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改良AAO耦合陶瓷膜工艺处理北京农村生活污水中试研究

2024-11-05 237 上传者：管理员

摘要：随着农村生活污水治理需求的日益增长，传统处理工艺面临诸多挑战。为实现高排放标准要求下北京市农村污水处理设施连续稳定达标运行，文章通过开展改良AAO耦合陶瓷膜工艺装备中试研究，测试了该中试系统对CODCr（化学需氧量）、NH4+-N（氨氮）、TN（总氮）、TP（总磷）和浊度等主要污染物的去除效果。研究结果表明：通过一段时间的驯化培养和连续运行，中试系统的CODCr出水平均浓度低于30.0 mg/L;NH4+-N出水平均浓度低于1.0 mg/L;TN出水平均浓度10.3 mg/L;TP出水平均浓度0.25 mg/L；膜出水平均浊度在0.4 NTU；污泥龄最佳控制参数为10 d，可以连续稳定达到北京市农村生活污水处理排放标准要求，表明该工艺在去除氮、磷等污染物方面具有显著优势。

关键词：
中试研究
农村生活污水
城镇化建设
改良AAO
陶瓷膜
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随着新型城镇化建设进入新的发展阶段，农村环境污染问题日益突出[1]。因此，加强农村生活污水的收集处理和环保设施连续稳定运行成为重要课题。北京市《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB11/1612—2019）要求，规模大于500 m3/d（含）的新（改、扩）建农村生活污水处理设施执行准IV类排放限值的规定。需要开发与之相适应的高效低耗、易维护的分散点源污水处理技术装备，实现污水连续稳定达标排放。

改良AAO耦合陶瓷膜工艺是由生物处理和陶瓷膜分离技术进行系统集成的新型污水处理工艺，主要由预处理系统、生物处理系统、陶瓷膜分离系统和辅助系统等组成[2]。其综合了污水生物处理和陶瓷膜过滤技术的特点，通过控制溶解氧、高污泥浓度等条件，实现提高脱氮除磷效率；再通过陶瓷膜进行污水分离，有效拦截水中的病原微生物、重金属等污染物[3-4]。陶瓷膜是以无机经特殊工艺制备而形成的非对称膜，具有机械强度高、膜通量高，以及可承受高温、强酸处理条件等特点[5-8]。为此，本文以满足排放标准要求的连续稳定达标、易维护的污水处理技术装备为研究目标，开展改良AAO耦合陶瓷膜工艺装备中试研究，且中试研究以试验数据为支撑。

1、中试试验系统

改良AAO耦合陶瓷膜工艺装备的污水处理中试试验装置工艺流程，如图1所示，设计处理规模为100 m3/d，主要包括预处理单元、组合生化处理单元、二次沉淀池和陶瓷膜分离单元等4个部分。

采用6 mm钢板为主体材料，总体长6.0 m，宽2.5 m，高2.5 m；陶瓷膜组件含150片陶瓷膜，过滤面积75 m2。生化工艺在缺氧系统中DO（溶解氧）维持在0.5 mg/L以下，好氧系统中DO在0.5～2.0 mg/L，污泥浓度在8000～15000 mg/L，水力停留时间为5 h左右，试验周期1个月[9]。

(1）预处理过程：污水经格栅进入调节池，均衡水质水量，随后通过提升泵将污水提升至组合生化处理系统进行生化处理。

(2）组合生化处理过程：污水依次进入厌氧池、缺氧池和好氧池，利用微生物对污染物进行降解和处理。其中，混合液由好氧池回流到缺氧池，污泥由沉淀池回流至厌氧池[10]。在生物反应池活性污泥中优质缺氧菌群的作用下，污水中的大分子有机污染物可逐步降解为小分子有机物，最终分解为CO2和H2O[11]。

图1 改良AAO耦合陶瓷膜工艺装备工艺流程图

(3）沉淀池分离过程：实现组合生化单元出水固液分离，利用重力沉降作用将密度比水大的悬浮颗粒从水中去除，通过控制污水上升流速使小于污泥自然沉降速度来实现固液分离[12]。

(4）陶瓷膜分离过程：通过耦合陶瓷膜系统，利用陶瓷膜0.1µm非对称结构孔径截留SS（固体悬浮物浓度），实现SS高效稳定去除；同时，确保系统活性污泥维持高污泥浓度，提高抗冲击负荷能力[13-14]。采取间歇出水，抽吸与停抽时间分别控制在9 min和1 min。

2、试验方案设计

本实验启动污泥选自北京市大兴区魏善庄镇再生水厂回流污泥和膜池剩余污泥，前者富含硝化及反硝化菌，后者富含聚磷菌。接种污泥直接投加到中试试验系统中，未做闷曝或恢复活性的预处理，试验阶段如下。

第1阶段：采用经预处理后原水连续进水方式，不排泥，以实现活性污泥驯化培养和积累。

第2阶段：中试系统MLSS（混合液悬浮固体浓度）保持在8 000～1 5000 mg/L，污泥沉降性能良好且镜检下出现大量钟虫及轮虫时，出水各项指标基本实现稳定，则认为污泥接种驯化完成，反应器成功启动。

第3阶段：测试稳定工况下连续运行中试效果。

2.1 实验场地

改良AAO耦合陶瓷膜工艺研究试验基地建于北京市大兴区魏善庄镇再生水厂预处理系统一侧，如图2所示。

图2 改良AAO耦合陶瓷膜工艺中试试验平台

2.2 实验水质

实验中进水水质，如表1所示。

表1 进水水质表

2.3 分析方法

实验中所要测定的常规指标，如表2所示。

2.4 主要仪器

实验主要用到的仪器设备种类、型号及生产厂家，如表3所示。

3、结果与讨论

3.1 CODCr去除效果分析

表2 常规指标测定方法

中试试验采取连续运行1个月时间，水力停留时间控制在5 h，采取间歇出水，抽吸与停抽时间分别控制在9 min和1 min，曝气量为25 L/h。

表3 实验仪器设备一览表

试验启动以后中试系统对CODCr具有较高的去除率，如图3所示。在12d以后系统运行逐渐稳定，去除率达到85%以上。随着系统中的微生物逐步适应污水水质，CODCr去除率逐渐升高至90%。进入稳定期后，膜出水CODCr平均浓度在30 mg/L以下，CODCr的去除率达到89%左右。实验结果表明，进水CODCr在200～260 mg/L之间波动时，中试装备对CODCr的平均去除率可以达到89%左右，且出水平均浓度低于30 mg/L，具有良好的抗冲击性。

图3 改良AAO耦合陶瓷膜中试CODCr去除效果

3.2 NH4+-N去除效果分析

中试装备对NH4+-N的去除效果，如图4所示。初期活性污泥快速适应水质，硝化细菌和反硝化细菌得到快速恢复，实验期间进水NH4+-N浓度在20.8～29.0 mg/L,NH4+-N平均浓度为25.0 mg/L。随着活性污泥逐渐适应进水水质，并得到一定程度驯化以后，NH4+-N去除率趋于稳定。系统运行12d以后，出水NH4+-N浓度低于1.8 mg/L；在21d以后，出水NH4+-N低于1.0 mg/L,NH4+-N的去除率在95.0%以上。NH4+-N是溶解性小分子物质，膜对NH4+-N的截留作用较为有限，当膜表面形成小分子物质则可以进行降解吸附。

图4 改良AAO耦合陶瓷膜中试NH4+-N去除效果

3.3 TN去除效果分析

中试装备对TN的去除效果，如图5所示。随着污泥活性增强，缺氧区反硝化菌迅速繁殖，TN去除率逐渐提高，实验期间进水TN浓度在28.0～42.0 mg/L,TN平均浓度为36.3 mg/L，出水TN浓度在9.3～22.0 mg/L。系统运行10d以后出水TN趋于稳定，出水TN平均浓度达10.3 mg/L,TN平均去除率在71.0%以上。

图5 改良AAO耦合陶瓷膜中试TN去除效果

3.4 TP去除效果分析

中试装备对TP的去除效果，如图6所示。实验期间进水TP浓度在3.1～5.2 mg/L,TP平均浓度为4.1 mg/L。系统运行20d以后，出水TP浓度趋于稳定，达到0.3 mg/L，平均浓度在0.25mg/L,TP平均去除率达到93.6%。

图6 改良AAO耦合陶瓷膜中试TP去除效果

3.5 浊度去除效果分析

中试装备对浊度的去除效果，如图7所示。由于膜高效的截留作用，陶瓷膜系统对于浊度具有良好的去除效果。进水浊度在50～91 NTU，膜出水平均浊度在0.4 NTU，浊度的平均去除率为99.5%。

3.6 污泥龄

污泥龄是污水处理工艺的重要控制参数，通过对污泥龄进行调节，可以改变生化系统中的活性污泥浓度，进而确保生化系统可以正常运行。改良AAO耦合陶瓷膜中试试验装置采用生物除磷，主要依靠排放富含磷的剩余污泥将磷从污水中去除，因此需要通过改变污泥的排放量来控制污泥龄。不同污泥龄条件下污染物去除性能如表4所示。

图7 改良AAO耦合陶瓷膜中试浊度去除效果

表4 不同污泥龄条件下污染物去除性能

(1）污泥龄对CODCr的影响

不同污泥龄条件下，CODCr的去除效果有所不同，污泥龄越长，工艺出水CODCr越低，但是降低程度不大。当污泥龄为5 d时，出水CODCr平均值为91.0 mg/L；当污泥龄延长为10 d时，出水CODCr平均值为28.0 mg/L，去除率提高。由表4可见，随着污泥龄的不断增长，系统对CODCr的去除率有所降低，考虑污泥浓度过高并且污泥结构松散不易沉降导致。

(2）污泥龄对NH4+-N的影响

不同污泥龄条件下，随着污泥龄的延长，出水NH4+-N的平均值也随之降低。当污泥龄为5d时，出水NH4+-N平均值为1.7 mg/L；当污泥龄为10d时，出水NH4+-N平均值为1.4 mg/L。由表4可见，随着污泥龄的延长，出水NH4+-N的平均值不断下降，出水NH4+-N的去除率有所提高。

(3）污泥龄对TN的影响

不同污泥龄条件下，随着污泥龄的延长，出水TN浓度逐渐降低。当污泥龄为5 d时，出水TN平均值为23.7 mg/L；当污泥龄为10 d时，出水TN平均值为12.5 mg/L，其去除率提高至59.8%，满足标准要求。

(4）污泥龄对TP的影响

不同污泥龄条件下，随着污泥龄的延长，出水TP的浓度逐渐升高。当污泥龄为5 d时，出水TP平均值为1.20 mg/L；当污泥龄为10 d时，出水TP的平均值为0.25 mg/L；当污泥龄延长至20 d时，出水TP的浓度为0.40 mg/L，去除效率降低，说明污泥龄延长不利于TP的去除，分析其原因：（1）可能是由于污泥龄的延长，减少了系统中剩余污泥的排放量，使系统中磷不能及时排出，导致磷的富集，降低了除磷效率；（2）可能是因为进水CODCr的浓度低，使大量的含磷污泥在较高的污泥浓度下因有机质的匮乏，引起污泥“自溶”，造成磷的释放，从而降低了系统中磷的去除效率。

综上考虑，通过对不同污泥龄工况下的运行情况发现，随着污泥龄的延长，CODCr的去除效果改善，NH4+-N、TN的去除效率也越来越高，TP的去除率变化不大，因此综合这些因素的考虑，改良AAO耦合陶瓷膜工艺的最佳污泥龄控制在10 d左右。

4、结论

通过开展改良AAO耦合陶瓷膜工艺装备处理实际北京市农村生活污水中试研究，根据实际进水试验表明，系统连续稳定运行以后，中试试验装备对污水中CODCr、NH4+-N、TN、TP和浊度均具有良好的去除效果。其中，CODCr的去除率可以达到89%，出水平均浓度低于30.0 mg/L；出水NH4+-N的平均浓度低于1.0 mg/L，去除率达到95.0%；出水TN平均浓度10.3 mg/L，去除率在71.0%；出水TP平均浓度0.25 mg/L，去除率达到93.6%；浊度的平均去除率为99.5%，膜出水平均浊度在0.4 NTU。同时，考察了污泥龄对污染物去除率的影响，试验结果表明污泥龄最佳控制参数为10 d。

陶瓷膜装置运行情况和其检测数据表明，陶瓷膜出水清澈无杂质，改良AAO耦合陶瓷膜工艺装备运行稳定，能够达到北京市排放标准相关要求。本研究为改良AAO耦合陶瓷膜工艺装备在北京市农村污水处理工程中应用提供了技术支撑。

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