一體化生物處理反應(yīng)器處理農(nóng)村生活污水研究概況

汪誠文，趙雪鋒，王欣

1.清華大學環(huán)境學院，北京 100084

2.北京國環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計研究院有限公司，北京 100084

農(nóng)村地區(qū)地域?qū)拸V，村民居住相對分散，造成農(nóng)村污水排放點分散，難以通過管道收集的方式進行集中式處理。統(tǒng)計顯示，全國農(nóng)村地區(qū)每年產(chǎn)生的生活污水量約為80億 t［1］，且每年以近7%的速度遞增。由于經(jīng)濟和社會發(fā)展水平的制約，96%的村莊未建設(shè)有效的污水處理設(shè)施［2］，大量未經(jīng)任何處理的污水直接排入水體中，給當?shù)氐娘嬘盟踩斐闪藵撛诘耐{。農(nóng)村污水已成為我國非點源污染的重要組成部分［3］。近年來，國家對治理農(nóng)村生活污水的重視程度與日俱增，“十二五”規(guī)劃綱要明確提出了加強農(nóng)村飲用水水源地保護、農(nóng)村河道綜合整治和水污染綜合治理的要求。

農(nóng)村生活污水主要來自3個方面:生活洗滌污水(如洗衣、沐浴等)、廚房用水和沖廁廢水。污水特點是有機物、氮磷［4］含量高，可生化性好;重金屬等有毒有害物質(zhì)含量低;水質(zhì)水量波動大［5-6］等。在處理農(nóng)村生活污水的過程中，應(yīng)結(jié)合當?shù)氐膶嶋H情況選擇經(jīng)濟高效、運行穩(wěn)定的污水處理工藝。

1 一體化生物處理反應(yīng)器

我國現(xiàn)有污水處理工藝中80%以上采用的是活性污泥法，但其存在運行成本較高、污泥膨脹等問題，限制了在農(nóng)村地區(qū)的推廣使用。近年來，隨著對農(nóng)村生活污水處理研究的深入，一體化生物處理反應(yīng)器得到了越來越多的重視。一體化生物處理反應(yīng)器是指將傳統(tǒng)生物處理的反應(yīng)、沉淀和污泥回流集中在同一個反應(yīng)器內(nèi)的裝置。該反應(yīng)器投資運行成本低、占地面積小、操作管理靈活方便，同時反應(yīng)器耐受水質(zhì)和水量沖擊的能力強，氮磷去除能力強［7］。一體化生物處理反應(yīng)器發(fā)展至今，技術(shù)比較成熟，已在許多國家得到應(yīng)用，如日本的凈化槽技術(shù)以及其他一系列結(jié)合生物膜技術(shù)的一體化設(shè)備［8-9］。目前，各種一體化生物處理反應(yīng)器已廣泛用于生活污水［10］、醫(yī)院污水［11］、屠宰廢水［12］等領(lǐng)域，研究表明，一體化生物處理反應(yīng)器特別適用于農(nóng)村生活污水的處理。

2 研究概況

2.1 單一工藝的一體化生物處理反應(yīng)器

(1)SBR反應(yīng)器

SBR反應(yīng)器的研究始于20世紀70年代，其是將曝氣、反應(yīng)和沉淀過程集中在一個SBR反應(yīng)池內(nèi)完成。SBR的主要特點是時間上的推流和空間上的完全混合。由于SBR反應(yīng)器兼具調(diào)節(jié)池、沉淀池及污泥回流設(shè)備的功能，因此可大大節(jié)省占地面積和基建、運行管理費用。研究表明，SBR反應(yīng)器能夠?qū)崿F(xiàn)分散式生活污水處理的達標排放［13］。這對于資金相對匱乏的農(nóng)村地區(qū)具有十分積極的意義。另外，SBR反應(yīng)器還具有抗沖擊負荷能力強、反應(yīng)推動力大、能有效抑制污泥膨脹、出水水質(zhì)好等優(yōu)點。

同時，為適應(yīng)各種水質(zhì)處理的要求，研究者對SBR做出了一些改進，較典型的改進工藝有間歇式循環(huán)曝氣活性污泥(ICEAS)法，MSBR，三池聯(lián)體型前部連續(xù)曝氣和后部交替曝氣相結(jié)合的活性污泥(UNITANK)法等。

(2)一體化OCO反應(yīng)器

一體化OCO反應(yīng)器［14］的主要特點是在一個圓形反應(yīng)器中完成所有的生物反應(yīng)步驟。原水經(jīng)過預處理后與回流污泥混合，并在反應(yīng)器的內(nèi)圓中進行厭氧反應(yīng)，污泥釋放磷至污水中，隨后進入缺氧區(qū)進行反硝化反應(yīng)，最后進入好氧區(qū)進行氧化、硝化和吸磷反應(yīng)。生物反應(yīng)器結(jié)構(gòu)特殊，能使泥水在混合、運動的過程中形成良好的湍動，使污水與污泥中的微生物充分反應(yīng)，污染物得以去除。

薛軍等［15］通過設(shè)置不同的分區(qū)將一圓池分隔成3個區(qū)，通過控制曝氣與攪拌，使缺氧區(qū)和好氧區(qū)既相對分開，又能實現(xiàn)混合液的回流，從而使反應(yīng)器具有良好的脫氮除磷功能。殷旭東等［16］考察了溶解氧、碳氮比(C/N)、水力停留時間和pH對中心島式一體化OCO反應(yīng)器運行的影響，發(fā)現(xiàn)在好氧區(qū)DO濃度為2.0 mg/L左右，C/N為8.5左右，HRT為12 h左右，pH為7.4～7.8時，該工藝具有較為理想的脫氮效果，脫氮率達到85%。

(3)一體式膜生物反應(yīng)器

1989年日本學者Yamamoto首先開發(fā)出一體式膜生物反應(yīng)器，隨后被廣泛用于處理生活污水和工業(yè)廢水［17］。該裝置具有運行能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點，與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，它具有更強的硝化能力［18］，但也存在著處理能力小、膜污染嚴重、氮磷去除率不高等缺點。楊小俊等［19］在對農(nóng)村生活污水進行處理時，采用間歇生物膜反應(yīng)器作為一體式膜生物反應(yīng)器的生化處理部分，微濾膜作為出水處理系統(tǒng)，有效地解決了一體式生物膜反應(yīng)器出水SS較高和氮磷去除率不高的缺點，同時可實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制運行。經(jīng)過優(yōu)化操作參數(shù)，可使反應(yīng)器對CODCr，氨氮，總氮，總磷及濁度的平均去除率分 別達到 79.1%，83.5%，58.0%，81.3%和98.6%。

(4)一體化氧化溝

一體化氧化溝又可稱作合建式氧化溝(Combined Oxidation Ditches)，最早由荷蘭Pasveeer教授于1954年研制成功［20］。根據(jù)沉淀器置于氧化溝的部位可將一體式氧化溝分為溝內(nèi)式、側(cè)溝式和中心島式三類。該裝置集曝氣、沉淀、泥水分離和污泥回流功能為一體，可顯著減少占地面積，節(jié)省基建投資和管理費用，對水質(zhì)的變動具有一定的適應(yīng)性，適用于處理分散式生活污水。但是，它也有著不可克服的缺點:1)由于將固液分離器和氧化溝渠進行了一體化設(shè)計，導致出水不穩(wěn)定;2)裝置內(nèi)難以形成功能相對獨立的厭氧、缺氧和好氧區(qū)域，導致除磷脫氮效果的穩(wěn)定性較差;3)農(nóng)村生活污水水量和水質(zhì)波動較大，容易導致氧化溝內(nèi)污泥層難以穩(wěn)定，有可能出現(xiàn)浮泥情況，增加出水的SS。

由以上分析可得，這些單一工藝的一體化生物處理反應(yīng)器主要通過將生物反應(yīng)與固液分離相結(jié)合來實現(xiàn)一體化，主體工藝多為活性污泥法，因而具有污泥膨脹、脫氮除磷效果較差等缺點［21］。與此同時，污水排放標準的不斷提高促進了多種工藝組合的一體化生物處理反應(yīng)器的開發(fā)和應(yīng)用。

2.2 組合工藝的一體化生物處理反應(yīng)器

2.2.1 活性污泥法與厭氧/缺氧工藝的結(jié)合

2.2.1.1 厭氧/好氧/缺氧一體化生物處理反應(yīng)器

鄧欽等［22］提出了將厭氧/好氧/缺氧集中在一個反應(yīng)器內(nèi)進行的一體化生物處理反應(yīng)器，可同時實現(xiàn)反應(yīng)器的連續(xù)流和一體化，各池子空間布置緊湊。研究結(jié)果顯示，當N/P為8～10時，進水中的各類污染物都能在微生物的作用下得到有效去除，CODCr，NH3-N，TP和 TN的去除率分別為 91%，98%，90%和90%。

2.2.1.2 地埋式無動力厭氧達標處理設(shè)備

地埋式無動力厭氧達標處理設(shè)備(Underground Unpowered Anaerobic Reactor，UUAR)由浙江大學沈東升等［23］研發(fā)。該裝置根據(jù)厭氧生物膜技術(shù)和推流原理設(shè)計，采用內(nèi)充空心球狀填料的地下厭氧管道式或折流式反應(yīng)器為處理設(shè)備，利用附著于空心球狀填料內(nèi)外表面或懸浮的專門馴化專性厭氧或兼氧微生物去除生活污水中的有機污染物、病原菌和部分氮磷，從而達到凈化水質(zhì)的目的。沈東升等［23］通過中試研究發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化設(shè)計和調(diào)節(jié)球狀填料的配比，并延長HRT至2 d，出水可達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》二級標準，且未出現(xiàn)剩余厭氧污泥的積累問題。UUAR無日常運行費用，非常適合農(nóng)村生活污水的分散處理。

2.2.2 生物膜法與厭氧/缺氧工藝的結(jié)合

2.2.2.1 地埋式一體化生物濾池

曹大偉等［24-25］針對農(nóng)村地區(qū)住戶分散、污水排放日變化系數(shù)較大的特點，開發(fā)出了地埋式一體化生物濾池。其主體為一體化結(jié)構(gòu)，由缺氧池、生物濾池和沉淀池三部分組成，前置的缺氧池用于進行生物脫氮并降低生物濾池的進水負荷;生物濾池用于進行碳氧化及硝化;整個系統(tǒng)僅設(shè)一臺出水提升泵。因此，同傳統(tǒng)生物濾池相比，具有節(jié)能和高效的特點，適合在農(nóng)村地區(qū)推廣使用。該裝置具有較強的抗沖擊負荷能力，對農(nóng)村生活污水中的CODCr，NH3-N，TN及TP具有良好的去除效果，其中硝化效果尤為突出。針對農(nóng)村污水的處理，研究了低溫［26］條件下反應(yīng)器的運行特性，對運行參數(shù)進行了優(yōu)化［27］，同時發(fā)現(xiàn)采用兩級濺水的充氧方式能夠滿足生物濾池內(nèi)部微生物對氧氣的需求，可免設(shè)曝氣裝置，因此能耗和運行費用較低［28］。

2.2.2.2 凈化槽工藝

凈化槽是一種高效的一體化處理設(shè)施，主要采用厭氧濾池與接觸曝氣池、生物濾池或移動床接觸濾池的結(jié)合工藝，部分工藝反應(yīng)集中在一個裝置內(nèi)完成，各步驟之間用隔板隔開，出水加氯消毒處理。日本對凈化槽的研究開展較早，截至2007年，日本國內(nèi)的凈化槽使用總數(shù)為841.78萬臺，主要集中在排水系統(tǒng)缺乏的偏遠鄉(xiāng)村［29］。它具有出水水質(zhì)好、工藝成熟度高、耐沖擊負荷能力強等優(yōu)點，但其脫氮除磷能力不強，因此如何提高系統(tǒng)的脫氮除磷效果成為當前亟需解決的問題。王昶等［30］對小型凈化槽進行了改進，使用平推流二段厭氧和全混流好氧一體化回流技術(shù)以及生物濾床技術(shù)，增加了各區(qū)中的微生物含量，抑制了厭氧區(qū)的返混;采用部分回流，進一步提高了抗沖擊性和出水水質(zhì)，適用于農(nóng)村生活污水的分散處理。白曉龍等［31］也對小型凈化槽進行了改進，將厭氧生物濾池與生物接觸氧化技術(shù)融于折流式厭氧反應(yīng)器，生活污水采用上流式進入反應(yīng)器，從而減少了設(shè)備堵塞和維護時間。該反應(yīng)器在南通某新農(nóng)村建設(shè)示范區(qū)進行了實際應(yīng)用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)污水經(jīng)處理后CODCr，NH3-N，TP等指標符合GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》的一級B標準，污水處理動力費為0.44元/m3，成本較低，適合在農(nóng)村地區(qū)推廣使用。

2.2.2.3 序批式膜生物反應(yīng)器

序批式膜生物反應(yīng)器(SBMBR)將膜分離技術(shù)與序批式活性污泥(SBR)工藝相結(jié)合，該裝置同時兼具了SBR工藝和MB工藝的共同優(yōu)點，其占地面積小、耐沖擊負荷、生化反應(yīng)效率高、脫氮除磷效果好、不易發(fā)生污泥膨脹［32］。趙云霄等［33］通過在單個池體中采用限制曝氣和半限制曝氣的運行方式在時間序列上實現(xiàn)了厭氧/好氧(A/O)的組合，并合理控制各部分的時間比例來提高反應(yīng)器的脫氮除磷效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器對NH3-N，TN和TP的平均去除率可達97.79%，89.30%和90%以上，但對總磷的去除率受外界條件的影響較大，高濃度的硝酸鹽氮會影響出水總磷濃度。

2.2.2.4 一體化生物膜A/O反應(yīng)器

李德豪等［34］根據(jù)好氧硝化和缺氧反硝化生物脫氮除碳工藝原理，開發(fā)設(shè)計了一體化生物膜A/O反應(yīng)器，并將其用于處理模擬生活污水。該反應(yīng)器實現(xiàn)了在一個設(shè)備內(nèi)完成脫碳和脫氮，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地少、投資省、處理成本較低等特點。通過在反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置阻水板形成不同DO濃度分區(qū)，即好氧區(qū)和缺氧區(qū)，二者的容積比為2∶3。分別向好氧區(qū)和缺氧區(qū)內(nèi)投入90和120個直徑80 mm的塑料懸浮球形填料，在好氧區(qū)底部設(shè)置曝氣裝置，以曝氣為推動力，使污水在反應(yīng)器的好氧區(qū)-缺氧區(qū)間反復循環(huán)流動。研究發(fā)現(xiàn)，該反應(yīng)器對氨氮具有良好的去除效果:C/N＜8.5時，NH3-N去除率達到90%以上;C/N為6.3～8.5時，NH3-N去除率達到60%以上。姜蘇等［35］研究了一體化生物膜A/O反應(yīng)器的脫氮性能，結(jié)果表明，反應(yīng)器的硝化率和TN去除率分別達到了92%和82%。該一體化生物膜A/O反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)與上述反應(yīng)器有所不同，分別設(shè)置了好氧區(qū)、緩沖區(qū)和缺氧區(qū)，設(shè)置緩沖區(qū)可保證缺氧區(qū)較低的DO濃度，同時增強了反應(yīng)器對進水水質(zhì)波動的抗沖擊能力。

3 結(jié)論和建議

一體化生物處理反應(yīng)器發(fā)展很快，但主要用于城市生活污水和工業(yè)廢水的處理，針對農(nóng)村生活污水處理展開的研究并不多。因此必須加大對農(nóng)村地區(qū)污水處理的關(guān)注，提高其污水處理率。針對一體化生物處理反應(yīng)器在農(nóng)村地區(qū)的實際應(yīng)用情況，提出以下改進意見:

(1)通過結(jié)構(gòu)的合理改進、工藝和操作參數(shù)的優(yōu)化，提高一體化生物處理反應(yīng)器同時去除氮、磷的能力，從源頭上控制水體富營養(yǎng)化形成的條件，保障農(nóng)村地區(qū)飲用水的安全。

(2)優(yōu)化一體化生物處理反應(yīng)器的設(shè)計，在保證出水穩(wěn)定的前提下，對工藝的選擇及工藝之間的匹配問題進行更多的研究，設(shè)計出更緊湊、具有高適應(yīng)性、去除效率更高的一體化生物處理反應(yīng)器。

(3)選擇符合農(nóng)村實際情況的一體化生物處理反應(yīng)器。農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱，缺乏專業(yè)的技術(shù)人員，故選擇的一體化生物處理反應(yīng)器應(yīng)滿足運行穩(wěn)定、適應(yīng)水質(zhì)和水量的波動、維修少的目標。

(4)我國農(nóng)村地區(qū)南北差異明顯，研究應(yīng)針對具體地區(qū)的情況展開，特別是我國北方地區(qū)冬季氣溫低，如何保證一體化生物處理反應(yīng)器在冬季條件下的穩(wěn)定運行應(yīng)成為研究需解決的重點之一。

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