新型一体化生物反应器在乡镇废水处理中的设计应用
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摘 要：控制污染物的排放浓度，防治水质污染是我国水环境保护的首要任务，以及国家对污水排放标准的提高，污水处理系统设备化成为环保行业发展的重要研究方向。针对乡镇生活废水水质水量波动大的特点，文中以一种新型的无动力内循环一体化生物反应器作为研究对象，提出该设备设计的要点和对策，即：包含高效的微生物强化技术，无动力，内循环，从而达到降低产品设备投资和运行成本的目的，为新型设备的研发和推广提供依据，促进其产业化及其在污水处理中的应用。
关键词：无动力;内循环;一体化设备
随着城乡一体化的推进，农业综合开发和乡镇企业对水资源的利用和规模日益扩大，农村水生态环境不断恶化，[1]目前专门针对农村地区的废水处理技术还不够完善，存在水量分散、基础建设成本高等方面的问题，一体化污水处理设备具有预处理、二级处理，深度处理等众多功能，成本低、效率高，较适合农村地区废水处理。[2]如何选择适宜的污水处理技术和设备对生活污水进行处理已经成为乡村振兴，生态文明建设的关键问题之一。[3]文中针对农村生活污水的水质水量波动大的特点，论述了一种新型无动力内循环一体化生物反应器在乡镇污水处理中的设计及应用，为以后新型、高效设备的研发与推广提供依据。
1 乡镇生活废水特点
1.1 乡镇生活废水排放特点
乡镇生活的居民多数居住不集中，产生的生活污水较分散，由于排水管网系统建设不全和经济薄弱等原因，导致废水未能完全收集，直接排入地表水体，对环境造成危害，间接影响人类健康，而产生的过度污水排放也由于分散的原因，增加了污水收集处理的实际工作困难程度。[4]
1.2 乡镇生活废水水质水量特点
乡镇生活污水一般水量较小，变化幅度大，排水时间主要集中在早、中、晚，水质主要与当地地形条件、经济发展水平以及当地生活习惯有关，[5]污水来源主要为生活废水，主要包含洗菜、洗碗、厕所等活动产生的废水等，大部分乡镇生活废水的水质相差不大，污水的水质也相对较稳定，相对于城市污水，其有机物、氮、磷等营养物含量较高。[6]
2 一体化污水处理设备现状概述
一体化污水处理设备自20世纪80年代初引进我国以来，初步形成了以江苏、浙江两省为代表的设备生产制造和工艺开发企业，[7]一体化设备具有占地面积小，相应的基础配套设施简单，采用模块化组装设计，具有安装简易，运输方便快捷，可实现全封闭式设计，防止气味的溢出，而且可以先在室内进行加工运输到现场直接组装，施工不受气候条件等因素的影响，还可实现远程控制及自动化设计，解决了乡镇地区相关技术人员缺失这一问题。在河道治理废水中通过一体化设备的处理河道废水可从劣五类水质达到四类水质，并可实现可移动多次现场安装，可重复使用。另一方面在工业处理废水中，工业企业的废水具有水量小、成分复杂等特点，大部分采用一体化污水处理设备的方式对废水进行处理降解。一体化污水处理设备广泛使用在农村生活污水的治理中，它具有效率高，占地面积小，投资低、易管理等优点。[8]
3 案例分析
3.1 工艺路线分析
安徽省六安市某小镇为典型山区地形，水量不能统一收集到市政污水处理厂进行处理，所以需要单独新建一座污水处理站处理污水。根据本文作者在现场调研情况和政府提供的相关数据，得出该小镇处理的水量为200t/d，出水要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级B，进出水水质具体如下表。
从上表可以看出，污染物指标为CODCr、BOD5、SS等，B/C比为0.67，可生化性良好。鉴于水量不大，考虑建设和维护的便利性及节能的要求，污水处理站主体可采用无动力内循环一体化生物反应器。污水处理站整体工艺流程主要是：进水-格栅渠-调节池-无动力内循环一体化生化反应器-达标排放。
3.2 新型一体化生物反应器设计分析
无动力内循環一体化生物反应器由缺氧区、好氧区、沉淀区、内回流系统组成，缺氧区内布设悬挂式组合填料，好氧区内布设MBBR悬浮填料，沉淀区内布设斜板。该反应器利用气提原理进行内回流，气源来自好氧区的溢出的曝气尾气，通过好氧区上方的集气罩进行收集，无需另外从曝气管上引入空气支管，这样既不会降低好氧区曝气量，也能保证气提所需空气量的要求。
3.2.1 污水处理流程分析
该生活废水通过水泵提升进入无动力内循环生物反应器内经过物理过滤、生物吸附、生物降解、固液分离等过程将污水净化达标排放，具体的处理过程如下：
（1）缺氧区中悬挂式组合填料上生长有大量兼性微生物的生物膜，生物膜中的反硝化细菌利用进水中有机物作为碳源，将来自于内回流液中的硝酸盐还原成氮气，以去除污水中总氮和部分有机物;
（2）好氧反MBBR悬浮填料上生长有大量嗜氧细菌和硝化细菌的生物膜，通过风机曝气，为生物膜的生长和繁殖提供氧气，通过微生物的好氧代谢作用，嗜氧细菌将污水中的有机物降解为二氧化碳和水，硝化细菌将污水中的氨氮转化为硝酸盐;
（3）好氧反应区处理后的污水中含有大量微小气泡，被好氧反应区上部的集气罩全部收集，通过集气罩的隔离脱气作用，一部分污水经过水缝进入沉淀区，另一部分污水与微小气泡形成气液混合物，由于密度比水低，气液混合物在水压的作用下通过集气罩顶部的提升管进入气水分离池;
（4）气水分离池中微小气泡在浮力的作用下从液体中散逸出来，从而使气液分离;液体中含有大量硝酸盐，在重力作用下经过回流管进入缺氧反应区底部。
（5）沉淀区污水利用斜板的浅层沉淀作用进行固液分离，污水中悬浮固体沉降于沉淀区底部污泥斗中，然后间歇排放至贮泥池中;澄清后污水进入通过清水区进入出水堰排放。
3.2.2 设计要点分析
本文中的无动力内循环一体化生物反应器整体为地上钢制结构，反应器的高度不超过3m，宽度不超过2.8m，可以在工厂生产制作好，然后运输到现场进行外部管路的连接安装，施工快捷方便，周期短。 （1）缺氧区。缺氧区进水方式为穿孔布水管压力进水，以保证布水均匀，并起到一定水力搅拌作用。悬挂式组合填料在水流的作用下随机蠕动，能够促进生物膜及时更新，有利于反硝化作用的进行。设计所选的停留时间为1h，上升流速为2.5m3/（m2·h）。
（2）好氧区。好氧区采用MBBR填料，具有比表面积大、亲水性好、生物活性高等优点。由于填料密度接近于水，所以在曝气的时候，与污水呈完全混合状态，微生物生长的环境为气、液、固三相。为保证充足的供氧量和处理效果，好氧区的选择气水比为12∶1，好氧区的停留时间选择6h。
（3）内回流系统。好氧区上方的集气罩要做成锥形，以利于曝气尾气的收集。为确保污水的气提提升高度，集气罩顶部到沉淀区液位的距离和提升管长度的比值应大于3∶4。提升管的出口应朝向下方，防止液体溅出。连接气水分离池的回流管要有一定的斜度，防止管路中污泥淤积。
（4）沉淀区。为保证沉淀区沉淀效果，斜板区域上升流速选择1.0m3/（m2·h）。斜板斜长为1m，斜板间隙为80mm。采用多斗排泥方式，以方便沉淀区整体布局。
3.2.3 设计总结
本次设计主要是基于无动力、内循环、高效微生物降解的思路深度处理乡镇污水，根据水质水量以及乡镇的特点提出设计思路和方案，并提出设计过程中的主要设计要点，保证水质稳定达标排放。
4 结论
传统的污水处理装置不仅耗能多，占地面积大，浪费的资源较高，[9]不适合长期的环保作业，对于一些生活污水水量波动大、分散收集困难，采用高耗能的污水處理设施不仅效果不好，浪费资源，新型无动力内循环一体化生物反应器的开发为反应器设备化提供了一条切实可行的新途径，针对农村水质水量波动大的特征，无动力内循环一体化生物反应器设备具有占地面积小，能耗低、投资小等优势具有很好的推广应用作用。
参考文献：
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[2]梁鹏，陈凯麒，苏艺，杜蕴慧.我国环境影响后评价现状及其发展策略[J].环境保护，2013（01）：15-16.
[3]张挺东，徐明德，郝晶.山西省南部地区农村生活污水治理技术研究[J].能源与节能，2015（1）：106-107.
[4]韦师军.关于乡镇生活污水处理工程设计优化方式[J].江西建材，2017（17）：55-56.
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[7]王学文，李世军.农村分散式生活污水一体化处理设备研究现状与设计要点[J].应用技术，2017（280）：117-120.
[8]席雪洁，吴瑞军，胡长鑫，张震.城市黑臭水体治理技术及其发展趋势[J].环保节能，2019，35（2）：63-64.
[9]王志远，李培珍.无能耗生活污水处理装置设计[J].机械动力工程，2019（1）：189.
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