3種農村生活污水處理工藝處理效果比較分析

周 飛

(上海市金山區(qū)水利管理所，上海 201500)

農村生活污水綜合治理可有效減輕生活污水對河道的直接污染，提高農村河道水環(huán)境質量，是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要組成部分。自 2007 年起，上海市就以改變農村河道水環(huán)境面貌為目標，持續(xù)推進農村生活污水治理工作，截至2019 年底，已累計實施農村生活污水處理 84萬戶，處理率為84%[1]。通過10多年的建設，上海地區(qū)就地處理工藝趨于穩(wěn)定，目前處理工藝主要包括生物濾池、一體化膜法 A2/O、模塊化MBR、人工濕地、土壤滲濾等，不同處理工藝不僅在工藝技術機理、工程措施和養(yǎng)護成本技術方面具有顯著差異，也在處理效果和出水穩(wěn)定性方面具有顯著差別[2-3]，目前對農村生活污水處理不同處理工藝的研究較多，但對實際工程處理設施處理效果的系統(tǒng)對比分析則不多，金山區(qū)是上海市城鎮(zhèn)化率較低的地區(qū)，目前約有投入運行的農村生活污水處理站點700個，處理工藝主要以土壤滲濾、生物濾池+人工濕地、模塊化MBR 3種工藝為主，通過調研上海其他郊區(qū)和周邊外省市的農村生活污水處理情況可知，土壤滲濾、生物濾池+人工濕地、模塊化MBR 3種工藝對其亦具有一定的代表性，該研究通過對土壤滲濾、生物濾池+人工濕地、模塊化MBR 3種典型的農村生活污水處理工藝污染物平均去除率和穩(wěn)定性的比較分析，為上海地區(qū)乃至長江三角洲地區(qū)評價農村生活污水處理效果和工藝提升提供依據。

1 材料和方法

1.1 工藝流程

1.1.1土壤滲濾。土壤滲濾工藝主要包括預處理單元和土壤滲濾場兩部分，即把污水均勻地分配到經一定構造、一定深度并具備良好擴散特性的土層中，污水經土壤滲濾作用向周圍流動且滿足處理要求的一類自然處理方法，屬于一種小型的污水自然凈化系統(tǒng)。它是利用地表下土壤微生物、植物根系以及土壤所具有的物理、化學特性將污水凈化的工程技術，這種工藝充分發(fā)揮了自然凈化功能，所以具有土建投資少、運行投資小、操作方便等優(yōu)點。工藝流程見圖1。

圖1 土壤滲濾工藝流程

1.1.2生物濾池+人工濕地工藝。該工藝是生物+生態(tài)相結合的污水處理工藝，主要由調節(jié)池、復合生物濾池和人工濕地等部分組成，當污水由上而下流經長有豐富菌膜的復合濾材時，其中的污染物被微生物吸收，大部分有機污染物、部分氨氮和磷得以消除。然后污水進入中間池經分配井均勻分配后進入人工濕地，人工濕地系統(tǒng)為準生態(tài)系統(tǒng)，可截留污水中懸浮物，其中的微生物對污水中的有機物、氮磷化合物有較好的分解功能[3]。污水經人工濕地進一步消除水污染物后，尾水就近排入附近河道。該工藝具備處理效果穩(wěn)定，施工成本和運行費用低，結構簡單便于管理維修等諸多優(yōu)勢。已有結果表明[4]，當系統(tǒng)中進水 CODCr、BOD5、NH3-N和 TP 的平均含量為300～350、180～200、30～35和4～5 mg/L時，出水CODCr、BOD5、NH3-N和 TP 的平均含量為 22.1～59.3、1.3～19.7、6.7～7.7 和0.5～1.1 mg/L，工藝流程見圖2。

圖2 生物濾池+人工濕地工藝流程

1.1.3模塊化MBR工藝。該工藝屬于膜分離技術與生物技術融合的處理工藝，污水自沉渣池進入調節(jié)池，勻質勻量后，首先進入缺氧池，繼而進入MBR池；在MBR池進行鼓風曝氣，促使有機物的好氧分解；混合液再回流至缺氧池進行反硝化脫氮，消除總氮；然后出水經過膜絲去除懸浮物(SS)。同時通過投加除磷劑，利用膜組件優(yōu)點，去除總磷。產生的污泥排放至污泥池，再進行定期抽吸外運處理。已有結果表明[5]，系統(tǒng)進水 CODCr、BOD5、NH3-N和 TP 的平均含量為250～400、120～200、40～60和2.5～5.0 mg/L時，出水CODCr、BOD5、NH3-N和 TP 的平均含量為10.00～19.00、4.20～5.20、0.47～0.80和0.30～0.42 mg/L，工藝流程見圖3。

圖3 模塊化MBR工藝流程

1.2 調查與采樣方法選擇上海市金山區(qū)105座農村生活污水處理站，其中土壤滲濾工藝站點31處，生物濾池+人工濕地工藝站點45處，模塊化MBR工藝站點29處，于2019年7月、11月和2020年7月、11月分別開展進水、出水水質檢測，7月份平均水溫設定為28 ℃，代表高溫時期，11月份平均水溫設定為12 ℃，代表低溫時期。為避免雨水影響，取樣期間盡量避開中雨及以上的干擾。

1.3 指標與檢測方法水質檢測指標包括化學需氧量(CODCr)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、總磷(TP)等4項，其中 CODCr的檢測方法為重鉻酸鹽法(HJ 828—2017)，BOD5的檢測方法為稀釋與接種法(HJ 505—2009)，NH3-N的檢測方法為納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)，TP的檢測方法為鉬酸銨分光光度法(GB/T 11893—1989)。

水質采樣點位選擇在農村生活污水處理設施出口后的采集井中，采樣方式為瞬時采樣，采樣頻次為每天1次1個樣品。

2 結果和分析

2.1 進水水質特征通過對105座農村生活污水處理站的進水分析，CODCr進水濃度變化范圍為5.2～440.0 mg/L，平均值為85.8 mg/L；遠小于浙江嘉興地區(qū)農村生活污水CODCr進水均值(142.2 mg/L)[6]；BOD5進水濃度變化范圍為0.63～1 130.00 mg/L，平均值為46.7 mg/L；NH3-N進水濃度變化范圍為0.33～273.00 mg/L，平均值為26.6 mg/L，接近于浙江嘉興地區(qū)農村生活污水NH3-N進水均值(27.7 mg/L)，亦接近于江蘇省農村生活污水NH3-N進水均值(27.8 mg/L)[7]，大于巢湖流域巢湖市兩處農村生活污水中的NH3-N濃度(8.07和11.52 mg/L)[8]；TP進水濃度范圍為0.4～35.4 mg/L，平均值為6.8 mg/L，高于浙江嘉興地區(qū)農村生活污水TP進水均值(4.02 mg/L)，亦高于江蘇省農村生活污水TP進水均值(3.4 mg/L)，低于云南大清河流域農村生活污水TP進水均值(9.75 mg/L)[9]?？傊?，進水CODCr、BOD5、NH3-N和TP濃度變化范圍較大，進水濃度波動亦較大，不同地區(qū)的農村生活污水進水濃度差異也較大。高溫條件下，用水量也相對增大，進水CODCr、BOD5、NH3-N和TP平均濃度依次為56.9、19.1、12.1和2.0 mg/L；低溫條件下，用水量相對減少，進水CODCr、BOD5、NH3-N、TP平均濃度依次為73.1、36.1、33.6和9.0 mg/L，高溫條件下各指標進水濃度小于低溫條件下各指標進水濃度(圖4)。

圖4 高溫期和低溫期各污染物平均進水濃度

2.2 3種處理工藝各污染物平均去除率比較分析由表1可知，CODCr的平均去除率為67.5%，如按照處理工藝比較，CODCr的平均去除率排序依次為模塊化MBR > 生物濾池+人工濕地 > 土壤滲濾；BOD5的平均去除率為77.0%，按照處理工藝比較，BOD5的平均去除率排序依次為模塊化MBR > 生物濾池+人工濕地 > 土壤滲濾；NH3-N的平均去除率為76.1%，如按照處理工藝比較，NH3-N的平均去除率排序依次為模塊化MBR > 生物濾池+人工濕地 > 土壤滲濾；TP的平均去除率為66.0%，如按照處理工藝比較，TP的平均去除率排序依次為生物濾池+人工濕地 > 土壤滲濾 > 模塊化MBR。模塊化MBR工藝對CODCr、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率依次為72.7%、80.4%、82.5%和62.2%，生物濾池+人工濕地工藝對CODCr、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率依次為66.0%、79.6%、76.1%和68.7%，土壤滲濾工藝對CODCr、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率依次為63.8%、71.1%、69.8%和67.2%。因此，綜合來看，模塊化MBR工藝對CODCr、BOD5、NH3-N和TP指標的處理效率最高；生物濾池+人工濕地工藝次之；土壤滲濾工藝對污染物的處理效率最低。

表1 3種農村生活污水處理工藝進出水濃度和去除率比較

2.3 3種工藝效果分析綜上分析可知，上海地區(qū)BOD5/CODCr約為0.5，說明生活污水可以用生物降解法處理。由于實際進水TP濃度平均值達到6.8 mg/L，說明金山區(qū)TP污染較有機物污染嚴重，參考工程工藝設計方案中進水TP處理濃度均為5 mg/L，實際進水TP濃度已超出了各處理工藝的設計處理能力，加之CODCr平均進水濃度較低(85.8 mg/L)，污水中碳源不足[10]會使BOD5/TP的值(<20)無法滿足生物除磷技術的要求，造成土壤滲濾工藝、生物濾池+人工濕地工藝對TP去除率偏低。需采用化學方法或外加碳源強化除磷[11]，對于生物濾池+人工濕地工藝可選用火山巖或爐渣等濾料強化對磷的去除。模塊化MBR工藝主要通過添加除磷藥劑等化學方法去除磷污染物，藥劑添加不當會影響除磷效果，由于模塊化MBR工藝設備運行技術要求較高，建議在設備運維養(yǎng)護中，加強對除磷藥劑量的關注。由于三格化糞池對CODCr的去除率往往在30%以上，多的可達 50%～70%，可能是導致CODCr平均進水濃度較低的原因之一，具體原因有待進一步研究。

土壤滲濾工藝對磷的去除主要依靠厭氧微生物的生長需求和土壤過濾作用，對可溶性磷的去除能力非常有限。生物濾池+人工濕地工藝對磷的去除主要靠微生物生長需求、物理沉淀作用、人工濕地填料中的固磷劑吸附，總體去除效果一般。模塊化MBR工藝對磷的去除主要靠微生物生長需求、投加絮凝劑沉淀作用(部分站點無投加藥劑措施)，總體效果和投加絮凝劑量有關。

由表1可知，3種處理工藝對TP的去除率相差不大且去除率均不高，模塊化MBR工藝對BOD5和NH3-N的處理效果相對較好。相比較工程工藝設計方案中的去除效果，3種處理工藝對各污染物的去除率仍有進一步提升的空間。為了增強生物濾池+人工濕地工藝處理效果，需定期更換生物濾池濾料和濕地內部填料基質，避免堵塞現象，并定期維護植物生長；盡管模塊化MBR工藝處理效率相對最優(yōu)，但仍須規(guī)范設備運行管理、注意膜堵塞和污染、防止膜通量下降、保證污泥活性和防止排泥不暢等，在對膜進行清洗時，要選擇正確清洗方式，以盡量保證膜的使用壽命[12-13]。

3 結論

(1)農村生活污水處理設施進水水質：各污染物進水濃度變化范圍和波動較大，其中CODCr、BOD5、NH3-N和TP平均進水濃度分別為85.8、46.7、26.6和6.8 mg/L。CODCr進水濃度平均值較低，TP進水濃度平均值較高，TP污染較有機物污染更嚴重，且高溫期污染物平均進水濃度低于低溫期。

(2)3種處理工藝的污染物平均去除率：模塊化MBR工藝對各污染物的處理效率最高，生物濾池+人工濕地工藝次之，土壤滲濾工藝對各污染物的處理效率最低。3種處理工藝對各污染物的去除率需要進一步優(yōu)化提升，需要從加強日常養(yǎng)護、規(guī)范運營管理、提高處理設施專業(yè)化養(yǎng)護程度等措施提高處理效果。

(3)由于TP的去除效率不僅取決于處理工藝，還和除磷藥劑使用量相關，模塊化MBR、生物濾池+人工濕地、土壤滲濾處理3種工藝對TP的去除率相差不大且去除率均不高。

4 討論

通過以上分析比較可知，土壤滲濾工藝雖工藝原理簡單，但運行效果不可控，容易受到降水、農田水、河水倒灌等影響，對處理過程沒有干預調節(jié)手段，出水水質難以控制，建議逐步淘汰該工藝。生物濾池+人工濕地工藝雖養(yǎng)護簡單、節(jié)約能源，但常因配水不均、濕地堵塞而降低處理效果，建議及時清理污泥、調配平衡配水系統(tǒng)、增加生物濾池循環(huán)供水、縮短人工濕地整修頻率、適當投加除磷藥劑。模塊化MBR工藝雖工藝完善、處理效果可控，但仍須選用經濟耐用的MBR膜塊并及時清洗、加強對電器設備的運維保養(yǎng)、及時清理污泥。

無論哪種工藝，①當進水水量小甚至是斷水時均會影響處理站的處理效果，甚至損壞處理設備，因此，盡量歸并集中站點可以降低缺水風險。②處理后的污泥存在大量污染物，及時清淤轉運后才能避免污染物的再釋放，但在污泥接收方面，仍存在缺少接收方的窘境。③積極探索資源化利用，可以考慮在現有處理站出水口后建設中型人工濕地，種植經濟作物和景觀植物，既不改變土地用途，又可以充分利用自凈和植物吸收作用，進一步凈化水質。

目前，除了在浙江農村生活污水處理設施地標中提及在線監(jiān)測，其他地標中都還是以實驗室檢測作為手段，采樣頻率一般規(guī)定1～4次/a，采樣的位置和方式也沒有明確和統(tǒng)一，結合農村人口導出、用水習慣等因素，目前的水質檢測往往不能綜合反映農污站點的處理效果，更不能全面反映從農戶源頭到處理出水排口的全過程降解，因此，參考市政污水處理廠乃至自來水廠在線監(jiān)測理念，開展全過程處理效率的研究勢在必行。