入。
（3）常规一体化污水处理装置出水SS浓度往往难以达到GB18918—2002一级A标准的要求，达到此标准往往需增设砂滤单元。MST一体化污水处理装置在不设置二沉池的前提下，出水SS的浓度仍能优于GB18918—2002一级A标准的要求，不需另外设置砂滤单元，造价低，整体运行维护方便。
（4）试验中，出水的氨氮浓度基本满足GB 18918—2002一级B标准的要求，处理效果仍有待提高。MST一体化设备与其它工艺组合可提供更优质的出水。
参考文献：
［1］刘俊新．村镇污水特征与处理技术［A］．第三届中国农村和小城镇水环境治理论坛会刊［C］．北京：中国国际贸易促进委员会建设行业分会，2013．
［2］中华人民共和国住房和城乡建设部．关于印发分地区农村生活污水处理技术指南的通知［EB／OL］．https://www.wendangku.net/doc/b99831502.html,/ zcfg/jsbwj_0/jsbwjczghyjs/201101/t20110107_201895.html.2010-01-07.
［3］GB18918—2002，城镇污水处理厂污染物排放标准［S］．
作者简介：张静（1982－），女，安徽濉溪人，工程师，硕士，主要从事农村和小城镇污水处理工艺及关键设备的研究，（电话）0551-********（电子信箱）zhangjing6212＠https://www.wendangku.net/doc/b99831502.html,。
收稿日期：2013-12-17（修回稿）
（上接第59页）
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