AO與后置生物濾池工藝在村鎮污水處理中的應用

李 媛，孫 捷，張永來，孫明恩，程素斌

(1. 蘇州首創嘉凈環保科技股份有限公司，江蘇蘇州 215126； 2. 同濟大學土木工程學院，上海 200092；3. 江蘇省蘇州環境監測中心，江蘇蘇州 215126； 4. 江蘇佳信檢測技術有限公司，江蘇蘇州 215126)

據統計，目前我國有4萬多個鄉鎮，60多萬個行政村和272.98萬個自然村，僅有19.4%的鄉鎮生活污水被集中處理，96%的村莊沒有污水收集和處理系統。大量未經處理的生活污水直接排入水體，導致河流、湖泊、地下水等水質顯著下降，造成村鎮生態環境嚴重惡化[1]。因此，在農村推廣生活污水處理設備尤為重要，對改善村鎮水環境、居民生活環境具有重大意義[2]。

村鎮生活污水常見的處理模式有一體化污水處理設備、人工濕地污水處理系統和土壤滲濾污水處理系統[3-7]。其中，一體化污水處理設備是目前國內村鎮污水處理應用較多的一種處理模式。然而，由于村鎮居民居住分散、污水水質水量波動大、季節性差異較大等原因[8]，一體化污水處理設備出水難以穩定達標。

針對此現象，在蘇南某農村選取3臺一體化生活污水處理設備(10 t/d)進行水質跟蹤，并做相應提升改造，旨在為村鎮一體化生活污水處理設備的有效應用提供技術支撐。生態濾池有效提升了一體化生活污水處理站區出水水質，進一步將此技術應用到200 t/d生活污水處理站區，并對運營成本進行核算。

1 材料與方法

1.1 一體化生活污水處理設備工藝流程

一體化生活污水處理設備工藝流程如圖1所示，原水經土建調節池調節水質水量后，通過提升泵提升進入設備中。設備采用AO工藝，先缺氧后好氧，在缺氧區設鮑爾環填料，利用缺氧填料上附著生長的微生物，初步去除污水中可生化降解的污染物，同時，充分利用原水中的有機物作為反硝化的碳源，對好氧區回流的硝化液進行反硝化脫氮。缺氧區水力停留時間(HRT)為8 h，采用鮑爾環填料，填充比為40%，硝化液回流比可通過閥門進行控制，為2Q～4Q(Q為進水流量)。

圖1 一體化生活污水處理設備流程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Integrated Domestic Sewage Treatment Plant

好氧區投放生物填料，在曝氣攪動下，生物填料呈流化狀態，在水中上下波動并切割氣泡，延長氣泡在水中的停留時間。在與污水和氣泡充分接觸過程中，填料上附著生長一層微生物，形成穩定的生物膜，從而大量降解水中的有機物，并將氨氮轉化為硝態氮。同時，在好氧區設氣提泵，將好氧硝化液定量回流到缺氧調節區，使硝化液在缺氧區發生反硝化反應去除水中的TN。好氧區HRT為15 h，采用PE填料，填充比為40%，該區DO控制在4 mg/L以上。

經過好氧區處理后，進入沉淀區沉淀水中的懸浮物，沉積在底部的污泥通過氣提泵定期氣提，回流到缺氧調節區或土建調節池中，沉淀池HRT為3.3 h。

對于村鎮生活污水處理設備，由于站區分布分散，為減少運營維護時間及保證出水TP穩定達標，多采用加藥除磷方式。

1.2 進水水質情況及檢測方法

各站區進水情況如表1所示。

表1 各站區進水情況Tab.1 Influent Water Quality of Each Station

主要檢測指標為COD、氨氮、TN、pH、DO，均采用國標法檢測。

1.3 水質提升改造措施

對集中式生活污水一體化站區水質進行跟蹤，發現出水COD、氨氮、TN仍難以穩定達標，因此，于2019年4月起，采用如下措施對出水水質進行提升。并于2019年11月起，對冬季條件下改造后的集中式生活污水站區處理情況進行跟蹤對比。

圖2為改造后的站區外觀圖。原有的一體化污水處理設備為地埋式，僅電控柜放置在地面上，站區水質改造加裝過濾裝置置于地面，有利于利用光照,保證水生植物的生長及TN去除。主要改造措施如下。

圖2 站區外觀Fig.2 Appearance of Integrated Domestic Sewage Treatment Station

(1)原設備缺氧池布置9個點穿孔曝氣，DO控制在0.5 mg/L以下，主要目的為攪動隔板底部污泥，保證缺氧段反硝化完成。

(2)沉淀池底部設置微孔曝氣，DO控制在1 mg/L以下，以不攪動中上部污水為主，主要目的為改善沉淀池底部污泥特性，防止污泥反硝化上浮，影響出水水質。

(3)后置濾池采用組裝形式，根據進水水質情況，設置2～3組，其中1～2組出水至站區好氧區，用于延長好氧區HRT，保證COD及氨氮穩定達標，1組用于站區出水池。濾池與好氧池容積比為1∶3，對于10 t/d站區，HRT延長約5 h。此處濾池容積的選擇可與相應的進水水質對應。

(4)濾池進水為沉淀池中上部清水，采用小型水泵間歇或連續運行。

(5)加自培混合菌種及光合細菌，加快及維持設備穩定運行。

(6)濾池上方種植水生植物及小球藻等藻種，試驗階段選取水生植物為水芙蓉及銅錢草，用于促進TN去除。

2 結果與討論

2.1 水質指標變化情況

2.1.1 CODCr

由圖3可知，站區進水濃度波動較大，給一體化生活污水處理設備的耐沖擊負荷能力帶來很大挑戰。A站區進水CODCr質量濃度高達614 mg/L左右，且總體進水濃度高于其他站區，這是由于該站區進水納入公廁污水。因此，該站區在改造前處理能力較差，出水CODCr質量濃度在100 mg/L以上。經過改造，該站區出水水質得到顯著提升，在進水CODCr質量濃度為389 mg/L時，出水CODCr質量濃度可降至51 mg/L，去除率為86.9%。當進水CODCr質量濃度低于300 mg/L時，出水COD達到城鎮污水處理廠污水排放一級A標準。

圖3 CODCr去除變化Fig.3 Changes of CODCr Removal during Operation

B站區改造前，CODCr平均去除率約為58%，改造后，COD平均去除率提高至77.7%。后置濾池的增加，使出水穩定性得到顯著提高，從7月開始，出水CODCr質量濃度保持在35 mg/L以下，且出水清亮。

由圖3可知，C站區整體進水濃度較低，改造前進水COD雖有部分去除，但出水COD仍較高。改造后，該站區平均COD去除率為78.5%，在進水CODCr質量濃度低于203 mg/L時，出水CODCr質量濃度均在20 mg/L以下，出水水質得到顯著提升。

需要說明的是，改造措施中，攪動缺氧池底部污泥，保證反硝化作用的實現，亦對COD去除起了不可忽視的作用。改造前，缺氧區底部污泥沉積，尚未有效發揮作用，也導致設備容積有效利用率較低，污染物去除效果較差。

為考察生態濾床冬季處理效果，2019年11月起對該站區運行效果持續跟蹤。由圖3可知，3個站區在冬季仍有較好的去除率，COD平均去除率分別為79.98%、83.08%、77.24%。分析原因認為，一是站區前端為地埋設備，水溫約為15 ℃，提升至后置生態濾床中，微生物依然具有活性；二是所選生態植物在冬季仍具有較好的生存能力；三是冬季在生態濾床中添加低溫藻種，保證及促進TN的有效去除。

2.1.2 氨氮

從圖4可知，由于公廁污水的進入，A站區進水氨氮質量濃度高達268 mg/L，雖然如此，后置濾池增加了硝化能力，使出水氨氮質量濃度降至13 mg/L，去除率高達94.9%。改造后，在進水氨氮質量濃度為100 mg/L以上時，出水氨氮質量濃度在10～12 mg/L；在進水氨氮質量濃度低于100 mg/L時，出水氨氮質量濃度均在9.7 mg/L以下；氨氮平均去除率為91.0%。

圖4 氨氮去除變化Fig.4 Changes of Ammonia Nitrogen Removal during Operation

改造前，B、C站區對氨氮去除率均較差，而改造后，氨氮去除率得到顯著提升。B站區氨氮平均去除率提升至88.8%，出水氨氮質量濃度均在8 mg/L以下。C站區氨氮平均去除率提升至97.3%，在進水氨氮質量濃度低于30 mg/L時，出水氨氮質量濃度均在0.5 mg/L以下。

由圖3和圖4可知，在改造前，各站區氨氮去除率較低，改造后COD得到去除，氨氮的降解變得可行。一方面表明COD與氨氮的降解呈順序相關，即只有COD較低時，硝化作用才會發生，這也與硝化菌世代期較長有關；另一方面表明原有設備的HRT不夠，僅夠碳化作用的發生，設備硝化不足。通過后置濾池的增設，不僅增加了站區總HRT，也使得氨氮在濾池里發生硝化反應。

在冬季，由于前端設備為地埋式，一體化設備內微生物活性依然較好，加之后端生態植物及低溫藻種的作用，氨氮的去除率相較于夏季較低，但仍在86.12%以上，且在進水氨氮質量濃度低于50 mg/L時，出水氨氮質量濃度低于8 mg/L，可穩定達到城鎮污水處理廠污水排放一級A標準。

2.1.3 TN

圖5為改造前后TN去除變化情況，改造前TN去除率不足10%，經改造，系統在好氧區降低有機負荷，有利于硝化細菌將氨氮轉化硝酸鹽，再經缺氧反硝化增強系統的脫氮效能[9]。經改造，TN去除率得到大幅提高，3個站區TN平均去除率分別為67.1%、47.6%和50.8%。在反硝化的同時，COD去除率也得到了提高(圖3)。值得注意的是，南方地區5月—9月適宜的溫度及光照條件，使濾池上方水生植物及藻類對TN去除起到了很大的促進作用。在冬季，由于生態植物及低溫藻種的作用，3個站區的TN依然具有較好的去除效果。

圖5 TN去除變化Fig.5 Changes of TN Removal during Operation

綜合來看，由于改造后系統的穩定性和耐沖擊性增強，在冬季，雖然各污染物的處理效率較夏季稍有降低，但降幅較小，且出水數據穩定，遠高于未改造時出水情況。表明即使在溫度低的情況下，改造措施與后置生態濾池的配合可以達到水質提升的效果，體現了該工藝的可行性。

2.1.4 濾池及運營維護情況

由于村鎮生活污水處理站區分散，對運營維護提出較高的要求。采取上述改造措施后：(1)缺氧池底部污泥攪動提高了缺氧池利用效率，沉淀池底部微曝氣亦有效改善了浮泥現象，同時，有利于污泥回流至缺氧池進行反硝化，上述措施均對站區TN去除起了很大作用；(2)后置濾池的設置大大強化了設備的硝化能力，實現了硝化菌與碳化菌的分離，完全硝化后的硝化液回流至缺氧池，加之完全混合的泥水狀態，保證了TN有效去除；(3)后置濾池頂部利用光照，培養銅錢草、光合細菌等，進一步為TN穩定去除提供保障；(4)該后置濾池與常規生活污水廠反硝化濾池的不同之處在于上部植物的設置，其根莖可有效吸附沉淀池帶來的懸浮物，一方面起生物膜作用，另一方面可凈化水質，延緩濾池反沖洗維護時間，根據原水水質情況，該濾池反沖洗時間為3～4周。

2.2 200 t/d一體化污水處理設備水質提升效果

根據前期良好的污染物去除效果,為進一步驗證改造模式的可實施性，于2019年8月起，將該改造模式應用至200 t/d站區。該站區位于江蘇省蘇北某縣，采用小型人工濕地(占地約50 m2)模式，淺灘區種植粉綠狐尾藻或其他水生植物，提升水質的同時增強站區景觀效果。其次，考慮到大站區運營費用及成本問題，采用兩種進水模式進行對比。

(1)模式Ⅰ：持續運行(HRT=6 h)，濾池一直處于運行狀態。優點為處理效果好，出水水質能夠達到一級A標準；缺點為能耗大，不利于節能，好氧池處于半空狀態。

(2)模式Ⅱ：3次/d運行(HRT=2.2 h)，根據村鎮居民普遍生活習慣，在高峰污水到達前提前將設備中的水抽入外接濾池。優點為出水水質能夠達到城鎮污水處理廠污水排放一級A標準，與持續運行模式相比，運行成本降低60%以上，更好地耐受了農村污水不穩定進水的沖擊。

2.2.1 水質指標

圖6為該站區穩定運行后，兩種模式下COD去除變化情況。與10 t/d站區相比，200 t/d站區進水水質較穩定，且濃度較低，進水CODCr質量濃度在200 mg/L以下。由圖6可知，兩種模式下，站區出水CODCr質量濃度均已達到城鎮污水處理廠污水排放一級A標準，COD平均去除率分別為89.9%和88.9%。兩種模式下的氨氮平均進水質量濃度為25 mg/L，平均去除率分別為91.7%和91.3%，模式Ⅰ氨氮去除率略高(圖7)。

圖6 兩種模式下CODCr去除變化Fig.6 Changes of CODCr Removal under Two Operation Modes

圖7 兩種運行模式下氨氮去除變化Fig.7 Changes of Ammonia Nitrogen Removal under Two Operation Modes

由圖8可知，兩種模式下，該站區TN去除率分別為90.7%和89.9%，表明該站區反硝化效果很好，與COD、氨氮去除率較高相一致。此外，后接濕地中水生植物生長對TN的去除亦有不可忽視的作用，濕地內植物生長情況如圖9所示。由圖9可知，濕地處理后出水清澈無味，且站區風景宜人，景觀狀態良好。

圖8 兩種運行模式下TN去除變化Fig.8 Changes of TN Removal under Two Operation Modes

圖9 濕地植物生長情況Fig.9 Plant Growth Situation in Wetlands

2.2.2 運行成本核算

模式Ⅰ后置濕地進水泵采取連續運行模式，即跟一體化設備進水模式相匹配；模式Ⅱ后置濕地進水泵開啟與一體化設備進水高峰期相一致，更好地緩解了進水對一體化生活污水處理設備帶來的沖擊，并能快速對污染物進行吸附降解，保證出水穩定及達標。

雖然模式Ⅰ各污染物指標的去除率略高，然而該模式運營成本較高，如表2所示，此模式下用電為12.960 kW·h/d，模式Ⅱ用電為4.752 kW·h/d，節約用電達到63.33%，可節省用電成本8.208元/d。

表2 運行成本核算Tab.2 Operating Cost

綜合來看，水質提升改造后雖然建設成本約增加5%，運行成本約增加2%，然而濕地的存在更好地適應了進水帶來的沖擊，保證站區運行穩定，使得站區檢修率下降80%，水質達標率100%。對于一體化生活污水處理站區而言，該水質提升方案簡單、有效、可行。

3 結論

(1)相比于200 t/d站區，10 t/d站區進水濃度波動更大，需要一體化生活污水處理設備具有更強的耐負荷沖擊能力。

(2)在設備的缺氧區底部增設污泥攪動并后置生物濾池，可顯著提高設備對TN的去除率。

(3)沉淀池底部污泥微供氧可有效改善污泥上浮問題，降低后置濾池進水水質SS含量，減輕濾池壓力及反沖周期。

(4)后置濾池的增設，有效增加了站區總體HRT，在優先保證COD去除的同時，強化了氨氮及TN的去除，改造站區出水水質均可穩定達標。在冬季，依賴于生態濾床及低溫藻種的作用，站區各水質指標仍可以穩定去除。

(5)對于用地要求不嚴的地區，在一體化生活污水處理設施后端增設人工濕地可以有效提升水質。雖然站區的建設成本和運行成本分別增加5%和2%，但檢修率下降80%，水質達標率提高至100%。