崇明低C/N农村生活污水处理工艺跟踪评估与优化研究

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在乡村振兴及美丽乡村建设的不断推进下,农村环境治理的发展现状落后于农业农村现代化发展的步伐,早已不能满足时代发展的新需求。“十三五”时期是我国农村环境保护的攻坚期,崇明在“世界级生态岛”战略目标的推动下,新建1.7万余座农村生活污水处理设施;但在长期运行过程中,大部分处理设施出水总氮、氨氮、总磷不达标,出水C/N较低,可生化性较差。本文通过实地调研,收集、计算、分析崇明农村户均人口、排放系数、处理装置运行现状等数据及信息,在此基础上初步提出了污水处理系统的技改方案。此外,笔者还对技改方案中已在运行的五套低C/N农村生活污水一体化处理装置进、出水水质进行长期跟踪监测。基于处理效率、运行成本、环境影响等因素构建了一套综合评价体系,优选出最佳的污水处理工艺;根据评价结果,对工艺、工况展开了进一步调整优化,并对优化后装置污染物去除效率、污泥性状、微生物分布情况等进行分析研究。主要结论如下:(1)崇明农村生活污水处理设施现状课题所涉崇明区七个乡镇内共分布17250套处理装置,其中1吨/天的处理装置有14996套,占比为86.9%,小而分散。在崇明区GY镇QL村根据一定的规则,随机采集了35套农村污水处理装置的出水,结果显示:出水呈现氮浓度较高,SS超标严重,总磷达标率低,C/N较低的特点,总氮、氨氮、总磷、SS、COD的平均浓度分别为17.63 mg/L、10.86 mg/L、0.96 mg/L、43 mg/L、21 mg/L。走访了研究区域内228户村民,结果显示:计算所得户均人口为2.03人,远低于处理系统最初设计的3人/户的数值。在水量方面,调研区域内的人均用水量为73.35升/(人·天),人均排水量为44.3升/(人·天),为最初设计的人均排水量标准的41%;计算出研究区域内农村生活污水的排污系数约为0.6,也与设计手册上提供的0.8~0.95经验值,有较大的差距;这与崇明当地留守老人或儿童居多,杂用水多取自周围河道有关,也侧面说明崇明农村生活处理装置最初的设计水量与崇明实际情况并不相符。综合分析后,决定将现有的分散式农村污水处理装置出水通过压力管输送方式收集,最终通入一体化污水处理装置进行集中处理。(2)低C/N农村生活污水一体化处理装置跟踪监测结果分析从2020年12月至2021年4月对五套低C/N污水一体化处理装置A、B、C、D、E进、出水水质跟踪监测,结果显示,在进水总氮低于70mg/L,COD低于140mg/L的条件下,对主要污染物指标的去除率:总氮平均去除率:B(60.1%)>E(58.4%)>A(54.8%)>D(52.9%)>C(39.3%);氨氮平均去除率:B(85.2%)>E(82.8%)>A(75.2%)>D(72.5%)>C(45.9%);总磷的平均去除率:B(78.3%)>E(78.1%)>A(67.5%)>D(65.8%)>C(55.8%);SS的平均去除率:E(69.4%)>B(63.2%)>D(62.1%)>A(56.1%)>C(48.5%)。从达标率方面来看,总氮达标率:B(97.3%)>E(93.9%)>C(89.2%)>A(63.7%)>D(52.9%);氨氮达标率:B(97.3%)=C(97.3%)>E(87.8%)>A(72.7%)=D(72.7%);总磷达标率:E(96.9%)>B(91.9%)>A(66.7%)>C(64.9%)>D(36.4%);SS的达标率:B(91.9%)>E(81.8%)>A(78.1%)>C(64.9%)>D(39.4%)。正常运行条件下,一体化装置B对污染物去除效果最佳。(3)低C/N农村生活污水处理工艺的综合评价本研究选用模糊熵权法数学模型对处理工艺进行评价,结果显示,在经济性能方面的排名为:C>D>B>A>E;在技术性能方面的排名为:B>E>C>A>D;环境影响方面的综合排名为:B=C>A>E>D;管理效能方面的综合排名为:B>E>A>C>D;综合性能评价排名为:B>C>E>A>D。因此,一体化装置B为最佳选择。(4)优化后装置运行情况研究对优选出的一体化装置B的工艺、工况展开进一步优化,研究发现,缺氧池、好氧池水力停留时间分别为2 h、6 h,好氧池溶解氧为3 mg/L,污泥回流比和硝化液回流比分别设为100%和300%时系统可以达到最佳的运行效果。研究表明C/N=8左右时是经济有效的运行工况。优化后装置对总氮、氨氮、总磷、SS的平均去除率分别为77.66%、85.48%、80.43%、69.62%,较优化前分别提高17.56%、1.28%、1.57%、6.42%。对污泥的孔隙结构分布特征分析发现,污泥主要以介孔为主,缺氧池、好氧池污泥的平均孔径分别为3.39 nm、4.31 nm;比表面积分别为67.92 m~2/g、31.28 m~2/g。7月份污泥样品的Ace、Chaol、Shannon指数明显高于4月份污泥样品,Simpson指数变化情况则相反;4月份污泥样品微生物群落结构在门水平上来看主要有Proteobacteria、Patescibacteria、Actinomycetes和Bacteroide;从属水平上来看,主要有Micropruina、Propioniciclava、Saccharimonadales。7月份污泥样品微生物分布的主要菌门有Chloroflexi、Patescibacteria、Nitrospira、Proteobacteria,从属水平上来看,主要有Saccharimonadales、Micropruina、Nitrospira、TM7a。
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