農村生活污水處理設備工藝及原理分析

黃安濤 ，劉君 ，邱敬賢 ，黃獻

（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）工業(yè)技術研究院，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注，各種環(huán)保政策相繼出臺，重點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)村建設的推進，顯著促進了農村經(jīng)濟的發(fā)展，農村環(huán)境問題也日益嚴峻[2]。為實現(xiàn)農村環(huán)境保護與農村經(jīng)濟同步發(fā)展，《全國農村環(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]，進一步強調了鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境的重要性；2018年5月，李克強總理在“全國生態(tài)環(huán)境保護大會”上指出：以農村垃圾、污水治理和村容村貌提升為主攻方向，推進鄉(xiāng)村環(huán)境綜合整治，國家對農村的投入要向這方面傾斜。利好政策正助力我國農村環(huán)境產業(yè)的迅速發(fā)展。

而農村生活污水基礎設施并不完善，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、坑塘或農田土壤，從而進一步污染周邊環(huán)境，甚至危害人體健康[4]。由于農村地勢不平坦、農戶分散、鋪設管網(wǎng)困難，分散式農村一體化生活污水處理設備快速被推向市場，并得到了廣泛應用。而一體化設備處理工藝不一，出水也受到不同工藝參數(shù)的影響，使得一體化設備在農村地區(qū)的推廣受到一定限制。

1 生活污水一體化設備工藝論證

1.1 污水可生化性分析

所謂污水可生化性的實質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結構。污水生物處理是微生物以污水中所含有機污染物作為營養(yǎng)源，經(jīng)過代謝活動去除水體中的污染物。故應先對污水中有機物含量進行判斷，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指標，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。事實上，生物處理并不要求將有機物全部分解成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。當前，分散式污水處理設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)對應的功能區(qū)，在不同微生物菌群作用下，使污水中的有機物和氮/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)反硝化細菌將NO2-和NO3-還原為N2，達到生物脫氮的目的。如圖1b通過除磷機理的把握，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生能量可加快有機物的降解，而后直接進入好氧區(qū)，形成“饑餓效益”，再通過污泥沉淀達到生物除磷的目的。

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，進一步提高了脫氮除磷的效果。該工藝路線簡單,運行成熟良好，已被國內外廣泛使用。

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，進一步加強了系統(tǒng)的脫氮能力；聚磷菌厭氧釋磷后直接進入好氧環(huán)境，“饑餓效應”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入?yún)捬醭兀偻ㄟ^內回流從缺氧區(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，使各污染物在去除的過程中不相互干擾，甚至達到協(xié)同的處理效率，但在選擇工藝或改進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行反應，減少了占地和污泥回流的程序，進一步從結構上優(yōu)化了活性污泥工藝。也在不斷地改進過程中將池體通過隔板隔開以提高工藝負荷。

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（進水—反應—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池結構原理圖

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)和預反應區(qū)，能連續(xù)進水，提高了該池體的抗負荷能力。其流程見圖6。

圖6 CASS池結構原理圖

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，最大特點是：在反應器進水端設一個預反應區(qū)，整個處理過程連續(xù)進水，間歇排水，其流程見圖7。

圖7 ICEAS池結構原理圖

1.3 各一體化設備工藝對比分析

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上衍生轉變而來，各具特色，又承接了活性污泥的機理。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充分考慮水質水量、經(jīng)濟條件及管理水平，優(yōu)先選用具有技術成熟可靠、微動力、低投入、占地少等特點的污水處理工藝。

針對不同的水質水量和環(huán)境場地，選取適宜的處理工藝進行裝備化是當前分散式農村生活污水處理的熱點。各工藝進行比較，見表1，A/O系列工藝占地大，不能達到同時脫氮除磷的效果；SBR系列則由于出水需采用潷水器，維護和建設成本高；這兩個系列的工藝對經(jīng)濟落后、出水標準越來越嚴格的農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，且可通過設備的結構設計和優(yōu)化能提高污水處理效果而被廣泛應用和改進，如在各池中添加各類生物填料等，已成為當前分散式農村生活污水一體化設備中的熱門工藝。

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。其中無機污染物不能被消除，只能沉淀去除；有機物則能被相應的微生物降解徹底消除。各污染物的去除機理詳細介紹如下。

2.1 SS的去除

農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，通過細格柵攔截下來，充分降低了生物處理的固體負荷。小顆粒有機物靠微生物的降解作用去除，而無機物（包括尺度大小在膠體和亞膠體范圍內的無機顆粒）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物去除效率，微生物代謝消耗污水中的有機物，在厭氧或者缺氧狀態(tài)下，微生物將大分子有機物轉化成小分子有機物；隨后進入好氧狀態(tài)將小分子有機物轉化成CO2和H2O等穩(wěn)定物質，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)濟和常用的方法。且從經(jīng)濟、管理等方面考慮，物理化學法去除氨氮不適宜農村生活污水。生物法在分解有機物的同時，有機氮也被分解成氨氮，在溶解氧充足、泥齡較長的情況下，進一步被氧化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，通常稱之為硝化過程。其反應方程式如下：

第一步反應靠亞硝化菌完成，第二步反應靠硝化菌完成，總的反應為：

2.4 TN的去除

TN去除機理如反應方程式如下：

NH3-N經(jīng)好氧過程被去除后直接轉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化成氮氣（N2）后才能達到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除磷兩大類。其中化學除磷工藝簡單、處理效率高，除加藥設備外不需要增設其他設施，因此適用于舊廠改造。但化學除磷藥劑消耗量大、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），但采用單獨生物除磷很難實現(xiàn)出水含磷量＜0.5 mg/L（一級A標），若要求需要達到該標準，則需輔以化學除磷裝置。

3 結論

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