農村污水一體化設備工藝研究新進展

趙會芳 何國鋼 鐘翔 鄒蓉 張明

(湖南惟創環境科技有限公司，湖南 長沙 410000)

1 農村污水特點的分析及問題

目前，農村經濟發展迅速，農民生活水平大幅提高,但是環境建設卻有一定程度的落后，農村的環境問題也日益凸顯，其中水環境污染問題尤為嚴重。農村生活污水有以下特點。

1.1 農村生活污水水質較為復雜

我國農村大部分地區，供水設施簡單，生活污水一般主要來源于4個方面[1]：廚房污水、洗滌污水、廁所污水、其它廢水，但是這些廢水無分類處理，基本為混合后外排，導致水質較為復雜。對于水質的指標范圍，建設部發布的《分地區農村生活污水處理技術指南》中對于全國不同地區，給出了具體的參考范圍。

1.2 水質水量隨不同地區和時間差異較大

不同地區農村生活污水排放情況因為不同的生活習慣，也存在較大差異，且農村地區生活污水的排放量一般在活動比較集中的時間段污水產生量比較多，其它時間段比較少，污水量在一天中的波動較大。另外，在春夏季節，雨水較多，農村生活污水水質中BOD5、COD、總磷、氨氮等污染物濃度指標均較低，秋冬季節雨水少，污染物含量相對偏高[1]，故對農村污水處理的一體化設備，抗沖擊負荷的能力有一定要求。

表1 分地區農村生活污水污染物指標情況[2]

1.3 農村生活污水管網收集系統不健全[3,4]

農村地區對于污水的收集系統建設很不完善，污水管網設施簡單，大部分是明渠或者沿路邊敷設暗管對污水進行收集，不能實現雨污分流。隨著污染物濃度的降低，污水的處理難度逐步加大，導致排放不達標或者隨意排放，形成惡性循環。

1.4 污水處理設施不能有效運行

設施不能長期有效運行，有較多原因，對于農村污水來說，主要有以下幾個方面：污水處理設施的抗負荷不足，對于農村污水時高時低的進水流量及復雜的進水水質情況，不能很好的適應，導致微生物不能正常生長，污水達不到有效的處理；選擇的污水處理設施運行費用太高，當地政府無法承擔，后期只能癱瘓；后期維護不到位。有些設備需要定期更換藥劑、設施零部件，或者如人工濕地，需要定期清理植被、更換基質等，很多都是簡單處理，長期就造成了設備運行效果越來越差，導致堵死等問題，無法解決。因此，選擇符合當地實際情況的污水處理設施設備并配備一定的技術人員，也是比較重要的問題。

2 污水中各污染物指標的去除機理分析

農村生活污水氮磷含量較高，主要是對氮磷的去除。

對于氮的去除，微生物將污水中的一部分氮(氨氮或有機氮)同化為自身細胞的組成部分，這就是氮的同化作用，同化作用對水中氨氮的去除率可以達到10%～20%左右[5]；硝化反硝化作用，在有氧條件下,通過硝化細菌的作用，將氨氮轉化為硝態氮；在缺氧條件下，反硝化細菌將硝態氮轉化為氮氣，從水中揮發逸出。生物的整個硝化反硝化分解過程，就是微生物在獲取能量的同時分解氨氮從而降低水中污染物的過程。

生物除磷是利用微生物在厭氧狀態下釋放磷，在好氧條件下從外界吸收磷的原理，通過排剩余污泥的方式，將磷從廢水中去除，以達到除磷的效果。對于農村生活污水，在進水COD濃度較低的情況下，可以考慮增設乙酸鈉投加裝置，用以補充碳源，當生物除磷達不到要求時，考慮輔以化學除磷。

3 適合農村污水特點的一體化設備工藝分析

對于農村生活污水的處理，考慮到以上農村污水的特點，一般推薦采用一體化設備處理農村污水，依據的工藝原理主要有以下幾種類型的一體化設備。

3.1 基于改良A2/O工藝的IFAS工藝

3.1.1 工藝原理及特點

IFAS工藝，即生物膜/活性污泥組合工藝(IFAS，integrated fixed-film activated sludge process)，就是將生物膜和懸浮生長的活性污泥合并在一起的一種工藝[6]。IFAS是在原有活性污泥反應器內增加額外生物量，以提高系統的處理能力或提升其性能。在IFAS中使用載體可使有效MLSS的濃度翻倍[7]。

在IFAS工藝中，采用分開硝化，即分別進行硝化和碳氧化。有機碳去除在碳化曝氣區進行，硝化反應在硝化曝氣區進行。2個反應區獨立，更好地避免硝化和碳氧化的相互作用，增加了系統的靈活性和可靠性，使運行達到最佳狀態。

在硝化反應區，硝化細菌為優勢菌體，硝化菌為自養性好氧菌，該區溶解氧在15～20mg·L-1。在反硝化區，反硝化菌為優勢菌體，硝化菌為異養兼性菌，缺氧條件下反應，有機物作為電子供體，硝酸鹽(亞硝酸鹽)作為電子受體，該區溶解氧濃度一般>0.2mg·L-1，C/N>3。

在該工藝中由于有機物去除、氨氧化和硝酸鹽還原彼此之間相對獨立，系統運行的靈活性比較強，有機物降解菌、硝化菌和反硝化菌的生長環境均較佳，因而反應速度快，脫氮效果也比較好[8]。

IFAS工藝的除磷是傳統A2/O工藝的外回流剩余污泥實現，在好氧區加入了懸浮MBBR填料，填料在碳化區約占池容的30%左右，在硝化區約占池容的50%左右，MBBR填料在池內呈懸浮狀態，填料上會形成生物膜，當生物膜達到一定厚度時，氧氣無法向生物膜內層擴散，好氧細菌死亡，兼性細菌和厭氧細菌開始在內層繁殖，形成厭氧層，厭氧細菌在此基礎上繼續發展。釋放磷后，厭氧細菌進入二級好氧區吸收磷，混合液體進入集水區，出水進入沉淀池，通過在排放剩余污泥的方式來除磷。

采用該工藝類型的一體化設備，罐體分區明顯，一般分為厭氧區、缺氧區、碳化區、硝化區、沉淀區，在出水要求較高的地區，可以后端設置后置反硝化區，適當補充碳源，進一步去除氨氮。

該反應器中污泥濃度一般為普通活性污泥法污泥濃度的2～3倍，曝氣池生物質濃度可高達7～10g·L-1。填料生物膜比表面積大，反應器容積負荷高，在相同的負荷條件下IFAS工藝占地較傳統活性污泥法最大能減少40%。對現有污水處理廠升級改造效果顯著，不增加用地面積僅需對現有設施簡單改造，污水處理能力可增加2～3倍，并提高出水水質。

該工藝雖然也是在生物處理過程中添加MBBR填料，但是其與生物接觸氧化法不同，IFAS工藝內部添加了填料，但是其主要的生物處理系統是活性污泥法和生物膜法的結合。生物接觸氧化法工藝對氨氮的去除率達到89%，總氮的去除率達到70%，而一體化IFAS工藝對農村生活污水中有機物及含氮污染物的去除能力結果表明,氨氮去除率達到93%左右，總氮的去除效果達到75%左右[9]，均可以達到城鎮污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)的一級A出水標準。

T Sriwiriyarat,C W Randall等也對IFAS工藝對廢水生物除磷工藝進行了研究，并將強化生物除磷納入了IFAS系統，通過實驗發現，當MCRTs由10d減少到6d時，除磷率僅下降10%，但是當C/P從20到52時，除磷率下降了50%[10]。

3.1.2 工藝流程

圖1 IFAS工藝流程圖

3.2 基于改良A2/O工藝的VFL工藝

3.2.1 工藝原理及特點

VFL(Vertical Flow Labyrinth)工藝，即垂直流迷宮工藝[11]，該技術的基本原理也是基于傳統A2/O的基礎上進行的變形，VFL主要是在厭氧區和缺氧區采用了垂直流迷宮的結構模式，同時設置多點回流，從結構上延長了厭氧區和缺氧區的停留時間及回流次數，大大提高了脫氮效率，同時也有利于除磷，充分利用各區進行微生物反應，有效發揮厭氧區、缺氧區微生物對碳、氮、磷等有機物的利用。

厭氧區和缺氧區的污水采用多格上下折流形式前進，可以增加污水的停留時間，在上下翻流的過程中，污水具有一定的上升流速，帶動污水中的活性污泥上下翻騰，避免了污泥在池底的沉積，最大程度利用污泥與污水的接觸，提高反應器內污泥濃度，一般污泥濃度可以達到5000～6000mg·L-1，大大提高了污水處理效率和設備的抗沖擊能力。

該工藝設置多點回流，具體的回流點包括：厭氧區-缺氧區回流，缺氧區-缺氧區回流，好氧區-缺氧區回流，沉淀區-好氧區回流。并且，多點回流的實現較為簡單，無需拉較長的管線，只需池壁開口，安裝豎管即可。厭氧區-缺氧區回流有利于微生物在厭氧區、缺氧區充分利用碳源，進行脫氮、釋磷，缺氧區-缺氧區回流有利于缺氧區之間水質的均勻混合，好氧區-缺氧區回流相當于A2/O工藝中的內回流，主要是回流污泥混合液進行硝化反硝化作用，沉淀區-好氧區回流，主要是進行剩余污泥的回流。整個大循環，使得反應效率和污泥濃度大幅度提高，處理效率大大增加。

采用該工藝類型的一體化設備，前端無需設置調節池，生化池兼具調節池的功能，后端污泥池與處理區合建，污泥回流也采用氣提回流的形式，整體布置緊湊，可減少占地。抗沖擊負荷能力較強，處理效果較好。池型的靈活度也較高，可以根據場地的具體情況設計成不同的池型結構。抗沖擊負荷能力強，反應器前端脈沖進水，使污水與新補充的污泥混合反應，極限沖擊負荷可以承受200%。系統的污泥回流控制，不斷將污泥輸送到缺氧區中端，重新參與水處理過程，通過這種方式不斷補充流逝的污泥，并降低進水負荷，最大限度地提高反應池抗沖擊能力。VFL工藝具有獨特的污泥循環路線，迷宮部分污泥濃度7～8g·L-1，好氧部分4g·L-1左右[12-16]。使得污水中有機物降解徹底，脫氮除磷作用出色，出水可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級A標準，甚至更好的水質。VFL技術系統簡單，能耗低，日常維護工作量小，VFL技術設備除了污水進口處的提升設備和除砂設施(根據項目需要設置)外，以生化組合池為核心，配套設備只有鼓風機和加藥設備，因此設備的日常維護工作量大幅度減少，能耗最大程度得到節約。

VFL也出現了變形及組合工藝，王展旭等將VFL技術與食泥菌種生物水處理技術相結合，基于魚鰓過濾原理,仿生設計集水自壓分子鰓超濾系統,使外排水質達到人可飲用的國家標準[13]。

3.2.2 工藝流程

圖2 VFL工藝流程圖

4 對農村污水治理的建議及展望

4.1 完善管網，提高污水收集率

完善污水管網建設，提高污水收集率。農村生活污水收集率低是我國大部分地區普遍存在的問題。目前許多地區的生活污水收集管網不斷完善，一些經濟條件較好的新農村已經建設了比較完善的收集處理系統。污水分類收集也是農村污水處理的一種有效途徑。將生活污水中較為干凈的部分分離出來，可以增加污水的處理效率,增加污水的濃度；作簡單處理后就可直接回用或直接外排，一定程度上也減少了處理量和建設運行成本。

4.2 制定有針對性的處理標準[17]

污水處理的排放標準直接影響污水處理設施的工藝選擇和投資規模，間接影響污水處理設施的管理和運行成本。建立合理的污水處理排放標準對農村生活污水處理具有重要意義。近些年，各省份相繼頒布了省內關于農村污水處理的地方標準，如湖南省2019年出臺的地標《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》DB43/1665-2019。但總體而言，大部分農村生活污水的處理和排放標準仍缺乏標準化。建立合理的農村污水排放標準，明確農村污水處理目標，制定不同的排放標準以適應不同地區的差異，根據污水的用途和目的地靈活選擇排放標準，以平衡水環境質量要求、建設投資和運行費用。

4.3 合理選擇污水處理技術

農村生活污水處理技術多種多樣且成熟，但只有因地制宜的處理技術才能真正達到控制農村水污染的目的。污水處理技術在篩選的時候，要根據不同地區農村污水的水質水量及政府能夠維持的運營建設成本進行選擇，對于人口較多、布局緊湊、污水可集中處理的地區，宜選用多級生物接觸氧化工藝或活性污泥法進行處理，對于污水集中不易收集的處理區域應采用靈活的分布式處理技術，可以采用小噸位處理規模的單戶罐設備，對于有廢舊池塘等可以利用或者土地較為充足的地區，可以考慮人工濕地等技術。此外，還要根據不同的水質處理工藝及出水要求，進行工藝的選擇，污水中的氮、磷和其它營養素應該為主要控制指標,選擇合適的脫氮和除磷技術，在選擇農村生活污水處理工藝時，不僅要考慮處理效果和成本，還要考慮該工藝的適用性。

4.4 加強對污水處理設施的運行維護和管理[18]

為了維持污水處理設施的長期有效運行，需要長期穩定的資金投入，以滿足污水處理系統運行的日常維護和定期檢查工作，加大對農村環境綜合整治的支持力度，完善污水處理設施和配套管網建設，提高污水處理率，完善地方財政對污水處理設施的建設和日常運行維護的資金來源。加大宣傳力度，提高農村居民的環境責任意識，并為污水收集處理設施的建設和維護提供支持。