适合中原地区村镇生活污水的SBR组合处理工艺

王勇康 刘 京 李圣哲 刘秉涛，2

（1.华北水利水电大学环境与市政工程学院，河南 郑州 450011；2.河南省水体污染与土壤损害修复工程技术研究中心，河南 郑州 450011）

党的十九大提出开展农村人居环境整治行动，其中村镇污水处理是重中之重。中原地区是我国重要的农业生产区域，农村基础设施及经济条件相对薄弱，农村污水难以通过管网收集进入县、镇污水处理厂集中处理。目前，已建成的大部分村镇污水处理厂由于水量小、波动大、缺乏管理人员和运行经费等原因停止了运行［1-2］，造成河流、水塘污染，或者下渗进入地下，影响地下水水质和农村生态环境，严重威胁农村居民身体健康和农产品的质量安全。农村生活污水的主要来源是厨房污水。厨房污水和洗涤污水是农村生活污水中有机物的主要来源，含大量的COD、氨、磷等成分，是造成农村水体富营养化的主要原因。其次是厕所污水。

国外一些国家如日本，处理分散的村镇污水多采用离网式净化槽技术［3］；澳大利亚将生活污水灌溉土壤地，通过耕种的农作物吸收分解生活污水中的物质与水分，从而达到污染物去除和污水减量的目的［4］；国内也对农村生活污水处理技术进行了许多卓有成效的研究，常用的有氧化塘、生物接触氧化、A/O工艺及MBR工艺等［5］。中原地区指黄河中下游地区与淮河上游以北地区，包括河南省大部、山西省东南部、河北省南部、山东省西部、江苏省西北部以及安徽省北部等广大区域，是温带季风气候，四季分明。因此，开发适合中原地区的村镇污水处理组合工艺具有重大的现实意义。

1 SBR工艺

序批式活性污泥法是指在同一反应器内，按照进水、反应、沉淀、排放和闲置5个基本工序组成的污水处理方法，简称SBR法。SBR法通常情况下可省去初沉池，因此能够节省用地和运行费用，耐冲击负荷，运行方式灵活，能够通过时间设置曝气、缺氧和厌氧的不同状态，实现脱氮除磷的目的。

SBR工艺运行简单，耐冲击负荷，能够有效避免污泥膨胀，操作自动化，能够脱氮除磷，投资少，出水水质好，适用于农村地区。

SBR工艺的操作流程，如图1所示。

图1 SBR运行操作工序示意图

1.1 进水期

这个时期是反应池容纳生活污水的过程。通过反应器容积的大小及被处理污水的水质确定进水的时间。在反应器进水前期，反应器中的污染物浓度相对较低。然而，随着生活污水的持续流入，反应器中污染物的浓度不断升高。在生活污水流入的过程中，反应器具有活性污泥吸附、吸收和氧化等作用。当反应器中污染物浓度不断升高时，活性污泥的吸附、吸收和氧化作用也不断加快。如果在进水时期向反应器中流入的污染物浓度较低，则流入的污染物可以被及时吸收、吸附和氧化分解，整个操作过程将会稳定进行。然而，在SBR水处理工艺的实际操作过程中，基本不会出现这种情况。

1.2 反应期

这个时期是在进水完成后或反应器进满水后，通过曝气或搅拌达到对有机污染物生物降解的目的。在反应器操作过程中，随着反应器中反应的不断进行，基质的浓度会逐渐降低。反应器中有许多种类的微生物，它们彼此间相互作用，提高了工艺的处理效果。

1.3 沉淀期

此时期的工作程序类似于传统活性污泥法中的二沉池。当曝气和搅拌完成后，活性污泥的絮体通过重力沉降和上清液分离。SBR反应器作为沉淀池，能够有效避免连续流活性污泥法中泥水一定要经过沉淀池沉淀的过程，也能够防止一些刚刚开始絮凝的活性污泥再次破碎的情况。SBR反应器具有沉淀效率高、沉降时间短的特点。

1.4 出水期

污水通过处理后满足水处理排放要求，此时反应池底部的活性污泥大部分可以作为下一个处理周期使用，多余的活性污泥外排。一般情况下，反应器中的活性污泥体积占反应器总容积的30%左右。此外，反应池中需要剩下一部分处理水，能够起到循环和稀释的功效。

设计SBR反应器总水力停留时间为6 h，其中好氧区停留时间为2 h，缺氧区停留时间为40 min，厌氧区停留时间为2 h，沉淀区停留时间为1 h。不同进水有机负荷条件对SBR工艺的COD、TP的去除效果影响不显著。当进水COD浓度平均值分别为300 mg/L、400 mg/L时，COD的平均去除率分别为93%和92%。一般条件下，TN、TP的平均去除率均在65%、95%以上［6］，其TN、TP出水浓度均低于15 mg/L、0.2 mg/L，达到GB18918-2002的一级A排放标准，说明SBR反应器具有稳定的COD、氮、磷去除能力。

2 人工湿地工艺

人工湿地是20世纪70年代发展起来的一种污水处理技术。它根据自然湿地模拟人工生态系统，是一种由人工制造和监督控制的、类似沼泽的地面，通过自然生态系统中的物理、化学和生物三者的协同作用实现对污水的净化作用。

人工湿地基建投资和运行费用低（分别为生化处理的1/3～1/5和1/5～1/6），水力负荷高于自然湿地，处理效果好，对氮、磷、重金属和难降解有机物也有一定的处理效果。湿地植物有一定的经济价值，具有一定的景观功能。但是，人工湿地需要的土地面积大，气候和植物生长对净化效果影响较大，易造成二次污染。

人工湿地根据水流方式的差异可分为3种类型：表面流湿地、潜流湿地和立式流湿地。

①表面流湿地（Surface Flow Wetlands，SFW）。当生活污水在填料表面漫流的过程中，它和自然的人工湿地非常接近，大多数有机物的去除主要是利用植物水下茎及杆上的生物膜来实现。但是，由于这种湿地不能有效利用填料和植物根系，故卫生条件差，因此设计中一般不采用。

②潜流湿地（Subsurface Flow Wetlands，SSFW）。由于生活污水在填料表面下渗流，所以能够有效利用填料表面和根系上的生物膜处理污水，且卫生条件良好，因此在设计中被广泛采用。它的构造如图2所示。

图2 人工潜流湿地

2.1 净化机理

人工湿地能够净化生活污水，主要是基质、植物、微生物相互作用的结果。经水生植物及基质的过滤、吸附、沉淀、微生物的降解、转化及有机物吸收作用，人工湿地系统可以充分去除污水中的有机物、氮、磷等污染物。

2.2 湿地植物的机理

生活污水处理的湿地植物一般都具有吸收能力强、生长快和生物量大等特点。一些研究显示，冬季长绿的水生植物有黄花鸢尾、菹草、水芹菜以及麦草等植物［7］。在湿地植物生长过程中，能够通过吸收作用去除污水中大量的氮、磷等元素，最后采用收割去除。湿地植物不仅能够生长吸收，还能够由于氨的挥发作用、NH4+的阳离子交换作用、硝化和反硝化作用去除氮。对于磷化合物的去除，不仅能够作为营养成分吸收，还能够在基质中进行吸附、络合和沉淀反应。湿地植物除了能够吸收营养元素外，还能够吸收铅、砷、汞和铬等重金属，以金属鳌合物的形式蓄积于植物体内，可以满足对生活污水和受污染土壤的生物修复。

2.3 湿地土壤的机理

湿地土壤是湿地植物的直接载体，同时也是微生物、动物的生活场所。它的类型、结构等情况决定了湿地植物的生长情况。它通过食物链影响湿地动物的种群、发育和生长，进而影响湿地生态系统。湿地土壤是湿地中化学物质转化的媒介，能够通过沉淀、吸收、吸附、离子交换和代谢分解等作用去除一些有毒有害物质。

2.4 湿地微生物的机理

生活污水中，有机物的分解、降解和转化主要通过微生物来完成。湿地微生物还有吸附的作用，它在生长的过程中，通过吸收一些营养元素和重金属元素来确保生长和代谢高分子聚合物对重金属的络合力。

3 SBR与人工湿地组合工艺

该组合工艺综合了两种水处理工艺的特点。SBR处理工艺操作灵活，耐冲击负荷，能够有效避免污泥膨胀，且运行自动化。人工湿地工艺基建投资和运行费用低，水力负荷高于自然湿地，处理效果好，对氮、磷、重金属和难降解有机物也有一定的处理效果，且湿地植物有一定的经济价值，具有一定的景观功能，能够与农村社区的景观相结合。此外，它能够弥补两种水处理工艺彼此的不足，减少SBR系统的曝气时间，使其能耗降低，弥补SBR中氮磷的去除作用。由于中原地区冬季寒冷，因此人工湿地的一些处理作用被限制。但是，SBR系统能够弥补人工湿地系统在冬季处理效果不好的情况，有效避免人工湿地出现堵塞的问题，降低人工湿地的占地面积［8-9］。

在组合工艺中，SBR系统对氨氮、COD、总氮、总磷的去除率分别为54.8%、90.1%、43.0%、30.1%。人工湿地对氨氮、COD、总氮、总磷的去除率分别为27.2%、5.5%、35.1%、60.1%。SBR系统对COD和氨氮的去除效果显著，人工湿地对总磷的去除效果显著，两者能够有效发挥各自的互补作用。

3.1 污水处理规模确定

河南省农村地区用水类型包括自来水、井水和河水等。居民的用水量受经济状况、供水条件、生活习惯等因素影响。结合当地居民的用水现状，表1给出了村镇居民生活用水量的参考值。

表1 河南省农村居民生活用水量参考值

农村地区居民的排水量应该根据对村庄卫生设施水平、排水系统的组成和完善程度等影响因素进行实地调查情况确定。表2给出了村镇居民生活排水量的参考值。

表2 河南省农村居民生活排水量参考值

3.2 污水进水、出水水质确定

根据调查，村镇生活污水的主要污染源有：洗涤用水、厕所冲刷水及其他用水等，根据污水的特性，水质指标如表3所示。表3中以洗浴用水、厨房用水、厕所用水数据作为参考取值。

表3 河南省农村居民生活污水水质参考值

通过参考常规的生活污水水质标准，根据实际用水情况，最终设计村镇生活污水处理的进水水质如表4所示。

依据地方环境保护管理部门的相关要求，设计出水水质不低于《河南省农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB41/1820—2019）一级B标准排放的要求，主要的水质指标如表5所示。

表5 设计出水水质指标

4 污水处理工艺流程和特点

生活污水通过格栅能够去除水中的悬浮物、漂浮物等杂质，然后自流进入水解酸化池，通过水质、水量调节后，经泵提升进入SBR反应池进行生化处理。SBR处理系统至少需要2个或多个反应器交替运行，因此总体上污水是按顺序依次进入每个反应器，而各反应器相互协调作为一个有机的整体完成污水净化功能，但对每一个反应器则是间歇进水和间歇排水。每个反应器的运行操作分阶段、按时间顺序进行，去除污水中大部分有机物和氨氮，产生的剩余污泥在村镇可以用于卫生填埋或好氧堆肥，之后进入人工湿地深度处理达标后回用或排放，如图3所示。

图3 污水处理工艺流程图

SBR与人工湿地的组合工艺能够结合两种水处理工艺的优点，互补两种处理工艺在水处理方面的缺点。依据村镇生活污水处理工程的特点和要求，采用SBR+人工湿地的组合工艺处理村镇生活污水在技术和实践上具有高度的统一性。这也是采用此组合工艺处理村镇生活污水的前提和基础。

SBR与人工湿地组合工艺的特点：SBR工艺操作简单，自动化程度高，抗冲击负荷强；人工湿地工艺运营费用低，能够美化环境，具有生态效应；人工湿地工艺有绿化功效的作用，能够与小区的绿化相结合，消除用地的消极影响。此外，两种水处理工艺能够互补两者彼此的不足：人工湿地工艺能够弥补SBR工艺中的氮磷去除功效；前置SBR工艺能够有效避免人工湿地堵塞的现象；前置SBR工艺的预处理单元能够有效降低人工湿地的占地面积。

5 社会效益和经济效益分析

5.1 经济效益

污水处理后，达到《河南省农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 41/1820—2019）一级B排放标准。经处理水量350 m3/d，电费以0.50元/kW·h计，人员工资以1500元/月（兼职），则SBR工艺中水运行成本为0.38元/m3，人工湿地运行费用0.145元/m3。

运行费用计算方法为（0.38+0.145元/m3）×350 m3/d×365 d=67068.75元/年，即6.7万元。

5.2 社会效益

村镇污水处理工程的实施将有效改变村庄的整体形象，为河南省新农村建设创造良好的发展条件，并将对村镇的经济发展起到较大的促进作用，同时对推进河南省农村的城市化、生态化建设形成良好的示范带动作用，产生良好的社会效益。

6 结论

不同的村镇地区要根据因地制宜的原则选择污水处理工艺，同时需结合当地的地理特征、环境状况和运行管理水平等。对于中原地区，可以针对不同情况选择水处理工艺：对经济较发达、基础设施完善、环境敏感度高的村镇生活污水处理，建议采用SBR加人工湿地组合工艺，达标后的水还可以用于畜禽养殖或绿化；村镇规模较小、环境敏感度一般的村镇生活污水处理，可以只采用SBR技术，占地较小、投资及运行费用较低，能有效改善农村人居环境。污水的处理方法、工艺要与时俱进，尽量满足处理工艺简短、设备简单、维护需求低、出水水质稳定等标准。