污水生物脫氮除磷技術(shù)在農(nóng)村生活污水處理中的模塊化應(yīng)用

鄭園文

華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司杭州博約分公司 浙江 杭州 310011

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)村生活污水治理工作已在一些地區(qū)開(kāi)展，并取得了一定的成效，但處理模式的市政化，處理終端工藝的低端化，均對(duì)項(xiàng)目后期運(yùn)維造成較大的困擾；尤其當(dāng)集中式處理終端在處理工藝選擇不當(dāng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生生活污水集中式排放，直接造成周邊環(huán)境污染。因此，農(nóng)村生活污水處理工藝的合理選擇，處理設(shè)施運(yùn)行規(guī)模的彈性設(shè)置，都將影響項(xiàng)目的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而決定項(xiàng)目的合理使用年限。鑒于此，本文主要分析污水生物脫氮除磷技術(shù)于農(nóng)村生活污水處理的適用性，處理設(shè)施模塊化應(yīng)用的具體實(shí)施方式。

1 農(nóng)村生活污水水質(zhì)與治理方向

1.1 農(nóng)村生活污水的水質(zhì)

在對(duì)長(zhǎng)三角區(qū)域的農(nóng)村生活污水進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤取樣后，完成了典型地區(qū)水質(zhì)檢測(cè)報(bào)告：

表1 長(zhǎng)三角區(qū)域農(nóng)村生活污水水質(zhì)（單位為mg／L）

表2 農(nóng)村污水處理設(shè)施水污染物最高允許排放濃度限值[1,2]（單位為mg／L）

1.2 農(nóng)村生活污水污染物治理方向

農(nóng)村生活污水主要在懸浮物（SS）、化學(xué)需氧量（CODcr）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計(jì)）等污染物指標(biāo)上超過(guò)允許排放濃度， SS、有機(jī)物通過(guò)好氧、沉淀、過(guò)濾等常規(guī)處理方法均較易降解，但氨氮、磷等無(wú)機(jī)物則很難在常規(guī)處理方法中降低濃度，且該類無(wú)機(jī)物往往造成水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)而惡化水質(zhì)，本文主要對(duì)氨氮、磷等無(wú)機(jī)物的去除進(jìn)行分析。

2 傳統(tǒng)污水生物脫氮除磷技術(shù)及工藝

2.1 傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術(shù)

傳統(tǒng)生物脫氮理論：未經(jīng)處理的生活污水中總氮主要為有機(jī)氮和氨氮，有機(jī)氮在氨化細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為氨氮。生物脫氮第一步為硝化反應(yīng)，在好氧條件下將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮；第二步為反硝化反應(yīng)，在缺氧條件下將硝酸鹽氮還原成氣態(tài)氮，最終逸出大氣。

圖1[4] 生物脫氮反硝化反應(yīng)

傳統(tǒng)生物除磷理論：傳統(tǒng)的生物除磷理論是聚磷菌的攝取和釋放磷原理：在厭氧/好氧交替運(yùn)行條件下馴化出聚磷菌微生物，從外部環(huán)境過(guò)量攝取磷，并以聚合磷的形式貯存在體內(nèi)，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)，達(dá)到除磷效果[3]。生物除磷過(guò)程通常包括厭氧除磷和好氧吸磷兩個(gè)過(guò)程。

圖2[4] 生物除磷過(guò)程

技術(shù)瓶頸：傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)中硝化菌群增殖速度慢，且硝化菌世代時(shí)間長(zhǎng)，要維持較高生物濃度需較長(zhǎng)的系統(tǒng)總停留時(shí)間[5]，而生物除磷則要求污泥齡及時(shí)排出，否則將發(fā)生磷的重新釋放，降低除磷效果。傳統(tǒng)工藝中的反硝化過(guò)程需要一定量的有機(jī)物，而廢水中的有機(jī)物經(jīng)過(guò)曝氣后被大部分去除，反硝化需要外加碳源。

2.2 缺氧/好氧（AN/O）工藝

圖3 缺氧/好氧生物脫氮工藝

工藝特點(diǎn)：缺氧-好氧活性污泥脫氮系統(tǒng)中設(shè)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，向前置的反硝化池回流混合液。原污水直接進(jìn)入反硝化池（缺氧池），為缺氧池中內(nèi)循環(huán)混合液（硝化液）的硝態(tài)氮反硝化反應(yīng)提供足夠的碳源[4]。

該系統(tǒng)的主要不足是處理后的出水來(lái)自硝化池，出水中含有一定濃度的硝酸鹽，如沉淀池運(yùn)行不當(dāng)，在沉淀池內(nèi)也會(huì)發(fā)生反硝化反應(yīng)，使污泥上浮，處理后出水水質(zhì)惡化。

2.3 厭氧/好氧（AP/O）工藝

圖4 厭氧/好氧生物除磷工藝

該工藝無(wú)混合液回流影響，厭氧反應(yīng)器能夠保持良好的厭氧狀態(tài)[4]；但系統(tǒng)內(nèi)微生物對(duì)磷的吸收有一定的限度，除磷率難進(jìn)一步提高，同時(shí)當(dāng)污泥在沉淀池內(nèi)停留較長(zhǎng)時(shí)，容易產(chǎn)生磷的釋放現(xiàn)象。

2.4 同步脫氮除磷（AAO）工藝

圖5 同步脫氮除磷工藝

工藝特點(diǎn)：在厭氧、缺氧、好氧交替運(yùn)行條件下，絲狀菌無(wú)法大量增殖，基本不存在污泥膨脹，且污泥濃度高；但系統(tǒng)污泥增長(zhǎng)有一定的限度，除磷效果不易再提高，脫氮效果也有限，沉淀池內(nèi)須防止厭氧狀態(tài)和污泥釋磷現(xiàn)象[4]。

3 改良污水生物處理工藝模塊化應(yīng)用

3.1 改良工藝特征

基于上述特點(diǎn)，本文提出增效脫氮AAO工藝+強(qiáng)化除磷式人工濕地。

圖6 增效脫氮AAO工藝+強(qiáng)化除磷式人工濕地工藝圖

改良工藝是在AAO工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。在AAO工藝的O段增置聚氨酯多孔性懸浮填料，可延長(zhǎng)污泥齡，培育世代時(shí)間長(zhǎng)的硝化菌，提高脫氮能力；后置復(fù)式人工濕地，內(nèi)置模塊化高效生物濾料，利用供氧系統(tǒng)，強(qiáng)化濾料層生物膜的除磷效果。濕地供氧系統(tǒng)同時(shí)可防止濾料堵塞。布水管與集水管外覆聚氨酯生物填料，增加生物膜可生長(zhǎng)比表面積，進(jìn)一步提高凈化效能。

圖7 功能型布、集水管

3.2 改良工藝的模塊化結(jié)構(gòu)探討

3.2.1 增效脫氮AAO機(jī)組的模塊化

AAO工藝主要由厭氧反應(yīng)器、缺氧反應(yīng)器、好氧反應(yīng)器三組完成，三組反應(yīng)器在整體上屬推流式水流流態(tài)，同時(shí)又存在混合液回流及污泥回流等混合式水流流態(tài)，互相分隔又相互聯(lián)動(dòng)，對(duì)回流系統(tǒng)進(jìn)行剝離，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)反應(yīng)器的獨(dú)立。

厭氧反應(yīng)器主要生活著聚磷菌，其屬于不動(dòng)桿菌屬、氣單胞菌屬和假單胞菌屬等，只有在無(wú)分子氧且無(wú)氮氧化物氧（NOX）的條件下才能釋放磷。

缺氧反應(yīng)器主要生活著反硝化菌，其屬于異養(yǎng)型兼性厭氧菌，只有在無(wú)分子氧而同時(shí)存在硝酸和亞硝酸離子的條件下才能利用這些離子中的氧進(jìn)行呼吸，使硝酸鹽還原。

好氧反應(yīng)器主要提供硝化菌和聚磷菌好氧環(huán)境。硝化菌是專性好氧菌，只有在有溶解氧的條件下才能增殖，厭氧和缺氧條件都不能增殖；聚磷菌在有溶解氧和氧化態(tài)氮的條件下進(jìn)行有機(jī)物代謝，產(chǎn)生ATP。

反應(yīng)器的獨(dú)立，模塊化的設(shè)置，為工藝菌種創(chuàng)造更有利的生存環(huán)境，更有利于工藝運(yùn)行，保證出水標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 強(qiáng)化除磷式人工濕地的模塊化

強(qiáng)化除磷式人工濕地主要包括布、集水系統(tǒng)，生物濾料系統(tǒng)，濕地系統(tǒng)，及曝氣系統(tǒng)。

污水與濾料接觸一段時(shí)間后，在其表面形成一層膜狀污泥—生物膜，在膜的表面和一定深度的內(nèi)部生長(zhǎng)繁殖著大量的各類微生物和微型動(dòng)物，在好氧條件下，強(qiáng)化除磷效果。但生物膜在長(zhǎng)期運(yùn)行后，存在老化生物膜脫落，進(jìn)而堵塞濾料、降低出水水質(zhì)的危害，濾料的清洗維護(hù)顯得十分必要，模塊化的設(shè)置將為這項(xiàng)服務(wù)提供可能性，以實(shí)現(xiàn)人工濕地的常態(tài)化養(yǎng)護(hù)，保證工藝運(yùn)行的有機(jī)更新。

圖8 人工濕地模塊化生物濾料

填料是生物濾料的主體，應(yīng)具有高強(qiáng)度、耐腐蝕、比表面積大、較大的孔隙率等特征，強(qiáng)化除磷式人工濕地采用高效組合式填料，上層為改性沸石，下層為改性火山巖，具有高效強(qiáng)化處理效果。

圖9 改性沸石

圖10 改性火山巖

3.3 模塊化應(yīng)用的前景

農(nóng)村指以從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的勞動(dòng)者聚居的地方，是不同于城市、城鎮(zhèn)而從事農(nóng)業(yè)的人群聚居地，人口呈散落居住。

農(nóng)村同城市相比有其特點(diǎn)：①人口稀少，居民點(diǎn)分散；②常住人口與戶籍人口差距較大，按年累計(jì)居住時(shí)間小于60天為非常住人口計(jì)[6]，常住與戶籍比總體在1:2；③流動(dòng)人口多的地區(qū)，存在時(shí)節(jié)性人口變動(dòng)規(guī)律，且變動(dòng)比例大。

可見(jiàn)，農(nóng)村設(shè)施很難按規(guī)劃人口統(tǒng)籌，也不能簡(jiǎn)單復(fù)制市政工程的設(shè)計(jì)參數(shù)。農(nóng)村生活污水處理設(shè)施同樣面對(duì)這個(gè)難題，如何更有效的發(fā)揮設(shè)施效益，更貼切服務(wù)農(nóng)村居民，應(yīng)該得到體現(xiàn)，模塊化的應(yīng)用將為這項(xiàng)服務(wù)提供可能。

圖11 模塊化污水處理設(shè)施

采用多套獨(dú)立系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行的模塊化設(shè)置，可降低設(shè)施的待機(jī)概率，保持設(shè)備的常態(tài)化優(yōu)良運(yùn)行。

村莊人口年平均流動(dòng)變化率小于50%村莊，宜采用兩組污水處理終端交替并聯(lián)運(yùn)行；變化率大于50%的村莊，宜采用三組及以上污水處理終端交替并聯(lián)運(yùn)行。

4 結(jié)論

農(nóng)村生活污水處理主要面對(duì)的是脫氮除磷，AAO工藝在小型化模塊化方向的發(fā)展，將有利于污水處理設(shè)施的布局，有利于農(nóng)村污水處理系統(tǒng)的優(yōu)良運(yùn)行，進(jìn)而提升農(nóng)村人居環(huán)境質(zhì)量，為全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興、加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化、建設(shè)美麗中國(guó)提供有力支撐。