農村生活污水一體化處理設備建設實踐和運行數據分析

羅偉

（南京萬德斯環保科技股份有限公司，江蘇南京 210000）

1 引言

我國幅員遼闊，截至2016 年，我國農村、城鄉接合部和小城鎮人口仍占全國人口60%以上，總數在8 億人以上［1］。廣大農村及城鄉接合部遠離城區，除了少數經濟發達地區之外，絕大多數居民生活污水沒有經過統一的收集和處理，自然就近排放到河湖。由于上述地區數量眾多，污染物排放總量很大，對河流和湖泊的生態環境威脅不容忽視［1-2］。

在農村、城鄉接合部等地區，村民住房與農田以及自然水體等區域交錯分布，其生活污水的產生和排放廣泛而分散，由于缺乏統一收集和管理，雨污混流，其排放多呈現出無組織、不穩定、波動大，受季節、環境和天氣等因素影響大的特點［3］。因此，廣大農村、城鄉接合部等地區生活污水的處理和管理具有不同于城市生活污水的方面，相比規模化的城市生活污水處理而言，其處理設備設施的建設、運行和管理面臨更加嚴峻的挑戰［2］。

本文收集了南京市江北片區共計106 個農村污水一體化凈化處理裝置的建設、調試和運行數據，通過對所得數據的統計分析，試圖挖掘我國農村生活污水產生和排放規律，分析一體化凈化處理裝置的運行特征，以期為我國廣大農村和城鄉接合部生活污水處理和管理提供借鑒。

2 技術路線和方法

2.1 項目背景

該項目服務的農村片區位于南京市江北六合區，范圍跨葛塘街道、盤城街道、大廠街道和長蘆街道等多個街道，所有村莊散布或連片分布于滁河兩岸。以相對獨立的村戶或者村莊為單位，為數戶或者數十戶單獨提供一套一體化生活污水處理設備，有針對性地接收對應村戶的生活污水，經處理達標后排放到附近農田或河流。設備出水執行GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準。

2.2 技術路線

項目中一體化設備采用了調節池－缺氧－好氧接觸氧化－二沉池－生態濾池的工藝路線。

一體化農村污水處理設備一般采用A/O 工藝，污水中的氮在好氧單元被氧化成硝酸鹽氮后，回流至缺氧單元進行反硝化脫氮，最終轉化為氮氣從污水中去除。生物膜法具有耐沖擊負荷、運行穩定、脫氮效能強、經濟節能、無污泥膨脹問題、污泥產量少等優點［4］。為適應農村污水水質水量波動大的特性，本項目中好氧單元采用接觸氧化法工藝，好氧段槽內裝填半軟性球型填料。

為避免因排泥工作而難以自動化運行或造成次生環境污染問題，項目實施中排除了生物除磷法和化學除磷法，選擇了裝配式生態濾池為一體化農村污水設備出水的深度處理工藝。該工藝不僅無需排除污泥，具有深化去除生化尾水中氮磷等污染物的效果，出水水質好，還可以營造美麗的景觀，與美麗鄉村的建設理念相吻合［5］。

2.3 技術方法

（1）設備進水流量控制

嚴格按照設備設計噸位進水（按24 h 連續進水計），通過控制提升管路的回水閥和進水閥開度來調節進水水量。

（2）設備溶解氧控制

通過控制曝氣管旁路控制閥開度調節曝氣量，控制各單元溶解氧濃度如下：好氧單元溶解氧濃度保持在2～4 mg/L［6］；缺氧單元溶解氧濃度保持在0.5～1 mg/L；曝氣時間24 h，水量不足的站點可設置間歇式曝氣。

（3）混合液回流控制

利用空氣提升器的提升作用實現混合液回流，回流比控制在200%～400%。

（4）污泥回流控制

采用另一路空氣提升器實現污泥回流，回流比控制在100%～150%，運維期間可定期對沉淀池進行攪拌，減少沉淀池浮泥的產生。

（5）菌群馴化（掛膜）

投加市政污泥馴化掛膜，前期設備進水為設計進水量的50%，對菌種進行馴化，7 d 后按設計流量進水，進行掛膜培養。

（6）水質檢測和運行控制

及時檢測進水水質，特別在調試期采用試紙等快檢技術，在水質明顯變化時適當調整運行參數。

3 結果和討論

3.1 農村污水排污規模和排污水質特征統計分析

以設計處理規模（t/d）為分組依據，計算此次在南京江北片區共106 個農村污水收集站點的來水水質指標的統計值，見表1。從表1 數據可以看出，相同處理規模的點位水質數據標準偏差較大，表明即使收集戶數（表現為日來水量）相同，不同的村莊收集站點所收集的生活污水水質也差別較大；同時，不同處理規模的站點相互之間污水水質差別不大，說明農村生活污水具有排水水質波動大，而不同地點之間的污水水質又具有相似性的特點。

表1 南京江北片區農村污水收集站點進水水質統計

進一步對上述106 個農村污水收集站點的來水中的COD 和NH3－N 濃度進行分組，統計在各水質濃度區間的村莊個數分布，可得出以下結論：

（1）南京江北片區農村污水排放規模普遍較小，排污規模在1～5 t/d 的村莊數量最多，以5 t/d 的步長統計，隨著規模的增大，對應的村莊數量呈指數規律遞減，已沒有排污量超過50 t/d 的村莊。

（2）南京江北片區農村污水COD 濃度在200 mg/L以下者最多，占總樣本量的52%，COD 濃度200～400 mg/L 的占總樣本量的41%，兩者累積頻率為93%。農村污水COD 濃度最高不超過800 mg/L。

（3）南京江北片區農村污水NH3－N 濃度普遍在30～70 mg/L，累計占總樣本量的61.3%，低于30 mg/L和高于70 mg/L 的站點數量比較接近，分別占總樣本量的19%。農村污水NH3－N 濃度最高不超過120 mg/L。

3.2 進水量對處理效果的影響

不同進水規模的設備在調試前期和運行期對COD 的處理效果見圖1。

圖1 不同進水規模的設備在調試前期和運行期對COD 的處理效果

不同進水規模的設備在調試前期和運行期對NH3－N 的處理效果見圖2。

圖2 不同進水規模的設備在調試前期和運行期對NH3－N 的處理效果

重點考察缺氧－好氧接觸氧化工藝段對污染物的去除效果。從測定結果可以看出，對于處理規模不超過25 t/d 的設備，處理效果受進水規模影響較小，COD 去除率可穩定在50%附近；當平均進水量超過25 t/d 時，COD 和NH3－N 去除效率整體隨進水量增大而明顯下降。

一體化裝置對NH3－N 的去除效果較差，尤其在進水量超過25 t/d 的設備中，出水NH3－N 濃度甚至高于進水，表明在前置的厭氧單元和缺氧單元可能存在較強的水解反應，并且在好氧單元設備掛膜暫未達到設計的理想程度，這也是因為硝化細菌生長速率比普通的異養微生物菌群更慢。

事實上，根據正常的污染負荷設計，當平均進水量超過25 t/d 時，缺氧＋好氧接觸氧化＋沉淀池的一體化農村污水處理裝置總長度已超過10 m，從方便制造、運輸和安裝的角度看，也不建議單套農村污水一體化處理設備設計處理能力超過25 t/d。

3.3 進水污染物濃度對處理效果的影響

從不同進水COD 濃度和COD 去除率、NH3－N去除率（見圖3）可以看出，在進水COD 濃度低于200 mg/L 時，COD 去除率隨進水COD 濃度增加而明顯增加；而在進水COD 濃度超過200 mg/L 時，設備對COD 的去除率趨于穩定而不再隨進水COD 濃度增加而增加。穩定的最大COD 去除率在60%～70%。

圖3 不同進水COD 濃度范圍下設備對污染物的處理效果

設備對COD 和NH3－N 的去除率隨進水COD 濃度的變化走勢在進水COD 濃度超過600 mg/L 后呈現較大的差異，在進水COD 濃度超過600 mg/L 后，設備對NH3－N 的去除率急劇下降，表明在進水COD濃度過高時，由于異養菌對水中溶解氧的競爭效應，對接觸氧化反應器中硝化菌群的生長造成嚴重抑制。因此，針對厭氧＋缺氧＋好氧接觸氧化農村污水處理設備，不建議COD 濃度大于600 mg/L 的污水直接進入設備，可以采取均化調節或適當引入低濃度水稀釋后，再將污水送入設備處理，以保障設備對NH3－N 的處理效果。

從不同進水NH3－N 濃度和NH3－N 去除率（見圖4）可以看出，在所調研的樣本中，進水NH3－N 濃度在10～120 mg/L 的范圍內，NH3－N 去除率隨進水NH3－N 濃度增加而增加。在調試前期，進水NH3－N濃度小于40 mg/L 時，NH3－N 去除率受進水NH3－N濃度影響較大，隨進水NH3－N 濃度增加，NH3－N 去除率增加較快，而在進水NH3－N 濃度超過40 mg/L時，設備對NH3－N 的去除率隨進水NH3－N 濃度增加而增加的速率明顯減慢。在所調研的樣本中，各設備對NH3－N 的去除率最大在40%附近，此時設備出水NH3－N 濃度平均為30 mg/L（基本在20 mg/L 以上），表明設備掛膜暫未達到設計的理想程度，特別是硝化菌群的生長量暫未達到滿負荷水平。

圖4 不同進水NH3－N 濃度范圍下設備在調試前期和運行期對NH3－N 的處理效果

隨著調試的進行，設備運行的穩定，再次做了水質檢測分析，結果見圖4（b）。從結果可知，此時NH3－N去除率保持相對穩定，受進水NH3－N 濃度波動影響不大。另外，從結果中仍可看出，各站點NH3－N 的穩定去除率整體有了較明顯的提高，平均去除率接近60%；在進水NH3－N 濃度不超過50 mg/L 的情況下，設備出水NH3－N 濃度普遍低于15 mg/L。

另外還發現在運行效果比較差的站點，經常出現出水NH3－N 濃度明顯高于進水的情況，表明在前置的厭氧單元和缺氧單元可能存在較強的水解反應，將原水中的大量有機氮轉化成了NH3－N。由于硝化菌群數量不足，這些NH3－N 在好氧單元無法充分轉化為NO3－N 的情況下，將隨出水排出而造成出水NH3－N 濃度過高，甚至遠遠超過進水NH3－N 濃度。以上結果也從側面表明，農村不少站點的排污水存在有機氮含量較高的現象。

綜合上述分析結果，從處理的穩定性和可靠性角度考慮，為盡量避免出水超標，針對進水COD 濃度超過600 mg/L 或者進水NH3－N 濃度超過70 mg/L的站點，可以考慮引入較低濃度的污水將水質稀釋到上述指標值以下，再送入調節池＋缺氧＋好氧接觸氧化一體化污水處理裝置進行處理。

4 結論

（1）項目實施片區內農村生活污水具有排水水質波動大，而不同地點之間的污水水質又具有相似性的特點。

（2）根據片區村戶的分布情況，農村污水排放規模普遍較小，大部分在1～5 t/d 范圍內。排污水中，COD 濃度在200 mg/L 以下者最多，NH3－N 濃度普遍在30～70 mg/L。農村不少站點的排污水存在有機氮含量較高的現象。

（3）對于處理規模不超過25 t/d 的設備，處理效果受進水規模影響較小，當平均進水量超過25 t/d時，COD 和NH3－N 去除效率整體隨進水量增大而明顯下降。從運行和建設角度考慮，不建議單套農村污水一體化處理設備設計處理能力超過25 t/d。

（4）針對缺氧＋好氧接觸氧化法的農村污水處理設備，不建議在COD 濃度大于600 mg/L 或NH3－N濃度大于70 mg/L 的污水直接進入設備，可以采取均化調節或適當引入低濃度水稀釋后，再將污水送入設備處理，以保障設備對NH3－N 的處理效果。

（5）由于設備點數多，分布地點廣闊而分散，且交通條件較差，設備調試運維工作繁雜而辛苦，從運行管理的角度看，應盡可能采用維護簡單的處理技術，探索采用遠程云監控＋當地居民主動參與維護的方式，及時修復排除水泵堵塞等常見問題，提高設備維護的及時性和設備完備性，避免建而不用，成為“曬太陽”工程［7］，確保投資收到環境效益和社會實效。