小型一體化農村生活污水處理設施進水負荷特征與運行優化研究

朱明君，任 亮，楊忠蓮，徐連紅，仲雨葉，朱光燦，3

（1.東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210096；2.江蘇中車環保設備有限公司，江蘇 常熟 215505；3.西藏民族大學西藏水污染控制與生態修復國家民委重點實驗室，陜西 咸陽 712082）

0 引言

農村生活污水治理是農村人居環境整治的重要內容，是實施鄉村振興戰略的重要舉措，是全面建設小康社會的內在要求[1]。根據農村生活污水的收集方式，可將治理方式分為接管處理、集中處理、分散處理3種[2]。農村生活污水的排放具有量小、分散難集中、水質水量變化大、時空變化大等特點[3]，而集中處理模式的管網建設成本高，只適用于人口規模大、經濟條件好的地區[2]。《農業農村污染治理攻堅戰行動方案（2021—2025年）》提出應篩選適合當地具體情況的治理模式和工藝技術[4]，因地制宜地對農村生活污水進行分散治理是較好的選擇。

江蘇省某地分散農戶采用小型一體化生物接觸氧化污水處理設施，設計出水水質達到《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 32/3462—2020）一級B標準，然而，由于處理設施的進水水質水量波動較大、進水來源差異較大等原因，易出現部分處理設施運行不穩定、出水水質時有超標等問題。針對這些問題，本文分析了該地區處理設施的進水水質水量負荷特征、運行狀況，并進行了現場優化運行試驗，提出優化運行方案，為農村生活污水分散處理設施的穩定運行提供技術支撐。

1 運行現狀調研

1.1 設施結構及工藝流程

小型一體化分散處理設施結構如圖1所示。設施采用缺氧/好氧（A/O）生物接觸氧化處理工藝，設計處理水量為1 m3/d。污水依次進入設施初沉區、缺氧區、好氧區、沉淀區和消毒區，在經過沉淀、反硝化、硝化和有機物降解等過程后排出，消毒區作為應急處理單元。其中缺氧區設置固定床生物濾材，體積為0.75 m3，好氧區投加球形填料，填充比為70%，沉淀區設置回流裝置，部分經過處理的污水從沉淀池經氣提回流至初沉區。

圖1 小型一體化污水處理設施結構

1.2 運行現狀分析

1.2.1 進水負荷

為掌握該地區小型一體化分散處理設施（簡稱設施）進水污染物的負荷情況，選取該地區不同村落43臺調研設施的進水水質、水量及負荷指標進行分析，各設施凈化槽進水水量分布情況、進水水質分布情況、進水污染物負荷分布情況分別如表1至表3所示。

表1 各設施凈化槽進水水量分布情況

表2 各設施進水水質分布情況

表3 各設施進水污染物負荷分布情況

調研的43臺設施進水水量總體范圍大致為70～500 L/d，平均每臺設施的進水水量在229 L左右，各設施的進水水量存在較大差異，其中進水水量為20～400 L/d的臺數占統計總量的88.37%，大多數凈化槽進水水量處于300 L/d以下。進水水量差異較大與設施服務的常住人口用水習慣有關。對于同一臺設備，每年不同季節、每天不同時刻的排放規律也不同。該地區農村夏季生活污水排放量約為冬季排水量的2～3倍，每天早、中、晚都有一段排水高峰期，而午夜到凌晨基本無排水。

調研的43臺設施進水COD濃度范圍為104～827 mg/L，氨氮濃度為18～191 mg/L，平均每臺設施的進水COD濃度為419±408 mg/L，進水氨氮濃度約為73±118 mg/L，不同設施的進水污染物濃度差別較大。江蘇省集中式村莊生活污水處理設施的進水COD濃度為154.5±753.5 mg/L，進水氨氮年均濃度為29.5±62.4 mg/L[5]，集中式村莊生活污水處理設施的進水污染物濃度低于分散式處理設施。因此，集中污水處理進水濃度低，不符合現狀。

不同設施進水水質差異較大。一方面，受季節性變化及農村居民用水習慣的影響，主要表現為夏季污染物排放濃度偏低，冬季污染物排放濃度偏高。早、中、晚3個排水高峰期中，早上產生的污水主要是廚余污水、洗漱廢水以及沖廁污水，此時污染物濃度較高。另一方面，不同生活污水COD與總氮（TN）的比值差異較大，廚房污水COD/TN值為49.15，衛生間污水COD/TN值為6.53，洗浴/洗滌COD/TN值為9.63，因此設施接入的生活污水也會影響水質。

綜合各設施的COD、氨氮負荷，將設施進水負荷分為低、中、高3種級別。當進水COD負荷處于50 g/d以下或氨氮負荷處于15 g/d以下時，該設施處于低負荷運行狀態；當進水COD負荷為50～150 g/d或氨氮負荷為15～30 g/d時，該設施處于中負荷運行狀態；當進水COD負荷大于150 g/d或氨氮負荷大于30 g/d時，該設施處于高負荷運行狀態。

1.2.2 出水水質

在1—9月采集43臺設施的出水水樣，分析了COD、氨氮、TN的達標情況及其與進水負荷的關系。不同設施出水水質差異較大，且季節差異性明顯。總體來看，對氨氮和COD處理效果較好，在夏季持續監測的設施出水水樣中，80%以上的出水COD和氨氮可以達到《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 32/3462—2020）一級B標準，全年的設施出水檢測中，70%左右的出水COD和氨氮可以達到一級B標準；TN的處理效果較差，只有接近50%的設施出水TN可以達到一級B標準，如表4所示。

表4 設施出水達標情況匯總

1.3 運行問題與分析

根據對43臺設施的進水類別、水量、濃度、負荷和出水水質、運行狀況的調研，小型一體化分散處理設施存在的主要問題如下。

（1）生活污水收集不完全，實際接入污水以衛生間污水為主，COD/TN值僅為6.53，一般碳氮比小于8即可認為碳氮比較低[6]，由此可知設施進水碳氮比失衡，影響設施處理效果。

（2）受季節性變化及農村居民用水習慣等影響，污水水量及污染物排放負荷差異大，同時季節性變化較為明顯，直接影響了設施的穩定運行。

（3）原有風機提供的曝氣量與設施處理需求量不匹配，一般好氧區溶解氧為0.1～0.3 mg/L，使得設施處于超負荷運行狀態。

（4）回流比的大小不符合工藝需求，前期回流比設置較大，使得缺氧區溶解氧大于1 mg/L，破壞了缺氧區的環境。

2 優化運行研究

根據現場調研與運行現狀分析，為提高小型一體化設施對農村生活污水的處理能力和運行穩定性，本文開展在不同負荷下進水條件、曝氣量和回流比的優化研究，重點開展曝氣量和回流比的優化研究，研究時期是2018年7月至2019年12月。

研究發現，在設施前端設置化糞池，并將化糞池出水和廚房污水、洗滌污水一起接入設施進水的條件下，設施的出水水質較好[7]。因此，選取進水條件相同（廚房污水、衛生間經化糞池預處理的污水、洗浴/洗滌污水均接入），分別處于低、中、高不同進水負荷下的1、2、3號設施進行曝氣量和回流比優化實驗，試驗設備進水水質水量分布情況如表5所示。

表5 試驗設備進水水質水量分布情況

2.1 曝氣量優化

曝氣量是影響設施污染物處理效果的重要因素。曝氣量過低時，無法提供足夠的溶解氧（DO）來滿足硝化反應的需求；曝氣量過高時，多余的溶解氧通過回流影響缺氧池的反硝化，當進水負荷較低時，過量曝氣會導致污泥解體，影響系統的穩定性[8]。為確定適合不同進水負荷下的曝氣量，分別選取處于低、中、高進水負荷的3套設施，觀察不同曝氣量對溶解氧、COD、氨氮、TN處理效果的影響，設施溶解氧變化情況如圖2所示，設施出水水質變化情況如圖3所示。回流比為200%，在每次調整曝氣量運行一周后采樣分析。

圖2 不同運行負荷設施溶解氧隨曝氣量變化情況

圖3 不同運行負荷設施出水水質隨曝氣量變化情況

從圖2可知，當低負荷運行設施好氧區的溶解氧在曝氣量分別為0～2.4 m3/h、2.4～4.8 m3/h、4.8～9.6 m3/h時經歷了快速增加、慢速增加、快速增加3個階段，表明好氧微生物經歷了活性較低無法利用溶解氧、活性增加溶解氧消耗增大、活性較高溶解氧無法被完全利用3個階段。缺氧區的溶解氧在曝氣量分別為0～4.8 m3/h、4.8～9.6 m3/h時經歷了慢速增加、快速增加兩個階段，表明當曝氣量較高時，回流水帶來的溶解氧會破壞缺氧區的缺氧環境。因此，處于低負荷運行設施的曝氣量應不高于4.8 m3/h。中、高負荷運行設施在不同曝氣量條件下對設施溶解氧變化的趨勢和低負荷運行設施相同，中、高負荷運行設施曝氣量應不高于6.0 m3/h和7.2 m3/h。

從圖3可知，當低負荷運行設施的曝氣量從0 m3/h提升到4.8 m3/h時，出水COD從187.2 mg/L降至58.1 mg/L，氨氮濃度由38.4 mg/L降至9.2 mg/L，TN濃度由42.1 mg/L降至21.6 mg/L。這是由于曝氣量增加提高了水中的溶解氧含量，氧的傳質效率得到提高，填料上的生物膜活性得到增強，使COD處理效果有所提高[9]。此時溶解氧含量充足，亞硝酸菌能將氨氮轉化為亞硝酸鹽氮，硝化反應增強[10]。但當曝氣量增至8.4 m3/h時，低負荷運行設施出水COD濃度、氨氮濃度、TN濃度分別上升至70.5 mg/L、15.0 mg/L、31.4 mg/L，處理效果有所下降。一方面，因為過量曝氣導致附著于填料上的生物膜脫落、生物量減少；另一方面，有機物分解速度過快導致污泥老化影響處理效果[11]，而溶解氧含量較高的回流液回流至缺氧區破壞了缺氧區的缺氧環境，使反硝化反應被抑制。當曝氣量為4.8 m3/h時，低負荷運行設施對COD、氨氮、TN的處理效果達到最佳。中、高負荷運行設施在不同曝氣量條件下對COD、氨氮、TN處理效果的趨勢和低負荷運行設施相同，中、高負荷運行設施分別在曝氣量為6.0 m3/h和7.2 m3/h時，對COD、氨氮、TN的去除效果達到最佳。

2.2 回流比優化

小型一體化設施采用氣提回流方式，設有回流和曝氣空氣量調節閥門，當回流空氣量調節較小時易出現斷流現象，因此采取回流管打孔的措施，在確保不斷流的情況下，部分回流水通過孔道流至好氧區，從而可以通過開孔數量對回流比進行控制。回流可以改變裝置內水體的流動模式，降低污染物在厭氧區的停留時間，并稀釋厭氧區的污染物濃度，當回流比過高時，回流液中帶有的溶解氧會破壞缺氧環境，導致脫氮效果下降。觀察回流比（分別為0、100%、200%、300%、400%、500%、600%）對不同進水負荷運行設施出水水質（COD、氨氮、TN處理效果）及缺氧區（水面下10 cm處）溶解氧的影響，曝氣量分別為4.8 m3/h、6.0 m3/h和7.2 m3/h。在每次調整回流比運行一周后采樣分析，結果如圖4所示。

由圖4可知，回流比對于不同負荷下COD、氨氮、TN處理效果的影響趨勢基本一致。當回流比小于100%時，COD、氨氮、TN處理效果基本沒有變化，這是因為回流至缺氧區的回流比過小無法滿足反硝化反應的需求[12]。當回流比從100%提升到300%時，出水COD、氨氮、TN濃度分別為42.2 mg/L、5.8 mg/L、16.6 mg/L，設施對于COD、氨氮、TN的處理效果達到最佳，這是因為回流至缺氧區的硝化液濃度增加使得反硝化反應增強，從而提高了處理效果。當回流比從300%提升至600%時，設施對于COD、氨氮、TN的處理效果均有所下降，這是因為回流液帶入了溶解氧，此時的缺氧池缺氧環境遭到破壞，且有機物濃度被過大的回流比稀釋，反硝化過程受到抑制。因此，低、中、高負荷運行設施的最佳回流比均為300%。

圖4 回流比對不同進水負荷運行設施出水水質及缺氧區溶解氧的影響

低、中、高3種進水負荷運行設施經優化后，出水水質均達到《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 32/3462—2020）一級B標準。

3 結語

（1）小型一體化分散處理設施水質水量差異較大，根據調研情況可將設施按照進水負荷分為低、中、高3種級別。當進水COD負荷處于50 g/d以下、氨氮負荷處于15 g/d以下時，該設施處于低負荷運行狀態；當進水COD負荷處于50～150 g/d、氨氮負荷處于15～30 g/d時，該設施處于中負荷運行狀態；當進水COD負荷大于150 g/d、氨氮負荷大于30 g/d時，該設施處于高負荷運行狀態。

（2）設施的氨氮和COD處理效果較好，全年的設施出水監測中70%左右的出水COD和氨氮可以達到一級B標準；TN的處理效果較差，只有接近50%的設施出水TN可以達到一級B標準。

（3）對設施進行曝氣量和回流比優化，低、中、高負荷運行設施在回流比為300%、曝氣量分別為4.8 m3/h、6.0 m3/h和7.2 m3/h時，設施出水COD、氨氮、TN濃度分別為42.2 mg/L、5.8 mg/L、16.6 mg/L，此時設施對農村生活污水的處理效果達到最佳。