農(nóng)村一體化水處理設(shè)備研究進(jìn)展

荊奐聞

（河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038）

1 農(nóng)村污水處理現(xiàn)狀

我國(guó)農(nóng)村生活著5 億～6 億人口，據(jù)估計(jì)，每年將產(chǎn)生約80 億噸污水，給環(huán)境帶來(lái)了巨大壓力，但與此相對(duì)的是我國(guó)污水處理措施的嚴(yán)重缺乏，與城市污水高達(dá)91.97%處理率相比，我國(guó)的農(nóng)村污水處理率僅為13%～34%。除毗鄰城市的農(nóng)村地區(qū)生活污水可以直接排入城市污水處理廠外，大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)無(wú)法建設(shè)污水管網(wǎng)和污水集中排放系統(tǒng)。96%以上的村莊缺乏排水渠道和污水處理系統(tǒng)，一般直接排放或明渠排放。2016 年，第三次全國(guó)農(nóng)業(yè)普查數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)村污水集中處理或部分集中處理僅占總量的17.4%，這意味著大量污水無(wú)法得到有效處理。這直接造成了農(nóng)村水環(huán)境的污染，危及農(nóng)村生產(chǎn)和生活用水安全。

市政污水處理采用的集中式污水處理方式，由于成本高，設(shè)施占地面積大，需要長(zhǎng)期而專業(yè)的設(shè)施運(yùn)營(yíng)和后期維護(hù)等原因。不適合人口密度低、人口分散的農(nóng)村地區(qū)，因此，小型分散處理系統(tǒng)的發(fā)展有望為農(nóng)村地區(qū)的污水處理提供長(zhǎng)期解決方法。

2 一體化水處理設(shè)備的常用工藝及其發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 一體化SBR 工藝

一體化SBR 工藝也稱序批式活性污泥法，此工藝將進(jìn)水、曝氣、沉淀、排水四個(gè)階段按時(shí)間順序放置在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行，因此無(wú)須設(shè)置二沉池及污泥回流系統(tǒng)。使得整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊。此外，SBR 工藝還具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，不容易發(fā)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)。適合應(yīng)用于進(jìn)水水質(zhì)變化大，間歇排放的農(nóng)村生活污水。但由于該工藝操作維護(hù)對(duì)工作人員的技術(shù)水平要求高，氮磷去除效果相較A2/O 工藝不理想、設(shè)備閑置率高等問(wèn)題，限制了其廣泛應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題，目前出現(xiàn)了SBR+人工濕地組合，間歇式雙泥工藝，藻泥共生SBR 法等的改進(jìn)方案，以下對(duì)幾種改進(jìn)模式進(jìn)行介紹。

（1）SBR+人工濕地組合工藝。SBR+人工濕地技術(shù)是指因地制宜的，將SBR 設(shè)備的出水排入附近村落的氧化塘或者人工濕地中，以實(shí)現(xiàn)在不增加額外設(shè)備的情況下，提高對(duì)氮、磷元素的去除率。Guo 等構(gòu)建了 SBR-垂直潛流人工濕地組合工藝，用于處理農(nóng)村生活污水。結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水COD、氨氮、總氮和總磷濃度分別為200mg/L、48mg/L、48mg/L 和6mg/L 時(shí)，組合工藝的去除率分別為97%、99%、92%和89%，去除效果相較常規(guī)SBR 提升明顯。馬凱將SBR 設(shè)備與垂直流人工濕地結(jié)合考察了其處理效果，結(jié)果表明，在SBR 反應(yīng)器采用間歇性曝氣，曝氣累積時(shí)長(zhǎng)為3h，換水比1:1，人工濕地進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷在20 ～40g·m-3/d 時(shí)組合工藝的處理效果最好，COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別能達(dá)到85.56%、97.76%、68.84%及85.13%。

（2）間歇式雙泥工藝。間歇式雙泥工藝是指將兩種SBR 系統(tǒng)串聯(lián)（如前置A2NSBRN），或者在SBR 基礎(chǔ)上再添加活性污泥反應(yīng)單元（如SBR-BCO），以改進(jìn)SBR 的缺陷。前置A2NSBRN 雙污泥系統(tǒng)污泥將兩套SBR設(shè)備并聯(lián)使用，進(jìn)水先在間歇厭氧-缺氧SBR 中進(jìn)行反硝化除磷，然后在好氧SBR 中進(jìn)行硝化反應(yīng)，以硝化出水作為最終出水，在趙偉華等進(jìn)行的試驗(yàn)中，該工藝對(duì)于COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別可以達(dá)到分別為84.3%，98.4%，76.8% 和93.9%。SBR-BCO 強(qiáng)化除磷如圖，是指將SBR 處理設(shè)備同接觸氧化池（硝化單元）進(jìn)行連接，通過(guò)增設(shè)的硝化單元，在簡(jiǎn)化操作流程的同時(shí)，改善傳統(tǒng)SBR 設(shè)備脫氮除磷效果不理想的問(wèn)題，王松凱考察了該技術(shù)在處理某村居民生活污水的效果，結(jié)果表明，該設(shè)備對(duì)于COD、氨氮、總氮及總磷平均去除率可達(dá)到96.9%、97.56%、60.41%、83.32%（圖1）。

圖1 SBR-BCO 技術(shù)流程示意圖

（3）泥藻共生SBR。泥藻共生SBR 技術(shù)是指將污泥與微藻結(jié)合起來(lái)的污水處理技術(shù)，由于微藻可以利用光能，將無(wú)機(jī)碳及含氮、磷元素的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)合成為細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)，且某些藻類還會(huì)產(chǎn)生過(guò)量吸磷的作用，可以有效彌補(bǔ)SBR 的不足。趙婷婷等人通過(guò)研究低溶解氧條件下泥藻共生SBR 對(duì)農(nóng)村污水的處理效果，發(fā)現(xiàn)在低溶解氧強(qiáng)化反硝化作用的的情況下，相較純污泥體系，采用泥藻共生SBR 技術(shù)使得總氮和總磷的去除率分別提高了48.72%和39.18%；與藻體系相比，泥藻體系中總氮和COD 的去除率分別提高了16.80%和77.35%，并且反硝化除磷菌系統(tǒng)中得到了富集。

2.2 A/O 工藝

A/O 工藝也稱缺氧-好氧工藝，是由缺氧反應(yīng)單元和好氧反應(yīng)單元串聯(lián)而成的工藝。在缺氧池中，微生物以有機(jī)物為碳源，反硝化回流而來(lái)的硝化液，在初步降解有機(jī)物的同時(shí)使氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)饷摮?。在好氧池中，有機(jī)物得到進(jìn)一步降解，氨氮被硝化去除。該工藝在實(shí)現(xiàn)對(duì)污水中有機(jī)物成分有效去除的同時(shí)，降低污水中的氮、磷成分。其主要工藝特點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單，耐沖擊負(fù)荷，適應(yīng)性強(qiáng)，污泥量少，并且可以將水中的含碳有機(jī)物和細(xì)胞內(nèi)源代謝產(chǎn)物作為為碳源，節(jié)省了外加碳源的費(fèi)用。目前，在A/O 工藝的技術(shù)框架下，發(fā)展出多級(jí)A/O，A/O生物接觸氧化，A/O 組合工藝等模式。

（1）轉(zhuǎn)盤式A/O。轉(zhuǎn)盤式A/O，取消了好氧反應(yīng)區(qū)的曝氣設(shè)備，通過(guò)生物裝盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，使附著于其上的微生物達(dá)到好氧缺氧交替的狀態(tài)，在節(jié)省能耗的同時(shí)，達(dá)到間歇性供氧的效果。高曉杰設(shè)計(jì)了一款生物轉(zhuǎn)盤式的A/O 工藝一體化設(shè)備，并嘗試處理了人工配置的模擬農(nóng)村污水，結(jié)果表明，在回流比適宜的情況下，生物轉(zhuǎn)盤式的A/O 設(shè)備對(duì)COD、氨氮和總氮的平均去除率分別可以達(dá)到80%、90%和70%。在夏季水溫適宜微生物生長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備對(duì)COD、氨氮和總氮的去除分別能達(dá)到 89.9%、92.1%和61.3%。

（2）多級(jí)A/O。多級(jí)A/O 是指在傳統(tǒng)A/O 工藝的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加A/O 級(jí)數(shù)并將單點(diǎn)進(jìn)水改為按比例多點(diǎn)進(jìn)水的模式，提高了工藝對(duì)磷的去除率。王國(guó)棟在采用兩級(jí)AO 工藝處理山東省某村生活污水的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)備的水力停留時(shí)間為32h 時(shí)，設(shè)備運(yùn)行效果最好，對(duì)COD、氨氮、總氮及總磷的去除率分別為43.3%、84.8%、54.8%、76.8%。胡雪婷設(shè)計(jì)了一款采用懸浮球填料的跌水復(fù)氧多級(jí)A/O 設(shè)備，并在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)A/O 容積比為0.33，填料填充比為70%，進(jìn)水流量比例為5.4:3.1:1.7:1，且HRT 不小于16h 時(shí)，多級(jí)AO 對(duì)各對(duì)COD、氨氮、總氮及總磷的平均去除率為92.03%、64.59%、47.98%、40.37%。

（3）A/O 生物接觸氧化。A/O 生物接觸氧化是指，在缺氧池，好氧池中投加比表面積大、可以附著較多微生物的生物填料，以達(dá)到減少污泥產(chǎn)量，提高出水水質(zhì)的目的。曹一鳴等人將一體化A/O+顆粒填料技術(shù)應(yīng)用在廣西地區(qū)某鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活污水處理中，并分析了設(shè)備的運(yùn)行效果。結(jié)果表明，該一體化設(shè)施對(duì)COD 去除率穩(wěn)定達(dá)到80%以上，最高達(dá)到90%以上；氨氮去除率穩(wěn)定達(dá)到85%以上，最高達(dá)到96%以上。胡軍福等人采用A/O+柔性生物繩填料處理寧波市某農(nóng)村生活污水，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，出水COD 和氨氮、總磷的質(zhì)量濃度平均可分別降至21.9mg/L 和1.35mg/L、0.09mg/L，均達(dá)到GB 18918-2002 的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)?？偟コ士蛇_(dá)到65.2%。

（4）A/O 組合工藝。目前常用的A/O 組合工藝包括A/O+生物濾池工藝及A/O+人工濕地工藝。朱帥采用A/O+生物濾池工藝工藝，以河南省駐馬店市平輿縣某村的生活污水作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在水溫13 ～20℃，水力負(fù)荷為3.84m3/(m2·d）的運(yùn)行條件下，工藝對(duì)COD、氨氮和總氮的平均去除率分別為80.1%、77.60%和57.98%。氨氮和總氮的出水濃度可以達(dá)到河南省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41/1820-2019）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。張瑞斌等人水廠副產(chǎn)品，鋁污泥作為人工濕地的填料，考察了A/O+人工濕地工藝對(duì)農(nóng)村生活污水的處理效果，結(jié)果表明，工藝對(duì)COD、氨氮、總氮、總磷平均去除率分別達(dá)到82.33%、81.58%、76.22%和86.50%。

2.3 A2/O 工藝

A2/O 工藝由缺氧、厭氧、好氧反應(yīng)單元組成。在不同溶解氧環(huán)境的影響下，三個(gè)區(qū)域產(chǎn)生作用功能不同的菌群，在混合液回流和污泥回流的調(diào)控下，不同菌群相互配合，以達(dá)到脫氮除磷的效果。在A2/O 工藝中。污水在厭氧單元中的進(jìn)行氨化及聚磷菌釋磷，同時(shí)提高廢水的可生化性，為后續(xù)反硝化過(guò)程提供更多可利用碳源。在缺氧單元中硝態(tài)氮被反硝化為氮?dú)鈴乃w中去除，在好氧池中，聚磷菌超量吸磷，同時(shí)硝化細(xì)菌以有機(jī)物為碳源氨氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，之后通過(guò)混合液回流到缺氧池。A2/O 及其改良工藝，由于工藝構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作成本、出水穩(wěn)定，運(yùn)行過(guò)程中不易發(fā)生污泥膨脹等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，在農(nóng)村一體化污水處理設(shè)備中應(yīng)用廣泛。

（1）預(yù)缺氧池+A2/O 工藝。預(yù)缺氧池+A2/O 工藝在傳統(tǒng)A2/O 工藝的前端增加了預(yù)缺氧池，使污染物在預(yù)缺氧池得到初步降解，以提高設(shè)備的去除能力。工藝馬博原研究了該工藝在實(shí)際處理農(nóng)村生活廢水時(shí)的運(yùn)行效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)預(yù)缺氧池候總磷、氨氮、COD 與總氮的出水濃度分別下降了27.42%、24.59%、34.57%與21.22%。在累計(jì)間歇曝氣時(shí)間為16h/d，混合液回流比為200%時(shí)，COD、氨氮、總氮、總磷的平均出水濃度為49.05mg/L、3.67mg/L、14.76mg/L、0.96mg/L 可以達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB52/1424－2019）一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（圖2）。

圖2 預(yù)缺氧池+ A2/O 工藝一體化設(shè)備

（2）A2/O 生物接觸氧化工藝。A2/O 生物接觸氧化工藝，即在A2/O 的好氧區(qū)段，投放生物填料，在曝氣設(shè)備的曝氣推流作用下，池內(nèi)污水始終處于翻流狀態(tài)，翻流過(guò)程中，菌落逐漸吸附累積于填料表面，形成生物膜，之后在生物膜的吸附和代謝作用下提高工藝對(duì)于污染物的去除效果。在此工藝中填料的掛膜速度，與生物吸附量是關(guān)鍵指標(biāo)。在李昀婷的研究中，相較傳統(tǒng)維綸繩填料，聚酯類繩型填料，掛膜快，材料抗腐蝕能力強(qiáng)，且膜生物量大，抗沖擊性較強(qiáng)。在處理污水的實(shí)驗(yàn)中，在工藝HRT 在9h 左右，采用間歇曝氣且曝氣量為15L/min 時(shí)，該設(shè)備對(duì)COD、氨氮、總氮、總磷的平均去除率分別為：87.9%、89.2%、54.3%、47.3%。

（3）A2/O+剩余污泥發(fā)酵組合工藝。由于農(nóng)村污水C/N 比低，且易斷流的問(wèn)題，導(dǎo)致傳統(tǒng)的A2/O 工藝在實(shí)際的農(nóng)村污水治理工程中，氮磷的去除率不理想。A2/O+剩余污泥發(fā)酵組合工藝，將傳統(tǒng)A2/O 工藝與污泥厭氧系統(tǒng)相結(jié)合，將污泥發(fā)酵液和出水混合進(jìn)行回用，以緩解在污水?dāng)嗔髌趦?nèi)生物處理系統(tǒng)的碳源不足，同時(shí)降低剩余污泥產(chǎn)量。在汶麗杰的研究中，將二級(jí)出水與污泥發(fā)酵液以12:1 的比例混合后，具備較好的生化特性，可作為補(bǔ)充碳源在斷流工況下返排至生物系統(tǒng)以強(qiáng)化A2/O 系統(tǒng)的處理效能。在斷流12h 和16h 的情況下，系統(tǒng)對(duì)于COD、氨氮、總氮、總磷的去除率分別可以穩(wěn)定在76.49% ～92.74%、87.38% ～90.49%、64.14% ～76.18%、81.49%～90.00%。

2.4 一體化MBR 工藝

一體化MBR 工藝，是將膜分離技術(shù)與活性污泥法有機(jī)結(jié)合在一起的生物處理技術(shù)，能較好地處理難降解有機(jī)物及病原微生物。工藝通過(guò)膜分離的原理，較好地將混合液與回流污泥分離，提高反應(yīng)單元中的污泥濃度，在強(qiáng)化生物反應(yīng)器處理能力的同時(shí)省去了二沉池，減少了土地的占用。工藝通過(guò)膜分離工藝代替二沉池功能，并各自回流到相應(yīng)的反應(yīng)模塊中。但其投資成本相對(duì)較高，還容易產(chǎn)生膜污染，提高后期維護(hù)的費(fèi)用和難度。目前，農(nóng)村一體化MBR 污水處理設(shè)備以采用厭氧-缺氧-好氧MBR（A2O/MBR）、缺氧-好氧MBR（AO/MBR）、兼氧MBR（FMBR）為主。

（1）A2O/MBR 工藝。A2O/MBR 工藝，是在A2O 工藝中加入膜組件，使工藝在實(shí)現(xiàn)良好固液分離的同時(shí)，增加膜池內(nèi)的污泥濃度。丁毅等人將A2O-MBR 工藝一體化設(shè)備用污水成分主要為生活污水的鄉(xiāng)鎮(zhèn)水環(huán)境治理工程中，結(jié)果表明，該處理工藝對(duì)COD、BOD5、SS、NH3－N、TN、TP 的平均去除率分別為90.0%、98.9%、99.9%、99.7%、78.6%、74.3%，出水水質(zhì)均可穩(wěn)定達(dá)到DB32/3462-2020 一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。在沈正華的研究中，設(shè)計(jì)出一種圓形罐體的以改良A2O-MBR 一體化設(shè)備為核心的組合工藝，設(shè)備自右向左分布分別為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)以及膜反應(yīng)區(qū)，厭氧區(qū)上方的設(shè)備控制區(qū)裝有自吸泵、曝氣風(fēng)機(jī)以及加藥設(shè)備等，儲(chǔ)水區(qū)用于儲(chǔ)存處理后的尾水（圖3）。

圖3 罐式A2O-MBR 工藝一體化設(shè)備

該設(shè)備將傳統(tǒng)的A2O 工藝中的分區(qū)的隔板拆除，在曝氣器中心位置放置MBR 膜組件，污水在曝氣器的曝氣作用下，產(chǎn)生溶解氧差異，在罐體內(nèi)形成局部好氧區(qū)、缺氧區(qū)和厭氧區(qū)，曝氣設(shè)備的推流還使得罐體內(nèi)形成循環(huán)流動(dòng)，在沖刷膜體的同時(shí)，使得膜組件位置形成好氧環(huán)境。該設(shè)備在經(jīng)過(guò)具有深度處理的組合工藝處理后，COD、氨氮、總氮、總磷的去除率分別可以達(dá)到93.28%、99.15%、84.32%、97.64%。

（2）AO/MBR 工藝。AO 生化-MBR 一體化污水處理設(shè)備內(nèi)部按照水流方向設(shè)置了厭氧池、好氧池、MBR 反應(yīng)池，利用AO 工藝缺氧、好氧交替的特點(diǎn)，增強(qiáng)氮磷的去除率。在鄭航宇的研究中，工藝在進(jìn)水C/N 比為5的工況下控制混合液回流比為600%，去除效果最佳，工藝對(duì)于COD 和氨氮的去除效率最高可達(dá)95%以上，總氮和總磷去除效率最高可達(dá)81.9%和81.4%。在張曉飛采用該工藝處理低溫生活污水的實(shí)驗(yàn)中表明，工藝在溫度為7 ～13℃，TN 負(fù)荷為20g/(kg·m3)的工況下，控制回流比為150%、水力停留時(shí)間為18h、污泥濃度濃度6000mg/L 時(shí)，出水COD、氨氮、總氮、總磷的去除率可分別達(dá)到96%、98%、85%、97.5%。

（3）FMBR 工藝。

FMBR 工藝即兼氧MBR 藝，該工藝將膜組件放置在一個(gè)不分區(qū)的兼氧生物反應(yīng)單元之中，反應(yīng)單元的活性污泥中80%約為兼性厭氧菌和厭氧菌，好氧菌僅占菌群總量的10%。FMBR 形成的高濃度污泥能適應(yīng)高濃度廢水并對(duì)COD 有穩(wěn)定良好的處理效果。在天津市某區(qū)農(nóng)村污水治理工程中，劉佳元考察了不同溶解氧濃度下FMBR 工藝對(duì)高濃度生活污水的處理效果。工藝對(duì)COD 去除率始終保持在70%以上，最佳可達(dá)93.82%，對(duì)氨氮、總氮的最大去除率則分別為79.95%、73.82%。在鄒思怡采用該工藝處理養(yǎng)殖廢水的研究中，發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度在0.3mg/L 到1.0mg/L 范圍內(nèi)時(shí)，F(xiàn)MBR 工藝可實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化脫氮，控制水力停留時(shí)間保持在14h 左右，設(shè)備對(duì)COD、氨氮去除率可達(dá)93%、75%，TN 的去除率可達(dá)到78%。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上，一體化水處理設(shè)備工藝的選擇應(yīng)依據(jù)治理工程所處區(qū)域的人口數(shù)量，經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度來(lái)確定。在人口數(shù)量較多、居住集中、污水排放量大的村鎮(zhèn)，采用A2O或AO 類型工藝，無(wú)疑是在節(jié)省土地資源，減少后期維護(hù)困難的較佳選擇。對(duì)于一些有廢舊池塘、荒灘的地區(qū)可以采用一體化設(shè)備結(jié)合人工濕地的處理工藝，以進(jìn)一步提高污水的氮磷去除效果。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，對(duì)出水水質(zhì)要求高的農(nóng)村地區(qū)，有能力保證生物膜工藝維護(hù)更換所需費(fèi)用，可以采用MBR 類型的工藝。

現(xiàn)階段，對(duì)于大多數(shù)的農(nóng)村一體化處理設(shè)施而言，缺少技術(shù)人員實(shí)時(shí)提供支持及污水的斷流問(wèn)題是導(dǎo)致處理效果惡化的主要元兇。因此，未來(lái)水處理設(shè)備應(yīng)向自動(dòng)化的模式發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)在無(wú)人值守情況下的精準(zhǔn)加藥和曝氣。對(duì)于斷流問(wèn)題，應(yīng)研究發(fā)展污泥共發(fā)酵技術(shù)，以使農(nóng)村污水處理設(shè)備達(dá)到其應(yīng)用的處理能力，并且解決剩余污泥處置難題。此外，還應(yīng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)模塊化處理設(shè)備，方便因地制宜的將各種工藝組合使用。最后，在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮采用降低流程復(fù)雜度的改良工藝，如倒置A2O 工藝，取消了內(nèi)回流，在緩解傳統(tǒng)A2O 工藝厭氧段碳源矛盾的同時(shí)降低了設(shè)備使用能耗，未來(lái)可以針對(duì)此工藝設(shè)計(jì)緊湊式水處理設(shè)備，并研究其處理效果。