农村生活污水地埋式无动力厌氧处理技术研究_沈东升

1、第21卷第7期2005年7月农业工程学报TransactionsoftheCSAEVol.21No.7July2005111农村生活污水地埋式无动力厌氧处理技术研究沈东升,贺永华,冯华军,周旭辉(浙江大学环境工程系,杭州310029)摘要:该文根据厌氧生物膜技术和推流原理,采用内充空心球状填料的地下厌氧管道式或折流式反应器为处理设备,研究了农村生活污水地埋式无动力厌氧达标处理技术(UUAR)。经过一年多的小试、中试及实际应用,结果表明:在水力停留时间1d及常温条件下,UUAR对农村生活污水CODCr、BOD5、SS、T-N、T-P、大肠菌群、细菌总数和蛔虫卵的平均去除率分别达到66.1%68.

2、3%、70.8%76.8%、80.5%90.2%、18.26%23.0%、33.9%35.2%、95.8%99.8%、37.4%82.9%和78.7%100%,出水水质稳定达到国家二级排放标准;通过优化设计和调节球状填料的配比,并延长水力停留时间至2d,出水可达到国家一级排放标准,且未出现剩余厌氧污泥的积累问题。UUAR无日常运行费用,适宜于农村生活污水的分散处理。关键词:农村生活污水;厌氧处理;地埋式;无动力中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1002-6819(2005)07-0111-05沈东升,贺永华,冯华军,等.农村生活污水地埋式无动力厌氧处理技术研究J.农业工程学报,2

3、005,21(7):111-115.ShenDongsheng,HeYonghua,FengHuajun,etal.UndergroundunpoweredanaerobicreactorforruraldomesticsewagetreatmentJ.TransactionsoftheCSAE,2005,21(7):111-115.(inChinesewithEnglishabstract)0引言生活污水包括粪便及其冲洗水、厨房炊事用水、洗浴废水等所有的废水。据第五次全国人口普查,中国农村人口约8.88亿,占人口总数的70.1%1。随着乡镇、农村的迅速发展和广大农村人民生活水平的迅速提高及生

4、活条件的明显改善,人口居住日趋集中,农村生活污水的排放量不断增加,到2010年,中国村镇污水排放量约270亿t2。然而,我国乡镇农村的生活污水处理能力低、处理方式落后,主要的手段是修建标准化粪池,现在采用的沼气化粪池则必须经过后续兼性或好氧滤池处理才能达到国家综合污水排放二级标准3。近年来,国内研究者套用城市或工业污水生化处理或物化处理技术,如采用UASB(上流式厌氧污泥床)、SBR(序批式生物反应器)、膜生物反应器和地埋式接触氧化池等都由于投资大、能耗高、运行费用高、管理难度大等原因难以在农村推广应用;而目前研究较多的人工湿地技术及在其基础上发展而来的人工复合生态床等处理技术也存在有机负荷较

5、低、处理效果受季节影响较大和日常维护难的缺点7,8。厌氧生物专家G.lettinga教授断言,厌氧处理生物技术如果有适合的后处理方法相配合,可以成为分散型生活污水处理模式的核心手段,这一模式较之于传统的集中处理方法更具有可持续性和生命力,尤其适合发展中国家的情况。本文进行农村生活污水地埋式无动力厌氧达标处理技术及设备(Underground收稿日期:2004-09-10修订日期:2005-06-16基金项目:浙江省环保局科技计划项目(9617);浙江大学-宁波市科技合作专项作者简介:沈东升(1963-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事环境生物技术方面的研究。浙江大学环境工程系,31002

6、9。9-112,4-6UnpoweredAnaerobicReactor,简称UUAR)的研究,为探索适合中国国情的农村生活污水处理途径提供依据。1试验研究方法1.1工艺流程本研究采用生活污水自流的方式,应用厌氧生物膜技术及推流原理,采用内充固定空心球状填料的地下厌氧管道式或折流式反应器装置为唯一处理设备,利用附着于空心球状填料内外表面或悬浮的专门驯化专性厌氧或兼氧微生物去除生活污水中的有机污染物、病原菌和部分氮、磷,从而达到净化生活污水的目的。小试、中试和实际应用时所采用的工艺流程基本相同,如图1所示。12图1UUAR试验装置示意图Fig.1Flow-sheetofUndergroundUn

7、poweredAnaerobicReactor(UUAR)forruraldomesticsewagetreatment中试设计采用了二套装置,分别是管道式和折流式厌氧生物反应器13,14,内充空心球状填料的空隙度约为0.20.3。两套装置的有效容积均各为1m左右。因整个装置运行过程中没有动力消耗,根据进出水的水位落差而实现水力自流,因此称为无动力装置。又因整个反应器全部埋于地下(池顶标高-0.3m),上覆绿地,因此又称为地埋式装置。1.2接种和驯化,3112农业工程学报2005年泥,其接种量约为反应器容积的5%10%,接种污泥比产甲烷速率为32.4mL/gvssd(每天每克挥发性悬浮固体所产

8、生的甲烷体积毫升数),接种后用模拟或实际生活污水进行起动。1.3供试废水种类和水质在小试时采用模拟污水进行起动,然后再用实际污水进行试验;中试时直接采用浙江大学试验农场内的实际污水进行起动和运行,其水质如表1所示。表1试验用实际废水主要水质指标Table1Mainparametersofdomesticwastewaterinthetest/mgLCODcr平均浓度337.50样本数53BOD5129.94SS85.04T-N66.1011T-P7.2713pH*8.1041-11d,第二级出水的水力停留时间为2d。UUAR中试反应器起动时同时采用了接种5%10%(V/V)的液态种泥和延长起动

9、初期的水力停留时间(HRT=23d)的方法,于11月13日正式用浙江大学试验农场的实际生活污水起动反应器。一个月后,在HRT为23d,平均进水CODcr为288.9mg/L及常温条件下,管道式和折流式反应器的平均出水CODcr分别为139.4mg/L和131.4mg/L,平均CODcr去除率分别达到51.7%和54.5%。约于次年的5月1日完成起动,在水力停留时间1d及常温条件下,出水CODcr达到国家二级排放标准,中试反应器从此进入正常运行阶段。2)运行5月1日完成起动进入运行阶段,其后5个月的连续运行结果表明,本地埋式无动力厌氧达标处理技术设备可以稳定有效地处理农村生活污水,有效地去除污水

10、中的有机物质及病原菌。¹CODcr、BOD5和SS的去除长达5个月的运行结果表明,UUAR装置可以有效地去除农村生活污水中的有机物质。如图2所示(横坐标第1d为5月5日),运行时间越长,出水CODcr浓度越低,CODcr去除率越高,且受进水浓度的波动影响越小,耐冲击负荷越强。UUAR正常运行期间对在HRT为CODcr、BOD5和SS的去除效果列于表2中。1d及常温条件下,管道式装置和折流式装置的CODcr平均去除率分别为66.1%,68.3%,BOD5平均去除率70.8%,76.8%,SS平均去除率80.5%,90.2%,出水水质可以稳定地达到污水综合排放标准(GB8978-96)中

11、的二级排放标准。NH+N4-25.582注:*pH:为无量纲值。1.4取样及分析方法小试、中试过程中,每周取样13次,每次分析+细菌总数、pH、CODcr,BOD5和SS。T-N、T-P、NH4-N、总大肠菌群数、蛔虫卵,在设备稳定运行时分别由浙江大学环境工程系和浙江省卫生防疫站环境卫生监督检验所测定。其中CODcr、BOD5、T-N、T-P、pH和SS的分析方法见参考文献15,气体组分采用气相色谱法,细菌总数采用稀释平板法,总大肠菌群数采用多管发酵法,蛔虫卵采用显微镜法。2结果与分析2.1小试为促进厌氧微生物的生长和挂膜,起动初期采用CODcr为2000mg/L的自配模拟废水,经过半个月的起

12、动,直至CODcr去除率达到90%以上时认为起动完成进入运行阶段。UUAR运行初期,先用CODcr为300500mg/L模拟废水过渡,以使反应器中的厌氧微生物逐步适应低浓度有机废水及生活污水。由于模拟废水中的有机物主要是微生物较易利用的物质,因此反应器对低浓度模拟废水的CODcr去除率较高,达到90%以上;而实际生活污水中存在着各种各样的有机物质,其中有些是厌氧微生物不易利用或不能利用的,UUAR对实际生活污水的CODcr去除率有所下降,但仍可维持在较高水平,连续一个月的运行结果表明,在HRT(Hydraulicretentiontime,水力停留时间)1d及常温条件下,平均进水CODcr为3

13、38.2mg/L,平均出水CODcr仅为93.2mg/L,平均CODcr去除率为72.4%,达到GB8978-96国家污水一级排放标准。2.2中试1)起动为了进一步验证实际生活污水厌氧达标处理的可行性,本文在小试的基础上,进行了1m3规模的中试研究,每个中试装置分成相同的二级串联,分别对应于水图2UUAR正常运行期间CODCr进出水浓度变化Fig.2VariationsofinfluentandeffluentCODCrconcentrationduringthenormalrunningperiodofUUAR第7期沈东升等:农村生活污水地埋式无动力厌氧处理技术研究表2UUAR正常运行期间对

14、CODcr、BOD5和SS的去除效果Table2RemovalofCODcr,BOD5andSSduringthenormalrunningperiodofUUAR113HRT/d分析指标平均进水浓度/mgL-11平均去除率平均进水浓度/mgL-1折流板式装置平均出水浓度/mgL-1平均去除率CODcr1BOD5SSCODcr2BOD5SS本研究还表明,可以通过优化设计和调节球状填料的配比,并适当延长水力停留时间来提高CODcr等污染物的去除率。在HRT达到约2d的条件下,管道式装置和折流式装置对污染物的去除率均有一定的提高,CODcr的平均去除率从约67%上升到约78%;BOD5的平均去除率

15、也提高了约10个百分点,分别达到了77.7%和85.7%,出水浓度达到20mg/L;SS的去除率保持在84%左右,出水SS浓度远小于70mg/L。在运行中,管道式反应器中污染物去除率略低于折流板式反应器可能是由于折流反应器内的水力短流可能性远小于管道式反应器所致。由上述结果可知,可以通过优化设计和调节球状填料的配比并延长HRT为2d的情况下,两套UUAR装置均可以有效地使处理后的出水达到GB8978-96中的一级标准。ºT-N和T-P的去除本研究结果表明,该厌氧处理装置对T-N和T-P及NH+4-N均有一定的去除效果(图3)。对T-N而言,管道式装置和折流式装置的平均进水浓度分别是6

16、6.10mg/L和66.65mg/L,经HRT为1d的处理后,出水平均浓度分别为54.03mg/L和51.29mg/L,T-N去除率分别为18.26%和23.0%;经HRT为2d的处理后,出水T-N浓度分别为52.97mg/L和51.49mg/L,总去除率分别为19.86%和22.75%。对T-P而言,管道式装置和折流板式装置的平均进水T-P浓度分别为7.27mg/L和7.40mg/L,经HRT为1d的处理后的平均出水T-P浓度分别为4.71mg/L和4.89mg/L,T-P平均去除率分别为35.2%和33.9%;经过HRT为2d的处理后的平均出水T-P分别为3.93mg/L和4.05mg/L

17、,总去除率分别达到45.9%和45.3%。T-P去除率高于T-N去除率,这可能是由于氮的去除主要是微生物作用,而磷的去除则由微生物吸收和吸附沉淀双重作用所致。UUAR装置对NH4-N的去除效果不太理想,出水在18mg/L左右,不能达到GB8978-96中的一级标准(15mg/L),且延长水力停留时间后,NH+4-N浓度有时出现较HRT1d时上升的现象,这是由于厌氧时的反硝化过程,使部分硝态氮、亚硝态氮转化为NH+4-N,而这个过程在水力停留时间较长时,作用较明显。+图3UUAR正常运行期间T-N和T-P的进出水浓度变化Fig.3VariationsofinfluentandeffluentT-

18、NandT-PconcentrationsduringthenormalrunningperiodofUUAR114农业工程学报2005年»pH及卫生指标的改善为考察UUAR装置在改善生活污水卫生指标方面的作用,分别于6月17日和25日两次委托浙江省卫生防疫站环境卫生监督检验所进行了进出水总大肠菌群数、细菌总数和蛔虫卵的测定,结果见表3。由表3可知,管道式装置对总大肠菌群数、细菌总数和蛔虫卵的去除率均很高,HRT为1d时,二次测定平均去除率分别为95.8%、82.9%和100%;HRT为2d时,二次测定平均去除率分别为95.8%、86.1%和100%。而折流式装置因第二次取样时有少量

19、污泥流失,致使折流式装置对总大肠菌群数、细菌总数和蛔虫卵的平均去除率部分较低。HRT为1d时,二次测定平均去除率为99.8%、37.4%和78.7%;HRT为2d时,二次测定的平均去除率分别为99.8%、59.3%和98%。这种良好的处理效果是由于生活污水中的病菌和虫卵在厌氧环境条件下不能适应而绝大部分死亡之故。在整个运行阶段,UUAR出水pH均达到GB8978-1996中要求的一级排放标准(图4)。图4UUAR正常运行期间进出水pH值变化Fig.4VariationsofinfluentandeffluentpHvaluesduringthenormalrunningperiodofUUAR

20、表3UUAR正常运行期间进出水卫生指标分析结果Table3AnalysisresultofinfluentandeffluentsanitaryindexesduringthenormalrunningperiodofUUAR时间/月-日反应器类型管道式反应器06-17折流式反应器管道式反应器06-25折流式反应器水样进水1d出水2d出水进水1d出水2d出水进水1d出水2d出水进水1d出水2d出水5466总大肠菌群/个(100mL)-1669蛔虫卵/个mL-1去除率/%10010093.310010010064962.2×1062.0×1061.9×1061.0&

21、#215;108.0×102.1×102.1×102.4×1062.4×1062.4×1083.5×103.5×102.4×102.4×1063.5×1051.6×106¼沼气和剩余污泥产量问题由于农村生活污水是低浓度有机废水,兼性厌氧微生物分解其中的有机物质时,绝大部分用于自身繁殖所需,因此沼气和剩余污泥量均很少。本中试实测表明,UUAR装置的实际产沼气量为1020L/(dm3),其中大部分(约70%以上)为甲烷。厌氧污泥产生量是厌氧消化处理中的微生物细胞生成量和

22、废水中悬浮物转变量的总和。计算表明细胞生成量为18.14kg/(m3a),则每年总厌氧污泥理论产生量为11%×(18.14+26.70)=4.93kg/(m3a)而实际上,死亡的微生物细胞和有机悬浮物仍可为微生物进一步分解利用,因此实际剩余污泥量很少。UUAR中试装置经约运行10个月(包括接种污泥约)3结论与讨论1)UUAR无动力农村生活污水厌氧生物处理技术及设备可以有效地去除农村生活污水中的有机物质,当水力停留时间为1d,出水CODCr<100mg/L、BOD535mg/L、SS<20mg/L,可以稳定的达到污水综合排放标准(GB8978-96)中的二级排放标准。通过优

23、化设计和调节球状填料的配比,并适当延长水力停留时间到2d,出水浓度CODCr和BOD5分别小于100mg/L和20mg/L,出水达到GB8978-96中的一级标准。2)UUAR对T-N和T-P均有一定的去除效果。HRT为1d时,T-N去除率为20%左右;对总大肠菌群数、细菌总数和蛔虫卵的去除率均很高,管道式装置平均去除率分别为95.8%、82.9%和100%;UUAR装(d第7期沈东升等:农村生活污水地埋式无动力厌氧处理技术研究115现厌氧污泥的积累问题。3)UUAR设备采用无动力厌氧生物膜技术,工艺流程简单,不耗能,全部埋于地下,不占地表,也无需专人管理。与好氧生物处理相比,UUAR技术设备

24、的基建投资可能略高于好氧处理(在流量小于100t/d时,投资基本相等),但本设备无日常运行费用(包括电费和人工费等)的支出,25年后,节约的运行费用可在一定程度上抵消基建投入,本技术设备的优势将得到充分体现,目前本技术设备已成功应用于浙江省、重庆市、山东省、山西省、上海市等地的400多个农村生活污水及城市生活污水的处理,取得了满意的结果,出水均在污水综合排放标准中一级或二级排放GB8978-1996标准以下(以排放要求为准),并通过了环保部门的验收。可广泛应用于农村及城市生活污水的处理。参考文献1吕军.中国统计摘要-2001M.北京:中国统计出版社,2001:100-102.2张凯松,周启星,

25、孙铁珩.城镇生活污水处理技术研究进展J.世界科技研究与发展,2003,25(5):5-10.3陈华永,方炎鑫.诸型生活污水净化沼气池的试验研究J.环境与健康杂志,1999,16(3):145-146.4SchleypenP,MichelI,SiewertHE.SequencingbatchreactorswithcontinuousinflowforsmallcommunitiesinruralareasinBAVARIAJ.WatSciTech,1997,35(1):169-176.5张文艺.采用厌氧序批间歇式反应器处理屠宰废水试验研究J.农业工程学报,2002,18(6):127-130.

26、6UedaT,HataK,KikuokaY.TreatmentofdomesticsewagefromruralsettlementbyamembranebioreactorJ.WatSciTech,1996,34(9):186-196.7刘超翔,胡洪营,张建,等.不同深度人工复合生态床处理农村生活污水的比较J.环境科学,2003,24(4):92-96.8LuizSPhilippi,RejaneHR,deCosta,etal.DomesticeffluenttreatmentthroughintegratedsystemofseptictankandrootzoneJ.WatSciTech,

27、1999,40(3):125-131.9YuHanqing,Joo-HwaTay,FrancisWilson.AsustainablemunicipalwastewatertreatmentprocessfordevelopingcountiesJ.WatSciTech,1997,35(9):191-198.10MarkusBoller.Smallwastewatertreatmentplants-achallengetowastewaterengineersJ.WatSciTech,1997,35(6):1-12.11MaciejDzikiewicz.Activitiesinnonpoint

28、pollutioncontrolinruralareasofPolandJ.EcolEng,2000,14,429-434.12贺延龄.废水的厌氧生物处理M.北京:中国轻工业出版社,1998:35-40.13沈耀良.新型厌氧处理工艺厌氧折流板反应器J.重庆环境科学,1994,5:36-38.14冯孝善.污水管道厌氧发酵处理研究J.环境污染与防治,1982,5:1-4.15魏复盛.水和废水监测分析方法M.北京:中国环境科学出版社,1988:354-366.UndergroundunpoweredanaerobicreactorforruraldomesticsewagetreatmentShenDongsheng,HeYonghua,FengHuajun,ZhouXuhui(DepartmentofEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310029,China)Abstract:Anundergroundunpoweredanaerobicreactor(UUAR)forthetreatmentofruraldomesticsewagewasstudiedinthispaper,basedontheanaerobicbiomembranetechnologyandpu