農(nóng)村生活污水處理設(shè)備工藝及原理分析

黃安濤 ，劉君 ，邱敬賢 ，黃獻(xiàn)

（1.航天凱天環(huán)保科技股份有限公司，湖南長沙410100；2.長沙環(huán)保（服務(wù)）工業(yè)技術(shù)研究院，湖南長沙410100）

隨著工業(yè)的發(fā)展，環(huán)境問題不斷突顯引起社會各界的關(guān)注，各種環(huán)保政策相繼出臺，重點(diǎn)控制城市各污染源的排放，目前城市環(huán)境污染已得到了明顯的改善[1]。隨著美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的推進(jìn)，顯著促進(jìn)了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村環(huán)境問題也日益嚴(yán)峻[2]。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村環(huán)境保護(hù)與農(nóng)村經(jīng)濟(jì)同步發(fā)展，《全國農(nóng)村環(huán)境綜合整治“十三五”規(guī)劃》和“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”的提出[3，4]，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境的重要性；2018年5月，李克強(qiáng)總理在“全國生態(tài)環(huán)境保護(hù)大會”上指出：以農(nóng)村垃圾、污水治理和村容村貌提升為主攻方向，推進(jìn)鄉(xiāng)村環(huán)境綜合整治，國家對農(nóng)村的投入要向這方面傾斜。利好政策正助力我國農(nóng)村環(huán)境產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。

而農(nóng)村生活污水基礎(chǔ)設(shè)施并不完善，甚至很多地區(qū)屬于空白，均被直排或經(jīng)化糞池處理后排放周邊河道、坑塘或農(nóng)田土壤，從而進(jìn)一步污染周邊環(huán)境，甚至危害人體健康[4]。由于農(nóng)村地勢不平坦、農(nóng)戶分散、鋪設(shè)管網(wǎng)困難，分散式農(nóng)村一體化生活污水處理設(shè)備快速被推向市場，并得到了廣泛應(yīng)用。而一體化設(shè)備處理工藝不一，出水也受到不同工藝參數(shù)的影響，使得一體化設(shè)備在農(nóng)村地區(qū)的推廣受到一定限制。

1 生活污水一體化設(shè)備工藝論證

1.1 污水可生化性分析

所謂污水可生化性的實(shí)質(zhì)是污水中所含的污染物通過微生物的生命活動來改變污染物的化學(xué)結(jié)構(gòu)。污水生物處理是微生物以污水中所含有機(jī)污染物作為營養(yǎng)源，經(jīng)過代謝活動去除水體中的污染物。故應(yīng)先對污水中有機(jī)物含量進(jìn)行判斷，是否滿足微生物處理的條件。

BOD5和COD作為污水中兩個常用水質(zhì)指標(biāo)，用B/C比來評價污水的可生化性是廣泛采用的一種最為簡易的方法，當(dāng)B/C＞0.3，表示污水可生化處理，且比值越大，可生物處理性越好。事實(shí)上，生物處理并不要求將有機(jī)物全部分解成CO2，H2O和硝酸鹽等，而只要求將水中污染物去除到環(huán)境所允許的程度。當(dāng)前，分散式污水處理設(shè)備中主體工藝大體為厭氧/缺氧/好氧流程（包括其變種）。

1.2 污水處理一體化設(shè)備工藝

目前，活性污泥法較成熟的工藝有：A/O脫氮法、A/O除磷法、A2/O法及其改進(jìn)工藝及傳統(tǒng)SBR系列工藝，包括CASS工藝和ICEAS工藝等。

1.2.1 A/O法

A/O脫氮法即缺氧/好氧法，A/O除磷法即厭氧/好氧法，污水在流經(jīng)對應(yīng)的功能區(qū)，在不同微生物菌群作用下，使污水中的有機(jī)物和氮/磷得到去除，其流程簡圖如圖1所示。

圖1 A/O法流程簡圖

如圖1a所示，在充足供氧條件下，NH4+被硝化菌氧化為NO2-和NO3-，又可經(jīng)反硝化細(xì)菌將NO2-和NO3-還原為N2，達(dá)到生物脫氮的目的。如圖1b通過除磷機(jī)理的把握，將缺氧區(qū)改成厭氧區(qū)，有利于TP的去除，且在厭氧釋磷過程中產(chǎn)生能量可加快有機(jī)物的降解，而后直接進(jìn)入好氧區(qū)，形成“饑餓效益”，再通過污泥沉淀達(dá)到生物除磷的目的。

1.2.2 A2/O系列工藝

1.2.2.1 A2/O法

即厭氧/缺氧/好氧活性污泥法，其流程見圖2。將厭氧池和缺氧池放入同一工藝路線中，發(fā)揮上述脫氮和除磷兩者的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高了脫氮除磷的效果。該工藝路線簡單,運(yùn)行成熟良好，已被國內(nèi)外廣泛使用。

圖2 A2/O法流程簡圖

1.2.2.2 倒置A2/O工藝（RAAO）

與A2/O相比，缺氧段位于工藝的首端，允許反硝化優(yōu)先獲得碳源，進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的脫氮能力；聚磷菌厭氧釋磷后直接進(jìn)入好氧環(huán)境，“饑餓效應(yīng)”優(yōu)勢更突出，其流程見圖3。

圖3 倒置A2/O法流程簡圖

1.2.2.3 UCT工藝

與A2/O相比，混合液和污泥均先回流到缺氧池，有效防止硝酸鹽氮和氧氣直接進(jìn)入?yún)捬醭兀偻ㄟ^內(nèi)回流從缺氧區(qū)回流至厭氧區(qū)，為厭氧段提供了最優(yōu)的環(huán)境條件。其流程見圖4。

圖4 UCT工藝流程簡圖

A2/O系列工藝均是為了通過各回流或池體位置的改進(jìn)，使各污染物在去除的過程中不相互干擾，甚至達(dá)到協(xié)同的處理效率，但在選擇工藝或改進(jìn)工藝過程中在考慮去除效率的條件下，還需考慮能耗。

1.2.3 SBR系列工藝

該系列工藝是將A2/O系列工藝集于一個池體進(jìn)行反應(yīng)，減少了占地和污泥回流的程序，進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化了活性污泥工藝。也在不斷地改進(jìn)過程中將池體通過隔板隔開以提高工藝負(fù)荷。

1.2.3.1 SBR工藝

SBR工藝即序批式活性污泥法，該法集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池（進(jìn)水—反應(yīng)—沉淀—排水—閑置），微生物則處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中，無需污泥回流系統(tǒng)，其流程見圖5。

圖5 SBR池結(jié)構(gòu)原理圖

1.2.3.2 CASS工藝

CASS工藝即周期循環(huán)活性污泥法，是SBR工藝的一種變型。在前期增加了生物選擇區(qū)和預(yù)反應(yīng)區(qū)，能連續(xù)進(jìn)水，提高了該池體的抗負(fù)荷能力。其流程見圖6。

圖6 CASS池結(jié)構(gòu)原理圖

1.2.3.3 ICEAS工藝

ICEAS即間歇式循環(huán)延時曝氣活性污泥法，與傳統(tǒng)SBR相比，最大特點(diǎn)是：在反應(yīng)器進(jìn)水端設(shè)一個預(yù)反應(yīng)區(qū)，整個處理過程連續(xù)進(jìn)水，間歇排水，其流程見圖7。

圖7 ICEAS池結(jié)構(gòu)原理圖

1.3 各一體化設(shè)備工藝對比分析

上述闡述的污水處理工藝均是在傳統(tǒng)的活性污泥法的基礎(chǔ)上衍生轉(zhuǎn)變而來，各具特色，又承接了活性污泥的機(jī)理。在生物處理過程中，微生物生存環(huán)境（F/M）是污染物去除效率最重要的因素。故污水處理工藝選擇應(yīng)充分考慮水質(zhì)水量、經(jīng)濟(jì)條件及管理水平，優(yōu)先選用具有技術(shù)成熟可靠、微動力、低投入、占地少等特點(diǎn)的污水處理工藝。

針對不同的水質(zhì)水量和環(huán)境場地，選取適宜的處理工藝進(jìn)行裝備化是當(dāng)前分散式農(nóng)村生活污水處理的熱點(diǎn)。各工藝進(jìn)行比較，見表1，A/O系列工藝占地大，不能達(dá)到同時脫氮除磷的效果；SBR系列則由于出水需采用潷水器，維護(hù)和建設(shè)成本高；這兩個系列的工藝對經(jīng)濟(jì)落后、出水標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格的農(nóng)村污水而言很少采用。對A2/O而言，盡管混合液和污泥需要回流，或回流影響一定的處理效果，但因其工藝成熟，能同時脫氮除磷，且可通過設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化能提高污水處理效果而被廣泛應(yīng)用和改進(jìn)，如在各池中添加各類生物填料等，已成為當(dāng)前分散式農(nóng)村生活污水一體化設(shè)備中的熱門工藝。

表1 生物脫氮除磷工藝比較

2 生活污水處理技術(shù)原理分析

在采用生物脫氮除磷的活性污泥工藝中，不同污染物以不同的方式去除。其中無機(jī)污染物不能被消除，只能沉淀去除；有機(jī)物則能被相應(yīng)的微生物降解徹底消除。各污染物的去除機(jī)理詳細(xì)介紹如下。

2.1 SS的去除

農(nóng)村生活污水主要是廁所污水、洗衣污水、廚房污水和洗浴污水等，懸浮物較少，通過細(xì)格柵攔截下來，充分降低了生物處理的固體負(fù)荷。小顆粒有機(jī)物靠微生物的降解作用去除，而無機(jī)物（包括尺度大小在膠體和亞膠體范圍內(nèi)的無機(jī)顆粒）則要沉淀或活性污泥絮體的吸附、網(wǎng)捕作用被去除。

2.2 COD，BOD5的去除

在生化處理工藝中，通過可生化性來確定有機(jī)物去除效率，微生物代謝消耗污水中的有機(jī)物，在厭氧或者缺氧狀態(tài)下，微生物將大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成小分子有機(jī)物；隨后進(jìn)入好氧狀態(tài)將小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成CO2和H2O等穩(wěn)定物質(zhì)，從而使COD和BOD5得以去除。

2.3 NH3-N的去除

污水去除低濃度氨氮方法主要采用生物法，也是污水處理中經(jīng)濟(jì)和常用的方法。且從經(jīng)濟(jì)、管理等方面考慮，物理化學(xué)法去除氨氮不適宜農(nóng)村生活污水。生物法在分解有機(jī)物的同時，有機(jī)氮也被分解成氨氮，在溶解氧充足、泥齡較長的情況下，進(jìn)一步被氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，通常稱之為硝化過程。其反應(yīng)方程式如下：

第一步反應(yīng)靠亞硝化菌完成，第二步反應(yīng)靠硝化菌完成，總的反應(yīng)為：

2.4 TN的去除

TN去除機(jī)理如反應(yīng)方程式如下：

NH3-N經(jīng)好氧過程被去除后直接轉(zhuǎn)化成了硝酸鹽和亞硝酸鹽，總氮的含量并沒有減少，只有將硝酸鹽和亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮?dú)猓∟2）后才能達(dá)到TN去除的效果，故在反硝化菌的作用下，將硝酸鹽和亞硝酸鹽中的氮還原成N2，從而完成污水的脫氮過程。

2.5 TP的去除

污水除磷主要有生物除磷和化學(xué)除磷兩大類。其中化學(xué)除磷工藝簡單、處理效率高，除加藥設(shè)備外不需要增設(shè)其他設(shè)施，因此適用于舊廠改造。但化學(xué)除磷藥劑消耗量大、剩余污泥多、含水率高、污泥處理難度大。故一般污水處理優(yōu)先采用生物除磷，對生活污水而言，復(fù)合生物除磷工藝能穩(wěn)定使出水含磷量＜1.0 mg/L（一級B標(biāo)），但采用單獨(dú)生物除磷很難實(shí)現(xiàn)出水含磷量＜0.5 mg/L（一級A標(biāo)），若要求需要達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，則需輔以化學(xué)除磷裝置。

3 結(jié)論

目前，隨著農(nóng)村環(huán)保利好政策的助力，農(nóng)村環(huán)境整合整治市場巨大，尤其是針對農(nóng)村生活污水的處理，因其排放標(biāo)準(zhǔn)的不確定性，市面上分散式一體化設(shè)備應(yīng)用的生化工藝多種多樣，各有特色，均未形成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，加大了客戶選擇產(chǎn)品的難度。故應(yīng)加大對污水處理設(shè)備工藝的研發(fā)力度，使其集聚優(yōu)勢于一體，政府應(yīng)頒布與之相適應(yīng)的的排放標(biāo)準(zhǔn)和完善農(nóng)村污水排放的管理制度等，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作，加快完成美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的步伐。