MFWB工藝強化處理農村生活污水的設計及試驗

宋運學

（太原市環境科學研究院，山西 太原 030002）

近年來，在農村經濟快速發展的同時，農村環境污染問題日漸突出。尤其是未經處理的生活污水的肆意排放，嚴重污染了農村的水生態環境，威脅農村居民的健康生活。因此，研究新的適合農村生活污水特點的處理工藝，提升農村生活污水的處理效果，對農村水環境的改善具有重要的現實意義。

1 農村生活污水基本特征及常見的處理工藝

1.1 基本特征

據調查和研究顯示，不同于工業廢水，農村生活污水的排放和水質水量呈現出特有的特征，具體如下：

1）來源較為簡單，排放量隨時間變化波動明顯。農村生活污水主要是農民在日常生活產生的污水，如，廚房污水、洗滌污水、廁所污水和其他混合污水，來源較為簡單。同時，由于經濟發展水平和生活習慣的差異，農村生活污水排放的時間段較為分散，具有極強的時間分布特征，在早、中、晚3個時間段達到高峰，而在其他時間段極小。

2）每日產量較小，排放范圍廣且分散。我國農村分布方式呈現小規模聚居、大范圍分散的特點，且農村居民的人均用水量低于城市居民，故具有來源分布廣泛、排放點分散以及污水排放量較小的特點。此外，不同時間排放的農村生活污水水質差異也較大。

1.2 常見處理工藝

根據我國農村生活污水特點，常見的處理工藝有好氧生物處理和生態處理兩種［1］。其中，好氧生物處理工藝主要是以活性污泥法和生物膜法為原理，主要有A2／O工藝、生物轉盤、曝氣生物濾池、膜生物反應器等。生態處理工藝的污染物去除機理為土壤、植物及微生物等，主要有穩定塘、人工濕地和土地滲濾系統。

1.3 運行維護管理模式

根據資料統計及實地調研顯示，目前我國農村生活污水主要有屬地管理和第三方運維。其中，第三方運維模式具有技術專業性強、市場化程度較高、運維管理制度建設全面等優點［2］。然而，由于農村生活污水處理設施的分散度極高，且數量龐大，運維公司為確保盈利，無法做到專業運維人員高頻率地對每個站點進行運維，從而在一定程度上影響了農村生活污水處理站點的處理效果。

2 農村生活污水處理效果提升工藝設計

2.1 強化除污工藝設計原理

在眾多農村生活污水處理工藝中，人工濕地的植物系統能有效地將污水中磷進行固定，且兼顧了除磷能力與運維便捷兩個因素，故有較強的除磷優勢。然而，如果水力負荷過高，傳統的人工濕地除磷效果會有明顯的下降，且單純通過擴大濕地面積來提升除磷效果的可行度較低。生物濾池以土壤自凈原理為依據，廣泛運用于農村生活污水處理中，且具有緩沖容量大，耐沖擊負荷能力強，氨氮、COD污染去除效果良好，不產生二次污染等特點，但其除磷效果會逐步下降。

本文根據導致人工濕地污染物去除效率較低的原因，同時基于人工濕地及生物濾池特點進行改進設計，提出一種新型混合流人工濕地－生物過濾復合污水處理工藝（MFWB），以提高農村生活污水的處理效果。工藝具體改進設計如下：

1）采用更高效的功能性填料。為了提升單位濕地面積的污染物去除效率，生物濾池工藝中采用污染物去除效率更高的填料，如，沸石等。

2）增設曝氣系統和循環布水系統。該工藝將增設曝氣系統，將人工濕地劃分為界限清晰的厭氧單元及好氧單元，以進一步提高污水去除效果。同時，將出水以高比例回流垂直布水至填料表層，增加污水中污染物與填料、微生物、植物根系的接觸時間，提高填料利用率。通過垂直流和水平流結合以及多次循環，使循環污水中氮分別在兩個單元多次發生硝化及反硝化作用，以提高去除率。

3）填料模塊化布置。該工藝將設置更多的填料層，同時將填料層表層劃分出植物模塊和強化除磷填料模塊，在后期需要進行植物收割的部分將植物所在的填料同時移除，確保其長期穩定的除磷效果。值得注意的是，植物模塊和強化除磷填料模塊交錯布置，各自分別承擔著不同污染物的去除功能。

2.2 MFWB設計結構

根據以上設計原理，本文設計的新型MFWB工藝的結構主要包括5個部分，具體結構示意圖見圖1。

圖1 新型MFWB工藝運行結構圖

由圖1可知，新型MFWB工藝結構的5個部分分別為循環儲水池、功能填料層（好氧填料層與厭氧填料層）、濕地植物、布水系統和曝氣系統。其中，功能填料層為本次新型MFWB工藝的關鍵結構，除污反應主要發生在其中。具體的除污作用為，好氧填料層下層填料為粒徑3mm～5mm的沸石，起吸附和處理污水中氨氮等作用，上層為交錯分布有強化及植物除磷填料模塊，主要作用為對污水進行除磷等；厭氧填料層為濕地原有的填料層，主要填料為粒徑3cm～5cm的碎石。布水管布置于填料頂部，由穿孔布水管進行均勻布水。曝氣管布置于好氧填料層底部，確保好氧填料層充足的氧氣。循環儲水池布置在濕地的出水方向。

2.3 MFWB工藝運行方式

由圖1可知，本文設計的新型MFWB工藝強化處理農村生活污水的主要步驟為：厭氧處理 好氧處理 厭氧處理。具體運行方式為：進水口 厭氧填料層 循環池 回流泵 人工濕地頂層（均勻布水） 好氧填料層 厭氧填料層 循環多次處理 循環池出口。

3 新型MFWB工藝處理農村生活污水試驗

為了驗證MFWB工藝的應用效果，本文選擇山西晉南某村生活污水處理站點作為試驗改造站點，參考《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB33／937－2015），探討其污染物去除效果分析。

3.1 CODcr去除效果分析

站點CODcr平均進水質量濃度為184mg／L，在改造前去除率僅為12.6%，幾乎沒有去除效果。但進行新型MFWB工藝改造后，采用CODcr快速測定試劑盒（HACH）測得，CODcr總的出水質量濃度為29mg／L，總平均去除率為84.2%，站點對于CODcr的去除效果提升明顯，且總去除率較為穩定，一直穩定在80%以上，出水符合《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A標準。站點CODcr進、出水質量濃度如圖2所示。

圖2 站點CODcr進、出水質量濃度

3.2 TP去除效果分析

站點TP平均進水質量濃度為7.75mg／L，在改造前去除率為14.2%，去除效果較差。但進行新型MFWB工藝改造后，采用過硫酸鉀消解－鉬銻抗分光光度法測得，TP總的出水質量濃度為2.9mg／L，總平均去除率為62.2%，站點對于TP的去除效果提升明顯。值得注意的是，不同于新型MFWB工藝對CODcr的去除，由于進水濃度過高，有效處理面積過小，而MFWB工藝對磷的去除能力是較為固定的，出水僅達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級標準。站點進、出水TP質量濃度如圖3所示。

圖3 站點進、出水TP質量濃度

3.3 NH3－N去除效果分析

站點NH3－N平均進水質量濃度為68.76mg／L，在改造前去除率為15.6%，去除效果較差。但進行新型MFWB工藝改造后，采用納氏試劑分光光度法測得，總的出水質量濃度為16.57mg／L，總平均去除率為75.9%，站點對于TP的去除效果提升明顯。同時，不同于原有的對農村生活污水中NH3－N的去除工藝，可能是由于出水的大量多次回流，使硝化細菌有充足的時間發生硝化作用，改造后的MFWB工藝受溫度和進水濃度的影響較小，對于較高的NH3－N濃度仍保持良好的處理效率，且最終的去除率一直保持較為穩定的狀態，出水能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級標準。站點進、出水NH3－N質量濃度如圖4所示。

圖4 站點進、出水NH3－N質量濃度

3.4 TN去除效果分析

站點TN平均進水質量濃度為69.57mg／L，在改造前去除率為19.6%，去除效果較差。但進行新型MFWB工藝改造后，采用堿性過硫酸鉀消解－紫外分光光度法測得，總的出水質量濃度為33.12mg／L，總平均去除率為52.4%，站點對于TP的去除效果提升明顯。同時，不同于新型MFWB工藝對農村生活污水中CODcr、TP、NH3－N等的去除，改造后的MFWB工藝對TN去除率低于其他三項指標，也不能保持較為穩定的去除率，出水未能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級標準。究其原因可能是，由于污水在回流后并未完全進入厭氧區，導致反硝化反應進行不充足，且TP進水濃度存在極大的波動等原因。站點進、出水TN質量濃度如圖5所示。

圖5 站點進、出水TN質量濃度

4 結論

本文采用MFWB工藝對污染物去除效率較低的人工濕地進行改造，新型MFWB工藝強化處理農村生活污水的主要步驟為：厭氧處理 好氧處理 厭氧處理。總體而言，改造后，CODcr、TP、NH3－N、TN的去除率均得到了大幅度的提升，且出水一直保持在穩定的較低濃度，能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》二級標準。可見，本文改造具有良好效果，建議在相似工藝的處理站點進行推廣。