農村生活污水生態綜合治理技術研究

富英杰 張徐潔 徐小慧

（1 嘉興市生態環境應急監控與事故調查中心 浙江嘉興 314000 2 浙江清華長三角研究院 浙江嘉興 314000）

引言

隨著《“十四五”重點流域水環境綜合治理規劃》的印發，各地區都開始逐步啟動村莊混合污水綜合治理的項目規劃，根據農村區域的水質狀況、生活污水排放特點，利用天然沸石、火山巖、頁巖陶粒等作為組合型濾料、建立生物濾料層，采用活性污泥法掛膜啟動曝氣生物濾池，合理調節污水進水流量、濾池掛膜濾速形成污染物過濾的內循環，配合氧化塘污水處理系統的生物過濾去除方案，設計“生物—生態”組合型污水處理系統，基本可達成農村混合污水中CODMn、氨氮、總氮(TN）、總磷（TP）等富營養化元素的去除目標，提升農村生活污水生態綜合治理的效率與質量。

1 農村地區生活污水、污染物排放現狀分析

以××村落為例，對農村地區生活污水、污染物排放情況進行分析?！痢链鍨榈靥巼辣眰鹊呐R河村落，村域面積3.784km2、河流面積3.33km2，耕地面積360 畝，本村總戶數468 戶，總人口為2065 人。河流流域區的農村生活污水主要包括洗滌與洗浴廢水、廚房污水、廁所污水、沖圈污水等，通過設置各類排污口、污水管網、化糞池接通至居民生活空間完成污水處理。在村內選取經濟情況高、中、低的3 類家庭作為研究對象，監測半年（7～12 月）內農戶各類污水的排放情況。按照式（1）計算污染物排放負荷，產污系數取0.5。

式中C—污染物濃度，mg/L；Q—污水排放量，Ld；M—質量負荷，kg·d-1。

取3 戶平均值表示××村落生活污水的排放量、污水水質，乘以總戶數得到全村每日(每月)污水排放量、污水中污染物濃度均值監測結果如表1、表2 所示?！痢链?～12 月全村每日的平均污水排放量分別為17.89m3、17.68m3、16.24m3、15.72m3、12.33m3、12.51m3，其中秋冬寒冷季節的日平均污水排放量逐漸降低，每月污水排放量基本控制在350～530m3之間。污水分類中洗滌/洗浴廢水內含有的污染物指標濃度最低，廚房污水、廁所污水、沖圈污水等污水中含有的污染物指標濃度呈依次增加趨勢，且廁所污水、沖圈污水內的污染物指標濃度過高，是農村生活污水的主要污染源。具體到不同污染物指標的濃度高低來看，CODMn、氨氮、TN 等污染物的濃度較高，TP、固體懸浮物(SS)等污染物的濃度低，針對這一情況采用相應的污水治理技術予以處理。

表1 全村每日(每月)污水排放量監測結果

表2 全村生活污水中污染物濃度均值

2 農村生活污水生態綜合治理的相關技術

2.1 曝氣生物濾池(BAF)技術

曝氣生物濾池技術是對傳統濾池的曝氣方式作出改良，將濾池分為曝氣區、濾料區的功能區，包括空氣泵、蠕動泵、反應器、水箱、氣體流量計、單孔膜空氣擴散器等組成裝置，其中水箱用于輸送與存儲待過濾的污水、容積約為200L[1]。反應器由濾料、導流筒、進水系統、曝氣系統、出水系統及反沖洗系統等子模塊構成，內部濾層高度為110cm，填充濾料為天然沸石、火山巖、頁巖陶粒的組合型濾料，其中下部10cm 使用粒徑約為5cm 的天然沸石、火山巖填充作為承托層，上部100cm 使用粒徑約為1～3cm 的頁巖陶粒，利用曝氣生物濾池作出生物氧化AOX(有害物質)去除、懸浮固體(SS)截留的工藝如圖1 所示。

圖1 曝氣生物濾池的污水處理工藝

根據圖1 可知，在生活污水進入水箱后經導流筒流入曝氣區、濾料區的功能區，利用曝氣動力使生活廢水水、循環水在筒內充氧，充氧后的壓力差使混合流體向上提升進入濾料區，與環形濾料區的濾料充分接觸進行CODMn、氨氮、TN、TP 等有害元素吸附、截留的過濾，使用反沖洗進水管、進氣管清除留存在濾料層的雜質，保證濾池短時間內恢復過濾能力[2]。因此，基于氣升式環流反應器的內循環曝氣生物濾池技術，是通過隔離曝氣形成的循環液流對進入濾池內的污水進行充分過濾，由于反應器內的循環水量達到進水流量的30 倍以上，可在短時間內快速稀釋污染物濃度，因而能夠直接用于處理高濃度生活污水，提升對污染物元素、細菌的抑制作用。

2.2 氧化塘污水處理技術

氧化塘污水處理是在前期運用曝氣生物濾池完成CODMn、氨氮、TN、TP、固體懸浮物等污染指標的去除后，利用氧化塘內的水生生物、微生物、藻類等凈化系統，作出CODMn、氨氮、TN、TP 污染物的進一步去除。氧化塘內“藻—菌—原生動物—原生植物”的天然代生系統，可在較長一段時間內通過水中微生物的代謝活動降解有機物，利用陽光照射塘內的藻類進行光合作用而釋放出大量的氧，再通過代謝活動進行氧化分解形成二氧比碳，有效實現對塘內有機污染物、懸浮物的降解，氧化塘作用原理如圖2 所示[3]。

圖2 氧化塘污水處理作用原理

在微生物作用下將有機氨氮氧化分解為氨和氨化合物，一部分氨溶水成為NH3-N 被植物利用，另一部分由硝化細菌將氨氧化成硝酸鹽，當水中溶氧濃度低于1～2mg/L 時硝化作用速度明顯降低。在水中溶氧缺乏情況下，反硝化細菌能將硝酸還原成亞硝酸、次硝酸、羥胺或氮(硝酸還原)，當形成的氣態氮作為代謝物釋放時就稱為脫氮作用。在絕對好氧條件下，氨氧化細菌、硝化細菌的硝化作用方程式為2NH3+3O2→(氨氧化細菌)→2HNO2+2H2O+能量、2HNO2+O2→(硝化菌)→2HNO3+能量；在缺氧條件下，反硝化細菌的反硝化作用方程式為NO3-+CH3OH →(反硝化菌)→N2↑+ CO2↑+H2O+。因此，利用水中的微生物可有效去除污染水內的氨氮污染物，且氧化塘使用機械設備少、造價價格低廉，約為活性污泥處理法運行費用的1/10～1/4，只需設置大片的氧化塘便能夠完成對農村生活污廢水的水質凈化。

3“曝氣生物濾池+氧化塘”組合系統的污水去除實驗方案

3.1 實驗材料與植物選擇

基于曝氣生物濾池技術的農村生活污水治理實驗，選用天然沸石、火山巖、頁巖陶粒等組合型濾料，天然沸石、火山巖粒徑為32～50mm 之間，其中天然沸石濾料的比重為2.1～2.3g/cm3、火山巖濾料的比重為2.2～2.5g/cm3、頁巖陶粒濾料的比重為2.2～2.7g/cm3。使用氧化塘污水處理技術的實驗研究，選用鳳眼蓮、草蘆、香蒲、燈芯草、旱傘草、梭魚草、鶯尾花、菹草、浮萍等植物，以及藍藻、綠狐尾藻等藻類作為污染物去除植株，其中藍藻能夠為水中各類動植物、微生物提供氧氣，增加水中的溶氧量，其他植物能夠去除污染水內含有的CODMn、氨氮、硝酸鹽氮、磷等有害元素[4]。

3.2 實驗裝置與監測方法

模擬曝氣生物濾池實驗選用空氣泵（0.135m3/min）、蠕動泵（0～30L/h）、反應器、水箱（100cm×100cm）、生物濾池（50cm×100cm）、氣體流量計(1.5～15L/min)、出水桶(100L)等組成裝置，具體結構如圖2 所示。實驗用水模擬××村混合污水中各污染物濃度的總體水平進行人工配制，氧化塘底泥取自××村的河湖泥、并添加一定量的營養土來模擬天然氧化塘的生態環境。

本實驗中的水質監測項目包括CODMn、氨氮、TN、TP、濁度、溶解氧及pH 等，其中CODMn采用DRB 200 COD 快速消解儀測定、濁度采用臺式濁度儀測定，氨氮和TN、TP 分別采用水楊酸一次氯酸鹽光度法(A)、過硫酸鉀氧化紫外光度法進行監測，溶解氧和pH 值分別采用HACH HQ30d 溶解氧儀、CT-6021A 型pH 計監測。

4“曝氣生物濾池+氧化塘”組合技術的農村生活污水治理效果分析

4.1 曝氣生物濾池的掛膜啟動

曝氣生物濾池對農村生活污水處理的基本原理，需在生物濾池中加入20kg 天然沸石、20kg火山巖、40kg 頁巖陶粒進行吸附實驗(溫度為23℃)，連續運行1d 并觀察CODMn、氨氮、TN、TP、固體懸浮物等污染物去除的情況[5]。生物濾池內部反應器的掛膜啟動方式分為自然富集啟動、人工接種啟動等模式，一般實驗中使用人工的活性污泥接種方式，將活性污泥聯同微生物、好氧菌(厭氧菌)投加到反應器中，如投加覆蓋面積約為0.5m3的綠狐尾藻，通過多次通氣悶曝后形成濾料表面上的生物膜，掛膜后每天監測進出水的CODMn、氨氮、TN、TP、固體懸浮物等污染物濃度，以CODMn、氨氮的去除率作為生物掛膜是否成功的判定標準，實驗期間若CODMn、氨氮的去除率分別達到80%和60%時則表明掛膜成功。

4.2 組合技術對農村生活污水生態綜合治理的效果

按照《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)的三級控制指標規定，包括CODMn≤120mg/L、氨氮≤30mg/L、TN&TP≤7mg/L、固體懸浮物SS≤50NTU 的標準，采用“曝氣生物濾池+氧化塘”組合系統，通過空氣泵、蠕動泵提升污水流入生物濾池，在生物濾池中進行一級有機物處理后，流入氧化塘實現二級生態處理，處理完畢后達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)、《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)的污水排放要求[6]，具體的綜合治理結果如圖3、圖4 所示。

圖3 組合技術對農村生活污水CODMn、氨氮的治理結果

圖4 組合技術對農村生活污水TN&TP、固體懸浮物的治理結果

從圖3、圖4 可知，在進入曝氣生物濾池掛膜處理前，CODMn濃度處于740～850mg/L 之間，經過啟動反應器掛膜處理、氧化塘微生物氧化還原處理后，CODMn濃度降低至70～520mg/L，其中在經過約22d 的靜置處理后CODMn濃度便會降低至100mg/L 以內；從CODMn污染物去除效果方面來看，在運行至第4d 時濾料的吸附作用趨于飽和、厭養菌對有機物的氧化降解速率下降，沖洗與清除生物膜表面的污物后對CODMn元素的去除效果又緩慢上升，至22d 掛膜運行后CODMn的去除率穩定在85%以上。

隨后分析氨氮、TN&TP 的污染物治理效果，在反應器掛膜后，氨氮濃度由原來的50～70mg/L下降至15～50mg/L，至26d 掛膜運行后氨氮污染物濃度下降至20mg/L 以下，去除率穩定在70%～80%之間；TN&TP 污染物在經過曝氣生物濾池掛膜、氧化塘二級處理后，TN&TP 濃度由原有的7～9mg/L 下降至3～6mg/L，至26d 掛膜運行后氨氮污染物濃度下降至5mg/L 左右，但微生物降解作用下降對污染物的去除有影響，整體去除率穩定在70%～80%之間。固體懸浮物SS在組合技術使用前后的濁度分別為10～26NTU、1～5NTU，去除率為80%～90%之間，表明組合系統對固體懸浮物具有良好的去除效果，且農村生活污水生態綜合治理的成效顯著。

結語

由于農村生活污水的無節制、肆意排放，使得區域河湖水生態環境污染的防治難度增大，需通過利用一系列物理、化學、生物相結合的水污染處理方法，才能實現對農村地區生活混合污水的綜合治理。因此，基于“曝氣生物濾池+氧化塘”組合技術，通過反應器啟動“掛膜”，由生物濾料起到污染物的吸附截留作用、濾料上附著的微生物膜起到氧化降解作用，利用生物膜內層的厭氧區完成反硝化反應，利用微生物的新陳代謝作用去除SS 固體懸浮污染物，經過處理后的生活污廢水從濾池上部的出水口正常排出，部分固體懸浮物、沉淀物經反沖洗排水口排出，可大大提升農村生活污水生態綜合治理效果。