农村生活污水的无序排放,对各级水体造成了严重的污染[1]。农村人口分散且众多、地处偏远,没有完善的污水收集管网和处理系统,因此不能照搬城市污水厂经验[2]。近年来有学者提出了“生物+ 生态”组合工艺技术处理农村分散式生活污水,取得了较好的处理效果[3]。但该工艺仍存在脱氮效果不稳定、地表构筑物出水易散发臭味、影响周围居民的生活环境等问题[4]。

目前污水厂的除臭技术主要有膜结构加盖法、 土壤过滤法、活性炭吸附法、化学吸收法、生物滤塔和生物滤床法等[5]。传统的污水除臭技术基建成本较高、运行管理复杂,并不能较好的适用于处理农村分散式污水。因此,从生物生态组合工艺本身出发, 提出一种厌氧折流板反应器- 缺氧除臭池- 好氧水车生物转盘- 人工湿地的组合工艺。在不另外增设除臭构筑物和设施的前提下,以生物单元为主要研究对象,通过调整工艺运行参数研究该组合工艺强化脱氮的同时同步去除致臭物质臭的效果和机理, 实现地表处理构筑物污水处理无臭化和景观化,为生物生态组合工艺的运用和推广提供技术参考。

实验装置如图1所示。

厌氧反应器采用的是厌氧折流板反应器,长100 cm、宽20 cm、高70 cm,总有效体积为100 L。内部采用无纺布挂膜,反应器顶设排气孔,产生气体通入湿式气体流量计。缺氧池长、宽各20 cm,高100 cm, 总有效体积为40 L,池内采用鲍尔环填料挂膜,出水水位可由不同高度的出水口调节。好氧水车生物转盘采用4级交错跌水,一级高位水箱和三级水车生物转盘池组成,总有效容积为12 L。生物转盘的水车部分(和转盘池分开)由少量污水(进水的1/5流量)重力驱动,作为驱动力的部分污水经收集后再汇入下一级生物转盘池,转盘转速为1~2 r/min。人工湿地采用潜流式人工湿地,种植水耕蔬菜(空心菜、 水芹菜)。以上实验装置均采用聚氯乙烯(PVC)材料加工制成。

实验以某大学生活污水为原水,实验期间温度为20~25 ℃和10~15 ℃。进水COD为180.3~ 330.3 mg/L,SS、TN、NH3-N、TP的质量浓度分别为150.23~240.42、23.51~42.34、17.45~36.60、2.41~ 5.67 mg/L。

主要测定项目有COD和TN、NO-3-N、NH3-N、 硫化物、TON、硫化氢(H2S)、氨气(NH3)含量,均采用国标法分析[6]。COD:重铬酸钾法;TN含量:碱性过硫酸钾氧化紫外分光光度法;NO-3-N含量:紫外分光光度法;NH3-N含量:水杨酸次氯酸盐分光光度法; 硫化物(S2-)含量:对氨基二甲基苯胺光度法;H2S含量:气相色谱法;NH3含量:靛酚蓝分光光度法;臭: 嗅阈值法。

分别在20~25 ℃和10~15 ℃下分别考察2组回流体积比分别为25%、50%、100%、150%和50%、 100%、150%、200%下生物单元的脱氮效果,结果如图2所示。

由图2可知,在20~25℃下,随着回流比的增大TN的去除率不断上升。 厌氧出水TN为39.2 ~ 41.0 mg/L,好氧出水TN的质量浓度在22.6~31.5 mg/L波动。回流体积比由25%增大到100%时,TN去除率显著增加;而当回流比大于100%时,TN去除率增长缓慢。

增大硝化液回流比,使硝酸盐进入缺氧单元进行反硝化脱氮反应。王建龙等认为,回流体积比从0增加到200%,TN去除率随着回流比的增加而增加,但增回流体积比大于200%时,TN去除率上升缓慢[7]。同时,增大回流比减小了好氧单元的水力停留时间,使得好氧生物转盘的生物膜与污水中NH3-N接触反应的时间不够充分,导致好氧单元出水硝酸盐含量降低[8];且增大回流比,也会将更多的溶解氧带入缺氧池,从而抑制反硝化反应的进行[9]。

由图2还可知,在温度为10~15 ℃下,回流体积比从50%到150%脱氮率增加显著,150%~200%, TN去除率变化较小。进水TN的质量浓度为40.0~ 41.2 mg/L,好氧出水TN的质量浓度在26.1~30.5 mg/L波动。

温度的降低会影响反硝化菌的活性,反硝化菌适宜温度在15~25 ℃,反硝化速率随着温度的上升而加快[10]。对比图2的2种温度可以看出,当温度降低时,要保持生物处理单元较高的脱氮效果,需要采取较大的硝化液回流比。但回流比不能一直增大,过大的回流比对TN的去除率增加的影响较小,而且增大回流比也是不经济的,内循环回流比的能耗也会随之增大[7]。

污水中的恶臭污染物主要为3种[11]:含硫化合物(H2S、甲硫醇、甲硫醚等),含氮化合物(NH3、胺类、吲哚等),碳氢氧化合物(低级醇、醛、酮、酚以及脂肪酸等)。研究表明,H2S和NH3是恶臭臭气中的主要成分[12]。从人体的感受程度来看,H2S对人的影响程度远大于NH3[13]。

臭阈值(TON)指用无臭水稀释水样,直至闻出最低可辨别臭气的含量,表示臭的阈限,从整体上反映水体的臭味程度。

不同回流比对TON的去除效果见图3。

由图3可知,在20~25 ℃下,当回流体积比大于100%时,对TON有较高的去除率,出水TON在15~60;当温度为10~15 ℃时,出水TON在20~ 90;回流体积比增大至150%时以上,除臭效果较为显著。因为回流比增大,使得硝化液中更多的NO3-和溶解氧进入缺氧池,提高了水体的氧化还原电位, 而污水中的恶臭污染物大多在极低的氧化还原电位下形成,因此提高水体氧化还原电位可以有效抑制恶臭污染物的生成[14]。同时,增大回流比也会稀释缺氧池的进水的NH3-N含量,通过稀释致臭物质含量降低了缺氧池出水TON。

P Gostelow和S A Parsons建议将H2S的含量作为评价污水厂恶臭的主要指标,而恶臭气体中H2S的含量和水体中硫化物的含量有关[12，15]。有研究表明,污水中当p H为6.0时,硫化物中90%的以H2S形态存在;当p H为7.0时,H2S和HS-的量各占硫化物的50%。而污水中3种硫化物H2S、HS-和S2-只有H2S会散发臭味,因此可以用硫化物的量反应水体中硫化氢的含量。不同温度下回流比对硫化物去除效果影响分别见图4和图5。

对比图4和图5可以看出,在20~25 ℃和10~ 15 ℃下,进水S2-的质量浓度在21.2~24.5 mg/L,当回流体积比分别在100%和150%以上时,缺氧池对硫化物的去除效率较高,此时缺氧池出水硫化物的质量浓度分别低于0.46 mg/L和0.77 mg/L,去除率可达96.0%和91.3%以上。研究表明,在厌氧条件下, 脱硫杆菌可以利用NO-3作为电子受体,将硫化物氧化为单质硫或是硫酸盐,发生同步脱硫反硝化反应[16]。 回流比增大,也增大了进水硝酸盐含量,有利于脱硫反应的进行。

综合图3~图5可以看出,温度对除臭效果也有一定的影响。温度较高时,除臭效果较好;在相同回流比条件下,硫化物的去除率较高,缺氧出水TON较低。同时,硫化物对臭阈值的影响较大,当水体中硫化物的质量浓度大于1.5~2 mg/L时,臭阈值的去除率下降明显。说明水体中硫化物(硫化氢)含量是影响水体臭味的重要因素。

缺氧池中由于硝化液的回流带入NO-3,在异氧反硝化菌的作用下发生以碳源为电子供体的反硝化反应。同时,厌氧出水带入硫化物进入缺氧池,在硫化物氧化菌(SOB)的作用下进行以硫化物为电子供体的反硝化反应,硫化物被氧化成单质硫或硫酸盐,发生如式(1)、(2)的反应[17,18]。

硫化氢是恶臭气体主要成分和评价指标,对硫化物的去除可以达到有效削除臭味并脱氮的目的。 影响氮硫同步脱出的因素主要有N/S、C/N等[16,19,20]。

通过调节回流比,研究缺氧池进水NO-3-N和硫化物质量浓度比(ρ(NO-3-N)/ρ(S2-))对缺氧池脱氮除臭效果的影响,结果见图6。

由图6可知,ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)在0.4~1.20波动。 随着 ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)的增大,硫化物的去除率和TON去除率增大,ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)为1.0以上时,TON的去除率达90%以上,硫化物去除率可达96%。而反硝化率随 ρ(NO-3-N)/ρ (S2-) 的增加而逐步减小,当 ρ (NO-3-N)/ρ(S2-)从1.0提升至1.20时,反硝化率骤减,从71.8%降至54.5%。

缺氧池中发生同步脱硫反硝化反应,徐金兰等认为在脱硫反应器中,当 ρ(NO-3-N)/ρ (S2-) 达到0.4时,水中硫化物的去除率可以达到95% 以上,而ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)在1.0左右时,则脱氮效果为佳[21]。这是由于 ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)过大时,多硫自催化反应会与自养反硝化脱硫反应竞争,从而降低对NO-3-N的去除率。

由图6还可知,在进水 ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)大于0.4时,缺氧池中除臭和脱氮存在不能同步增长的矛盾。 但维持缺氧池中进水 ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)在1.0左右时, 可以达到良好的除臭效果出水臭阈值<30、S2-的质量浓度< 0.5mg/L;同时,也能获得较高的脱氮效果, 反硝化率为71.8%。

通过调节硝化液回流比,考察缺氧池进水不同COD和NO-3-N的质量浓度比(COD/ρ(NO-3-N))对缺氧池脱氮除臭效果的影响,结果见图7。

由图7可知,随着缺氧池进水COD/ρ(NO-3-N) 从4.0增至10.0,TON去除率和硫化物去除率逐步下降,即除臭效果大幅下降。增大COD/ρ(NO-3-N), 使得缺氧池进水碳源增加,同步脱硫反硝化菌是自养菌,在碳源增加时,异氧反硝化菌以碳源为电子供体还原NO-3为氮气的反应占优势,并对以S2-(硫化物) 为电子供体还原NO-3的同步脱硫反硝化过程产生抑制,从而导致硫化物去除率的降低和臭阈值去除率的降低[22]。在COD/ρ(NO-3-N)大于6.0的时候,TON的去除率下降明显,去除率仅为80%。

同时随着COD/ρ(NO-3-N)的增大,NO-3-N的去除率总体上呈现先增加后减缓的趋势。COD/ρ(NO-3-N) 从4.0增加至6.0,硫化物去除率较高,且NO-3-N去除率增幅较大;COD/ρ(NO-3-N)从6.0增至10.0时,硫化物去除率降低,且NO-3-N去除率增幅缓慢。其原因为,COD/ρ(NO-3-N)在4.0~6.0时,碳源增加,在自养反硝化脱硫未受到太大抑制的情况下,异养反硝化反应得到明显增强,NO-3从有机碳处获得电子还原成N2。而当COD/ρ(NO-3-N)大于6.0时,NO-3-N去除率增加缓慢,在碳源继续增大的同时,自养脱硫反硝化反应受到抑制[23]。但是对总体的反硝化反应而言,自养反硝化反应的影响更大,所以NO-3-N去除率只是缓慢增加。

厌氧折流板反应器- 缺氧除臭池- 好氧水车生物转盘- 人工湿地组合工艺在20~25 ℃和10~15 ℃温度下处理水量33 L/d,稳定运行6个月。其出水水质可达到COD 20.6~38.7 mg/L,TN、NH3-N、TP的质量浓度分别为6.6~10.4、1.5~2.3、<0.3 mg/L。其中人工湿地对TN和TP的平均去除率分别为64.3%和93% 。 该组合工艺的出水水质可稳定地达到GB 18918-2002的一级A标准[24]。在缺氧除臭池逸散气体中,H2S和NH3的平均质量浓度分别为0.043~ 0.048 mg/L和0.22~0.38 mg/L,基本可达GB 14554- 93的二级排放标准[25]。

温度为20~25 ℃时,选择回流体积比为100%, 生物单元TN去除率可达42.5%,好氧出水TN的质量浓度为23.1 mg/L;在温度为10~15 ℃,选择回流体积比为150%,生物单元TN去除率可达33.8%以上,好氧出水TN的质量浓度为25.8 mg/L。生物单元出水经过人工湿地单元处理后,对TN的平均去除率为64.3%,出水TN的质量浓度为8.2~9.2 mg/L, 满足GB 18918-2002一级A排放标准。

温度20~25 ℃和10~15 ℃下,建议回流体积比分别在100%和150%,缺氧除臭池对TON和硫化物的去除率分别为90.1%、91.4%和96.0%、91.3%。 在此条件下,缺氧池出水逸出气体中H2S和NH3的质量浓度平均分别为0.043~0.048 mg/L和0.22~ 0.38 mg/L,可达到GB 14554-93的二级排放标准。

ρ (NO-3-N)/ρ (S2-) 和COD/ρ (NO-3-N) 也是影响同步脱氮除臭的重要因素。当 ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)在0.6~1.0, COD/ρ(NO-3-N)在4.0~6.0时,系统可获得较高的硫化物和TON去除率;ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)和COD/ρ(NO-3-N) 分别为1.0和6.0时达到最佳脱氮除臭效果。

综上所述,考虑温度、回流比、ρ(NO-3-N)/ρ(S2-)、 COD/ρ(NO-3-N)等因素,在温度20~25 ℃和10~15 ℃时分别选择100%和150%的回流体积比,可使生物生态组合工艺达到良好的脱氮效果,并同时有效地削减致臭物质,实现地表污水处理构筑物无臭化, 构建园林式的污水处理单元。