農(nóng)村生活污水脫氮除磷技術(shù)的研究與應(yīng)用

江傳春

（成都德菲環(huán)境工程有限公司，四川成都 610041）

1 引言

我國農(nóng)村生活污水主要來源于沖廁污水、廚房廢水、日常洗滌用水以及畜禽養(yǎng)殖廢水等，水質(zhì)成分較為復(fù)雜，其污染物包括COD、氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)及致病微生物等［1-2］，尤其是營養(yǎng)物質(zhì)氮磷是農(nóng)村生活污水中的主要污染物，是水體富營養(yǎng)化的根源［3］。因此，探索研究適合農(nóng)村生活污水處理的脫氮除磷技術(shù)，提高農(nóng)村生活污水的氮磷去除效果，對(duì)于減少氮磷排放、解決水體富營養(yǎng)化問題、改善地表水環(huán)境十分必要。

2 農(nóng)村生活污水常用處理技術(shù)

目前農(nóng)村生活污水治理工程中常用的技術(shù)主要包括生物、生態(tài)和物化處理3 類，以及任意2 種工藝結(jié)合的復(fù)合處理技術(shù)。生物處理技術(shù)包含好氧和厭氧生物技術(shù)，其中，好氧生物技術(shù)可分為活性污泥法（包括SBR，A/O，A2/O 等）和生物膜法（包括生物轉(zhuǎn)盤、生物流化床、生物濾池、MBR 等）兩大類；厭氧生物技術(shù)主要包括化糞池、厭氧沼氣池、水解酸化池、厭氧生物濾池等。生態(tài)處理技術(shù)主要包括人工濕地、穩(wěn)定塘、人工浮床、土地滲濾法等。復(fù)合處理技術(shù)主要包括MBR－人工濕地、A/O－人工濕地、A2/O－人工濕地、生物濾池＋人工濕地、穩(wěn)定塘＋人工濕地等多種組合形式［4-5］。

3 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及研究進(jìn)展

3.1 A2/O 工藝

A2/O 生物脫氮除磷工藝較為成熟，可同時(shí)去除有機(jī)物、脫氮和除磷，在農(nóng)村生活污水處理領(lǐng)域應(yīng)用較多。陳江杰等［6］對(duì)長三角平原地區(qū)5 個(gè)鎮(zhèn)39 個(gè)農(nóng)村生活污水處理的A2/O 設(shè)施的處理效果進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)因?yàn)樘幚碓O(shè)施的進(jìn)水水量水質(zhì)波動(dòng)較大，COD 濃度和COD/TN 值過低，運(yùn)維工作不到位，進(jìn)水量、曝氣量和污泥回流比等運(yùn)行參數(shù)控制不當(dāng)，該工藝的脫氮除磷效果不理想。

A2/O 工藝要達(dá)到良好的脫氮除磷效果，需對(duì)進(jìn)水量、溶解氧、回流比等因素進(jìn)行精確控制，而在實(shí)際應(yīng)用中，由于農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量多變，又缺乏專業(yè)技術(shù)人員對(duì)處理系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)維調(diào)試，致使A2/O工藝運(yùn)行不穩(wěn)定，對(duì)氮磷的去除效果較差。因此，需要對(duì)A2/O 設(shè)施的設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行模式進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力，同時(shí)可以考慮在系統(tǒng)末端增加生態(tài)處理工藝，以適應(yīng)農(nóng)村生活污水水質(zhì)水量多變的特點(diǎn)，強(qiáng)化有機(jī)物、氮、磷的去除效果。王田天等［7］設(shè)計(jì)了一種改良A2/O 一體化設(shè)備用于處理分散型村落的生活污水，該裝置在傳統(tǒng)的污泥和混合液回流基礎(chǔ)上通過增加缺氧－厭氧回流，加強(qiáng)反硝化聚磷菌的富集，延長反硝化細(xì)菌在厭氧池的作用時(shí)間，在好氧－缺氧的回流比為200%、污泥回流比為75%、缺氧－厭氧的回流比為150%、好氧池末端DO濃度為1.5～2.0 mg/L、厭氧池∶好氧池∶缺氧池體積比為1 ∶2.4 ∶4.6 的條件下，設(shè)備的TN，TP 去除效果最好，為農(nóng)村生活污水處理中A2/O 工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了參考。榮懿等［8］對(duì)A2/O 工藝處理農(nóng)村生活污水進(jìn)行了研究，通過改進(jìn)運(yùn)行方式，在進(jìn)水?dāng)嗔鲿r(shí)段補(bǔ)給污水處理系統(tǒng)自身產(chǎn)出的尾水與污泥發(fā)酵液混合液，緩解了進(jìn)水水量波動(dòng)和斷流帶來的沖擊負(fù)荷，提高了系統(tǒng)的脫氮除磷效果。

3.2 MBR 工藝

MBR 工藝將膜分離技術(shù)和生物處理技術(shù)相結(jié)合，反應(yīng)器內(nèi)微生物量大、容積負(fù)荷高、污泥齡長、氨氮去除效果好，與A2/O 等工藝組合，可以進(jìn)一步提高處理效率，實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷，但投資運(yùn)行成本高、后期維護(hù)較多，常用于經(jīng)濟(jì)條件較好、環(huán)境敏感、對(duì)出水水質(zhì)要求較高的村莊［9］。

目前倒置A2/O-MBR［10］、兼氧MBR一體化設(shè)備［11］、A2/O－MBR 工藝［12］等在農(nóng)村生活污水處理領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，其處理效果好、出水水質(zhì)穩(wěn)定，但也存在氮磷去除率低、膜污染、膜結(jié)垢、能耗高等問題［13］。謝晴等［14］將“超聲在線清洗”技術(shù)運(yùn)用于A2/O－MBR系統(tǒng)中，通過對(duì)MBR 膜改性提高膜通量，采用超聲在線清洗減少反沖洗頻率、降低能耗，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)約0.7 元/m3。凌琪等［15］在處理農(nóng)村生活污水的A2/O－動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器中投加改性粉煤灰，延緩了膜污染，同時(shí)提高了COD，TP，TN等污染物的去除效率。MBR 工藝對(duì)污染物的去除效率高、出水水質(zhì)好，加強(qiáng)對(duì)膜材料、清洗方式的研究，解決膜污染和膜使用壽命短的問題，降低膜反應(yīng)器的能耗和投資運(yùn)行成本，普及MBR 工藝在農(nóng)村污水治理方面的工程應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水的有效治理具有重要的意義。

3.3 人工濕地

人工濕地主要利用基質(zhì)、植物、微生物的協(xié)同作用去除污染物，投資運(yùn)行成本低，后期運(yùn)營維護(hù)簡單，種植的水生植物還具有美化環(huán)境的作用，適用于地域廣闊的農(nóng)村地區(qū)。人工濕地適用于低濃度的污水處理，在實(shí)際應(yīng)用中多與其他工藝組合使用，目前厭氧＋人工濕地［16］、MBR＋人工濕地［17］、氧化塘＋人工濕地［18］、A2/O＋人工濕地［19］等組合工藝在農(nóng)村生活污水處理中都有應(yīng)用。

蘭書煥等［20］設(shè)計(jì)的生物接觸氧化＋水生蔬菜型濕地污水處理系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)污水治理的同時(shí)收獲了經(jīng)濟(jì)作物，取得了顯著的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。程方奎等［21］采用厭氧濾池－缺氧濾池－水車驅(qū)動(dòng)生物轉(zhuǎn)盤－蔬菜人工濕地工藝處理生活污水，實(shí)現(xiàn)污水的原位資源化利用。在農(nóng)村生活污水治理過程中，結(jié)合農(nóng)村當(dāng)?shù)丨h(huán)境，實(shí)現(xiàn)污水資源化利用，創(chuàng)造良好的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益，也是一個(gè)值得關(guān)注的問題。

人工濕地中的關(guān)鍵因素是填料，填料不僅可以附著微生物，還可以吸附、截留污染物［22］，因此人工濕地的填料選擇至關(guān)重要。篩選適合的填料提高脫氮除磷效率、緩解濕地堵塞問題，是人工濕地研究的重要方向之一。張修穩(wěn)等［22］比較了火山石、礫石、碎石、碎磚、生物陶粒、無煙煤、高爐渣、沙、活性炭和沸石這10 種人工濕地填料對(duì)磷的吸附特性，發(fā)現(xiàn)生物陶粒和無煙煤的除磷能力較強(qiáng)。盧少勇等［23］測(cè)定了火山巖等29 種天然和非天然人工濕地填料對(duì)NH3－N的吸附－解吸特性，篩選出了火山巖、生物炭、瓷砂陶粒、沸石4 種適合作為人工濕地中吸附NH3－N 的填料。趙仲婧等［24］采用鐵碳微電解填料和沸石作為人工濕地的填料，發(fā)現(xiàn)鐵碳填料的微電解反應(yīng)能顯著提高濕地系統(tǒng)的氨氮、總氮去除效率，尤其是對(duì)氨氮和硝態(tài)氮的去除效果更好。翟宇昆等［25］在兩段式人工濕地的后端分別投加鐵碳填料和硫鐵礦填料，比較了2 種填料對(duì)污染物去除效果的影響，發(fā)現(xiàn)鐵碳微電解填料可明顯提高對(duì)污水中氮磷污染物的處理效果，而硫鐵礦填料僅對(duì)總磷的去除稍有改善。

3.4 人工浮床

人工浮床（生態(tài)浮島）以漂浮材料為載體，將具有凈水、觀賞及經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物種植在水面上，利用植物強(qiáng)大的根系吸收、吸附和截留作用，削減水體中的氮、磷、COD 等污染物質(zhì)，并以收獲植物體的形式將其移出水體，從而達(dá)到凈化水質(zhì)的效果，常用于富營養(yǎng)化水體的修復(fù)［26］。人工浮床造價(jià)低、維護(hù)簡單，且具有良好的景觀效果。凌霄等［27］將生態(tài)浮床技術(shù)用于南方農(nóng)村生活污水的處理，使污水首先進(jìn)入地埋厭氧生物濾池進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)入生態(tài)浮床系統(tǒng)，通過厭氧濾池的水解酸化、生化和過濾等作用，以及生態(tài)浮床的脫氮、除磷等凈化作用，實(shí)現(xiàn)了污水達(dá)標(biāo)排放，且運(yùn)維費(fèi)用低、管理方便。張?jiān)鰟俚龋?8］研究了生物凈化槽/強(qiáng)化生態(tài)浮床組合工藝處理農(nóng)村污水的效果，發(fā)現(xiàn)生物凈化槽可以對(duì)有機(jī)物進(jìn)行生物降解，強(qiáng)化生態(tài)浮床則可進(jìn)一步去除氮磷，出水水質(zhì)好。

傳統(tǒng)生態(tài)浮島技術(shù)的凈化作用以植物為主，系統(tǒng)的凈化能力有限。陳月芳等［29］將傳統(tǒng)植物浮床、鐵碳微電解填料和常規(guī)生物填料耦合用于處理農(nóng)村污水分散處理的一級(jí)出水，在傳統(tǒng)植物浮床內(nèi)填充鐵碳填料，在浮床下方懸掛帶式填料以增加系統(tǒng)內(nèi)微生物的數(shù)量和種類，通過物化反應(yīng)和微生物降解作用共同強(qiáng)化人工浮床的凈化效果，該工藝在冬夏季節(jié)對(duì)COD、TP、氨氮和總氮的去除率均達(dá)到70%以上，對(duì)污染物的降解效果以及降解速率優(yōu)于傳統(tǒng)植物浮床和微生物填料強(qiáng)化浮床，且對(duì)浮床植物有明顯的促進(jìn)生長作用。

3.5 穩(wěn)定塘

穩(wěn)定塘是利用天然凈化能力處理污水的設(shè)施，可利用廢棄的溝渠、水塘建設(shè)，具有投資運(yùn)行成本低、能耗少、管理簡單等優(yōu)點(diǎn)，但也存在負(fù)荷低、處理效果差、受天氣影響明顯等問題。章銳芬［30］采用厭氧生物－高效碳纖維生物塘系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水，生物塘內(nèi)布設(shè)生態(tài)浮床，浮床下部懸掛高效生態(tài)碳纖維氧化塘填料，通過強(qiáng)化植物吸附和微生物降解作用提高生物塘的凈水能力，脫氮除磷效果較好。張巍等［31］將吸附技術(shù)與穩(wěn)定塘相結(jié)合，采用多級(jí)氧化塘組合工藝處理農(nóng)村污水，前置強(qiáng)化塘，利用黏土礦的吸附、沉淀作用強(qiáng)化去除氮磷，人工后置調(diào)節(jié)塘，利用秸稈、爐渣等低濃度氮磷吸附材料進(jìn)一步去除氮磷，工藝運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)好。

3.6 物化技術(shù)

污水處理的物化技術(shù)主要有化學(xué)沉淀法、吸附法、電化學(xué)技術(shù)等。

化學(xué)沉淀法在生活污水處理中常用于總磷的去除?；瘜W(xué)沉淀除磷技術(shù)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，去除率可達(dá)到80%～90%，但需要連續(xù)投加藥劑，配置的儲(chǔ)藥、溶藥、加藥設(shè)備增加了投資費(fèi)用，而且操作復(fù)雜、運(yùn)維費(fèi)用高，不適用于農(nóng)村分散式小型污水處理裝置［32］。王磊等［33］以鉀明礬和羥丙基甲基纖維素醚混合制成緩釋除磷藥片，用于分散式農(nóng)村生活污水處理成套裝置的二級(jí)生物處理出水的化學(xué)除磷，使用中只需定期投加緩釋藥劑到除磷裝置內(nèi)，操作簡單，管理方便，不額外增加設(shè)備投資，適合在小型農(nóng)村生活污水處理設(shè)施中推廣應(yīng)用。

吸附法用于脫氮除磷工藝簡單、能耗低、吸附速度快，在廢水除磷和回收領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。馬會(huì)強(qiáng)等［34］利用凹凸棒石－鋼渣復(fù)合濾料對(duì)生活污水進(jìn)行吸附處理，取得了較好的脫氮除磷效果。唐舒雯等［35］對(duì)MBR 工藝處理農(nóng)村生活污水進(jìn)行了研究，通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)、末端增加粉煤灰多孔填料吸附除磷池強(qiáng)化系統(tǒng)的脫氮除磷效果，出水氮磷穩(wěn)定達(dá)到城鎮(zhèn)污水廠污染物一級(jí)A 排放標(biāo)準(zhǔn)。

王皓等［36］將電化學(xué)技術(shù)與人工濕地相結(jié)合，通過電催化氧化還原法脫除氮素，利用陽極材料在電解時(shí)產(chǎn)生的金屬陽離子，生成高活性的多形態(tài)聚鐵或聚鋁絮凝劑，將水中磷酸鹽去除，強(qiáng)化人工濕地的氮磷去除效果。

4 結(jié)語

常用的農(nóng)村污水處理技術(shù)各有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，在選擇污水處理工藝時(shí)，應(yīng)充分考慮各地區(qū)的地理環(huán)境、人口規(guī)模、經(jīng)濟(jì)情況等因素。在農(nóng)村生活污水治理技術(shù)研究中，應(yīng)優(yōu)先考慮污水的資源化利用，探索提高生態(tài)處理技術(shù)處理效率的方法，優(yōu)化生物處理技術(shù)的設(shè)計(jì)運(yùn)行方式、提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷、減少運(yùn)行維護(hù)成本，加強(qiáng)物化處理技術(shù)在農(nóng)村污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用研究，不斷探索出適合農(nóng)村實(shí)情的經(jīng)濟(jì)、高效的污水處理技術(shù)。