农村污水一体化设备工艺研究新进展

赵会芳 何国钢 钟翔 邹蓉 张明

(湖南惟创环境科技有限公司，湖南 长沙 410000)

1 农村污水特点的分析及问题

目前，农村经济发展迅速，农民生活水平大幅提高,但是环境建设却有一定程度的落后，农村的环境问题也日益凸显，其中水环境污染问题尤为严重。农村生活污水有以下特点。

1.1 农村生活污水水质较为复杂

我国农村大部分地区，供水设施简单，生活污水一般主要来源于4个方面[1]：厨房污水、洗涤污水、厕所污水、其它废水，但是这些废水无分类处理，基本为混合后外排，导致水质较为复杂。对于水质的指标范围，建设部发布的《分地区农村生活污水处理技术指南》中对于全国不同地区，给出了具体的参考范围。

1.2 水质水量随不同地区和时间差异较大

不同地区农村生活污水排放情况因为不同的生活习惯，也存在较大差异，且农村地区生活污水的排放量一般在活动比较集中的时间段污水产生量比较多，其它时间段比较少，污水量在一天中的波动较大。另外，在春夏季节，雨水较多，农村生活污水水质中BOD5、COD、总磷、氨氮等污染物浓度指标均较低，秋冬季节雨水少，污染物含量相对偏高[1]，故对农村污水处理的一体化设备，抗冲击负荷的能力有一定要求。

表1 分地区农村生活污水污染物指标情况[2]

1.3 农村生活污水管网收集系统不健全[3,4]

农村地区对于污水的收集系统建设很不完善，污水管网设施简单，大部分是明渠或者沿路边敷设暗管对污水进行收集，不能实现雨污分流。随着污染物浓度的降低，污水的处理难度逐步加大，导致排放不达标或者随意排放，形成恶性循环。

1.4 污水处理设施不能有效运行

设施不能长期有效运行，有较多原因，对于农村污水来说，主要有以下几个方面：污水处理设施的抗负荷不足，对于农村污水时高时低的进水流量及复杂的进水水质情况，不能很好的适应，导致微生物不能正常生长，污水达不到有效的处理；选择的污水处理设施运行费用太高，当地政府无法承担，后期只能瘫痪；后期维护不到位。有些设备需要定期更换药剂、设施零部件，或者如人工湿地，需要定期清理植被、更换基质等，很多都是简单处理，长期就造成了设备运行效果越来越差，导致堵死等问题，无法解决。因此，选择符合当地实际情况的污水处理设施设备并配备一定的技术人员，也是比较重要的问题。

2 污水中各污染物指标的去除机理分析

农村生活污水氮磷含量较高，主要是对氮磷的去除。

对于氮的去除，微生物将污水中的一部分氮(氨氮或有机氮)同化为自身细胞的组成部分，这就是氮的同化作用，同化作用对水中氨氮的去除率可以达到10%～20%左右[5]；硝化反硝化作用，在有氧条件下,通过硝化细菌的作用，将氨氮转化为硝态氮；在缺氧条件下，反硝化细菌将硝态氮转化为氮气，从水中挥发逸出。生物的整个硝化反硝化分解过程，就是微生物在获取能量的同时分解氨氮从而降低水中污染物的过程。

生物除磷是利用微生物在厌氧状态下释放磷，在好氧条件下从外界吸收磷的原理，通过排剩余污泥的方式，将磷从废水中去除，以达到除磷的效果。对于农村生活污水，在进水COD浓度较低的情况下，可以考虑增设乙酸钠投加装置，用以补充碳源，当生物除磷达不到要求时，考虑辅以化学除磷。

3 适合农村污水特点的一体化设备工艺分析

对于农村生活污水的处理，考虑到以上农村污水的特点，一般推荐采用一体化设备处理农村污水，依据的工艺原理主要有以下几种类型的一体化设备。

3.1 基于改良A2/O工艺的IFAS工艺

3.1.1 工艺原理及特点

IFAS工艺，即生物膜/活性污泥组合工艺(IFAS，integrated fixed-film activated sludge process)，就是将生物膜和悬浮生长的活性污泥合并在一起的一种工艺[6]。IFAS是在原有活性污泥反应器内增加额外生物量，以提高系统的处理能力或提升其性能。在IFAS中使用载体可使有效MLSS的浓度翻倍[7]。

在IFAS工艺中，采用分开硝化，即分别进行硝化和碳氧化。有机碳去除在碳化曝气区进行，硝化反应在硝化曝气区进行。2个反应区独立，更好地避免硝化和碳氧化的相互作用，增加了系统的灵活性和可靠性，使运行达到最佳状态。

在硝化反应区，硝化细菌为优势菌体，硝化菌为自养性好氧菌，该区溶解氧在15～20mg·L-1。在反硝化区，反硝化菌为优势菌体，硝化菌为异养兼性菌，缺氧条件下反应，有机物作为电子供体，硝酸盐(亚硝酸盐)作为电子受体，该区溶解氧浓度一般>0.2mg·L-1，C/N>3。

在该工艺中由于有机物去除、氨氧化和硝酸盐还原彼此之间相对独立，系统运行的灵活性比较强，有机物降解菌、硝化菌和反硝化菌的生长环境均较佳，因而反应速度快，脱氮效果也比较好[8]。

IFAS工艺的除磷是传统A2/O工艺的外回流剩余污泥实现，在好氧区加入了悬浮MBBR填料，填料在碳化区约占池容的30%左右，在硝化区约占池容的50%左右，MBBR填料在池内呈悬浮状态，填料上会形成生物膜，当生物膜达到一定厚度时，氧气无法向生物膜内层扩散，好氧细菌死亡，兼性细菌和厌氧细菌开始在内层繁殖，形成厌氧层，厌氧细菌在此基础上继续发展。释放磷后，厌氧细菌进入二级好氧区吸收磷，混合液体进入集水区，出水进入沉淀池，通过在排放剩余污泥的方式来除磷。

采用该工艺类型的一体化设备，罐体分区明显，一般分为厌氧区、缺氧区、碳化区、硝化区、沉淀区，在出水要求较高的地区，可以后端设置后置反硝化区，适当补充碳源，进一步去除氨氮。

该反应器中污泥浓度一般为普通活性污泥法污泥浓度的2～3倍，曝气池生物质浓度可高达7～10g·L-1。填料生物膜比表面积大，反应器容积负荷高，在相同的负荷条件下IFAS工艺占地较传统活性污泥法最大能减少40%。对现有污水处理厂升级改造效果显著，不增加用地面积仅需对现有设施简单改造，污水处理能力可增加2～3倍，并提高出水水质。

该工艺虽然也是在生物处理过程中添加MBBR填料，但是其与生物接触氧化法不同，IFAS工艺内部添加了填料，但是其主要的生物处理系统是活性污泥法和生物膜法的结合。生物接触氧化法工艺对氨氮的去除率达到89%，总氮的去除率达到70%，而一体化IFAS工艺对农村生活污水中有机物及含氮污染物的去除能力结果表明,氨氮去除率达到93%左右，总氮的去除效果达到75%左右[9]，均可以达到城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)的一级A出水标准。

T Sriwiriyarat,C W Randall等也对IFAS工艺对废水生物除磷工艺进行了研究，并将强化生物除磷纳入了IFAS系统，通过实验发现，当MCRTs由10d减少到6d时，除磷率仅下降10%，但是当C/P从20到52时，除磷率下降了50%[10]。

3.1.2 工艺流程

图1 IFAS工艺流程图

3.2 基于改良A2/O工艺的VFL工艺

3.2.1 工艺原理及特点

VFL(Vertical Flow Labyrinth)工艺，即垂直流迷宫工艺[11]，该技术的基本原理也是基于传统A2/O的基础上进行的变形，VFL主要是在厌氧区和缺氧区采用了垂直流迷宫的结构模式，同时设置多点回流，从结构上延长了厌氧区和缺氧区的停留时间及回流次数，大大提高了脱氮效率，同时也有利于除磷，充分利用各区进行微生物反应，有效发挥厌氧区、缺氧区微生物对碳、氮、磷等有机物的利用。

厌氧区和缺氧区的污水采用多格上下折流形式前进，可以增加污水的停留时间，在上下翻流的过程中，污水具有一定的上升流速，带动污水中的活性污泥上下翻腾，避免了污泥在池底的沉积，最大程度利用污泥与污水的接触，提高反应器内污泥浓度，一般污泥浓度可以达到5000～6000mg·L-1，大大提高了污水处理效率和设备的抗冲击能力。

该工艺设置多点回流，具体的回流点包括：厌氧区-缺氧区回流，缺氧区-缺氧区回流，好氧区-缺氧区回流，沉淀区-好氧区回流。并且，多点回流的实现较为简单，无需拉较长的管线，只需池壁开口，安装竖管即可。厌氧区-缺氧区回流有利于微生物在厌氧区、缺氧区充分利用碳源，进行脱氮、释磷，缺氧区-缺氧区回流有利于缺氧区之间水质的均匀混合，好氧区-缺氧区回流相当于A2/O工艺中的内回流，主要是回流污泥混合液进行硝化反硝化作用，沉淀区-好氧区回流，主要是进行剩余污泥的回流。整个大循环，使得反应效率和污泥浓度大幅度提高，处理效率大大增加。

采用该工艺类型的一体化设备，前端无需设置调节池，生化池兼具调节池的功能，后端污泥池与处理区合建，污泥回流也采用气提回流的形式，整体布置紧凑，可减少占地。抗冲击负荷能力较强，处理效果较好。池型的灵活度也较高，可以根据场地的具体情况设计成不同的池型结构。抗冲击负荷能力强，反应器前端脉冲进水，使污水与新补充的污泥混合反应，极限冲击负荷可以承受200%。系统的污泥回流控制，不断将污泥输送到缺氧区中端，重新参与水处理过程，通过这种方式不断补充流逝的污泥，并降低进水负荷，最大限度地提高反应池抗冲击能力。VFL工艺具有独特的污泥循环路线，迷宫部分污泥浓度7～8g·L-1，好氧部分4g·L-1左右[12-16]。使得污水中有机物降解彻底，脱氮除磷作用出色，出水可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级A标准，甚至更好的水质。VFL技术系统简单，能耗低，日常维护工作量小，VFL技术设备除了污水进口处的提升设备和除砂设施(根据项目需要设置)外，以生化组合池为核心，配套设备只有鼓风机和加药设备，因此设备的日常维护工作量大幅度减少，能耗最大程度得到节约。

VFL也出现了变形及组合工艺，王展旭等将VFL技术与食泥菌种生物水处理技术相结合，基于鱼鳃过滤原理,仿生设计集水自压分子鳃超滤系统,使外排水质达到人可饮用的国家标准[13]。

3.2.2 工艺流程

图2 VFL工艺流程图

4 对农村污水治理的建议及展望

4.1 完善管网，提高污水收集率

完善污水管网建设，提高污水收集率。农村生活污水收集率低是我国大部分地区普遍存在的问题。目前许多地区的生活污水收集管网不断完善，一些经济条件较好的新农村已经建设了比较完善的收集处理系统。污水分类收集也是农村污水处理的一种有效途径。将生活污水中较为干净的部分分离出来，可以增加污水的处理效率,增加污水的浓度；作简单处理后就可直接回用或直接外排，一定程度上也减少了处理量和建设运行成本。

4.2 制定有针对性的处理标准[17]

污水处理的排放标准直接影响污水处理设施的工艺选择和投资规模，间接影响污水处理设施的管理和运行成本。建立合理的污水处理排放标准对农村生活污水处理具有重要意义。近些年，各省份相继颁布了省内关于农村污水处理的地方标准，如湖南省2019年出台的地标《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》DB43/1665-2019。但总体而言，大部分农村生活污水的处理和排放标准仍缺乏标准化。建立合理的农村污水排放标准，明确农村污水处理目标，制定不同的排放标准以适应不同地区的差异，根据污水的用途和目的地灵活选择排放标准，以平衡水环境质量要求、建设投资和运行费用。

4.3 合理选择污水处理技术

农村生活污水处理技术多种多样且成熟，但只有因地制宜的处理技术才能真正达到控制农村水污染的目的。污水处理技术在筛选的时候，要根据不同地区农村污水的水质水量及政府能够维持的运营建设成本进行选择，对于人口较多、布局紧凑、污水可集中处理的地区，宜选用多级生物接触氧化工艺或活性污泥法进行处理，对于污水集中不易收集的处理区域应采用灵活的分布式处理技术，可以采用小吨位处理规模的单户罐设备，对于有废旧池塘等可以利用或者土地较为充足的地区，可以考虑人工湿地等技术。此外，还要根据不同的水质处理工艺及出水要求，进行工艺的选择，污水中的氮、磷和其它营养素应该为主要控制指标,选择合适的脱氮和除磷技术，在选择农村生活污水处理工艺时，不仅要考虑处理效果和成本，还要考虑该工艺的适用性。

4.4 加强对污水处理设施的运行维护和管理[18]

为了维持污水处理设施的长期有效运行，需要长期稳定的资金投入，以满足污水处理系统运行的日常维护和定期检查工作，加大对农村环境综合整治的支持力度，完善污水处理设施和配套管网建设，提高污水处理率，完善地方财政对污水处理设施的建设和日常运行维护的资金来源。加大宣传力度，提高农村居民的环境责任意识，并为污水收集处理设施的建设和维护提供支持。