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刘世杰，赵凯杰，李宏辞
(东南大学能源与环境学院，江苏南京 210018)
农村生活污水治理是实施乡村振兴战略的重要内容。脉冲生物滤池工艺因为其占地面积小、运维成本低、操作简洁等优点，在江苏省农村污水治理中被广泛采用[1-3]，但是处理效果不稳定。为此调研了南京市高淳区采用该工艺的475个农村污水处理站点，发现常见的问题是脉冲生物滤池顶部的脉冲水箱损坏，导致运行过程中水力负荷高，出水不能稳定达标。
过去10年国内外多个学者对生物滤池进行优化研究[4-8]，如田昕茹等[9]通过三级串联分层生物滤池降解模拟生活污水，有机负荷为0.328～0.392 kg/(m3·d)，组合工艺处理效果最佳；
金秋等[1]通过将脉冲滴滤池分为两层从而提高组合工艺处理效率；
张文宁[10]研究发现，使用浮石填料的生物滴滤池在水力负荷为0.85 m3/(m2·d)时，对化学需氧量(COD)、氨氮、总氮(TN)和总磷(TP)去除率分别能达到83.04%、79.68%、45.6%和38.4%；
Vianna等[11]用丝瓜果皮做脉冲生物滤池填料，发现比传统的填料上生物膜更加丰富，处理效率更高；
张国珍等[12]利用一体化ABR-生物滴滤池，在滤池前通过ABR反应器削减负荷，研究表明水力负荷为1.75 m3/(m2·d)时，对各种污染物去除效果最好；
Diez-montero等[13]对生物滤池工艺进行改造，在其前增加了厌氧和缺氧反应器，有效降低系统出水TN浓度；
也有学者[14]研究了使用生物炭屑两相生物滴滤塔处理高氮磷废水，TP去除率达到68%。
上述改进都取得了一定效果，由此可见，水力负荷是生物滤池的重要运行参数。为此，本研究提出取消脉冲水箱，并采用时间控制开关和流量控制模块联合控制水力负荷的改良型生物滤池的方案，依托高淳区某自然村村站点进行改良和现场调试对比研究。该村站点建成于2015年，设计处理水量为20 m3/d。
1.1 试验装置
图1为站点原(未改良)脉冲生物滤池与改良型生物滤池示意图。脉冲水箱的蓄水和集中布水使原脉冲生物滤池水力负荷达到13.5 m3/(m2·d)。现将原生物滤池顶端的脉冲水箱拆除，使生物滤池进水直接通过穿孔布水管向填料表面均匀布水，有效缓解水力冲击负荷，脉冲水箱如图2所示。
图1 (a)原脉冲生物滤池与(b)改良型生物滤池示意图Fig.1 Schematic Diagram of (a) Original Pulsed Biofilter and (b) Improved Biofilter
图2 脉冲水箱Fig.2 Pulsed Water Tank
图3～图4为改良型生物滤池及配件的实物图。该滤池中填料实际有效面积为6.43 m2，高度为2 m，填料体积为10.86 m3。实际环境下该处理站点可调控的措施有限。安装组合泄水开关(流量控制模块)，如图3所示，通过调节该开关，控制滤池进水流量，从而降低水力负荷。采用时间控制开关控制水泵提水频率代替脉冲水箱,来调整滤池布水周期，分别对时间控制开关设置8、12、16 h和20 h工作模式，进而对生物滤池均时均匀地布水，时间控制开关如图4所示。
图3 组合泄水开关Fig.3 Combined Drain Valve
图4 时间控制开关Fig.4 Time Control Switch
1.2 试验分析方法
时间控制开关设置8、12、16、20 h工作模式的具体操作说明如表1所示。
表1 时间控制开关各种时间控制模式的操作说明及对应的流量和水力负荷Tab.1 Operation Instructions of Various Time Control Modes of Time Control Switch and Corresponding Flow and Hydraulic Load
调试试验在运行稳定期间进行，改良型生物滤池出水回流比为1∶1。试验基本环境：进水pH值为6.5～7.7，出水pH值为6.1～7.1，试验水温为27～32 ℃。用溶解氧(DO)仪测出不同工作模式下滤池DO进出水浓度。
试验过程中水力负荷通过改变组合泄水开关大小，调节滤池进水流量来控制，水力负荷的计算如式(1)。
(1)
其中：S水——滤池水力负荷，m3/(m2·d)；
Q——滤池进水流量，m3/d；
A——改良型生物滤池填料有效面积，m2；
不同的滤池进水流量对应不同水力负荷。容积负荷通过控制一定滤池水力负荷，同时根据实际过程中改良型生物滤池进水污染物浓度，容积负荷的计算如式(2)。
(2)
其中：S容——滤池容积负荷，kg/(m3·d)；
V——滤池填料体积，m3；
C0——滤池进水污染物质量浓度，mg/L；
H——滤池填料高度，m。
通过多次取样检测，收集足量滤池进水污染物浓度数据，进而获得多组实际情况下的容积负荷，分析4种模式下污染物负荷与相应污染物去除率的关系。
1.3 试验设备
时间控制开关：型号为XT不锈钢箱380 V+空气开关。电磁流量计：型号为BLDLD-DN40，电压为220V，额定压力为1.6 MPa。组合泄水开关：两个DN100球阀开关和1个DN100管段组合而成。
1.4 试验仪器及测量方法
试验检测的指标和方法如表2所示。
表2 试验检测项目及检测方法Tab.2 Experimental Detection Indices and Detection Methods
试验于2020年7月7日—2020年11月15日在某农村污水处理站进行，用电磁流量计测出改良型生物滤池实际平均处理量为12 m3/d。统计2020年5月1日以前的原脉冲生物滤池CODCr、氨氮、TN和TP进水浓度及其对各污染物的平均去除率，结果如表3所示。可见水质波动范围较大，原脉冲生物滤池对各污染物去除率低。
表3 原脉冲生物滤池进水浓度及对各污染物的平均去除率Tab.3 Concentration of Influent and Average Removal Rate of Pollutants in Original Pulsed Biofilter
图5 不同时间控制模式下滤池出水DO浓度变化Fig.5 Changes of DO Concentration in Effluent of Filter under Different Time Control Modes
2.1 改良型生物滤池不同工作模式下的出水DO浓度变化情况
图5为4种工作模式下的滤池出水DO浓度变化试验结果。测量DO浓度的时间为8月1日—9月29日，改良型生物滤池进水DO质量浓度为0.8～1.4 mg/L，气温稳定在29～31 ℃，pH值在6.5～7.0。8 h工作模式出水DO最高质量浓度为5.1 mg/L，最低质量浓度为4.3 mg/L，平均质量浓度为4.7 mg/L；
12 h工作模式出水DO最高质量浓度为6.3 mg/L，最低为5.0 mg/L，平均质量浓度为5.5 mg/L；
16 h工作模式出水DO最高质量浓度为4.4 mg/L，最低为3.1 mg/L，平均质量浓度为3.8 mg/L；
20 h工作模式出水DO最高质量浓度为3.8 mg/L，最低质量浓度为2.8 mg/L，平均质量浓度为3.1 mg/L。从滤池出水DO平均浓度可以看出，12 h工作模式下改良型生物滤池复氧能力更强。12 h和8 h两种工作模式下DO平均浓度差距不大，16 h和20 h两种工作模式DO平均浓度与12 h模式下的DO浓度差距较大，说明在实际控制中，运用时间控制开关调节生物滤池复氧存在时间分区界限，即滤池在8 h和12 h工作模式下间歇运行能更有效地恢复DO。白永刚[15]通过延长滤池布水周期发现氨氮去除率提高了30%，可以看成是一种变相时间控制。试验时气温较高，8 h工作模式停止运行时长为16 h，12 h工作模式停止运行时长为12 h，两种工作模式下滤池停止运行时间较长，待滤池下次开始运行工作时，滤池内残留在填料上的水分蒸发需要吸收周围热量，导致滤池内填料间的温度降低，滤池内外温差变大。温差会引起空气流动，充足的停止运行时长能恢复填料上生物膜的DO量更多，因此，能在满足降解有机物的同时，提高氨氮去除率。而16 h和20 h工作模式下工作时间较长，污水流动过程中滤池外的氧气难以接触到填料上生物膜表面，复氧效果欠缺，待下次污水流经填料表面，DO含量不能满足有机物氧化和氨氮氧化的需要，污染物去除率下降。
在实际应用中，通过时间控制开关工作模式，合理控制水力停留时间(HRT)，在降低水力负荷的同时优化滤池复氧机制，增强滤池DO恢复能力，平衡了HRT因素与复氧能力因素，进而提高改良型生物滤池内DO浓度。
2.2 改良型生物滤池容积负荷与污染物去除率之间的关系
2.2.1 滤池进水CODCr容积负荷与CODCr去除率
图6为改良型生物滤池在时间控制开关下的8、12、16 h和20 h工作模式时CODCr容积负荷与CODCr去除率之间变化规律试验结果。CODCr去除率呈现先上升后下降的趋势。4种工作模式下容积负荷从0.10 kg/(m3·d)增长到0.35 kg/(m3·d)时，CODCr去除率随着容积负荷的增大而增大，从28.0%～38.5%提高到48.1%～63.0%，说明该阶段可能异养菌工作能力未达到饱和[16]，时间控制模式下DO供应比较充足，限制反应速率的主要因素是CODCr浓度。当CODCr容积负荷从0.35 kg/(m3·d)增长到0.75 kg/(m3·d)时，有机污染物未被填料上的微生物充分降解就从滤池流出，CODCr去除率呈现下降趋势,去除率从48.1%～63.0%降低到25.2%～40.0%。12 h工作模式下进水CODCr容积负荷在0.3～0.5 kg/(m3·d)时，可保证CODCr去除率在57.3%以上，比原脉冲生物滤池平均去除率高23.8%以上。
图6 不同时间控制模式下滤池进水CODCr容积负荷与CODCr去除率的关系Fig.6 Relationship between Influent CODCr Volumetric Load and CODCr Removal Rate under Different Time Control Modes
8 h和12 h工作模式下的CODCr平均去除率高于16 h和20 h，试验过程中测出8、12、16 h和20 h工作模式下滤池出水DO平均质量浓度分别约为4.7、5.5、3.8 mg/L和3.1 mg/L，8 h与12 h工作模式下恢复的DO较16 h和20 h工作模式更多，说明可能是异养菌在更充足的DO条件下降解有机物反应更加高效。
2.2.2 滤池进水CODCr容积负荷与氨氮去除率
图7为改良型生物滤池在时间控制开关下的8、12、16 h和20 h工作模式时CODCr容积负荷与氨氮去除率之间的变化规律试验结果，氨氮去除率呈现下降的趋势。4种工作模式下氨氮去除率随着CODCr容积负荷的增大而减小，其中8 h和12 h工作模式，在CODCr容积负荷为0.05～0.60 kg/(m3·d)时，氨氮去除率分别从79.6%和87.4%降低到27.4%和27.6%。此时随着CODCr浓度的增大，硝化细菌繁殖受到抑制，有利于异养菌的生长[17]，DO急剧消耗，导致氨氮去除率快速下降。段化杰等[18]通过实际试验沿程测量和Matlab软件模拟也发现氨氮去除率和有机负荷呈现负相关的趋势。16 h和20 h工作模式下的氨氮下降速率较上两组缓慢，表明DO不足时，异养菌不会快速大量繁殖，异养菌与硝化细菌DO竞争程度较前两组弱，所以随着CODCr负荷增大对氨氮去除率的波动影响较小。
图7 不同时间控制模式下滤池进水CODCr容积负荷与氨氮去除率的关系Fig.7 Relationship between CODCr Volumetric Load and Ammonia Nitrogen Removal Rate under Different Time Control Modes
总体上，在CODCr容积负荷变动时，8 h和12 h两种工作模式比16 h和20 h两种工作模式的氨氮去除率整体高30%左右。4条去除率曲线下降较快，说明改良型生物滤池处理能力较不稳定，需要控制进水氨氮浓度尽可能地低，如在12 h工作模式下控制CODCr容积负荷小于0.25 kg/(m3·d)，可保证氨氮去除率在60%以上。
2.2.3 滤池进水氨氮容积负荷与氨氮去除率的关系
图8为改良型生物滤池在时间控制开关下的8、12、16 h和20 h工作模式时氨氮容积负荷与去除率之间的变化规律试验结果。当氨氮容积负荷为0.010～0.075 kg/(m3·d)时，8 h和12 h工作模式下氨氮去除率在43.3%～87.4%。低氨氮容积负荷伴随着低CODCr容积负荷，且试验测得此两种工作模式DO平均质量浓度分别为4.7 mg/L和5.5 mg/L，DO浓度较为充足，能在满足异养菌降解有机物的同时满足硝化细菌降解氨氮。当氨氮负荷从0.075 kg/(m3·d)增大到0.200 kg/(m3·d)左右时，两种工作模式的氨氮去除率降低到13%～25%，此时较高氨氮容积负荷因HRT不足致使部分氨氮未被消耗就流出，造成滤池出水氨氮浓度高。16 h和20 h工作模式也表现出相似的变化规律，但是去除率整体较8 h与12 h工作模式低20%～30%。12 h工作模式属于一种间歇进水模式，有助于滤池内的空气流动，强化复氧，这与张毅[19]研究相一致。12 h工作模式下进水氨氮容积负荷在0.05 kg/(m3·d)以内，可保证氨氮去除率在65%以上，比原脉冲生物滤池平均去除率高36.5%以上。
图8 不同时间控制模式下滤池进水氨氮容积负荷与氨氮去除率的关系Fig.8 Relationship between Ammonia Nitrogen Volumetric Load and Ammonia Nitrogen Removal Rate under Different Time Control Modes
在实际应用中，本改良型生物滤池进水氨氮浓度偏高，可在12 h工作模式下增加回流到缺氧池后端的回流量，进而降低改良型生物滤池进水的氨氮浓度，限制氨氮容积负荷小于0.05 kg/(m3·d)，使氨氮去除率保持在65%以上。
2.2.4 滤池进水TN容积负荷与TN去除率的关系
图9为改良型生物滤池在时间控制开关下的8、12、16 h和20 h工作模式时TN容积负荷与去除率之间的变化规律试验结果，4种工作模式下的TN去除率呈现逐步下降的规律。当TN容积负荷从0.01 kg/(m3·d)提高到0.18 kg/(m3·d)时，8、12、16 h和20 h 4种工作模式下TN去除率分别在3.3%～16.3%、6.7%～20.9%、12.5%～33.0%、8.1%～28.4%，数值逐渐下降。4种工作模式在TN容积负荷变化的过程中TN去除率比较为16 h≈20 h>12 h>8 h，其中16 h工作模式下对TN的整体去除率最高，最高为33.0%。而滤池填料上生物膜由内到外为厌氧区、缺氧区、好氧区，16 h和20 h工作模式滤池DO恢复效果不如8 h和12 h工作模式，所以更容易形成缺氧环境，导致生物膜缺氧区域向外扩展，更有利于反硝化反应，脱氮效果更佳。12 h工作模式下进水TN容积负荷在0.06 kg/(m3·d)以内，可保证TN去除率在19.7%以上，比原脉冲生物滤池平均去除率高9.6%以上。16 h和20 h工作模式试验结果相比于黄涛[20]滤池中16%的TN去除率提高了5%～17%。
图9 不同时间控制模式下滤池进水TN容积负荷与TN去除率的关系Fig.9 Relationship between Influent TN Volumetric Load and TN Removal Rate under Different Time Control Modes
2.2.5 滤池进水TP容积负荷与TP去除率的关系
图10为改良型生物滤池在时间控制开关下的8、12、16 h和20 h工作模式时TP容积负荷与TP去除率之间的变化规律试验结果，TP去除率随着TP容积负荷的增大而降低。因为试验站点旁存在公共卫生间，TP容积负荷整体偏高，TP容积负荷从0.002 kg/(m3·d)增大到0.006 kg/(m3·d)，4种工作模式下TP去除率从43.2%～53.4%急剧降低到23.3%～36.9%。在进水TP浓度较低时，滤池中的填料有充分的空间和生物膜处理吸附TP，使滤池保持较高的TP去除率。在TP容积负荷从0.006 kg/(m3·d)增大到0.014 kg/(m3·d)时，TP去除率降低到13.4%～16.5%，因为此阶段TP容积负荷已经过高，陶粒填料表面会形成对TP吸附限制，填料小孔吸附与脱附达到动态平衡，多余的TP未被及时吸附就流出滤池。
图10 不同时间控制模式下滤池进水TP容积负荷与TP去除率的关系Fig.10 Relationship between TP Volumetric Load and TP Removal Rate under Different Time Control Modes
上述研究表明，12 h工作模式在不同TP容积负荷阶段对TP去除率都是最高的。因此，在12 h工作模式下将TP容积负荷控制在0.005 kg/(m3·d)以内，可以保证TP去除率在43.8%以上，比原脉冲生物滤池高出28.8%以上。
2.3 改良型生物滤池水力负荷与污染物去除率的关系
2.3.1 滤池进水水力负荷与CODCr去除率的关系
图11为时间控制开关为12 h工作模式下改良型生物滤池的水力负荷与CODCr去除率之间的关系情况。在前一阶段试验基础上，研究得出时间控制开关控制为12 h工作模式的改良型滤池工作方式有利于DO恢复，同时兼顾TN的去除。本研究阶段，当水力负荷从0.80 m3/(m2·d)增大到2.00 m3/(m2·d)，CODCr去除率随着水力负荷的增大而增大，去除率从58.8%增加到63.0%。水力负荷较小，水力剪切力小，HRT就长，更有利于生物膜上的异养菌降解CODCr，且CODCr容积负荷较低，所以此时CODCr去除率上升。当水力负荷从2.00 m3/(m2·d)增大到4.80 m3/(m2·d)，CODCr容积负荷增大，CODCr去除率在61.0%～63.0%，较为稳定，仍保持在一个高效阶段。当水力负荷在从4.8 m3/(m2·d)上升到9.00 m3/(m2·d)时，一方面，水力负荷的增大，冲刷破坏填料上的生物膜，导致HRT降低；
另一方面，水力负荷增大时CODCr容积负荷也增大，CODCr去除率急剧下降，从61.0%降到33.8%。上述研究表明，CODCr去除率大致随着水力负荷增大而减小，与黄媛媛等[21]在改进滤池的研究结论具有一致性。
图11 时控开关设置12 h工作模式时滤池进水水力负荷与CODCr去除率的关系Fig.11 Relationship between Influent Hydraulic Load and CODCr Removal Rate as Control Switch Setup for 12 h
该工艺水力负荷在1.00～3.00 m3/(m2·d)时，CODCr去除率稳定在62.4%以上，与原脉冲生物滤池水力负荷为13.5 m3/(m2·d)下的CODCr平均去除率33.5%相比，提高了28.9%以上。从降解CODCr的角度考虑，水力负荷应选择1.00～3.00 m3/(m2·d)。
2.3.2 滤池进水水力负荷与氨氮去除率的关系
图12 时控开关设置12 h工作模式时滤池进水水力负荷与氨氮去除率的关系Fig.12 Relationship between Influent Hydraulic Load and Ammonia Nitrogen Removal Rate as Control Switch Setup for 12 h
上述研究表明，时间控制开关设置为间歇式工作的12 h工作模式，控制组合泄水开关，使滤池在低水力负荷1.00～3.00 m3/(m2·d)运行处理农村生活污水，可保证去除率稳定在76.1%以上。
2.3.3 滤池进水水力负荷与TN去除率的关系
上述研究表明，滤池在12 h工作模式下将水力负荷控制在1.00～3.00 m3/(m2·d)，可以有效保证TN去除率在20.7%以上，比余浩[22]的TN去除率的研究结果高8%。
图13 时控开关设置12 h工作模式时滤池进水水力负荷与TN去除率的关系Fig.13 Relationship between Influent Hydraulic Load and TN Removal Rate as Control Switch Setup for 12 h
(1)通过拆除脉冲水箱，降低水力负荷，同时设置时间控制开关控制水泵工作频率，使滤池均时均量布水，研究8、12、16、20 h 4种时间控制工作模式下的污染物去除率。结果表明，在进水水质CODCr、氨氮、TN、TP质量浓度分别为30～156、14.2～85.0、21.4～96.0、0.97～7.50 mg/L的情况下，改良型生物滤池在12 h工作模式下对CODCr、氨氮、TP的整体去除率最高，最高分别为63.0%、87.4%、53.4%；
在16 h工作模式下对TN的整体去除率最高，最高为33.0%。
(2)12 h工作模式下进水CODCr容积负荷及氨氮容积负荷、TN容积负荷、TP容积负荷分别控制在0.3～0.5及0.05、0.06、0.005 kg/(m3·d)以内，方能保证CODCr、氨氮、TN、TP去除率在57.3%、65%、19.7%、43.8%以上，比原脉冲生物滤池平均去除率分别高23.8%、36.5%、9.6%、28.8%以上。
(3)试验发现8、12、16 h和20 h工作模式下改良型生物滤池出水DO平均质量浓度分别为4.7、5.5、3.8 mg/L和3.1 mg/L，表明4种工作模式下改良型生物滤池池体的DO恢复程度不同，12 h工作模式下的复氧效果最好，此时有利于降解有机物和氨氮。
(4)最大回流比为1∶1时，改良型生物滤池在12 h工作模式下，将水力负荷降低在1.00～3.00 m3/(m2·d)，CODCr、氨氮、TN去除率分别可达到62.4%、76.1%、20.7%以上。
(5)试验研究结果可见，在相同容积负荷的情况下，12 h工作模式比其他3种工作模式表现出更好的去除效果，该模式下生物滤池对氨氮去除率最高，同时也能兼顾CODCr和TP的去除效果。因此，改良型生物滤池在出水回流比为1∶1的条件下，采用时间控制开关12 h工作模式，且在水力负荷1.00～3.00 m3/(m2·d)运行，为最佳的工作模式。
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