不同填料在分散式农村生活污水处理中的应用

不同填料在分散式农村生活污水处理中的应用

 

农村生活污水的来源一般包括生活洗涤、沐浴、冲厕和厨房，接收的污水主要通过纳管、就地处理和化粪池转运三种模式进行处理，就地处理模式根据污水的收集又分为分散式和集中式两种。

集中式处理模式一般为收集整个村庄的污水进行集中处理，其处理规模一般在50～500 t/d；

分散式处理模式一般为收集几户到几十户农户的污水进行处理，其处理规模一般在0.5～45 t/d。

江苏省地方标准中关于农村生活污水处理设施水污染物排放标准根据处理规模进行了分级，分别为5 t/d以下、5～50 t/d、50～500 t/d和500 t/d以上。

各环保公司根据农村污水处理的情况采用不同一体化设备处理农村污水，对于50t/d以上的集中式一般处理工艺及设备和污水厂的基本一致，对于50t/d以下的分散式处理则基本选用净化槽模式为主，江苏省宜兴市分散式农村污水净化槽共有1100余套。净化槽一般选用纯膜法对农村污水进行净化处理，因此对填料的选择是处理效果的关键，为保障宜兴项目1100余套净化槽的处理效果，开展了不同填料的比选试验，为今后农村污水纯膜法净化工艺提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

填料比选试验装置为碳钢制成的反应器，尺寸为2.1 m×1.2 m×1.2 m，在长度方向分割为三个同体积的反应器，每个反应器的有效容积为840 L，每个反应器内填充填料，底部铺设两个φ215 mm曝气盘。

1.2 水量变化系数测定

在宜兴官林一座管网施工完善的15t/d的实际站点安装电磁流量计并持续监测进水流量，每分钟读取一次瞬时流量，每个月通过U盘现场拷贝数据并清除历史数据，为试验水量变化系数提供依据。

1.3 试验水质

根据宜兴项目1 100多座农污站点连续三年的进水水质监测的均值，选择水质最接近的西溪泵站进水为试验的进水水源。

1.4 填料选择

分散式农污站点基本为一体化地埋式站点，普通悬挂式填料涉及的更换操作在农污站点基本无法实现，因此分散式农污选用填料的形式为带网孔的塑料外壳、直径为100 mm内部填充填料的球体，可通过打捞填料定期进行更换。

选取三种不同的生物填料，分别为聚氨酯普通填料、聚氨酯亲水海绵填料和高密度聚乙烯悬浮载体填料，都具有比表面积大、挂膜速度快、不易堵塞等优点，具体性质如表1所示。

 

1.5 试验方法

将三种填料分别投放到反应器内，填料填充率为40%，投加普通聚氨酯填料的反应器标记为A1，投加亲水海绵填料的反应器标记为A2，投加MBBR填料的反应器标记为A3；试验装置设置在杨巷镇西溪泵站，将泵站格栅渠污水提升至调节池后，再提升至三个反应器。

1.5.1 填料挂膜试验　

2023年8月1日，在三个反应器内加入400L污水和400L自来水，随后投加活性污水10kg（干泥），活性污泥来源于乡镇污水厂，其含水率为80%，闷曝24h后，检测填料上闷曝的挂膜污泥量，随后按照一体化设备的好氧区设计停留时间12h开始连续稳定进水，持续90d，记录填料表面的生物挂膜量变化，监测反应器内的溶氧并检测出水COD、氨氮、总氮、总磷 。

1.5.2 不同填料污水处理试验　

2023年11月开始，根据站点实际变化系数进行波动性进水，监测反应器内的溶氧并检测出水COD、氨氮、总氮、总磷。

1.6 分析方法

采用重量法测定生物量，COD、氨氮、总氮和总磷按照国标法检测，溶氧通过哈希手持式溶氧仪监测，高通量测序的研究则由上海美吉生物医药科技有限公司支持下开展。

2 结果与讨论

2.1 水量变化系数分析

从图1可以看出，设计吨位15t/d的站点，实际日均进水量在9.3t/d，最高日进水量为25.49t/d，其设计日变化系数为1.7，同时也出现1d未进水的情况，这是因为站点配备设计停留时间8h的调节池，并通过手动阀门控制了设备的进水量，可以将站点的日变化系数控制在1.7。

 

从图2可以看出，2022年12月至2023年5月，站点每月的进水量低于平均值，随着梅雨季节和温度的升高，日均水量逐步达到设计吨位，因此，填料对比试验的反应器第二阶段试验的设计停留时间根据进水变化系数确定 ，具体变化系数及停留时间见表2。

 

2.2 填料挂膜试验及污水处理试验结果分析

2.2.1 不同填料挂膜生物量　

从图3可以看出，普通聚氨酯填料、MBBR填料和亲水海绵填料分别在第45天，第40天和第50天出现挂膜量的峰值，其值分别为6.19、4.83g/L和7.98g/L。从填料上污泥量的变化来看，普通聚氨酯填料的挂膜周期为25～30d，MBBR填料的挂膜周期为30～35d，亲水海绵填料挂膜周期为40～45d。从填料挂膜完成后持续检测的污泥量看，普通聚氨酯填料的挂膜污泥量为4～6g，MBBR填料的挂膜污泥量为3～4g，亲水海绵填料的挂膜污泥量为4.5～6.5g。

 

2.2.2 不同填料污水处理效果　

从图4可以看出，不同填料在闷曝后即具备较高的COD的去除能力，在前8 d，进水COD较低时，三种填料出水COD基本接近，随着第10天开始进水COD上升至平均值，亲水海绵填料在第17天后出水COD基本基本稳定在30～40mg/L，普通聚氨酯填料在第17天后出水基本稳定在30～40mg/L，MBBR填料在第20天后出水基本稳定在30～40mg/L；结合图3的污泥量在整个90d的挂膜观察期间，亲水海绵填料出水COD始终低于60mg/L，而普通聚氨酯填料和MBBR填料出水COD则出现数次超过60mg/L的情况。

 

从图5可以看出，不同填料对氨氮的去除能力，在第7天亲水海绵填料的出水氨氮稳定在1mg/L左右，在第9天MBBR填料的出水氨氮稳定在1mg/L左右，在第14天普通聚氨酯填料的出水氨氮稳定在1mg/L左右；在整个90d的挂膜观察期间，受进水氨氮变化，亲水海绵填料和普通聚氨酯填料表现出稳定的氨氮去除能力，而MBBR填料出水氨氮波动较大；三种填料的出水氨氮在挂膜试验末期逐步上升，这主要是试验末期水温逐步降低所致。

 

从图6可以看出，三种填料对总氮具备去除能力，在15d后，三种填料的出水总氮稳定在20mg/L以下，在45d后随着水质波动，出水总氮逐步上升，但亲水海绵填料出水总氮稳定在30mg/L以下，而普通聚氨酯和MBBR填料出水则出现30mg/L以上情况。

 

从图7可以看出，三种填料对总磷的去除效果，在挂膜前中期，三种填料对总磷具备一定的去除能力，在45d后，随着挂膜完成，出水总磷基本与进水一致，三种填料不再具备总磷去除的能力。

 

2.2.3 不同填料季节性进水下污水处理效果　

根据进水变化系数，好氧池HRT由12h在11月至次年5月调整为20h，而5—7月调整为8h。图8为这一季节性进水下的COD处理效果，如图8所示，COD进水平均值为185mg/L，亲水海绵填料、MBBR填料和普通聚氨酯出水COD均值分别为46、51mg/L和51mg/L，亲水海绵填料去除效果优于其他两种填料，在初期HRT由挂膜阶段的12h调整为20h，三种填料出水COD逐步下降，在5月末HRT调整为8h时，三种填料出现出水COD短时上升现象，但在5d后即恢复至正常出水状态，其他的出水COD较大波动主要因下雨导致进水，COD下降有关。

 

图9为这一季节性进水下的氨氮处理效果，如图9所示，氨氮进水平均值为35.9mg/L，亲水海绵填料、MBBR填料和普通聚氨酯出水氨氮均值分别为6.5、7mg/L和7.9mg/L，亲水海绵填料去除效果优于其他两种填料。在初期HRT由挂膜阶段的12h调整为20h，三种填料出水氨氮逐步下降，在12月初由于气温下降，出水氨氮逐步升高至12mg/L左右，在3月气温升高后，氨氮则逐步下降至5mg/L以下，在5月末HRT调整为8h时，三种填料出现出水氨氮短时上升现象，但在5d后即恢复至正常出水状态。聚氨酯填料初期效果优于MBBR填料，但在5月后出现出水氨氮效果较差，主要为5月观察到普通聚氨酯填料开始出现部分破碎现象，填料量减少。

 

图10为这一季节性进水下的总氮处理效果，如图10所示，总氮进水平均值为40.1mg/L，亲水海绵填料、MBBR填料和普通聚氨酯出水总氮均值分别为24.9mg/L、30.4mg/L和31.1mg/L，亲水海绵填料去除效果优于其他两种填料。在初期HRT由挂膜阶段的12h调整为20h，三种填料出水总氮逐步下降，在12月初由于气温下降，硝化出现一定抑制，不利于总氮去除，出水总氮逐步升高至25～40mg/L，在3月气温升高后，总氮则逐步下降至30mg/L以下。

 

2.3 填料挂膜试验高通量测序分析

图11为海绵填料、聚氨酯填料和MBBR填料上微生物的相对丰度，三种填料以假单胞菌、微小杆菌为主，其中海绵填料两种菌属占比超过70%，聚氨酯填料两种菌属占比38%左右，MBBR填料两种菌属占比35%左右。假单胞菌和微小杆菌可有效去除COD、氨氮和总氮，因此三种填料对COD、氨氮和TN的去除效果与假单胞菌生物相对丰度基本一致，即海绵填料＞聚氨酯填料≈MBBR填料；微小杆菌与COD的去除效果有关，因此三种填料对COD的去除效果与微小杆菌生物相对丰度基本一致，即海绵填料＞聚氨酯填料＞MBBR填料；假单胞菌与脱氮效果有关，因此三种填料脱氮效果与假单胞菌生物相对丰度基本一致，即海绵填料＞MBBR填料＞聚氨酯填料。

 

3 结论

1）从挂膜周期看，普通聚氨酯填料最快，MBBR填料次之，亲水海绵填料最慢；从填料挂膜完成后的污泥量看，亲水海绵填料挂膜污泥量最高，普通聚氨酯填料次之，MBBR填料最少。

2）在挂膜培养期，三种填料都表现出对COD的稳定去除效果；从去除氨氮效果看，海绵填料和聚氨酯填料的效果较好，MBBR填料出现去除不稳定情况；从去除TN效果，海绵填料去除效果优于聚氨酯和MBBR填料；从去除TP效果看，三种填料除了初期吸附效果外，对TP几乎未去除。

3）对比三种填料在不同季节下的出水效果，水量波动与农污现场站点一致，水温和降雨是影响出水效果的最大因素，在实际条件下，海绵填料对COD、氨氮和TN的去除效果最好，聚氨酯次之，MBBR填料最差；但聚氨酯使用寿命不如海绵和MBBR填料，一年后出现破碎现象。

4）三种填料微生物以假单胞菌、微小杆菌为主，其相对丰度海绵填料＞聚氨酯填料≈MBBR填料。

从填料挂膜效果、污水处理效果和填料微生物相对丰度三方面比较来看，海绵填料更适合应用于宜兴农村生活污水处理。

陈斌，许炳焜，于长江，浦秋芸，谢安，潘大印

农村经济与科技第36卷第3期2025年2月