西南農村地區分散式污水站設計

岳崇峰，李馳昊，許江城

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 引言

據住建部統計，2020 年我國城市污水處理率已超過97%，但農村地區污水處理率僅為28%。從總體看，農村生活污水治理基礎薄弱，2016 年農村污水處理率為22%。在過去5 a 處理率僅提高6%左右[1]。農村地區污水收集設施不完善不同于城市污水，具有“分散廣、粗排放”特點，西南地區相比于沿海等地發展較為落后，且地勢以丘陵為主地貌差異大，從收集到污水處理站的建設均有很大困難，收集污水難直接導致污水廠進水量少且水量不均衡，對污水廠運行造成很大困難[2]。

該工程位于西南地區農村，當地養殖產業較為發達，由于該地區基礎設施中缺乏穩定運行的污水處理站來處理養殖業產生的生產廢水，導致部分養殖廢水散排，造成水環境及土壤污染。在項目推進中發現，污水收集率低、水量不均衡、水質資料缺失等問題已成為農村地區污水廠建設的普遍問題，如何在有限的水質資料和復雜的進水水量條件下尋求適合當地的污水處理工藝是設計的難點和痛點。

設計選用AAO+MBBR 工藝作為二級處理工藝，并且調整AAO 及MBBR 的進水運行方式，二級處理中污水依次進入厭氧池、缺氧池、MBBR 池和好氧池，通過改進工藝流程，工藝運行過程中碳氮比和碳磷比較低，且在不額外投加碳源的條件下仍達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準，與傳統工藝AAO+MBBR 對比，運行1 a 約節省1.5 t 乙酸鈉碳源（投加概率按30%計）。該生化池一體化設備采用集裝箱形式設計，占地面積小，出水水質好，運行成本低，抗負荷強，對西南農村地區污水處理具有一定借鑒意義。

1 工程概況

設計污水處理站總規模為500 m3/d，分兩期建設，近期工程規模為250 m3/d，土建設計遠期規模500 m3/d，設備按250 m3/d規模安裝。污水處理站進水主要以農村生活污水為主，約含有20%～30%養殖廢水，考慮西南地區排水管網特性和雨季泥沙進入等水質特點，工藝設計中出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準。

2 工程設計規模和水質

農村生活污水主要來源為沐浴、洗滌、沖廁和養殖廢水，其中養殖產生廢水具有一定周期性，魚塘換水時產生的廢水量大，日常養殖產生的廢水量少，直接導致污水站進水質水量變化大。此外，農村地區大多數時期常駐人口較少，農耕和春節期間常駐人口較多，產生的生活污水量變化也較大。因此，在工程設計中進水量的時變化系數和日變化系數取值相對較高。

從水質方面分析，進水BOD5含量變化較大、TN、TP 含量高，但基本不含有重金屬等有毒有害物質，這類水質易造成水體富營養化。由前期水質檢測資料，該地區進水碳氮比和碳磷比約為1.52～5.6 和4.7～20.83，雖然部分時段進水水質碳氮比和碳磷比較高，但大部分時間進水水質低于脫氮除磷的碳氮比和碳磷比中1∶4 和1∶16 的要求。

工程設計規模為500 m3/d，出水按照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準，設計進出水水質見表1。

表1 污水處理站進水水質 單位：mg/L

3 工程設計

3.1 工藝選擇法

目前，農村污水處理工藝主要以濕地、氧化塘、土壤過濾和SBR 等常見的生物工藝為主，這些工藝建設與運行成本較低，但普遍存在出水穩定性較差，填料或濾料流失和需周期性沖洗等問題。隨著農村產業經濟發展，農村污水水質復雜化，例如常見的農產品加工或養殖廢水，上述工藝更是難以穩定處理達到排放要求。

通過水質水量分析，農村污水處理站需抗沖擊負荷強，運行維護方便的工藝、設計比較了MBBR、AAO+MBBR 以及SBR 等工藝?？紤]進水CODCr不穩定、且氨氮去除標準高，鑒于AAO 運行穩定MBBR 抗沖擊負荷、節約用地、運行管理方便，最終選用AAO+MBBR 工藝。

3.2 工藝流程

污水處理站工藝流程如圖1 所示，污水首先進入沉砂井，將水中大顆粒物質被沉淀截流，由沉砂井流出進入格柵調節池。格柵分別設人工粗格柵和機械細格柵。由于該地區污水量小且進水不穩定，設調節池平衡水量，污水經格柵后進入調節池。然后污水進入生化處理區，進而依次進入厭氧池、缺氧池、MBBR 池和好氧池。

圖1 處理站工藝流程圖

3.3 工藝優勢

主進水經調蓄池調節后首先進入厭氧池。厭氧池主要功能為聚磷菌厭氧釋放磷并存儲能量，缺氧段利用進水碳源對內回流混合液中的硝態氮進行反硝化脫氮，將進水中硝態氮轉化為氮氣降低進水總氮含量。好氧池的主要作用為降解BOD5，將進水中凱氏氮轉化為硝態氮和磷的吸收。MBRB 中懸浮載體孔隙率高，當微生物在載體上形成穩定生物膜時，MBBR 反應池就能彌補好氧池前段池容不足的問題，增強好氧池同步硝化反硝化能力。去除系統殘留的碳源，保證COD 的處理效果、總氮的去除效果。此外，好氧池預留加藥除磷裝置，污水經MBBR 效果不達標，好氧池投加一定量PAC 除磷藥劑，確保出水TP 達標。

3.4 總體平面圖

設計污水處理站總體平面圖圖2 所示，格柵、調節池、生化組合池依次排序作為主要處理區，除臭設備、污泥池和綜合用房作為輔助處理區。其中格柵和調節池合建為一個構筑物，AAO 反應池、MBBR 反應池和沉淀池合建成一個構筑物，巴氏計量槽接紫外消毒器后出水。

圖2 污水處理站總平面圖

3.5 主要處理構筑物設計及參數

（1）預處理設施

預處理設施主要包括除砂井、格柵和調節池三個部分，除砂井尺寸為0.9 m×0.9 m×1.2 m，除砂井出水經過d15～50 的爐渣（厚150 mm）、d40～80 的爐渣（厚100 mm）和雨水篦子后進入格柵調節池。

格柵進水設計流量22.86 m3/h，尺寸7 m×1 m×3.35 m，格柵共設人工粗格柵和機械細格柵。人工格柵柵隙b=10 mm 設備高1.2 m 傾角60°，循環齒耙式細格柵間隙e=5 mm、井寬1.0 m，安裝角度α=75°，功率N=0.75 kW；

調節池尺寸7 m×7 m 有效容積100 m3、水力停留時間9.6 h，配長、寬、高分別為7 m、7 m 和2.82 m的淺水攪拌機1臺，N=1.5 kW，潛水泵2臺，Q=10.4 m3/h，H=11 m，N=1.1 kW。

（2）生化處理

如圖3 所示，生化處理主要有厭氧池、缺氧池、MBBR 池和好氧池四座組成，生化處理構筑物均設兩座。生物處理設計進水流量33.3 m3/h，時變化系數取1.6，單座生化處理尺寸16.3 m×4.2 m×5 m，其中厭氧段尺寸1.3 m×4.2 m×5 m，缺氧段2.7 m×4.2 m×5 m，好氧段+MBBR 5.8 m×4.2 m×5 m。污水在生化池總停留時間為19.77 h，其中厭氧段2.63 h、缺氧段5.44 h、好氧+MBBR 段11.7 h，停留時間比為1∶2.1∶4.4。沉淀區回流至厭氧區比為100%，污泥回流管道泵Q=16 m3/h，H=10 m，N=0.75 kW。好氧區混合液回流至缺氧區比例為250%，混合液回流管道泵Q=31.3 m3/h，H=4 m，N=0.75 kW，好氧區設羅茨鼓風機Q=1.10 m3/min，P=68.6 kPa，N=4 kW。

圖3 生化池反應示意圖

生化處理中污泥參數取值結合當地運行管理經驗及筆者設計經驗，在設計溫度下（25℃）生化處理池內平均混合液MLSS 為3.5 g/L，污泥負荷m（BOD5）/m（MLSS）為0.06kg/（kg·d）、剩余污泥m（DS）/m（BOD5）產率為0.03 kg，剩余污泥量SS 為3 000 kg/d、污泥齡AAO 好氧區為20 d、MBBR 填料區為30 d。

MBBR 工藝并不是簡單將污泥與懸浮載體的混合投加，而是一個完整的系統處理系統。工藝設計包括了進水出水系統、回水系統、懸浮載體選擇、載體流化系統等[3]，工藝運行中處理效果受生物膜面積大小、懸浮載體的投加區域、推流攪拌器的布置和選型等因素影響[4]。實際工程中，這種生物膜處理法易出現懸浮的載體推擠、生物膜掛膜效果差、懸浮載體流失等不足[5]。

MBBR 反應池中懸浮物是生物膜的載體，為保證載體與水體充分接觸載體應選擇密度略低于水、孔隙率大、有效面積大的材料[6]。在工藝設計中為保證載體在反應池內自由運動，生物懸浮載體的最大填充率小于70%，載體有效比表面積在450～1 200 m2/m3范圍內傳至傳氧效果較好[7]。結合以往研究結論和設計經驗，在好氧池前段裝填φ10 ×0.7 mm 的短管型PE 填料，填料有效比表面積為550 m2/m3填充率30%。好氧池填料區出水端設出水攔截篩網，防止填料流失（攔截網材質0Cr18Ni9，保證懸浮填料與混合液正常分離，出水口不堵塞，不堆積）。

填料區和非填料區中間采用導流墻分隔，利用池型氧化溝廊道使載體在好氧池內循環留到，充分利用池型空間保證載體在反應區內良好流態。為防止懸浮載體在出水末端形成堆積在填料區底部設潛水推流器，推流器與曝氣裝置曝氣對懸浮載體產生剪切力實現載體穩定流態化，曝氣量越大DO 濃度高、氧轉移速率越大，但填料容易紊亂，為保證填料的均勻懸浮和供氧需求池底曝氣采用盤式橡膠膜微孔曝氣器，共設6 套曝氣器，單盤供氣量為0～5m3/h。通過池型和曝氣裝置的設計，MBBR 反應池內水力條件好基本不出現水力死角。

沉淀區設豎流沉淀池共2座，單座沉淀池尺寸為4.2 m×4.2 m×4.7 m，池內置φ80 斜管、安裝角度60°、斜長1 m、斜管沉淀區投影面積共17.64 m2。

（3）消毒

管式紫外消毒器設計流量Q=40 mm3/h、P=0.8 MPa、N=0.45 kW 外線劑量為20～30 mJ/cm2，紫外線穿透率為65%。

巴氏計量槽設計流量Q=500 m3/d，B=0.041 m。

（4）除臭系統

處理站采用全過程除臭，對格柵與調節池、生化池（預缺氧區、厭氧區、缺氧區）、貯泥池等構建筑內產生的臭氣進行處理，采用生物除臭。新建除臭生物濾池1座，設計總除臭氣量為1 000 m3/h，平面尺寸為直徑2.5 m 高2.3 m 圓形構筑物，池底設曝氣系統，配套營養劑投加系統。

（5）污泥處理

儲泥池尺寸4 m×3 m×5.8 m，配自吸式曝氣機QO2=6 kg/h、N=2.2 kW，生化池污泥經沉淀池濃縮后儲存于儲泥池，運行期間污泥通過吸糞車外運至城市污水處理廠脫水處理。

4 運行監測與優化

MBBR 池前期調試DO 采用1.5 mg/L，后期長期運行采用2.0 mg/L。污水處理站于2019 年3 月投產，投產后出水水質穩定達到一級A標，具體見表2。

表2 污水處理站實際進水出水水質

當地環保部門對養殖廢水排污進行控制，養殖廢水滿足排放標準后才允許排入下水道。由于當地氣候和地質環境影響污水管網存由雨水、地下水等非正常流入。處理站實際進水水質都低于設計值，且BOD5/TN 和BOD5/TP 值分別為1.44 和11，均不利于生物脫氮除磷。但從處理效果來看，出水指標可以穩定達到一級A 標準。這說明MBBR 載體附著大量的生物膜，這類生物膜污泥齡長，對比AAO 好氧池增大微生物種群的豐度。當載體上的生物膜達到一定厚度，生物膜形成好癢缺氧甚至缺氧微環境，這種生物環境增強生物處理階段脫氮除磷效果并且在惡劣的水質條件中，適應不同水質濃度微生物的篩選和富集。

通過以往運行經驗，低溫條件對硝化反應影響較大，但處理站在冬季出水各項指標均能保持穩定，這也說明MBBR 反應池中填料和生物泥復合形成系統內生物菌類的多樣性，此外，MBBR 與AAO 好氧池相比生物膜傳傳至較慢，相同的生物降解產熱量與水體交換較慢，使膜內局部環境溫度提高，有利于微生物保持較高的活躍性，在實際運行中表現出MBBR 反應池對低溫的適應性[8]。

5 主要技術經濟指標

污水處理站設計規模為500 m3/d，占地1 685 m2。該處理站建設總投資4 000 萬元，每噸水處理成本8 000元，單位基建成本1.8 元/t，單位經營成本0.8 元/t，差額由政府財政補貼。

6 結論及建議

筆者設計污水處理站采用AAO+MBBR 工藝，占地指標為3.37 m2/（m3/d）短管型PE 填料，填充率為30%，運行效果良好，出水主要水質指標均穩定達到一級A 標準。改良AAO 工藝運行方式，將MBBR 反應池至于缺氧池后，AAO 中好氧池接MBBR 反應池。通過MBBR 反應池的設計池內污泥齡和污泥濃度均高于AAO 好氧池，反應池抗沖擊負荷優于傳統設計方式。本項目設計及運行經驗對西南地區丘陵地帶廣大鄉鎮污水處理站有重大參考意義。