胡國華， 張強(qiáng)， 趙柳潔,2， 賀立三， 高林朝， 孫潤超， 謝毅，肖菊， 賈兵

(1.河南省科學(xué)院能源研究所有限公司，河南 鄭州 450008； 2.河南財經(jīng)政法大學(xué)，河南 鄭州 450046)

近年來，隨著中國美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的發(fā)展和“廁所革命”工作的推進(jìn)，各地農(nóng)村通過建造集中處理的中小型污水處理站，使農(nóng)村生活污水無組織排放的情況有所改善[1-2]。但是，現(xiàn)有的作為農(nóng)村污水站前端處理的戶用三格化糞池處理效果并不理想，不僅衛(wèi)生效果差，而且夏季蠅蛆滋生嚴(yán)重[3-5]，導(dǎo)致其出水通過管網(wǎng)送至污水處理站后，站內(nèi)處理設(shè)施負(fù)荷波動大，經(jīng)常出現(xiàn)污水處理效果差和終端出水水質(zhì)超標(biāo)的現(xiàn)象[6-7]。不少學(xué)者針對常規(guī)化糞池的改進(jìn)開展了大量研究。AL-SHAYAH等[8]和AL-JAMAL等[9]利用UASB型化糞池處理高濃度生活污水發(fā)現(xiàn)，在17.3 ℃條件下化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand，COD)去除率可達(dá)到53%， 生化需氧量(biochemical oxygen demand，BOD)去除率可達(dá)到76%。CHEN等[10]利用彈性立體填料處理哈爾濱地區(qū)生活污水，在2個不同溫度階段的COD去除率均比常規(guī)化糞池提高10%。 張玉等[11]通過剖析部分地區(qū)當(dāng)前農(nóng)村改廁存在的典型誤區(qū)，揭示了三格化糞池廁所具有衛(wèi)生性和環(huán)保性的歷史使命，并指出正確利用化糞池的重要性。陳杰等[12]和武海霞等[13]探討了在實際生活中不同類型化糞池的選用依據(jù)及化糞池的管理模式。范彬等[14]研究概述了現(xiàn)有化糞池技術(shù)在分散式污水處理中的運(yùn)用。

目前，針對集中處理農(nóng)村污水的三格化糞池性能研究較多，但對結(jié)合農(nóng)村戶用污水特點(diǎn)開展匹配新農(nóng)村集中污水處理站的前端預(yù)處理設(shè)施的研究較少。本研究針對中國農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀[15]，基于生活污水的源分離思路，從分類分質(zhì)、協(xié)同處理的技術(shù)角度出發(fā)，結(jié)合厭氧消化技術(shù)和沼氣利用的特點(diǎn)，聯(lián)合可附著生成活性生物膜的懸浮填料，提出一種新型可實現(xiàn)資源化利用、對農(nóng)村環(huán)境友好的戶用無外部動力式污水預(yù)處理裝置，即新型農(nóng)村戶用污水預(yù)處理厭氧反應(yīng)器(以下簡稱新型反應(yīng)器)來替代常規(guī)的三格化糞池，以期在確保出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的同時實現(xiàn)農(nóng)村污水處理的無害化、資源化利用，為進(jìn)一步提高末端污水處理站的處理效果和找尋操作性強(qiáng)、適用性廣的小型農(nóng)村預(yù)處理設(shè)備提供技術(shù)支持和工程參考。

1 農(nóng)村戶用污水源分離方案

源分離是指從源頭入手，通過一定的功能設(shè)計和設(shè)施配置，將不同種類的污水分開收集和處理，使其不再相互混合，從而克服集中污水處理的缺陷[16]。污水分類收集不僅有助于降低水處理的難度，還從根本上改善污水末端處理造成的大量水資源浪費(fèi)和尿糞中營養(yǎng)物質(zhì)難以利用的不可持續(xù)性弊端[17]。

農(nóng)村生活污水主要來源于生活洗滌污水、廚房廢水、沖廁水和尿糞污水(包括部分含有大量污染物的畜舍沖洗用水)等，且多為間歇性排放[18-19]?；谖鬯搭^分離理念和后續(xù)資源化利用的角度，本研究方案是將有機(jī)污染物濃度相對較高的糞便尿液和廚房廢水從農(nóng)村生活污水中分離出來后合并處理，利用廚房廢水中的有機(jī)物作為補(bǔ)充碳源加入到高濃度含有大量植物營養(yǎng)鹽(氮、磷、鉀)的糞便尿液中進(jìn)行協(xié)同厭氧消化處理[20]。該分離方案中廁所糞便尿液和廚房廢水可以分別通過一套簡單管道單獨(dú)收集后合并送入新型反應(yīng)器進(jìn)行處理，從源頭上解決了污水站受沖擊的問題，且在農(nóng)村易于實現(xiàn)。

2 新型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計與處理工藝

2.1 新型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)兩相厭氧消化理論，在懸浮填料投加的基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)村用地特點(diǎn)設(shè)計為占地面積約2.5 m2的地下一體式近長方體結(jié)構(gòu)，日處理污水量為240 L·d-1，有效容積約為4 m3。兩相厭氧消化工藝最本質(zhì)的特征是相的分離，因而在分級處理廢水和形成優(yōu)勢菌種方面有獨(dú)特的優(yōu)勢[21]。新型反應(yīng)器作為農(nóng)村污水處理站的前端裝置，通過設(shè)置專門的水解液化反應(yīng)區(qū)(Ⅰ腔)、產(chǎn)甲烷相反應(yīng)區(qū)(Ⅱ腔)以及兼氧水質(zhì)穩(wěn)定區(qū)(Ⅲ腔)，結(jié)合動力學(xué)控制來實現(xiàn)功能區(qū)的分離目標(biāo)。新型反應(yīng)器為臥式結(jié)構(gòu)，集混合水解、厭氧反應(yīng)和沉降穩(wěn)定功能于一體，內(nèi)部連接類似橫向序批式高效生物反應(yīng)器裝置。新型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

新型反應(yīng)器制作材料選用耐腐蝕性能好和強(qiáng)度高的碳鋼材料，防腐工藝采用2層紅丹防銹底漆和外噴涂黑色防腐涂料。部分密閉制成，近矩形截面。Ⅰ腔室位于一體式反應(yīng)器的前端，與除渣區(qū)相連，頂部依次設(shè)置除渣口、進(jìn)料口和填料入口；為方便定期收集固體廢渣，底部做傾斜處理，該腔室有效容積約為1 m3。Ⅱ腔室位于反應(yīng)器的中間段，為相對獨(dú)立密閉的單元，頂部分別設(shè)置有類傘柄狀氣體收集管道、填料入口以及液體連接管道，該腔室有效容積約為2 m3。Ⅰ腔室和Ⅱ腔室內(nèi)部均投放若干數(shù)量的懸浮填料，并通過內(nèi)部隔板上部開孔設(shè)管實現(xiàn)貫通。Ⅲ腔室設(shè)置在反應(yīng)器末端，頂部設(shè)置與Ⅱ腔室貫通的液體連接管以及用于末端資源化利用或連接外部管網(wǎng)的出水口，為半開放式設(shè)計，該腔室有效容積約為1 m3。

1：進(jìn)料口；2：填料入口；3：除渣口；4：沼氣管道；5：液體管道；6：出水口；7：球型填料。

與常規(guī)三格化糞池結(jié)構(gòu)相比，新型反應(yīng)器采用了一體式三腔設(shè)計，即兩腔密閉一腔為兼氧區(qū)；設(shè)置1個除渣口和2個填料入口；高位和頂部設(shè)置連通管和集氣管。因此，新型反應(yīng)器具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、資源化處理程度高、沼氣可定向收集、安全性高、易于操作和管理方便等優(yōu)勢。

2.2 懸浮填料強(qiáng)化厭氧處理技術(shù)

為保證和強(qiáng)化厭氧反應(yīng)效果，新型反應(yīng)器除在結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行改進(jìn)，還根據(jù)各腔室功能和生物菌種的生長特性在其內(nèi)部腔室投放一定數(shù)量的球型填料進(jìn)行強(qiáng)化處理。其中，Ⅰ腔室投放比例為20%～30%，Ⅱ腔室投放比例為40%～50%。反應(yīng)器中采用的球型填料由聚氨酯改性材料制作而成，結(jié)構(gòu)為框架中空式，框架內(nèi)部填充一定比例但不同材質(zhì)的蜂窩狀和顆粒塊狀填料。

球型填料在投放使用的過程中，依靠水流及沼氣的提升作用使填料整體在所處腔室內(nèi)處于陣發(fā)性運(yùn)動狀態(tài)?？蚣軆?nèi)部填充的蜂窩狀和顆粒塊狀材料極大提高了填料自身的孔隙率和比表面積，使得球型填料表面和內(nèi)部均形成較多的活性生長污泥和附著生長的生物膜。因此，主要反應(yīng)區(qū)Ⅰ腔室和Ⅱ腔室內(nèi)布滿移動的活性生物膜，通過充分發(fā)揮生物膜中附著相和懸浮相的優(yōu)勢并利用生物膜的新陳代謝，不斷保持反應(yīng)器內(nèi)生物菌種的高活效性。此外，Ⅰ腔室和Ⅱ腔室填料的投加可大大改善高懸浮物(suspended solids，SS)糞便污水的沖擊，對水質(zhì)負(fù)荷波動具有一定的耐受力[22]，從而在與間歇式排放的生活污水頻繁多次接觸下使終端達(dá)到優(yōu)化出水水質(zhì)的目的。

2.3 新型反應(yīng)器處理工藝

常規(guī)三格式化糞池以沉淀、發(fā)酵為主，構(gòu)造上一般由進(jìn)糞管、分格池、連通管和蓋板組成[23]。常規(guī)三格式化糞池存在以下不足：出水污染物質(zhì)量濃度較高；臭氣直接排放，安全性差，易造成二次污染；容易堵塞和滲漏，需定期掏糞等[24]。為解決上述問題，新型污水處理反應(yīng)器工藝流程如圖2所示。

圖2 新型農(nóng)村戶用污水預(yù)處理厭氧反應(yīng)器的工藝流程Fig.2 Process flow of new rural household sewage pretreatment anaerobic reactor

工藝中分離后的農(nóng)村戶用糞便尿液及廚房廢水混合物通過新型反應(yīng)器的進(jìn)料口進(jìn)入Ⅰ腔室，有機(jī)固形物通過一定數(shù)量球型填料的截留達(dá)到最大限度的厭氧水解，穩(wěn)定后的固體廢渣約占進(jìn)料固形物的10%，可通過除渣器定期排出。

Ⅰ腔室中較高質(zhì)量濃度的原料廢水經(jīng)水解除渣后通過水位差進(jìn)入Ⅱ腔室，Ⅱ腔室中主要為含溶解性有機(jī)物的廢水，通過投加大量懸浮填料在一定的停留時間內(nèi)達(dá)到最大限度的甲烷化去除。同時，Ⅱ腔室中氣體管道的設(shè)置可實現(xiàn)沼氣的有組織排放或定向收集。

Ⅱ腔室處理后的廢水經(jīng)過頂部設(shè)置的液體連接管道依靠壓差進(jìn)入Ⅲ腔室，在該區(qū)域內(nèi)通過揮發(fā)、靜置沉淀進(jìn)一步實現(xiàn)水質(zhì)兼氧穩(wěn)定化。穩(wěn)定后的出水可達(dá)到最大限度的資源化利用，即可用于農(nóng)作物施肥，未及時利用的穩(wěn)定廢水又可直接排入管網(wǎng)送入終端農(nóng)村污水處理站。

3 新型反應(yīng)器的應(yīng)用測試

根據(jù)上述農(nóng)村生活污水的源分離方案及新型反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，于2021-06-20在河南省新鄉(xiāng)市原陽縣某村一農(nóng)戶家院內(nèi)投入使用該新型反應(yīng)器，60 d后進(jìn)行取樣分析，以考察其運(yùn)行性能和出水水質(zhì)穩(wěn)定性。

3.1 檢測項目與方法

自2021-08-24起連續(xù)4 d每天分別同時對新型反應(yīng)器進(jìn)料口和出水口2個監(jiān)測點(diǎn)的水質(zhì)進(jìn)行3次現(xiàn)場采樣并檢測，每天具體采樣時間為7：00、12：00和17：00，總共12次分為12個測試組。第1天包括測試組1、2、3，并以此類推。此時新型反應(yīng)器懸浮填料上的生物膜培養(yǎng)趨于穩(wěn)定，現(xiàn)場測試的各項指標(biāo)數(shù)值差別不大，已具備現(xiàn)場樣品的檢測的條件，更能反映其實際性能。檢測指標(biāo)包括pH值、COD、5日生化需氧量(biochemical oxygen demand after five days，BOD5)、SS和氨氮(NH3-N)。采樣時，將清潔干燥的盛裝容器放入新型反應(yīng)器內(nèi)部指定取樣位置，用所取水樣沖洗3次后再分別進(jìn)行單獨(dú)采樣。采樣容器全部采用500 mL玻璃瓶。各檢測指標(biāo)采樣體積分別為250(pH值)、500(COD)、250(BOD5)、500(SS)和250 mL(NH3-N)。采樣位置位于新型反應(yīng)器內(nèi)部液體中上部位。水質(zhì)檢測依據(jù)及試驗方法如表1所示。

表1 水質(zhì)檢測項目分析方法一覽表Table 1 Water quality testing project and analysis methods

同時，按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 19379—2012《農(nóng)村戶廁衛(wèi)生規(guī)范》[30]所規(guī)定的三格化糞池容積比即2∶1∶3，原料均采用未經(jīng)處理的生活污水，建立模型1[31]，對污水中的COD、BOD5、SS、NH3-N去除率進(jìn)行試驗分析，進(jìn)而得到處理效果。

3.2 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用origin 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、圖形繪制及顯著性分析。

3.3 結(jié)果與分析

采樣后發(fā)現(xiàn)，12個測試組進(jìn)料口的廢水樣品形態(tài)渾濁、有臭味，而出水口的液體樣品輕微混濁、基本無味、安全性好。

3.3.1 進(jìn)出口pH值的對比分析 由圖3中可知，進(jìn)料口物料的水質(zhì)酸堿度時而偏酸時而偏堿，pH值在6.8～7.1之間浮動。第1、2天的pH值平均值為6.93，第3、4天的pH值平均為6.9。而經(jīng)新型反應(yīng)器處理后出水口的pH值在7.1～7.3之間。第1天的pH值平均為7.23，第2天的pH值平均為7.13，第3天的pH值平均為7.27，第4天的pH值平均為7.2，基本穩(wěn)定維持在中性偏堿的范圍內(nèi)。

圖3 進(jìn)料口和出水口處pH值的對比Fig.3 Comparison of pH values between inlet and outlet

3.3.2 進(jìn)出口COD質(zhì)量濃度的對比分析 由圖4中可知，進(jìn)料口水質(zhì)的檢測COD質(zhì)量濃度較高，基本都在370 mg·L-1以上。第1天的COD質(zhì)量濃度平均值為393 mg·L-1，第2天的COD質(zhì)量濃度平均值為391 mg·L-1，第3天的COD質(zhì)量濃度平均值為390 mg·L-1，第4天的COD質(zhì)量濃度平均值為392 mg·L-1。而出水口水質(zhì)的檢測COD質(zhì)量濃度都大幅下降。第1天的COD質(zhì)量濃度平均值為124 mg·L-1，第2天的COD質(zhì)量濃度平均值為116 mg·L-1，第3、4天的COD質(zhì)量濃度平均值均為118 mg·L-1，經(jīng)處理后COD去除率達(dá)到65%～72%。

圖4 進(jìn)料口和出水口處COD質(zhì)量濃度的對比Fig.4 Comparison of COD mass concentrations between inlet and outlet

3.3.3 進(jìn)出口BOD5質(zhì)量濃度的對比分析 由圖5可知，進(jìn)料口水質(zhì)的BOD5質(zhì)量濃度基本處于240 mg·L-1。第1、2天的BOD5質(zhì)量濃度平均值均為245 mg·L-1，第3天的BOD5質(zhì)量濃度平均值為243 mg·L-1，第4天的BOD5質(zhì)量濃度平均值為241 mg·L-1。經(jīng)新型反應(yīng)器厭氧消化穩(wěn)定處理后，出水口水質(zhì)的BOD5質(zhì)量濃度不但有了大幅消減，而且相對穩(wěn)定，出水口水質(zhì)的BOD5濃度都降到40 mg·L-1左右。第1天的BOD5質(zhì)量濃度平均值為40 mg·L-1，第2天的BOD5濃度平均值為38 mg·L-1，第3、4天的BOD5質(zhì)量濃度平均值均為39 mg·L-1，經(jīng)處理后BOD5去除率高達(dá)85%。出水口水質(zhì)的BOD5濃度不但都相對穩(wěn)定，而且都有了大幅消減。

圖5 進(jìn)料口和出水口處BOD5質(zhì)量濃度的對比Fig.5 Comparison of BOD5 mass concentrations between inlet and outlet

3.3.4 進(jìn)出口SS質(zhì)量濃度的對比分析 由圖6可知，進(jìn)料口水質(zhì)的SS質(zhì)量濃度在275～320 mg·L-1之間，第1天的SS質(zhì)量濃度平均值為296 mg·L-1，第2天的SS質(zhì)量濃度平均值為292 mg·L-1，第3天的SS質(zhì)量濃度平均值為295 mg·L-1，第4天的SS質(zhì)量濃度平均值為292 mg·L-1。經(jīng)新型反應(yīng)器處理后，出水口水質(zhì)的SS質(zhì)量濃度大幅下降。第1、2天的SS質(zhì)量濃度平均值均為36 mg·L-1，第3、4天的SS質(zhì)量濃度平均值均為37 mg·L-1。SS質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定且SS除率可高達(dá)89%。

圖6 進(jìn)料口和出水口處SS質(zhì)量濃度的對比Fig.6 Comparison of SS mass concentrations between inlet and outlet

3.3.5 進(jìn)出口NH3-N質(zhì)量濃度的對比分析 由圖7可知，進(jìn)料口水質(zhì)的NH3-N質(zhì)量濃度處于37～42 mg·L-1之間。第1天的NH3-N質(zhì)量濃度平均值為40 mg·L-1，第2、3天的NH3-N質(zhì)量濃度平均值均為39 mg·L-1，第4天的NH3-N質(zhì)量濃度平均值為38 mg·L-1。經(jīng)新型反應(yīng)器處理后，出水口水質(zhì)的NH3-N質(zhì)量濃度處于33～39 mg·L-1之間。第1天的NH3-N質(zhì)量濃度平均值為36 mg·L-1，第2天的NH3-N質(zhì)量濃度平均值為37 mg·L-1，第3天的NH3-N質(zhì)量濃度平均值為35 mg·L-1，第4天的NH3-N質(zhì)量濃度平均值為38 mg·L-1。兩者對比NH3-N質(zhì)量濃度下降并不明顯。這是因為厭氧技術(shù)本身對消減NH3-N質(zhì)量濃度的作用不大。而新型反應(yīng)器中Ⅲ腔室兼氧穩(wěn)定區(qū)的設(shè)置，為水質(zhì)中NH3-N的揮發(fā)和穩(wěn)定提供了時間保證，NH3-N質(zhì)量濃度的保持也對后續(xù)水質(zhì)資源化利用起到一定的積極作用。

圖7 進(jìn)料口和出水口處NH3-N質(zhì)量濃度的對比 Fig.7 Comparison of NH3-N mass concentrations between inlet and outlet

3.4 新型反應(yīng)器處理效果比較

新型反應(yīng)器中主要污染物的平均去除率與常規(guī)三格化糞池處理效果的對比如圖8所示。新型反應(yīng)器COD平均去除率69.6%，BOD5平均去除率84%，SS平均去除率87.6%，NH3-N平均去除率22%。而模型1中COD平均去除率55.7%，BOD5平均去除率60.4%，SS平均去除率92.6%，NH3-N平均去除率15.37%。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，新型反應(yīng)器除SS平均去除率低于模型1外，其他去除率均高于模型1。通過顯著性分析發(fā)現(xiàn)，2種反應(yīng)器出口處的各項檢測項目數(shù)據(jù)樣本間差異顯著性較大，P=0.012<0.05。新型反應(yīng)器出水口水質(zhì)穩(wěn)定，各項檢測指標(biāo)相較于進(jìn)料口都有較大程度改善，性能優(yōu)越。因此，新型反應(yīng)器可在預(yù)處理階段滿足一定資源化利用的同時，保證后續(xù)經(jīng)管網(wǎng)到達(dá)污水處理站的水質(zhì)穩(wěn)定性。

圖8 新型污水反應(yīng)器處理效果的對比Fig.8 Comparison of new sewage reactor treatments effect

3.5 沼氣產(chǎn)量及處置

經(jīng)收集測算，在夏季高溫時段，農(nóng)戶單戶最高產(chǎn)沼氣量大約每天0.2 m3左右，產(chǎn)氣量很少，考慮投資成本，單戶回收利用價值不大，建議可采用連片連戶的方式，統(tǒng)一收集利用。

由于采用了厭氧技術(shù)，新型反應(yīng)器所產(chǎn)沼氣的成分主要是CH4和CO2，而傳統(tǒng)的三格化糞池主要采用兼氧技術(shù)，其所產(chǎn)沼氣的成分主要是CH4、CO2、CO、NH3、N2和H2S。從氣體成分上分析，新型厭氧反應(yīng)器更安全穩(wěn)定。新型反應(yīng)器設(shè)置有沼氣管道，并在沼氣管道上設(shè)置有閥門和自動壓力排氣裝置，通過閥門可用于統(tǒng)一收集，自動壓力排氣裝置可在壓力過高時自動出所產(chǎn)氣體，保證了沼氣處置的安全性。

4 結(jié)論與討論

本研究設(shè)計的新型反應(yīng)器出水水質(zhì)相對穩(wěn)定，各項污水檢測指標(biāo)相較于進(jìn)料口都有較大改善。其中，COD的去除率可達(dá)65%～72%，BOD5的去除率最高可達(dá)85%，SS的去除率最高可達(dá)89%，與采用常規(guī)化糞池技術(shù)的模型1相比優(yōu)勢明顯。因新型污水反應(yīng)器通過結(jié)構(gòu)設(shè)計強(qiáng)化厭氧且添加了一定比例的生物懸浮填料，所以COD、BOD5、NH3-N的平均去除率都要高于模型1。其中，COD高出13.9%，BOD5高出23.6%，NH3-N高出6.63%。而SS的平均去除率雖然比模型1略低5%，但其值也高達(dá)87.6%。與模型1相比，新型反應(yīng)器中填料的投加一定程度上縮減了空間過水通量，同時部分生物膜的脫落也增加了水中SS含量，特別是陣發(fā)性進(jìn)水可能帶來的短時較大負(fù)荷沖擊必然帶來出水懸浮物的增加。這種基于滿足資源化利用的預(yù)處理方式可以很好保證后續(xù)污水經(jīng)管網(wǎng)到達(dá)終端污水處理站的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此新型反應(yīng)器具有極大的潛力。此外，農(nóng)村地區(qū)可通過設(shè)置簡易收集系統(tǒng)將農(nóng)村生活污水中廁所糞便尿液和廚房廢水進(jìn)行分類收集后，共同送入?yún)捬跸磻?yīng)器中，實現(xiàn)污水的源分離方案和成分互補(bǔ)的協(xié)同處理，從源頭上著手解決沖擊后面污水站的問題。新型反應(yīng)器實用性強(qiáng)、環(huán)境友好、安全度高，可作為農(nóng)村污水站前端的處理裝置在農(nóng)村地區(qū)加以應(yīng)用和進(jìn)一步深入研究。