截止 2017 年末，我国乡村人口基数达 57 661 万，为总人口的 41.48%，全国范围内 68.7%的行政村采用集中供水，却仅有 20%的行政村对污水进行处理，可见我国农村污水治理形势严峻。我国农村分布多为自然聚居形成，村村之间分布相对分散，建设污水管道收集系统成本高，导致了农村污水具有区域水量小、水量变化系数大、宏观上总量大的特点。这些特点以及地域特点使城市的大型污水处理技术和模式难以适用，因而开发一体化处理设备，实现农村污水就地处理是解决农村污水治理问题尤为重要。
曝气生物滤池相比活性污泥法在污水处理应用中，具有占地面积小、有机负荷高、不产生污泥膨胀等优点，适合设计为一体化设备。而滤速直接反映了设备的处理能力，决定了设备的体积、设备造价等，是影响设备设计和处理效果的重要参数。因此有必要通过实验确定优化的滤速。
本研究以佛山某污水厂进水模拟农村污水，考察滤速对一体化复合生物滤池污水处理效果的影响，根据不同工况条件下的处理效果，得出优化工艺参数，同时了解滤速对生物滤池作用规律，以期为实际工程设计的参数选取提供参考依据。
1 实验部分
1.1 实验装置与工艺流程
实验装置为一体化复合生物滤池，由 AOA 3 级滤池串联而成，材料为不锈钢板，外形尺寸 l×b×h=1.8 m×1.8 m×6.0 m，占地 4 m2。第 1 级 I 号池(l×b×h=1.0 m×1.0 m×6.0 m)为降流式膨胀床生物滤池，正常运行过程不曝气，底部设有膜孔气冲系统，装填 8～ 12 mm 漂浮滤料，滤料厚度 3.3 m。第 2 级 II 号池(l×b×h=1.8 m×0.8 m×5.0 m)为升流式流化床曝气生物滤池，底部搭配单孔膜曝气系统，运行时持续曝气，装填粒径 4～6 mm 滤料，滤料厚度 2.9 m。第 3级 III 号池(l×b×h=1.0 m×0.8 m×5.0 m)为降流式膨胀床生物过滤池，正常运行不曝气，底部设有膜孔气冲系统，装填 4～6 mm 粒径滤料，滤料厚度 2.9 m。各级滤池均采用上滤网下滤板结构，上部不锈钢滤网孔径 2.5 mm，漂浮陶粒填充在滤网滤板之间，其水浸润颗粒密度为 0.9～1.1 g/cm3。提升泵选用原水潜污泵，单台功率 0.75 kW;曝气风机选用罗茨鼓风机，单台功率 0.75 kW。设备结构如图 1 所示。设备运行时，提升泵将污水从调节池打入 I 号池顶部配水系统，经 I 号池降流处理后从底部进入 II 号池，II 号池顶部出水一部分回流至 I 号池剩余部分进入 III 号池，III 号池降流过滤后，实现污水处理达标排放。运行工艺流程如图 2 所示。
1.2 水质与实验方法
实验采用佛山某污水厂调节池污水，其 COD为 150～350 mg/L，NH3-N、TN、TP 的质量浓度分别为 13～22、17～55、2～5.3 mg/L。
图 1 一体化复合生物滤池结构
图 2 运行工艺流程
设备安装调试完成后，采用接种挂膜法启动设备。将某污水处理厂的污泥投入设备后闷曝，进水体积流量由 30 m3/d 逐渐升至 100 m3/d，连续运行，对COD 的去除率达到 65%，对 NH3-N 的去除率平均为 65%，对 TN 和 TP 的去除率均达到了 20%左右，认为挂膜成功。挂膜成功后，设备在气水体积比 5:1、回流体积比 100%工况下稳定运行，调节进水流量改变滤池滤速，从而确定优化运行工况。实验设置了3 种运行工况，如表 1 所示。
表 1 滤速优化实验运行工况
1.3 分析方法
实验过程水质检测指标及方法如表 2 所示。
表 2 检测指标及方法
2 结果与讨论
2.1 COD 的去除效果
一体化复合生物滤池在不同滤速条件下对 COD的处理效果如图 3 所示。
由图 3 可知，随着滤速提高 COD 去除效果呈下降趋势。在滤速一条件下，COD 出水平均总去除率为 84.99%，而在滤速二和滤速三条件下出水平均总去除率分别为 84.35%和 78.51%。可见在实验范围内滤速提高对 COD 去除有不利影响。
一体化复合生物滤池运行过程中，滤速增大会导致水力剪切力增大，加剧对滤料的冲刷，合适强度下的冲刷有助于滤料表面生物膜的更新，过度冲刷则会导致生物膜脱落严重。实验滤速从滤速一提升到滤速二时，COD 去除率变化不大，总平均去除率从 84.99%变为 84.35%，说明在滤速二条件下微生物仍能较稳定生长，而当滤速提高到滤速三时，COD去除率下降幅度有所扩大，平均降为 78.51%，不排除是因为水力冲刷作用对微生物生长造成影响。
滤速增大缩短了污水与生物膜的接触时间，过大的滤速使得污水中的污染物未来得及被滤料表面的微生物吸附降解就排出滤池，进而影响处理效果。同时陶粒滤料密度与水相当，II 号池中的陶粒滤料处于流化状态，滤速加大，滤料间的间隙扩大，可能导致部分污水中的有机物尚未与滤料表面的微生物接触就排出滤池，因此滤速最大的滤速三工况的 COD去除率也是最低的。
在滤速三条件下，虽然 COD 去除率有所下降，但 III 号池出水 COD 稳定在 50 mg/L 以下，达到了 GB 8978-1996 的一级 A 标准。说明该一体化设备有较强的抗冲击负荷能力，可适应一定的水量变化，适用农村污水水量波动特点。
2.2 NH3-N 的去除效果
不同滤速条件下一体化复合生物滤池对 NH3-N的处理效果如图 4 所示。由图 4 可知，滤速对一体化设备去除 NH3-N 有较大影响。在滤速一、二条件下 NH3-N 去除效果较佳，总去除率平均可达 90.08%和 89.22%，而在滤速
三条件下，NH3-N 总去除率明显下降，平均为 83.78%，说明滤速增大到一定程度时，一体化设备对 NH3-N处理效果会有较大幅度下滑。
污水中 NH3-N 的去除通过硝化细菌在好氧条件下将 NH3-N 转化为硝酸盐氮实现。硝化自养菌的世代时间长，且对底物、溶解氧和 pH 条件要求较苛刻，在污水中有机物含量较高的情况下，相对异养菌容易处于生长劣势。结合图 2，在滤速一、二条件下 II 号池出水 COD 去除效果较佳，可以判断在有机物生长条件上硝化细菌处于优势地位。同时在此时的滤速条件下污水与 II 号池滤料接触时间较长，硝化细菌有足够时间完成硝化作用，因而有较高的 NH3-N 去除率。而在滤速三条件下，自养菌与硝化细菌竞争生长，同时较大滤速缩短了硝化细菌与污水接触时间，且 II 号池持续曝气，在较大的滤速和曝气状态下，流化的陶粒滤料相互碰撞摩擦加剧，生长在陶粒表面的生物膜在此环境中容易脱落，在气水搅动冲刷作用下随出水排出滤池，因此滤速三条件下 NH3-N 去除效果不如滤速一和滤速二。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。
一体化复合生物滤池对 NH3-N 具有较好的去除效果，实验中 3 种滤速条件下对 NH3-N 去除率均可达到 80%以上，较小滤速条件下可达到 90%。综合实验数据，可以看出保持 I 号池滤速在 10 m/h 也能保持出水 NH3-N 含量达到 GB 8978-1996 的一级 A 标准。
2.3 TN 的去除效果
一体化复合生物滤池在不同滤速条件下对 TN的去除率如图 5 所示。
由图 5 可知，TN 含量对滤速变化较为敏感，当滤速条件从滤速一调整为滤速三时，总去除率从平均 55.59%降到 46.97%。在滤速三条件下，出水 TN的质量浓度出现超过或接近 15 mg/L 的情况，不能稳定达到GB 8978-1996 的一级 A 标准。滤速二工
况下，TN 平均去除率为 54.76%，相比滤速一工况略有下降。
反硝化脱氮由反硝化细菌在缺氧环境下以有机物为电子供体，硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行生物化学反应，将污水中的硝酸盐氮转化为氮气，实现TN 去除。结合图 3 可以发现，滤速三工况下的 NH3-N 去除率比滤速一、二工况要低，说明在滤速三中回流的硝化液可供反硝化细菌利用的硝酸盐占TN 的比例降低，进而影响了 TN 的去除率。滤速一、二工况条件下，NH3-N 硝化效率高，II 号池出水COD 的去除率也达到了 80.21%和 78.68%，说明进水有机物大部分被用于反硝化反应，因此滤速一、二工况下的 TN 去除效果较好。
另一方面，滤料表面的生物膜厚度影响了反硝化细菌的生长环境。当生物膜厚度较薄时，溶解氧容易进到生物膜里层，破坏反硝化细菌所需的缺氧环境[12]。滤速由滤速一提高到滤速三时，水力冲刷作用加强，滤料表面生物膜受到破坏，反硝化菌的生长受到一定程度的抑制，因此 TN 去除率下降。而滤速由滤速一提高到滤速二时，尽管有水力冲刷提高的影响，但是滤速二提高了进水负荷，补充了反硝化所需碳源，有利于反硝化反应进行，因此也能保持较高的脱氮能力。
滤速提高带来的水力停留时间变化也是影响脱氮性能的一个因素。滤速三工况下的滤速最大，污水与滤料接触时间最短，部分进水可能未来得及与生物膜接触就穿过滤床，因而滤速三脱除 TN 的效率最低。
2.3 TP 的去除效果
不同滤速工况下的一体化复合生物滤池对污水中 TP 的去除效果如图 6 所示。
由图 6 可知，在滤速一、二、三工况下 II 号池出水 TP 平均去除率分别为 18.4%、17.86%、16.78%，
去除效果不明显。生物除磷的原理之一是聚磷菌在厌氧条件下释磷，在好氧条件下超量吸磷，通过排出好氧池的污泥达到去除水中磷元素的目的。一体化复合生物滤池不存在严格厌氧池，因此生物除磷效果不佳。
实验中通过在 III 号池投加絮凝剂聚合硫酸铁(PFS)达到去除 TP 的目的。II 号池出水与 PFS 混合搅拌之后进入 III 号池，在 III 号池的截留过滤作用下去除 TP。由图 5 可以看出，通过化学辅助除磷，TP 去除率明显提高，在 3 个滤速工况下总平均去除率分别达到 64.74%、66.53%、67.80%，滤速提高 TP去除率略有提高，原因可能是当滤速较大时，絮凝剂与污水混合搅拌更加充分，其水解产物与污水中的磷元素能有更多碰撞，更容易形成絮体被 III 号池截留过滤。
在投加絮凝剂后，出水 TP 的质量浓度基本稳定在 1 mg/L 以下，达到 GB 8978-1996 的一级 B标准，若要提高 TP 去除率使其达到一级 A 标准，可尝试通过增加絮凝剂投加量和强化混和搅拌条件，使不同滤速工况都能达到较好的混合效果。
3结 论
保持气水体积比 5:1、回流体积比 100%，在 I 号池滤速分别为 6.0、8.0、10.0 m/h 3 种滤速工况对一体化复合生物滤池对 COD、NH3-N、TN、TP 4 个水质指标进行监测，结果表明，一体化复合生物滤池对COD、NH3-N、TN 的去除效果整体随滤速增大而减小，其中 TN 指标对滤速变化更为敏感。而 TP 指标由于设备缺乏严格厌好氧环境切换而导致生物除磷效果差，可通过投加絮凝剂实现指标出水达标。在 3 种滤速工况中，滤速一和滤速二工况的实验数据相对接近，表明在此范围内，滤速对处理效果影响较小，而滤速三工况的数据显示其处理效果明显要劣于滤速一、二。在 COD、NH3-N 指标中，3 种滤速都能较稳定的达到 GB 8978-1996 的一级 A标准，说明该设备对 COD、NH3-N 有较强的抗冲击负荷能力。但是在 TN 指标，在滤速三工况下，会出现出水水质无法达到 GB 8978-1996 一级 A 标准的情况。而 TP 指标的达标主要取决于絮凝剂的投加，滤速对其影响较小。
因此在实际工程运行和设计中，在回流体积比100%，气水体积比 5:1 条件时建议采用I 号池滤速 8m/h。此滤速条件下设备处理效果稳定，出水水质好，相比于 I 号池滤速 6 m/h 的条件，其设计的设备体积要小、工程造价低。且在此滤速运行设计条件下，能适应水量的波动，对于处理农村污水更为合适。(来源：华南理工大学环境与能源学院)