生物膜A2/O 工艺处理度假型乡村生活污水的实际运行效果

钱 姗，吴 迪，高贤彪，李 妍

（天津市农业科学院，天津 300380）

近些年，我国污水的处理再生工艺取得长足发展，处理效果随着国家及地方标准的提高也在不断进步，但农村地区污水处理率始终不高，制约农村水污染治理工程普及的原因主要为经济发展水平低及生活习惯差距。农村地理位置分散，铺设连接多个村庄的排水管网难度大，所以通常只能以村为单位修建一个处理站。而在有条件修建集中污水处理站的村庄，由于人口少、管网渗水、生活习惯等原因可进入处理站的污水量少、变化系数大、水质波动明显高于市政污水处理厂进水。因此，城镇污水处理厂经常采用的常规、成熟的工艺要针对农村生活污水水质水量特点做出适应性改变，开发出适用于农村生活污水的高效低能新技术、新工艺。

工程化应用的污水处理工艺大多以生物法作为二级处理，辅以沉淀、过滤等物理手段以及化学除磷等化学手段。因此发挥作用的主体是活性污泥，任何超过一般微生物适应能力的环境条件都会造成活性污泥生态失衡，从而破坏其污染物降解功能。影响农村生活污水处理效果的除了以上提到的水量波动外，还包括进水污染物浓度、冬季低温等因素。基于市政污水处理厂的运行经验，目前普遍认为当进水COD 低于250 mg·L时即可视为碳源缺乏，不仅不利于微生物的同化作用，也会同时影响脱氮除磷过程。为了保证较为稳定的进水水质，市政污水会采用高低浓度污水混合的方法，但农村生活污水处理不具备这样的条件。同时，温度也是影响污水处理效果的重要因素。北方冬季气温大幅降低，污水处理站的进水水温可能低至10~15 ℃左右，这样的低温会导致微生物代谢活性变差，胞外聚合物累积，从而引发污泥膨胀。另外有研究表明，在水温低于15 ℃时，硝化细菌和亚硝化细菌活性受到抑制，氨氮去除率明显降低；当水温低于8 ℃时，活性污泥系统的硝化速率会迅速下降甚至失去硝化能力。

针对农村污水体量小、排放波动大等特点，本工程以生物膜A/O 工艺为主体，结合分段进水、出水回流等手段形成一套深度处理工艺。进行为期10 个月的运行监测，监测期覆盖冬季、夏季两个季节，重点探究处理工艺对污染物的去除效果和抗冲击能力，同时对污染物排放浓度随季节的变化规律进行初步揭示。

1 材料和方法

1.1 工程概况

本工程修建于北京近郊山地某乡村，用于处理全村排放的污水。该村由于地理位置优越、自然风光好，是城市人口就近避暑度假的首选，因此乡村游产业成为当地支撑产业，全村没有工业，没有规模化养殖业。

排放的污水主要为乡政府、学校、家庭和旅舍等产生的生活污水和少量餐厅餐饮废水。综合常驻人口、旅游旺季高峰人口、往年自来水用量和排污系数等因素，确定设计流量为150 m·d，出水设计水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B 标准。表1 为监测的进水水质几个重要指标与相应的出水标准。

表1 进水水质及出水标准 (mg·L-1)

1.2 工艺流程

所有构筑物采用平移推流式池型。原污水首先经粗细两道格栅进入沉砂调节池，在此初步沉淀并水量调节，由两台提升泵分别泵入厌氧池和接触缺氧池，实行分段进水，厌氧池出水进入接触缺氧池，之后依次进入接触好氧池、二沉池与出水循环池，接触好氧池部分出水回流至接触缺氧池，使富氧条件下生成的硝态氮在缺氧池中完成反硝化脱氮。接触缺氧池与接触好氧池内敷设软性纤维填料。二沉池放置两台污泥泵分别用于剩余污泥排放与污泥回流，回流污泥至厌氧池。出水循环池放置一台水泵，在水量少或冬季低温时将水重新提升循环至沉砂调节池。

图1 工艺流程图

1.3 工艺特点

将传统活性污泥法与生物膜法特点结合。在缺氧池和好氧池均敷设填料，硝化微生物可附着在载体上生长，水力停留时间和泥龄分离使得世代时间较长的硝化菌和反硝化菌易于成长为优势菌种。填料采用软性纤维填料，填充高度3 m，填充率约75%，该种填料便宜耐用，相对于活性污泥法的同等工艺并不会有明显的设备费增加，但基于成熟的运行控制却能达到更好的出水水质。另外在好氧池，推流池型的应用使BOD 浓度随着水流逐渐减小、DO浓度逐渐增大，这种从进水端到出水端形成的反应梯度有利于各生物反应的有效进行、使自养型硝化菌易于在池子中后段BOD 浓度较低处的填料上迅速增殖且不易发生污泥膨胀。

增设出水的循环回流步骤。经处理后本可排放的水在旅游淡季原污水排放量少时回流至厌氧池，可保证整个系统正常的水力流动及对填料上生物膜的水力冲刷，促进膜的正常脱落与再生。而在冬季低温时回流可提高污水的停留时间、降低负荷率，从而改善低温导致的出水水质下降。

1.4 成本分析

本工程总水力停留时间40.9 h，总投资65 万元，运行成本0.75 元·m（详见表2）。

表2 成本明细表

1.5 检测方法

采样时间为1 月至10 月间，每6 d 取1 次样，取样日上午取1 次、下午取1 次，总取样数为101 个。

CODcr 采用铬法便携式分光光度计测定、NH3-N 采用纳氏试剂法便携式分光光度计测定、TP 采用抗坏血酸-钼蓝法便携式分光光度计测定。

2 结果与分析

2.1 CODcr 的去除

如图2 所示，从1 月到10 月整个期间来看，进水CODcr 值波动非常大，在10.04～255.0 mg·L之间，平均值87.74 mg·L。上午数据和下午数据并未看出明显规律，但可以发现随着一年中气温变化，进水CODcr 也相应波动：在1—3 月，气温最低的3 个月中（第1~28 个数据）平均值为52.13 mg·L；4—9月（第29~90 个数据）气温较高，平均值为106.39 mg·L，10 月（第91~101 个数据）开始转冷，平均值为76.71 mg·L。分析原因有二：一是天气寒冷时为旅游淡季，旅社与餐厅关闭，污染物浓度降低；二是淡季用水人口减少、污水量减少，系统的循环池回流作用显现，进水处的原污水被回流水稀释。

图2 CODcr 去除效果

处理后的出水CODcr 在3.99～63.55 mg·L之间，平均值为24.26 mg·L，除一个数据略超过60 mg·L之外其余全部达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B 标准，达标率99%。CODcr 去除率在6.99%～93.02%之间，其中1—3 月平均去除率54.45%、4—9 月平均去除率67.85%、10 月平均去除率70.13%，总平均去除率64.32%。1—3 月的去除率明显低于其他月份，一方面是进水浓度偏低、营养物质的缺乏导致污泥容易进入内源呼吸状态从而影响活性，另一方面从数据可以看出，10 月份虽然与1—3 月相同，进水浓度大幅度偏低，但平均去除率却基本相当，说明CODcr的去除率与气温具有显著相关性。总体来看，这种类型乡村的生活污水CODcr 浓度相对较低，波动大，但处理后出水能维持在一个很稳定的水平，具有相当高的达标率，说明活性污泥的微生物群落结构良好，面对浓度不稳定的营养来源及冬季运行有能力调整并维持在一个稳定的代谢节奏，污水处理工艺具备良好的抗冲击能力。

2.2 氨氮的去除

如图3 所示，氨氮进水浓度在2.09～35.0 mg·L之间，平均值10.65 mg·L。处理后出水浓度在0.29～15.8 mg·L之间，平均值5.18 mg·L，在全部101 个数据中，夏季高温时有4 个数据在8～12 mg·L、温度较低时有2 个数据在15～15.8 mg·L，其余全部达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B 标准，达标率94%。去除率在在5.54%～96.84%之间，平均值51.0%。

图3 氨氮去除效果

仍然按照1—3 月、4—9 月、10 月3 个时间段分段统计， 氨氮进水平均浓度分别为8.21，11.90，10.02 mg·L，平 均 去 除 率 分 别 为38.28%，54.54%，64.09%。在气温影响方面，表现出与COD 相同的趋势，即温度最低的1—3 月去除率明显低于其他月份、进水浓度低于其他月份。

氨氮的去除率上下限范围很大、波动剧烈且并不呈现出明显规律，但出水氨氮浓度非常稳定，达标率很高，一方面是因为进水浓度本身不高；另一方面，认为处理系统本身的硝化细菌发挥了作用。氨氮这个指标是用来衡量污水处理工艺中硝化作用的有效程度，即硝化菌是否有效累积并保持活性。硝化菌对氨氮的去除包括两个途径：同化作用和自养氧化为亚硝态氮和硝态氮，而目前的理论认为由于细菌细胞生理需要而去除的氮元素（同化作用）其去除率仅为20%～40%，也有认为是8%～20%。本试验的数据中，以40%为限，高于这一去除率的占60%，若考虑进水有机氮氨化的部分，高于40%的比例还会更大，而再结合本处理工艺的一些设计特点推断，硝化细菌已经成为优势菌种并发挥硝化作用。

2.3 TP 的去除

如图4 所示，总磷进水浓度在0.34～4.38 mg·L之间，平均值1.78 mg·L。处理后出水浓度在0.01～1.59 mg·L之间，平均值0.86 mg·L。去除率在2.35%～98.12%之间，平均值46.06%。

图4 总磷去除效果

按照1—3 月、4—9 月、10 月三个时间段分段统计，总磷进水平均浓度分别为1.22，2.09，1.54 mg·L，平均去除率分别为39.29%，50.00%，41.79%。1—3月与10 月相比进水浓度相近，气温差距很大，但去除率并未因温度差异发生相同程度的变化，因此与CODcr 和氨氮所呈现出的温度显著影响去除率不同，进水浓度是相关性更大的影响因素。

达标率方面，在超标的32 个数据中，22 个数据在1.0～1.2 mg·L，10 个数据在1.25～1.59 mg·L，其余全部达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B 标准，达标率68.3%。虽然出水平均值满足一级A 排放，但相对于CODcr 与氨氮，总磷的去除率和达标率最低，分析原因可能为好氧池增设生物膜填料，聚磷菌附着于更有利于生长的填料上，游离菌减少，从二沉池回流至厌氧池再生的菌也减少，聚磷菌长期释磷不良而又增殖速率较慢，造成有效作用的菌少且活性不高。

3 结论

基于足够长时间的运行监测，从CODcr、NH-N和TP 3 个污染指标的出水平均值和达标率两方面看，采用的处理工艺充分满足农村生活污水处理需求且运行具有高度稳定性。其中CODcr 和NH-N的去除率和达标率高于TP 的，这与绝大部分污水处理工艺是一致的，不论是市政级的污水处理厂还是小型一体化处理设备，TP 一直是较为难以脱除的污染物，其代谢机理也是最不明确的。在环境气温对运行效果的影响方面，通过按季节的数据统计发现，气温是CODcr 和NH-N 去除率的主要影响因素，而进水浓度是TP 的主要影响因素。但是本工艺基于生物膜污泥体系以及分段进、出水回流技术特点，使得这种冬季低温造成的处理效果下降处于可接受的范围内。综上，本工艺在技术上做出了创新与优化，同时兼顾运行成本的经济性，非常符合农村的市场特点，具有广泛应用前景。

得到以下结论：

（1）本工艺经过10 个月运行监测，其CODcr、氨氮和总磷的平均去除率分别为64.32%，51.00%，46.06%，水质达标率分别为99%，94%，68%。出水平均浓度均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级B。

（2）农村生活污水污染物浓度呈现季节性差异，夏季污染物浓度高，冬季污染物浓度低，同时气温对COD 和氨氮去除率的影响大于对总磷去除率的影响。