内循环生活污水处理装置试验研究

文_付春雨 中国石油化工集团公司

随着我国环保意识和环保水平的不断提升，如何高效经济地处理小处理量、分散式生活污水成为热点问题，如全国各村镇已陆续建设生活污水处理站，石化管道项目场站等偏远地带也纷纷独立建设自己的小型生活污水处理设施。

目前，常见的生物法小型处理装置包括箱式一体化设备、净化槽、生物转盘、地埋式处理设备等，这些设备在一些特定场合的生活污水处理方面取得了一定的成效，但同时暴露出一些问题。如，箱式污水处理装置往往需要较大的设备体积，否则在容积负荷率不变的情况下，其内部用于分隔好氧、缺氧与厌氧生物反应的最小容积将难以保证。又如净化槽与地埋式处理工艺，需要污水源头附近较大面积的地下掩埋空间，维护与维修较困难，且处理效率较低。再如多段式处理工艺，其本质即传统A2O工艺的简单缩小，导致污水水量、水质波动对处理系统的稳定性影响较大。

基于上述分析，小型化生活污水处理装置的研发趋势必然要面向加强容积负荷率高、减小占地面积、操作与维护简便等方面。考虑到流化床在传质效率和设备占地面积方面具有较大优势，因此以流化床的结构为基础，同时依靠气体的补充、释放作为动力源来强化气液两相介质的循环流态，自行研发一种气升式内循环生活污水处理装置，设计并加工完成后，于某污水提升泵房进行了为期6d的中试试验，以验证该装置对生活污水的处理效果，为下一步的应用和改进提供数据支撑。

1 结构设计及装置加工

1.1 结构方案简述

气升式内循环生活污水处理装置如图1所示，装置主体为立式罐体，罐体底部封闭而上层敞开。罐体内部上方位置设置整流筒，整流筒内设置引气管与排气管，两管均轴向贯穿整流筒内部。引气管中段连接一台潜水泵，潜水泵设置在整流筒内部。在潜水泵的带动下，整流筒内液相被泵送至罐体底部，与此同时，引气管内的液相流动造成与外界空间的压差，装置外的空气受负压自行进入引气管，与液相流一并于装置底部排出，此过程在装置底部塑造出好氧反应区。装置底部的气体含量较大，排气管深入装置底部区域，此时未能溶于水的气相自行进入排气管，并最终由装置上方、暴露于外部空间的排气管出口排出。气体提升过程中，装置底部液相自发随气体一并提升，其中一部分液相裹挟部分气体在装置中部流出，此时装置中部相当于缺氧区；另一部分液相在提升至装置上方、整流筒与罐体形成的环形区域时流出排气管，即环形区域功能相当于沉淀池。装置中的液相自整流筒内泵送至装置底部，再自发提升至环形区域，此过程围绕整流筒形成了气液两相的内循环流动。由于整流筒内部空间气体含量最低，因此相当于厌氧区。

图1 气升式内循环生活污水处理装置结构

1.2 工艺流程特点

传统A20工艺如图2所示，由于传统工艺中往往将不同反应区以物理手段分隔，因此溶解氧浓度、污泥龄控制、回流率等操作参数尤为重要。但在气升式内循环生活污水处理装置中，随着循环流在罐体中的流动，根据溶解氧浓度梯度变化，装置沿轴向形成厌氧区、缺氧区与好氧区，同时整流筒与装置内壁的环形空间形成了沉淀池，各反应区之间实际上并没有真实存在的物理边界，且气液两相的内循环流动又伴随着传质传热过程，因此从整体角度来看，进入该装置的待处理污水时刻处于动态循环的流动过程。

图2 传统A2O工艺流程

2 中试试验结果与分析

2.1 中试试验装置安装调试阶段

2020年9月，加工完成处理量为10m3/d的气升式内循环生活污水处理装置，该装置直径为1.5m，总长度8m，罐体材质为碳钢防腐，内部部件材质采用304不锈钢。气升式内循环生活污水处理装置配备变频控制柜1套，潜水泵2台，液体流量计、气体流量计各2只。

2020年9月15日，装置进入运行调试阶段，此阶段的污水来源为提升泵房格栅池过滤后污水，处理装置内活性污泥来源于某污水处理厂。此阶段的主要任务是培养活性污泥，污水进水流量调节至10m3/h，通过调整回流流量改变进气量，装置底部溶解氧浓度约保持在2～3mg/L，装置中部溶解氧浓度约保持在0.3～0.5mg/L，整流筒内溶解氧浓度约保持在0.1mg/L左右。

经过约7d的调试，处理系统已较为稳定运行，9月25日与9月27日取样监测，结果如表1所示。根据检测结果可知，此阶段出水尚未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A类标准，但COD的去除率已达到70%以上，时隔2d后，各项污染物的去除率均在稳步提升，说明系统运行稳定后，活性污泥尚未达到最佳活性状态，装置的处理能力仍需运行一段时间才能达到最佳效果，因此决定在尽量减少人为调整情况下，继续自动运行10d。

表1 调试阶段水质检测结果

2.2 中试试验检测结果

2020年10月10日至10月16日进行连续取样检测（11日因天气原因未进行检测），进水水质如表2所示，出水水质检测结果如表3所示。

表2 进水水质检测结果

表3 出水水质检测结果

由于中试试验所选用的污水提升泵房的污水来源为周边小区、学校等地的生活污水，水质较为稳定，因此仅在10日、13日和15日对进水水质进行检测，并以平均值作为污水进水水质指标。

2.3 中试试验结果分析

根据检测结果，可以看出除去10月15日、10月16日两天内的总氮指标略有超标，其余时段内各项污染物浓浓度的检测结果均优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A类标准。总体上来看，此装置较好地满足生活污水的达标处理，且装置在人工操作较少、自动运行程度较高的情况下，可以保持较稳定的连续运行。

COD、总氮、氨氮、总磷的处理效率如图3所示，可以看出COD和氨氮的去除率始终较为理想，而总氮、总磷的去除率在最后两天内有所下降，因此对造成此问题的原因进行着重讨论。首先，在A20工艺中，脱除总氮需要碳源为微生物提供能量，而本装置对于COD具有更强的处理能力，因此系统内的碳源在连续运行过程中逐渐难以满足脱氮除磷所需，导致试验后期的氮、磷比过高。除磷效率随除总氮效率同步大幅降低，同时COD去除效率逐渐提升便是对此结论的佐证。

图3 各污染物去除效率变化

其次，经过对装置的观察发现，运行一段时间后的剩余污泥排出口有堵塞现象发生，而沉淀池内漂浮的絮状体增多，导致此现象的原因是剩余污泥排出不畅，装置内的过量空气难以逸出，致使处理系统的溶解氧过高，污泥自身氧化使污泥絮凝性变差、结构分散，从而悬浮物增多。由于溶解氧浓度过高，因此好氧菌增加、厌氧菌数量降低，系统的硝化能力始终保持较高水平，反硝化能力减弱，最终使氨氮的去除率居高不下，总氮处理效率反而降低。

3 结语

自主开发了一种气升式内循环生活污水处理装置，加工出处理量为10m3/d的试验装置，于某污水提升泵房进行了为期6d的中试试验。根据试验检测结果，得出如下结论：

①装置结构设计较为合理，通过气升式内循环流动，使进入该装置的待处理污水时刻处于动态循环的流动过程，并进一步使装置内部根据溶解氧浓度的不同出现好氧、缺氧、厌氧反应区。此外，处理系统内的不同类型菌种数量完全通过处理过程自发动态调节，因此较常规处理设施，需要调节的操作参数变少，人工需求降低，系统稳定性得到提升，且增加了装置的容积负荷率、减小了停留时间、减少了剩余污泥的产生。

②试验结果表明，该装置基本能够使出水满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)的一级A类标准，其中COD、氨氮的去除效率尤为突出，而总氮、总磷的去除效率次之。若能进一步优化装置结构，使剩余污泥能够及时排出，保证系统溶解氧浓度处于合理范围内，则总氮和总磷的去除效率同样可以得到保证。