高效智能化鄉鎮污水處理一體化設備及應用

羅豐，陳婷，吉強，胡志武

（1.湖南伍玖環保科技發展有限公司，長沙 410100；2.永清環保股份有限公司，長沙 410300）

隨著我國經濟的飛速發展及人民生活水平的提高，水環境污染問題也日趨嚴重[1-3]，近些年頻頻出現水體富營養化、黑臭水體等現象。我國鄉鎮生活污水治理起步較晚，由于環保意識滯后、資金投入不足、鄉鎮污染物排放標準欠缺等原因，目前我國鄉鎮水體污染十分嚴重[4]。鄉鎮污水主要包括沖廁用水、廚房用水、洗浴用水、洗衣用水等，污染物成分相對簡單，但由于鄉鎮生活污水水質、水量變化大，碳氮比較低，導致許多一體化污水處理設施對污染物的去除效果不佳[5]。因此，根據鄉鎮生活污水的特點，開發經濟高效的生物脫氮除磷技術已經成為污水處理領域的一大熱點[6]。

鄉鎮生活污水的主要特征是處理率低、污水間歇排放、排量少且分散、氮磷濃度高，并且含有大量的營養鹽、細菌、病毒，這些因素給鄉鎮污水的收集和處理帶來了一定難度。當前，很多傳統鄉鎮污水處理工藝較為復雜、維護難度高、運行成本高、需人員定期管理[7]。雖然，國內一體化污水處理設備應用較為廣泛，但處理工藝存在一些不足，使其在農村地區的推廣應用受到限制[8-9]。因此，開展適合于我國國情且擁有自主知識產權的實用型、經濟型、節能型、智能型鄉鎮污水處理一體化設備與技術的研究，將對我國鄉鎮污水治理領域的技術裝備水平提升、產業化推廣起到推動作用。

1 工程概況

本項目為湖南省某鎮600m3/d 污水處理工程，污水主要是當地居民排放的生活污水。生活污水中含有較多的有機物，如蛋白質、脂肪、淀粉、糖類、纖維素等，還含有氮、硫、磷等無機鹽類，以及多種微生物、病原體。污水如果不經處理直接排放會嚴重威脅當地的生態環境和地表水水質，造成水體富營養化、藻類大量繁殖、水體水質惡化，影響當地居民生活。

本項目污水經新建污水處理站（處理能力600m3/d）處理后可達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中一級A 標準。

2 污水處理工藝分析比選

2.1 A2/O 主體工藝

A2/O 工藝是一種典型的除磷脫氮工藝，其生物反應池由厭氧、缺氧和好氧三段組成。A2/O 是一種推流式的前置反硝化型工藝，其特點是厭氧、缺氧和好氧三段功能明確，界線分明，可根據進水條件和出水要求，控制三段的時空比例和運轉條件，只要碳源充足，即總氮/五日生化需氧量（TN/BOD5）≥4，便可根據需要達到比較高的脫氮率。

2.2 MBR 主體工藝

MBR 為膜生物反應器（membrane bio-reactor）的簡稱，是一種將膜分離技術與生物技術有機結合的新型水處理技術，它綜合了兩種處理技術的優點，以微濾膜組件取代傳統的二沉池作為泥水分離單元，微濾膜截留活性污泥混合液中的微生物絮體和懸浮物，使生物反應器內維持高生物濃度且延長有機固體停留時間，大大提高了微生物對有機物的氧化效率，可以獲得高質量的出水水質。

3 設備工藝技術的選擇及關鍵系統設計

3.1 “A3/O+生物移動床反應器（MBBR）+纖維過濾”污水處理工藝

為避免傳統A2/O 工藝回流污泥硝酸鹽對厭氧池放磷的影響，采用一種新的碳源分配方式。在傳統A2/O 工藝的基礎上增設一個預脫硝段，微生物以進入水中的有機物作為碳源，以回流污泥中的硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮作為電子受體進行反硝化脫氮，從而消除了厭氧段存在的大量硝酸鹽氮及亞硝酸鹽氮對聚磷菌厭氧釋磷產生的抑制作用。此外，通過向預脫硝段、厭氧段及缺氧段多點配水，有效平衡了缺氧區反硝化脫氮及厭氧段生物釋磷的碳源需求，從而加強了工藝控制的靈活性。A3/O 工藝采用矩形的生物池，設預脫硝段、厭氧段、缺氧段及好氧段，用隔墻分開，水流為推流式。預脫硝段、厭氧段、缺氧段設置水下攪拌器，好氧段設微孔曝氣系統。

本項目自主創新改良的“A3/O+MBBR+纖維過濾”工藝兼具傳統流化床和生物接觸氧化法兩者的優點，是一種新型高效的污水處理方法，依靠曝氣池內的曝氣和水流的提升作用可使載體處于流化狀態，進而形成懸浮生長的活性污泥和附著生長的生物膜，充分發揮了附著相和懸浮相生物的優越性，同時通過多段式分配進水，強化了脫氮除磷效果，有效解決了鄉鎮生活污水進水化學需氧量（COD）濃度低而導致氨氮（NH3-N）難去除的問題，該設備出水可達到準四類/一級A 排放標準。總體工藝路線如圖1所示。

圖1 高效智能化鄉鎮污水處理一體化設備工藝路線圖

3.2 設備關鍵系統設計

高效智能化鄉鎮污水處理一體化設備主要由各工藝段、曝氣系統、加藥系統、沉淀過濾系統、進出水系統、智能控制等關鍵系統組成。設備整體采用集裝箱式結構，二次污染控制水平高，可實現快速安裝轉場。設備總體結構如圖2 所示。

圖2 高效智能化鄉鎮污水處理一體化設備總體結構圖

3.2.1 各工藝段設計

單套一體化設備設計規模為200m3/d，尺寸為16.0m×3.0m×3.0m，池深3.0m，有效水深為2.7m。設備由預脫硝池、厭氧池、缺氧池、好氧池四部分組成，總停留時間15h，生化停留時間9.66h，需氣量1.82m3/min，其中混合液懸浮固體濃度取3000mg/L，BOD5污泥負荷取0.12kgBOD5/（kgMLSS·d）。各段停留時間為0.7h、2.1h、2.7h、9.5h，污泥回流比100%，混合液回流比200%。設計水質見表1。

表1 設計水質參數

在預脫硝池、厭氧池、缺氧池內設置潛水攪拌機，好氧池末端設置內回流泵，設備總運行功率為5.75kW。

3.2.2 多段式分配進水系統

鄉鎮生活污水普遍存在進水COD 濃度偏低的問題，往往在100mg/L 以內，但是NH3-N 濃度卻在30mg/L 以上，這就導致進水的碳氮比失衡，造成工藝內部碳源不足無法去除總氮（TN）。傳統的解決辦法是增加碳源，但是會造成運行成本升高。本項目通過向預脫硝段、厭氧段及缺氧段多點配水，有效平衡了缺氧區反硝化脫氮及厭氧段生物釋磷的碳源需求，從而加強了工藝控制的靈活性，確保了總氮的有效去除，降低了運行成本。多段式分配進水工藝流程見圖3。

圖3 多段式分配進水工藝流程圖

3.2.3 藥劑輸送與計量系統

藥劑輸送和計量系統采用計量泵進行精準配送，并且在程序上與整個系統聯動，加藥系統自動匹配進水程序，實現同步運行和精準計量，從而避免了藥劑浪費，降低運行成本。

3.2.4 智能控制系統

設備配置了全流程智能控制系統，包括設備遠程綜合管理系統，可實現遠程監控、故障預警，為設備遠程故障診斷帶來了便利，同時也大大降低了設備維護和售后成本。系統主控界面采用智能化動態3D 顯示，根據進水各項指標濃度的不同，自動調節處理工藝，實現進水→預脫硝→厭氧→缺氧→好氧→沉淀→過濾→消毒→出水的全過程控制。控制精度高，可追溯性好，施工數據（如日處理量、藥劑添加量）可實時存儲、顯示和打印，便于過程管控和數據追查。系統可提供云端數據存儲、實時推送、大數據分析等服務。

3.2.5 主要技術參數

高效智能化鄉鎮污水處理一體化設備主要參數見表2。

表2 高效智能化鄉鎮污水處理一體化設備主要參數表

3.2.6 項目運行情況

項目實施過程中，一體化設備連續穩定運行時間已達1 年，每月抽查水質數據均100%達標。設備采用模塊化設計，安裝、調試便捷。設備創新設計了處理工藝和多段式分配進水，在鄉鎮污水進水濃度不高的情況下能有效保障出水達標排放。目前，項目已順利通過驗收。

出水水質情況如表3 所示，COD、TN 去除效果如圖4 所示（在不同的時間點取5 次水樣進行數據分析）。

圖4 COD、TN 去除效果

表3 項目設備運行記錄

4 結語

項目基于自主創新改良的“A3/O+MBBR+纖維過濾”工藝，成功研制了智能化、模塊化、集成化的高效污水處理一體化設備，工藝設計上實現了進水→預脫硝→厭氧→缺氧→好氧→沉淀→過濾→消毒→出水的全過程集成。設備創新設計了一體化集裝箱式結構模塊、多段式分配進水核心技術、全自動藥劑計量與輸送系統，并采用了全過程智能控制技術等，在鄉鎮污水得到高效智能化處理的同時，降低了處理成本，避免了二次污染。工藝及設備技術先進，運行可靠穩定，適用于我國鄉鎮污水的高效穩定治理。