农村生活污水生态综合治理技术研究

富英杰 张徐洁 徐小慧

（1 嘉兴市生态环境应急监控与事故调查中心 浙江嘉兴 314000 2 浙江清华长三角研究院 浙江嘉兴 314000）

引言

随着《“十四五”重点流域水环境综合治理规划》的印发，各地区都开始逐步启动村庄混合污水综合治理的项目规划，根据农村区域的水质状况、生活污水排放特点，利用天然沸石、火山岩、页岩陶粒等作为组合型滤料、建立生物滤料层，采用活性污泥法挂膜启动曝气生物滤池，合理调节污水进水流量、滤池挂膜滤速形成污染物过滤的内循环，配合氧化塘污水处理系统的生物过滤去除方案，设计“生物—生态”组合型污水处理系统，基本可达成农村混合污水中CODMn、氨氮、总氮(TN）、总磷（TP）等富营养化元素的去除目标，提升农村生活污水生态综合治理的效率与质量。

1 农村地区生活污水、污染物排放现状分析

以××村落为例，对农村地区生活污水、污染物排放情况进行分析。××村为地处国道北侧的临河村落，村域面积3.784km2、河流面积3.33km2，耕地面积360 亩，本村总户数468 户，总人口为2065 人。河流流域区的农村生活污水主要包括洗涤与洗浴废水、厨房污水、厕所污水、冲圈污水等，通过设置各类排污口、污水管网、化粪池接通至居民生活空间完成污水处理。在村内选取经济情况高、中、低的3 类家庭作为研究对象，监测半年（7～12 月）内农户各类污水的排放情况。按照式（1）计算污染物排放负荷，产污系数取0.5。

式中C—污染物浓度，mg/L；Q—污水排放量，Ld；M—质量负荷，kg·d-1。

取3 户平均值表示××村落生活污水的排放量、污水水质，乘以总户数得到全村每日(每月)污水排放量、污水中污染物浓度均值监测结果如表1、表2 所示。××村7～12 月全村每日的平均污水排放量分别为17.89m3、17.68m3、16.24m3、15.72m3、12.33m3、12.51m3，其中秋冬寒冷季节的日平均污水排放量逐渐降低，每月污水排放量基本控制在350～530m3之间。污水分类中洗涤/洗浴废水内含有的污染物指标浓度最低，厨房污水、厕所污水、冲圈污水等污水中含有的污染物指标浓度呈依次增加趋势，且厕所污水、冲圈污水内的污染物指标浓度过高，是农村生活污水的主要污染源。具体到不同污染物指标的浓度高低来看，CODMn、氨氮、TN 等污染物的浓度较高，TP、固体悬浮物(SS)等污染物的浓度低，针对这一情况采用相应的污水治理技术予以处理。

表1 全村每日(每月)污水排放量监测结果

表2 全村生活污水中污染物浓度均值

2 农村生活污水生态综合治理的相关技术

2.1 曝气生物滤池(BAF)技术

曝气生物滤池技术是对传统滤池的曝气方式作出改良，将滤池分为曝气区、滤料区的功能区，包括空气泵、蠕动泵、反应器、水箱、气体流量计、单孔膜空气扩散器等组成装置，其中水箱用于输送与存储待过滤的污水、容积约为200L[1]。反应器由滤料、导流筒、进水系统、曝气系统、出水系统及反冲洗系统等子模块构成，内部滤层高度为110cm，填充滤料为天然沸石、火山岩、页岩陶粒的组合型滤料，其中下部10cm 使用粒径约为5cm 的天然沸石、火山岩填充作为承托层，上部100cm 使用粒径约为1～3cm 的页岩陶粒，利用曝气生物滤池作出生物氧化AOX(有害物质)去除、悬浮固体(SS)截留的工艺如图1 所示。

图1 曝气生物滤池的污水处理工艺

根据图1 可知，在生活污水进入水箱后经导流筒流入曝气区、滤料区的功能区，利用曝气动力使生活废水水、循环水在筒内充氧，充氧后的压力差使混合流体向上提升进入滤料区，与环形滤料区的滤料充分接触进行CODMn、氨氮、TN、TP 等有害元素吸附、截留的过滤，使用反冲洗进水管、进气管清除留存在滤料层的杂质，保证滤池短时间内恢复过滤能力[2]。因此，基于气升式环流反应器的内循环曝气生物滤池技术，是通过隔离曝气形成的循环液流对进入滤池内的污水进行充分过滤，由于反应器内的循环水量达到进水流量的30 倍以上，可在短时间内快速稀释污染物浓度，因而能够直接用于处理高浓度生活污水，提升对污染物元素、细菌的抑制作用。

2.2 氧化塘污水处理技术

氧化塘污水处理是在前期运用曝气生物滤池完成CODMn、氨氮、TN、TP、固体悬浮物等污染指标的去除后，利用氧化塘内的水生生物、微生物、藻类等净化系统，作出CODMn、氨氮、TN、TP 污染物的进一步去除。氧化塘内“藻—菌—原生动物—原生植物”的天然代生系统，可在较长一段时间内通过水中微生物的代谢活动降解有机物，利用阳光照射塘内的藻类进行光合作用而释放出大量的氧，再通过代谢活动进行氧化分解形成二氧比碳，有效实现对塘内有机污染物、悬浮物的降解，氧化塘作用原理如图2 所示[3]。

图2 氧化塘污水处理作用原理

在微生物作用下将有机氨氮氧化分解为氨和氨化合物，一部分氨溶水成为NH3-N 被植物利用，另一部分由硝化细菌将氨氧化成硝酸盐，当水中溶氧浓度低于1～2mg/L 时硝化作用速度明显降低。在水中溶氧缺乏情况下，反硝化细菌能将硝酸还原成亚硝酸、次硝酸、羟胺或氮(硝酸还原)，当形成的气态氮作为代谢物释放时就称为脱氮作用。在绝对好氧条件下，氨氧化细菌、硝化细菌的硝化作用方程式为2NH3+3O2→(氨氧化细菌)→2HNO2+2H2O+能量、2HNO2+O2→(硝化菌)→2HNO3+能量；在缺氧条件下，反硝化细菌的反硝化作用方程式为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内的氨氮污染物，且氧化塘使用机械设备少、造价价格低廉，约为活性污泥处理法运行费用的1/10～1/4，只需设置大片的氧化塘便能够完成对农村生活污废水的水质净化。

3“曝气生物滤池+氧化塘”组合系统的污水去除实验方案

3.1 实验材料与植物选择

基于曝气生物滤池技术的农村生活污水治理实验，选用天然沸石、火山岩、页岩陶粒等组合型滤料，天然沸石、火山岩粒径为32～50mm 之间，其中天然沸石滤料的比重为2.1～2.3g/cm3、火山岩滤料的比重为2.2～2.5g/cm3、页岩陶粒滤料的比重为2.2～2.7g/cm3。使用氧化塘污水处理技术的实验研究，选用凤眼莲、草芦、香蒲、灯芯草、旱伞草、梭鱼草、莺尾花、菹草、浮萍等植物，以及蓝藻、绿狐尾藻等藻类作为污染物去除植株，其中蓝藻能够为水中各类动植物、微生物提供氧气，增加水中的溶氧量，其他植物能够去除污染水内含有的CODMn、氨氮、硝酸盐氮、磷等有害元素[4]。

3.2 实验装置与监测方法

模拟曝气生物滤池实验选用空气泵（0.135m3/min）、蠕动泵（0～30L/h）、反应器、水箱（100cm×100cm）、生物滤池（50cm×100cm）、气体流量计(1.5～15L/min)、出水桶(100L)等组成装置，具体结构如图2 所示。实验用水模拟××村混合污水中各污染物浓度的总体水平进行人工配制，氧化塘底泥取自××村的河湖泥、并添加一定量的营养土来模拟天然氧化塘的生态环境。

本实验中的水质监测项目包括CODMn、氨氮、TN、TP、浊度、溶解氧及pH 等，其中CODMn采用DRB 200 COD 快速消解仪测定、浊度采用台式浊度仪测定，氨氮和TN、TP 分别采用水杨酸一次氯酸盐光度法(A)、过硫酸钾氧化紫外光度法进行监测，溶解氧和pH 值分别采用HACH HQ30d 溶解氧仪、CT-6021A 型pH 计监测。

4“曝气生物滤池+氧化塘”组合技术的农村生活污水治理效果分析

4.1 曝气生物滤池的挂膜启动

曝气生物滤池对农村生活污水处理的基本原理，需在生物滤池中加入20kg 天然沸石、20kg火山岩、40kg 页岩陶粒进行吸附实验(温度为23℃)，连续运行1d 并观察CODMn、氨氮、TN、TP、固体悬浮物等污染物去除的情况[5]。生物滤池内部反应器的挂膜启动方式分为自然富集启动、人工接种启动等模式，一般实验中使用人工的活性污泥接种方式，将活性污泥联同微生物、好氧菌(厌氧菌)投加到反应器中，如投加覆盖面积约为0.5m3的绿狐尾藻，通过多次通气闷曝后形成滤料表面上的生物膜，挂膜后每天监测进出水的CODMn、氨氮、TN、TP、固体悬浮物等污染物浓度，以CODMn、氨氮的去除率作为生物挂膜是否成功的判定标准，实验期间若CODMn、氨氮的去除率分别达到80%和60%时则表明挂膜成功。

4.2 组合技术对农村生活污水生态综合治理的效果

按照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)的三级控制指标规定，包括CODMn≤120mg/L、氨氮≤30mg/L、TN&TP≤7mg/L、固体悬浮物SS≤50NTU 的标准，采用“曝气生物滤池+氧化塘”组合系统，通过空气泵、蠕动泵提升污水流入生物滤池，在生物滤池中进行一级有机物处理后，流入氧化塘实现二级生态处理，处理完毕后达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)、《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的污水排放要求[6]，具体的综合治理结果如图3、图4 所示。

图3 组合技术对农村生活污水CODMn、氨氮的治理结果

图4 组合技术对农村生活污水TN&TP、固体悬浮物的治理结果

从图3、图4 可知，在进入曝气生物滤池挂膜处理前，CODMn浓度处于740～850mg/L 之间，经过启动反应器挂膜处理、氧化塘微生物氧化还原处理后，CODMn浓度降低至70～520mg/L，其中在经过约22d 的静置处理后CODMn浓度便会降低至100mg/L 以内；从CODMn污染物去除效果方面来看，在运行至第4d 时滤料的吸附作用趋于饱和、厌养菌对有机物的氧化降解速率下降，冲洗与清除生物膜表面的污物后对CODMn元素的去除效果又缓慢上升，至22d 挂膜运行后CODMn的去除率稳定在85%以上。

随后分析氨氮、TN&TP 的污染物治理效果，在反应器挂膜后，氨氮浓度由原来的50～70mg/L下降至15～50mg/L，至26d 挂膜运行后氨氮污染物浓度下降至20mg/L 以下，去除率稳定在70%～80%之间；TN&TP 污染物在经过曝气生物滤池挂膜、氧化塘二级处理后，TN&TP 浓度由原有的7～9mg/L 下降至3～6mg/L，至26d 挂膜运行后氨氮污染物浓度下降至5mg/L 左右，但微生物降解作用下降对污染物的去除有影响，整体去除率稳定在70%～80%之间。固体悬浮物SS在组合技术使用前后的浊度分别为10～26NTU、1～5NTU，去除率为80%～90%之间，表明组合系统对固体悬浮物具有良好的去除效果，且农村生活污水生态综合治理的成效显著。

结语

由于农村生活污水的无节制、肆意排放，使得区域河湖水生态环境污染的防治难度增大，需通过利用一系列物理、化学、生物相结合的水污染处理方法，才能实现对农村地区生活混合污水的综合治理。因此，基于“曝气生物滤池+氧化塘”组合技术，通过反应器启动“挂膜”，由生物滤料起到污染物的吸附截留作用、滤料上附着的微生物膜起到氧化降解作用，利用生物膜内层的厌氧区完成反硝化反应，利用微生物的新陈代谢作用去除SS 固体悬浮污染物，经过处理后的生活污废水从滤池上部的出水口正常排出，部分固体悬浮物、沉淀物经反冲洗排水口排出，可大大提升农村生活污水生态综合治理效果。