污水生物脱氮除磷技术在农村生活污水处理中的模块化应用

郑园文

华汇工程设计集团股份有限公司杭州博约分公司 浙江 杭州 310011

近年来，我国农村生活污水治理工作已在一些地区开展，并取得了一定的成效，但处理模式的市政化，处理终端工艺的低端化，均对项目后期运维造成较大的困扰；尤其当集中式处理终端在处理工艺选择不当时，会产生生活污水集中式排放，直接造成周边环境污染。因此，农村生活污水处理工艺的合理选择，处理设施运行规模的弹性设置，都将影响项目的建设标准，进而决定项目的合理使用年限。鉴于此，本文主要分析污水生物脱氮除磷技术于农村生活污水处理的适用性，处理设施模块化应用的具体实施方式。

1 农村生活污水水质与治理方向

1.1 农村生活污水的水质

在对长三角区域的农村生活污水进行长期跟踪取样后，完成了典型地区水质检测报告：

表1 长三角区域农村生活污水水质（单位为mg／L）

表2 农村污水处理设施水污染物最高允许排放浓度限值[1,2]（单位为mg／L）

1.2 农村生活污水污染物治理方向

农村生活污水主要在悬浮物（SS）、化学需氧量（CODcr）、氨氮（NH3-N）、总磷（以P计）等污染物指标上超过允许排放浓度， SS、有机物通过好氧、沉淀、过滤等常规处理方法均较易降解，但氨氮、磷等无机物则很难在常规处理方法中降低浓度，且该类无机物往往造成水体富营养化进而恶化水质，本文主要对氨氮、磷等无机物的去除进行分析。

2 传统污水生物脱氮除磷技术及工艺

2.1 传统生物脱氮除磷技术

传统生物脱氮理论：未经处理的生活污水中总氮主要为有机氮和氨氮，有机氮在氨化细菌作用下转化为氨氮。生物脱氮第一步为硝化反应，在好氧条件下将氨氮转化为硝酸盐氮；第二步为反硝化反应，在缺氧条件下将硝酸盐氮还原成气态氮，最终逸出大气。

图1[4] 生物脱氮反硝化反应

传统生物除磷理论：传统的生物除磷理论是聚磷菌的摄取和释放磷原理：在厌氧/好氧交替运行条件下驯化出聚磷菌微生物，从外部环境过量摄取磷，并以聚合磷的形式贮存在体内，形成高磷污泥，排出系统，达到除磷效果[3]。生物除磷过程通常包括厌氧除磷和好氧吸磷两个过程。

图2[4] 生物除磷过程

技术瓶颈：传统生物脱氮技术中硝化菌群增殖速度慢，且硝化菌世代时间长，要维持较高生物浓度需较长的系统总停留时间[5]，而生物除磷则要求污泥龄及时排出，否则将发生磷的重新释放，降低除磷效果。传统工艺中的反硝化过程需要一定量的有机物，而废水中的有机物经过曝气后被大部分去除，反硝化需要外加碳源。

2.2 缺氧/好氧（AN/O）工艺

图3 缺氧/好氧生物脱氮工艺

工艺特点：缺氧-好氧活性污泥脱氮系统中设内循环系统，向前置的反硝化池回流混合液。原污水直接进入反硝化池（缺氧池），为缺氧池中内循环混合液（硝化液）的硝态氮反硝化反应提供足够的碳源[4]。

该系统的主要不足是处理后的出水来自硝化池，出水中含有一定浓度的硝酸盐，如沉淀池运行不当，在沉淀池内也会发生反硝化反应，使污泥上浮，处理后出水水质恶化。

2.3 厌氧/好氧（AP/O）工艺

图4 厌氧/好氧生物除磷工艺

该工艺无混合液回流影响，厌氧反应器能够保持良好的厌氧状态[4]；但系统内微生物对磷的吸收有一定的限度，除磷率难进一步提高，同时当污泥在沉淀池内停留较长时，容易产生磷的释放现象。

2.4 同步脱氮除磷（AAO）工艺

图5 同步脱氮除磷工艺

工艺特点：在厌氧、缺氧、好氧交替运行条件下，丝状菌无法大量增殖，基本不存在污泥膨胀，且污泥浓度高；但系统污泥增长有一定的限度，除磷效果不易再提高，脱氮效果也有限，沉淀池内须防止厌氧状态和污泥释磷现象[4]。

3 改良污水生物处理工艺模块化应用

3.1 改良工艺特征

基于上述特点，本文提出增效脱氮AAO工艺+强化除磷式人工湿地。

图6 增效脱氮AAO工艺+强化除磷式人工湿地工艺图

改良工艺是在AAO工艺的基础上进行改进。在AAO工艺的O段增置聚氨酯多孔性悬浮填料，可延长污泥龄，培育世代时间长的硝化菌，提高脱氮能力；后置复式人工湿地，内置模块化高效生物滤料，利用供氧系统，强化滤料层生物膜的除磷效果。湿地供氧系统同时可防止滤料堵塞。布水管与集水管外覆聚氨酯生物填料，增加生物膜可生长比表面积，进一步提高净化效能。

图7 功能型布、集水管

3.2 改良工艺的模块化结构探讨

3.2.1 增效脱氮AAO机组的模块化

AAO工艺主要由厌氧反应器、缺氧反应器、好氧反应器三组完成，三组反应器在整体上属推流式水流流态，同时又存在混合液回流及污泥回流等混合式水流流态，互相分隔又相互联动，对回流系统进行剥离，可实现单个反应器的独立。

厌氧反应器主要生活着聚磷菌，其属于不动杆菌属、气单胞菌属和假单胞菌属等，只有在无分子氧且无氮氧化物氧（NOX）的条件下才能释放磷。

缺氧反应器主要生活着反硝化菌，其属于异养型兼性厌氧菌，只有在无分子氧而同时存在硝酸和亚硝酸离子的条件下才能利用这些离子中的氧进行呼吸，使硝酸盐还原。

好氧反应器主要提供硝化菌和聚磷菌好氧环境。硝化菌是专性好氧菌，只有在有溶解氧的条件下才能增殖，厌氧和缺氧条件都不能增殖；聚磷菌在有溶解氧和氧化态氮的条件下进行有机物代谢，产生ATP。

反应器的独立，模块化的设置，为工艺菌种创造更有利的生存环境，更有利于工艺运行，保证出水标准。

3.2.2 强化除磷式人工湿地的模块化

强化除磷式人工湿地主要包括布、集水系统，生物滤料系统，湿地系统，及曝气系统。

污水与滤料接触一段时间后，在其表面形成一层膜状污泥—生物膜，在膜的表面和一定深度的内部生长繁殖着大量的各类微生物和微型动物，在好氧条件下，强化除磷效果。但生物膜在长期运行后，存在老化生物膜脱落，进而堵塞滤料、降低出水水质的危害，滤料的清洗维护显得十分必要，模块化的设置将为这项服务提供可能性，以实现人工湿地的常态化养护，保证工艺运行的有机更新。

图8 人工湿地模块化生物滤料

填料是生物滤料的主体，应具有高强度、耐腐蚀、比表面积大、较大的孔隙率等特征，强化除磷式人工湿地采用高效组合式填料，上层为改性沸石，下层为改性火山岩，具有高效强化处理效果。

图9 改性沸石

图10 改性火山岩

3.3 模块化应用的前景

农村指以从事农业生产为主的劳动者聚居的地方，是不同于城市、城镇而从事农业的人群聚居地，人口呈散落居住。

农村同城市相比有其特点：①人口稀少，居民点分散；②常住人口与户籍人口差距较大，按年累计居住时间小于60天为非常住人口计[6]，常住与户籍比总体在1:2；③流动人口多的地区，存在时节性人口变动规律，且变动比例大。

可见，农村设施很难按规划人口统筹，也不能简单复制市政工程的设计参数。农村生活污水处理设施同样面对这个难题，如何更有效的发挥设施效益，更贴切服务农村居民，应该得到体现，模块化的应用将为这项服务提供可能。

图11 模块化污水处理设施

采用多套独立系统并联运行的模块化设置，可降低设施的待机概率，保持设备的常态化优良运行。

村庄人口年平均流动变化率小于50%村庄，宜采用两组污水处理终端交替并联运行；变化率大于50%的村庄，宜采用三组及以上污水处理终端交替并联运行。

4 结论

农村生活污水处理主要面对的是脱氮除磷，AAO工艺在小型化模块化方向的发展，将有利于污水处理设施的布局，有利于农村污水处理系统的优良运行，进而提升农村人居环境质量，为全面推进乡村振兴、加快农业农村现代化、建设美丽中国提供有力支撑。