CN113772891A - 一种冬季寒冷地区农村水厕废水的原位净化处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种冬季寒冷地区农村水厕废水的原位净化处理方法，属于污水处理技术领域，具体是利用好氧挂膜的移动床生物膜反应器对待处理水厕废水进行净化处理；所述净化处理的程序包括：进水温度为8～10℃、水力停留时间为16～24h、曝气量为0.8～2.4L/min。本发明通过将温度设置为8～10℃，既满足北方地区冬季低温的需求又可以保持微生物活性；通过将水力停留时间设置为16～24h不仅可以使微生物与待处理水厕废水的反应时间充足，而且使得曝气更加充分；通过将曝气量设置为0.8～2.4L/min，有利于MBBR工艺保持最佳处理效率。

Description

一种冬季寒冷地区农村水厕废水的原位净化处理方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种冬季寒冷地区农村水厕废水的原位净化处理方法。
背景技术
传统的农村厕所一般都是旱厕。旱厕建设简单，粪便也可以作为农家肥施到庄稼地里增加产量因而被广泛使用。但是旱厕污染环境，渗漏的粪便污水会污染浅层地下水，粪便中大量的寄生虫卵、细箘在施肥过程中污染土壤及农作物，导致人类饮用水和食物被污染而身体受损。一到夏天旱厕滋生蚊蝇，容易传播寄病。
厕所问题已经成为制约农村经济、环境发展的关键因素，厕所改造是改善农村环境的重要途径。农村水厕是发展趋势也是厕所革命主要方向。由于农村大部分地区发展相对落后，缺少地下管网污水收集排放设施，集中处理难度较大，原位处理是农村水厕废水处理的主要方式。移动床生物膜反应器(MBBR)工艺作为一种废水处理的原位强化技术，通过生物膜与流化床实现微生物的高效附着与动态更新，保障了对污染物良好的去除效果，与活性污泥法相比，具有适应性强、污泥量少、有利于世代周期长的微生物生存等特点，在农村水厕废水原位处理方面具有一定优势，目前在我国南方农村地区已开展应用。
而我国北方农村地区冬季气候寒冷且持续时间较长，MBBR在北方地区应用过程中存在处理效率低下的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冬季寒冷地区农村水厕废水的原位净化处理方法，能够满足北方农村地区冬季低温的需求，净化处理效率高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种冬季寒冷地区农村水厕废水的原位净化处理方法，包括以下步骤：
利用好氧挂膜的移动床生物膜反应器对待处理水厕废水进行净化处理；
所述净化处理的条件包括：进水温度为8～10℃、水力停留时间为16～24h、曝气量为0.8～2.4L/min。
优选的，所述移动床生物膜反应器内填充有悬浮填料；所述悬浮填料的填充率为30％～40％。
优选的，在进入移动床生物膜反应器之前，水厕废水预先进行沉淀，收集液体组分。
优选的，所述水厕废水预先进行沉淀采用的装置包括与所述移动床生物膜反应器连通的初沉池。
优选的，所述初沉池和移动床生物膜反应器埋设于埋设于冻层土壤以下。
优选的，所述移动床生物膜反应器连接有充氧泵。
优选的，所述好氧挂膜的方式包括快速排泥法；所述快速排泥法包括以下步骤：
将活性污泥接入填充有悬浮填料的移动床生物膜反应器中，不曝气处理48h后排空活性污泥；
所述排空活性污泥后，向移动床生物膜反应器中通入挂膜用水，进行好氧挂膜。
优选的，所述好氧挂膜的条件包括：通水后的水力停留时间为10～12h、温度为20～30℃、时间为24～28天、初始曝气量为0.6L/min，4～5天后提高到1.0L/min，再经过5～7天提高到1.5L/min；悬浮填料填充率为40％。
优选的，所述挂膜用水包括改良的待处理水厕废水；所述改良的待处理水厕废水的COD浓度为350～450mg/L、NH4 +-N浓度为25～35mg/L、TN浓度为45～55mg/L、TP浓度为15～20mg/L。
本发明提供了一种冬季寒冷地区农村水厕废水的原位净化处理方法，具体是利用好氧挂膜的移动床生物膜反应器对待处理水厕废水进行净化处理；所述净化处理的程序包括：进水温度为8～10℃、水力停留时间为16～24h、曝气量为0.8～2.4L/min。在本发明中，进水温度设置为8～10℃，既满足北方地区冬季低温的需求又可以保持微生物活性；水力停留时间设置为16～24h不仅可以使微生物与待处理水厕废水的反应时间充足，而且使得曝气更加充分；曝气量设置为0.8～2.4L/min，有利于MBBR工艺保持最佳处理效率。在本发明的实施例中，当进水温度为8～10℃、水力停留时间为16～24h且曝气量由0.8L/min增加到2.4L/min时，NH4 +-N去除率从70.95％增加到83.43％，TN的去除率由38.08％提高到47.31％，TP的去除率由35.81％提高到46.12％。
附图说明
图1为本发明一个实施例中北方地区农村水厕废水原位净化处理方法采用的装置的结构示意图，其中1为初沉池，2为移动床生物膜反应器，3为收纳池，4为蠕动泵，5为液体转子流量计，6为充氧泵，7为气体转子流量计，21为悬浮填料，22为微孔曝气盘；
图2为不同时期微生物生长情况；其中a、b、c分别为培养7天、14天和24天以后微生物生长状态；
图3挂膜阶段各指标的去除效果；
图4温度对各个指标去除效果的影响；
图5水力停留时间对各个指标去除效果的影响；
图6曝气量对各个指标去除效果的影响。
具体实施方式
本发明提供了一种北方地区水厕废水的净化处理方法，包括以下步骤：
利用好氧挂膜的移动床生物膜反应器对待处理水厕废水进行净化处理；
所述净化处理的程序包括：进水温度为8～10℃、水力停留时间为16～24h、曝气量为0.8～1.4L/min。
在本发明中，所述移动床生物膜反应器内填充有悬浮填料；所述悬浮填料的填充率优选为30％～40％，更优选为35％，使废水处理效果与消耗材料(悬浮填料)成本间实现较好的平衡。在本发明中，所述悬浮填料的材质优选为聚乙烯。在本发明中，所述悬浮填料为经表面活性剂、增糙剂联合改性的聚乙烯填料，购自于富鑫塑胶有限公司，型号为K1K3，改性后可以使微生物更容易附着，促进微生物挂膜，提高微生物活性。在本发明中，所述悬浮填料的形状优选为圆柱形。
在本发明中，所述净化处理过程中采用连续进水方式向移动床生物膜反应器中通入待处理水厕废水，进水量以处理系统内水力停留时间满足16～24h为准。
在进入移动床生物膜反应器之前，水厕废水预先进行沉淀，收集液体组分，去除其中的固体组分；所述沉淀的方式优选为静置沉淀；所述静置沉淀的时间优选为16～24h；所述沉淀的作用是避免水厕废物中的固体组分对管路造成堵塞，提升净化效率。
在本发明中，所述水厕废水预先进行沉淀采用的装置优选的包括与所述移动床生物膜反应器连通的初沉池。在本发明中，所述初沉池的作用是实现水厕废物的固液分离，收集液体组分在移动床生物膜反应器内净化，避免初沉池和移动床生物膜反应器间的管路堵塞，提升净化效率，降低出水污染；所述移动床生物膜反应器连接有充氧泵，以保证移动床生物膜反应器中的曝气量，所述移动床生物膜反应器的底部设置有微孔曝气盘，所述充氧泵与微孔曝气盘连接；在本发明中，连通所述初沉池和移动床生物膜反应器的管道上优选的设置有蠕动泵和液体转子流量计；连接所述移动床生物膜反应器和充氧泵的管道上优选的设置有气体转子流量。在本发明中，所述移动床生物膜反应器优选的和收纳池连通；所述收纳池的作用是储存净化后的水。
在本发明的一个实施例中，所述北方地区农村水厕废水原位净化处理方法采用的装置的结构示意图参见图1，其中1为初沉池，2为移动床生物膜反应器，3为收纳池，4为蠕动泵，5为液体转子流量计，6为充氧泵，7为气体转子流量计，21为悬浮填料，22为微孔曝气盘。
在本发明中，所述初沉池和移动床生物膜反应器埋设于埋设于冻层土壤以下，以降低冬季温度损耗。
在本发明中，所述初沉池、移动床生物膜反应器和收纳池的材质分别优选为有机玻璃。
在本发明中，利用太阳能板加热维持所述进水温度，达到经济环保的目的。
在本发明中，所述好氧挂膜的方式包括快速排泥法；所述快速排泥法包括以下步骤：将活性污泥接入填充有悬浮填料的移动床生物膜反应器中，不曝气处理48h后排空活性污泥；排空活性污泥后，向移动床生物膜反应器中通入挂膜用水，进行好氧挂膜，好氧挂膜成熟的标准以出水水质稳定为准。在本发明中，所述活性污泥优选为污水处理厂曝气池内活性污泥。在本发明中，所述活性污泥的接入量哟选为3～5g/L，更优选为4g/L。
在本发明中，所述好氧挂膜的程序包括：水力停留时间为12h、挂膜温度为20～30℃、挂膜时间为24天、曝气量在12h内由0.6L/min逐渐提高到1.5L/min；悬浮填料填充率为40％。
在本发明中，所述挂膜用水包括改良的待处理水厕废水；所述改良的待处理水厕废水的COD浓度优选为350～450mg/L、NH4 +-N浓度优选为25～35mg/L、TN浓度优选为45～55mg/L、TP浓度优选为15～20mg/L。改良的待处理水厕废水接近农村水厕废水污染负荷；所述改良的待处理废水优选为猪粪和水的混合物；所述猪粪和水的质量比优选为3：80。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1.材料与方法
1.1试验装置与材料
示意图参见图1。MBBR材质为有机玻璃，长度30cm，宽度20cm，高度20cm，总体积12L，有效容积8L；初沉池同样为有机玻璃材质；通过蠕动泵和液体转子流量计进水并调控水力停留时间；反应器底部装有微孔爆气盘，充氧泵提供氧气并使悬浮填料转动，气体转子流量计调控曝气量。MBBR中悬浮填料为经表面活性剂、增糙剂联合改性的聚乙烯填料，购自于富鑫塑胶有限公司，型号为K1K3；悬浮填料为圆柱形，内设19个小室，外径和高度为25mm和10mm，比表面积为600m2/m3左右，孔隙率超过90％，比重为0.95±0.02g/cm3，适用于城市污水、生活污水和工业废水等。
1.2试验水质与分析方法
厕所废水中的污染物主要由COD、BOD5、氨氮、菌群、悬浮物等构成，具有可生化性强、水质波动不明显、污水总量小、有机负荷量大等特点。猪粪各组分含量与人粪相近，本试验水样为猪粪与自来水的混合，冲水式马桶平均一次用水量为8L，人平均一次排便量为300g，用300g猪粪与8L水混合代替厕所废水进行试验，废水中含有大量有机物，氨氮浓度比较高，pH为7.2，能够保证微生物的正常生长，而且相对于实验配水，更接近于厕所废水，其中COD、NH4 +-N、TN和TP的浓度范围是1126～1493mg/L、86～148mg/L、86～148mg/L和36～62mg/L，分析方法分别采用重铬酸钾法、凯氏定氮仪测量、过硫酸钾消解-紫外分光光度法和钼酸铵分光光度法进行测定；接种污泥取自沈阳市某污水处理厂曝气池内活性污泥。
1.结果与讨论
1.1启动与挂膜
1.1.1微生物接种与挂膜
试验采用快速排泥法，将经过驯化的活性污泥接入放有聚乙烯材质悬浮填料的移动床生物膜反应器中，闷曝48h，排空反应器内所有污泥，通入要处理的水。将进水COD浓度调整到约为400mg/L、NH4 +-N浓度约为30mg/L、TN浓度约为50mg/L、TP浓度约为20mg/L，连续进水，水力停留时间为12h、曝气量由0.6L/min逐渐提高到1.5L/min、填充率为40％、温度约为22℃。
表1挂膜阶段各指标的去除效果
Figure BDA0003276147850000061
Figure BDA0003276147850000071
由表1可以看出，曝气作用和填料的吸附作用可以对COD产生一定的去除效果，使得挂膜初期系统对COD的去除率可以达到30％～40％，到第8天以后，填料表面开始出现絮状物，COD的去除效果也随之大幅增加，第24天去除率达到80.73％，24天以后，生物膜趋于稳定，COD的去除率也维持在80％左右
图2中的a、b、c分别为不同时期微生物生长挂膜情况，图2中的a为培养7天以后微生物生长状态，一些低等微生物附着在填料表面形成黏膜，出现絮状体薄层，部分以细菌为营养物质的微生物开始逐渐增长；图2中的b、c为培养14天和24天以后微生物生长挂膜情况，絮状体薄层已经成长为较为稳定的生物膜，显微镜下可以观察到轮虫、钟虫的出现，各类微生物构成一个完整的生态体系。
1.1.2挂膜时期各指标的去除情况
由图3可以看出，曝气作用和填料的吸附作用可以对COD产生一定的去除效果，使得挂膜初期系统对COD的去除率可以达到30％～40％，到第8天以后，填料表面开始出现絮状物，COD的去除效果也随之大幅增加，第24天去除率达到80.73％，24天以后，生物膜趋于稳定，COD的去除率也维持在80％左右。
由于接种污泥量较大，硝化细菌大量繁殖且速度较快，挂膜初期到生物膜稳定阶段，系统对于NH4 +-N的去除效果一直呈上升趋势，到第24天以后NH4 +-N去除增加较为缓慢，说明此时生物膜系统趋于稳定，硝化细菌的量也随之稳定；TN的去除，需要硝化和反硝化作用共同进行，生物膜表层为好氧区，内部为厌氧区，微生物生长消耗大量溶解氧，反应器内处于缺氧阶段，硝化过程受到抑制，反硝化作用加强，当碳源不足时阻碍反硝化作用，溶解氧量上升，硝化和反硝化过程交替进行，最终生物膜趋于稳定时，NH4 +-N和TN的去除率分别维持在90％和50％左右。TP的去除效果趋势整体与TN相似，生物膜趋于稳定时，去除率维持在50％左右。聚磷菌在厌氧、好氧条件下交替进行，好氧状态下吸收到自身体内的磷多于厌氧状态下为了吸收废水中溶解性有机物，获得能量所释放出来的磷，使得废水中的磷得到了一定的去除。
2.1温度对MBBR处理效果的影响
本试验采用连续进水方式，水力停留时间为12h、曝气量为1.5L/min、填充率为40％、进水COD、NH4 +-N、TN和TP浓度分别约为1200mg/L、100mg/L、140mg/L和50mg/L，MBBR工艺最佳运行温度为20～30℃，北方冬季冻层温度约为4℃，所以考察温度为4～6℃、8～10℃、12～14℃、16～18℃时对各水质指标去除效果的影响，实验每改变一次操作需稳定运行一段时间，经过对各水质指标的监测，7天之后出水水质保持稳定。
表2温度对各指标的去除效果
Figure BDA0003276147850000081
由表2和图4可知，随着温度的降低，各指标的去除率均随之下降，16～18℃至8～10℃下降平稳，8～10℃以后出现快速下降趋势，温度对COD的去除效果影响较小，4～6℃时仍可以保持68.84％，对NH4 +-N、TN、TP去除效果的影响较大，4～6℃时的去除率已经下降到只有32.76％、19.78％和12.08％。
足够长的水力停留时间不仅可以使微生物与污染物的反应时间增长，而且使得曝气更加充分，系统主要以能适应低温的微生物(如耐冷菌、嗜冷菌)为主体，只能降解废水中部分有机物，导致COD的去除率下降到一定范围内；温度对硝化、反硝化速率以及硝化、反硝化细菌的生长繁殖有着较大的影响，大部分硝化、反硝化细菌最适宜生长温度为20～35℃，10～25℃生长减慢，10℃以下硝化与反硝化过程及菌体生长显著减慢；低温对生物除磷效果的影响至今尚未取得一致结论，部分人认为聚磷菌属于嗜冷菌，但在实际工程与实验室中，大量报道指出生物除磷效果随温度的降低而下降甚至失效。
在4个不同温度梯度条件下，根据表2可知，在4～6℃时大部分微生物已经显现了生长繁殖停滞的现象，使得出水水质出现恶化；在上述工况中，综合各水质指标在不同温度下的去除率，认定MBBR工艺在此条件下保持生物活性的最低温度为8～10℃。
2.2水力停留时间对MBBR处理效果的影响
与上述工况保持一致的条件下，考察水力停留时间(HRT)为8h、16h、24h、32h对各水质指标去除效果的影响，实验每改变一次操作需稳定运行7天。
表3 HRT对各指标的去除效果
Figure BDA0003276147850000091
由表3和图5可知，随着HRT的延长，COD、NH4 +-N和TN的去除效果均增长趋势，8-24h效果增长明显，COD去除率由68.51％增长到75.31％，NH4+-N由54.90％提高到77.36％，TN由29.62％提高到40.88％，24～32h虽有增长，但处理效率明显下降，COD、NH4 +-N和TN仅增长了1.38％、2.87％和1.48％，HRT为8～24h时，TP的去除效率随HRT的增长而增加，由28.78％提高到38.35％，但HRT延长到32h时，去除率下降到37.03％。
微生物通过稳定作用和吸附过程的共同进行实现了对有机物的降解，一般情况下，HRT越长，水中的微生物与有机物接触的时间越长，而且深层微生物同样会对有机物进行降解，处理效果也越好，但HRT过长则会导致处理效率降低，费用增加，当HRT较短时，废水中有机物与微生物接触时间过短，只有部分有机物得到降解；硝化细菌和反硝化细菌为长世代菌体，HRT的延长增加了硝化细菌、反硝化细菌与污染物的接触时间，使去除效率得以增加，但过长的HRT会使废水中的有机物减少，逐渐抑制了反硝化细菌的代谢过程，使得后期去除率出现增长缓慢的趋势甚至下降；在一定范围内，TP的去除率随HRT的缩短而降低，是由于聚磷菌没有足够的时间与污染物接触，吸磷、释磷的过程受到抑制，而且较快的进水流量会使得部分悬浮物未能被截留，从而影响TP出水浓度，过长的HRT减少废水中的有机物，聚磷菌不是优势菌种得不到充足的营养，导致去除率下降。
在4个不同HRT条件下，COD、NH4 +-N、TN、TP的去除率在8～24h均随着HRT的增长而增加，涨幅在10％～30％左右，24～32h增长较为缓慢，其中TP24-32h略微下降；在上述工况中，综合各水质指标在不同HRT下的去除率和处理效率，认定MBBR工艺在此条件下最佳HRT为24h。
2.3曝气量对MBBR处理效果的影响
与上述工况保持一致的条件下，考察曝气量为0.8L/min、1.6L/min、2.4L/min、3.2L/min对各水质指标去除效果的影响，实验每改变一次操作需稳定运行7天。
表4曝气量对各指标的去除效果
Figure BDA0003276147850000101
Figure BDA0003276147850000111
由表4和图6可知，COD的去除率随曝气量的增大而增大，由71.99％增加到82.85％，但曝气量由2.4L/min增加到3.2L/min时，去除率明显减慢，只增加了1.12％，NH4 +-N、TN和TP的去除率均呈现先增长后下降的趋势，当曝气量由0.8L/min增加到2.4L/min时，NH4 +-N去除率从70.95％增加到83.43％，TN的去除率由38.08％提高到47.31％，TP的去除率由35.81％提高到46.12％，但曝气量增加到3.2L/min时，去除率均有所下降。
好氧微生物和厌氧微生物的协同作用使厕所废水得以净化，氧气过多的环境会使厌氧微生物的活性降低，氧气过少的环境则会造成好氧微生物的死亡，充足的溶解氧可以加快微生物的新陈代谢过程，使得COD去除率有所增加，但过大的曝气量产生的气流造成部分生物膜脱落，COD去除率也随之下降；硝化细菌为好氧菌，反硝化细菌为兼性厌氧菌，曝气量过小造成溶解氧不足，使得硝化细菌生长受到抑制，硝化过程的速率也随之降低，曝气量过大会影响反硝化细菌的正常生长，使得氨氮转化为硝氮、亚硝氮，同时会造成生物膜的脱落，处理效率下降；当曝气量过小时，聚磷菌吸磷储存能量的过程受到抑制，曝气量过大时，硝化过程产生的硝氮会阻碍厌氧释磷的过程，同时导致生物膜脱落，处理效率下降。
在4个不同曝气量条件下，COD的去除率呈一直上升趋势，NH4 +-N、TN、TP的去除率在0.8～3.2L/min均先增长后下降，2.4L/min为拐点；在上述工况中，综合各水质指标在不同曝气量下的去除率和处理效率，认定MBBR工艺在此条件下最适宜曝气量为2.4L/min。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种冬季寒冷地区农村水厕废水的原位净化处理方法，包括以下步骤：
利用好氧挂膜的移动床生物膜反应器对待处理水厕废水进行净化处理；
所述净化处理的条件包括：进水温度为8～10℃、水力停留时间为16～24h、曝气量为0.8～2.4L/min。
2.根据权利要求1所述的原位净化处理方法，其特征在于，所述移动床生物膜反应器内填充有悬浮填料；所述悬浮填料的填充率为30％～40％。
3.根据权利要求1所述的原位净化处理方法，其特征在于，在进入移动床生物膜反应器之前，水厕废水预先进行沉淀，收集液体组分。
4.根据权利要求1所述的原位净化处理方法，其特征在于，所述水厕废水预先进行沉淀采用的装置包括与所述移动床生物膜反应器连通的初沉池。
5.根据权利要求4所述的原位净化处理方法，其特征在于，所述初沉池和移动床生物膜反应器埋设于埋设于冻层土壤以下。
6.根据权利要求1所述的原位净化处理方法，其特征在于，所述移动床生物膜反应器连接有充氧泵。
7.根据权利要求2所述的原位净化处理方法，其特征在于，所述好氧挂膜的方式包括快速排泥法；所述快速排泥法包括以下步骤：
将活性污泥接入填充有悬浮填料的移动床生物膜反应器中，不曝气处理48h后排空活性污泥；
所述排空活性污泥后，向移动床生物膜反应器中通入挂膜用水，进行好氧挂膜。
8.根据权利要求7所述的原位净化处理方法，其特征在于，所述好氧挂膜的条件包括：通水后的水力停留时间为10～12h、温度为20～30℃、时间为24～28天、初始曝气量为0.6L/min，4～5天后提高到1.0L/min，再经过5～7天提高到1.5L/min；悬浮填料填充率为40％。
9.根据权利要求7或8所述的原位净化处理方法，其特征在于，所述挂膜用水包括改良的待处理水厕废水；所述改良的待处理水厕废水的COD浓度为350～450mg/L、NH4 +-N浓度为25～35mg/L、TN浓度为45～55mg/L、TP浓度为15～20mg/L。
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