農村一體化水處理設備研究進展

荊奐聞

（河北工程大學，河北 邯鄲 056038）

1 農村污水處理現狀

我國農村生活著5 億～6 億人口，據估計，每年將產生約80 億噸污水，給環境帶來了巨大壓力，但與此相對的是我國污水處理措施的嚴重缺乏，與城市污水高達91.97%處理率相比，我國的農村污水處理率僅為13%～34%。除毗鄰城市的農村地區生活污水可以直接排入城市污水處理廠外，大多數農村地區無法建設污水管網和污水集中排放系統。96%以上的村莊缺乏排水渠道和污水處理系統，一般直接排放或明渠排放。2016 年，第三次全國農業普查數據顯示，農村污水集中處理或部分集中處理僅占總量的17.4%，這意味著大量污水無法得到有效處理。這直接造成了農村水環境的污染，危及農村生產和生活用水安全。

市政污水處理采用的集中式污水處理方式，由于成本高，設施占地面積大，需要長期而專業的設施運營和后期維護等原因。不適合人口密度低、人口分散的農村地區，因此，小型分散處理系統的發展有望為農村地區的污水處理提供長期解決方法。

2 一體化水處理設備的常用工藝及其發展現狀

2.1 一體化SBR 工藝

一體化SBR 工藝也稱序批式活性污泥法，此工藝將進水、曝氣、沉淀、排水四個階段按時間順序放置在同一個反應器內進行，因此無須設置二沉池及污泥回流系統。使得整個設備結構緊湊。此外，SBR 工藝還具有抗沖擊負荷能力強，不容易發生污泥膨脹等優點。適合應用于進水水質變化大，間歇排放的農村生活污水。但由于該工藝操作維護對工作人員的技術水平要求高，氮磷去除效果相較A2/O 工藝不理想、設備閑置率高等問題，限制了其廣泛應用。針對上述問題，目前出現了SBR+人工濕地組合，間歇式雙泥工藝，藻泥共生SBR 法等的改進方案，以下對幾種改進模式進行介紹。

（1）SBR+人工濕地組合工藝。SBR+人工濕地技術是指因地制宜的，將SBR 設備的出水排入附近村落的氧化塘或者人工濕地中，以實現在不增加額外設備的情況下，提高對氮、磷元素的去除率。Guo 等構建了 SBR-垂直潛流人工濕地組合工藝，用于處理農村生活污水。結果表明，當進水COD、氨氮、總氮和總磷濃度分別為200mg/L、48mg/L、48mg/L 和6mg/L 時，組合工藝的去除率分別為97%、99%、92%和89%，去除效果相較常規SBR 提升明顯。馬凱將SBR 設備與垂直流人工濕地結合考察了其處理效果，結果表明，在SBR 反應器采用間歇性曝氣，曝氣累積時長為3h，換水比1:1，人工濕地進水有機負荷在20 ～40g·m-3/d 時組合工藝的處理效果最好，COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別能達到85.56%、97.76%、68.84%及85.13%。

（2）間歇式雙泥工藝。間歇式雙泥工藝是指將兩種SBR 系統串聯（如前置A2NSBRN），或者在SBR 基礎上再添加活性污泥反應單元（如SBR-BCO），以改進SBR 的缺陷。前置A2NSBRN 雙污泥系統污泥將兩套SBR設備并聯使用，進水先在間歇厭氧-缺氧SBR 中進行反硝化除磷，然后在好氧SBR 中進行硝化反應，以硝化出水作為最終出水，在趙偉華等進行的試驗中，該工藝對于COD、氨氮、總氮和總磷的去除率分別可以達到分別為84.3%，98.4%，76.8% 和93.9%。SBR-BCO 強化除磷如圖，是指將SBR 處理設備同接觸氧化池（硝化單元）進行連接，通過增設的硝化單元，在簡化操作流程的同時，改善傳統SBR 設備脫氮除磷效果不理想的問題，王松凱考察了該技術在處理某村居民生活污水的效果，結果表明，該設備對于COD、氨氮、總氮及總磷平均去除率可達到96.9%、97.56%、60.41%、83.32%（圖1）。

圖1 SBR-BCO 技術流程示意圖

（3）泥藻共生SBR。泥藻共生SBR 技術是指將污泥與微藻結合起來的污水處理技術，由于微藻可以利用光能，將無機碳及含氮、磷元素的無機營養物質合成為細胞內物質，且某些藻類還會產生過量吸磷的作用，可以有效彌補SBR 的不足。趙婷婷等人通過研究低溶解氧條件下泥藻共生SBR 對農村污水的處理效果，發現在低溶解氧強化反硝化作用的的情況下，相較純污泥體系，采用泥藻共生SBR 技術使得總氮和總磷的去除率分別提高了48.72%和39.18%；與藻體系相比，泥藻體系中總氮和COD 的去除率分別提高了16.80%和77.35%，并且反硝化除磷菌系統中得到了富集。

2.2 A/O 工藝

A/O 工藝也稱缺氧-好氧工藝，是由缺氧反應單元和好氧反應單元串聯而成的工藝。在缺氧池中，微生物以有機物為碳源，反硝化回流而來的硝化液，在初步降解有機物的同時使氮轉化為氮氣脫除。在好氧池中，有機物得到進一步降解，氨氮被硝化去除。該工藝在實現對污水中有機物成分有效去除的同時，降低污水中的氮、磷成分。其主要工藝特點是流程簡單，耐沖擊負荷，適應性強，污泥量少，并且可以將水中的含碳有機物和細胞內源代謝產物作為為碳源，節省了外加碳源的費用。目前，在A/O 工藝的技術框架下，發展出多級A/O，A/O生物接觸氧化，A/O 組合工藝等模式。

（1）轉盤式A/O。轉盤式A/O，取消了好氧反應區的曝氣設備，通過生物裝盤的轉動，使附著于其上的微生物達到好氧缺氧交替的狀態，在節省能耗的同時，達到間歇性供氧的效果。高曉杰設計了一款生物轉盤式的A/O 工藝一體化設備，并嘗試處理了人工配置的模擬農村污水，結果表明，在回流比適宜的情況下，生物轉盤式的A/O 設備對COD、氨氮和總氮的平均去除率分別可以達到80%、90%和70%。在夏季水溫適宜微生物生長時，設備對COD、氨氮和總氮的去除分別能達到 89.9%、92.1%和61.3%。

（2）多級A/O。多級A/O 是指在傳統A/O 工藝的基礎上，通過增加A/O 級數并將單點進水改為按比例多點進水的模式，提高了工藝對磷的去除率。王國棟在采用兩級AO 工藝處理山東省某村生活污水的實驗中發現，當設備的水力停留時間為32h 時，設備運行效果最好，對COD、氨氮、總氮及總磷的去除率分別為43.3%、84.8%、54.8%、76.8%。胡雪婷設計了一款采用懸浮球填料的跌水復氧多級A/O 設備，并在研究中發現，當A/O 容積比為0.33，填料填充比為70%，進水流量比例為5.4:3.1:1.7:1，且HRT 不小于16h 時，多級AO 對各對COD、氨氮、總氮及總磷的平均去除率為92.03%、64.59%、47.98%、40.37%。

（3）A/O 生物接觸氧化。A/O 生物接觸氧化是指，在缺氧池，好氧池中投加比表面積大、可以附著較多微生物的生物填料，以達到減少污泥產量，提高出水水質的目的。曹一鳴等人將一體化A/O+顆粒填料技術應用在廣西地區某鄉鎮的生活污水處理中，并分析了設備的運行效果。結果表明，該一體化設施對COD 去除率穩定達到80%以上，最高達到90%以上；氨氮去除率穩定達到85%以上，最高達到96%以上。胡軍福等人采用A/O+柔性生物繩填料處理寧波市某農村生活污水，系統穩定運行后，出水COD 和氨氮、總磷的質量濃度平均可分別降至21.9mg/L 和1.35mg/L、0.09mg/L，均達到GB 18918-2002 的一級A 標準。總氮去除率可達到65.2%。

（4）A/O 組合工藝。目前常用的A/O 組合工藝包括A/O+生物濾池工藝及A/O+人工濕地工藝。朱帥采用A/O+生物濾池工藝工藝，以河南省駐馬店市平輿縣某村的生活污水作為實驗對象，在水溫13 ～20℃，水力負荷為3.84m3/(m2·d）的運行條件下，工藝對COD、氨氮和總氮的平均去除率分別為80.1%、77.60%和57.98%。氨氮和總氮的出水濃度可以達到河南省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB41/1820-2019）一級標準。張瑞斌等人水廠副產品，鋁污泥作為人工濕地的填料，考察了A/O+人工濕地工藝對農村生活污水的處理效果，結果表明，工藝對COD、氨氮、總氮、總磷平均去除率分別達到82.33%、81.58%、76.22%和86.50%。

2.3 A2/O 工藝

A2/O 工藝由缺氧、厭氧、好氧反應單元組成。在不同溶解氧環境的影響下，三個區域產生作用功能不同的菌群，在混合液回流和污泥回流的調控下，不同菌群相互配合，以達到脫氮除磷的效果。在A2/O 工藝中。污水在厭氧單元中的進行氨化及聚磷菌釋磷，同時提高廢水的可生化性，為后續反硝化過程提供更多可利用碳源。在缺氧單元中硝態氮被反硝化為氮氣從水體中去除，在好氧池中，聚磷菌超量吸磷，同時硝化細菌以有機物為碳源氨氮轉化成硝態氮，之后通過混合液回流到缺氧池。A2/O 及其改良工藝，由于工藝構造簡單、操作成本、出水穩定，運行過程中不易發生污泥膨脹等優點，近年來，在農村一體化污水處理設備中應用廣泛。

（1）預缺氧池+A2/O 工藝。預缺氧池+A2/O 工藝在傳統A2/O 工藝的前端增加了預缺氧池，使污染物在預缺氧池得到初步降解，以提高設備的去除能力。工藝馬博原研究了該工藝在實際處理農村生活廢水時的運行效果，結果發現，經過預缺氧池候總磷、氨氮、COD 與總氮的出水濃度分別下降了27.42%、24.59%、34.57%與21.22%。在累計間歇曝氣時間為16h/d，混合液回流比為200%時，COD、氨氮、總氮、總磷的平均出水濃度為49.05mg/L、3.67mg/L、14.76mg/L、0.96mg/L 可以達到《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB52/1424－2019）一級標準（圖2）。

圖2 預缺氧池+ A2/O 工藝一體化設備

（2）A2/O 生物接觸氧化工藝。A2/O 生物接觸氧化工藝，即在A2/O 的好氧區段，投放生物填料，在曝氣設備的曝氣推流作用下，池內污水始終處于翻流狀態，翻流過程中，菌落逐漸吸附累積于填料表面，形成生物膜，之后在生物膜的吸附和代謝作用下提高工藝對于污染物的去除效果。在此工藝中填料的掛膜速度，與生物吸附量是關鍵指標。在李昀婷的研究中，相較傳統維綸繩填料，聚酯類繩型填料，掛膜快，材料抗腐蝕能力強，且膜生物量大，抗沖擊性較強。在處理污水的實驗中，在工藝HRT 在9h 左右，采用間歇曝氣且曝氣量為15L/min 時，該設備對COD、氨氮、總氮、總磷的平均去除率分別為：87.9%、89.2%、54.3%、47.3%。

（3）A2/O+剩余污泥發酵組合工藝。由于農村污水C/N 比低，且易斷流的問題，導致傳統的A2/O 工藝在實際的農村污水治理工程中，氮磷的去除率不理想。A2/O+剩余污泥發酵組合工藝，將傳統A2/O 工藝與污泥厭氧系統相結合，將污泥發酵液和出水混合進行回用，以緩解在污水斷流期內生物處理系統的碳源不足，同時降低剩余污泥產量。在汶麗杰的研究中，將二級出水與污泥發酵液以12:1 的比例混合后，具備較好的生化特性，可作為補充碳源在斷流工況下返排至生物系統以強化A2/O 系統的處理效能。在斷流12h 和16h 的情況下，系統對于COD、氨氮、總氮、總磷的去除率分別可以穩定在76.49% ～92.74%、87.38% ～90.49%、64.14% ～76.18%、81.49%～90.00%。

2.4 一體化MBR 工藝

一體化MBR 工藝，是將膜分離技術與活性污泥法有機結合在一起的生物處理技術，能較好地處理難降解有機物及病原微生物。工藝通過膜分離的原理，較好地將混合液與回流污泥分離，提高反應單元中的污泥濃度，在強化生物反應器處理能力的同時省去了二沉池，減少了土地的占用。工藝通過膜分離工藝代替二沉池功能，并各自回流到相應的反應模塊中。但其投資成本相對較高，還容易產生膜污染，提高后期維護的費用和難度。目前，農村一體化MBR 污水處理設備以采用厭氧-缺氧-好氧MBR（A2O/MBR）、缺氧-好氧MBR（AO/MBR）、兼氧MBR（FMBR）為主。

（1）A2O/MBR 工藝。A2O/MBR 工藝，是在A2O 工藝中加入膜組件，使工藝在實現良好固液分離的同時，增加膜池內的污泥濃度。丁毅等人將A2O-MBR 工藝一體化設備用污水成分主要為生活污水的鄉鎮水環境治理工程中，結果表明，該處理工藝對COD、BOD5、SS、NH3－N、TN、TP 的平均去除率分別為90.0%、98.9%、99.9%、99.7%、78.6%、74.3%，出水水質均可穩定達到DB32/3462-2020 一級A 標準。在沈正華的研究中，設計出一種圓形罐體的以改良A2O-MBR 一體化設備為核心的組合工藝，設備自右向左分布分別為厭氧區、缺氧區、好氧區以及膜反應區，厭氧區上方的設備控制區裝有自吸泵、曝氣風機以及加藥設備等，儲水區用于儲存處理后的尾水（圖3）。

圖3 罐式A2O-MBR 工藝一體化設備

該設備將傳統的A2O 工藝中的分區的隔板拆除，在曝氣器中心位置放置MBR 膜組件，污水在曝氣器的曝氣作用下，產生溶解氧差異，在罐體內形成局部好氧區、缺氧區和厭氧區，曝氣設備的推流還使得罐體內形成循環流動，在沖刷膜體的同時，使得膜組件位置形成好氧環境。該設備在經過具有深度處理的組合工藝處理后，COD、氨氮、總氮、總磷的去除率分別可以達到93.28%、99.15%、84.32%、97.64%。

（2）AO/MBR 工藝。AO 生化-MBR 一體化污水處理設備內部按照水流方向設置了厭氧池、好氧池、MBR 反應池，利用AO 工藝缺氧、好氧交替的特點，增強氮磷的去除率。在鄭航宇的研究中，工藝在進水C/N 比為5的工況下控制混合液回流比為600%，去除效果最佳，工藝對于COD 和氨氮的去除效率最高可達95%以上，總氮和總磷去除效率最高可達81.9%和81.4%。在張曉飛采用該工藝處理低溫生活污水的實驗中表明，工藝在溫度為7 ～13℃，TN 負荷為20g/(kg·m3)的工況下，控制回流比為150%、水力停留時間為18h、污泥濃度濃度6000mg/L 時，出水COD、氨氮、總氮、總磷的去除率可分別達到96%、98%、85%、97.5%。

（3）FMBR 工藝。

FMBR 工藝即兼氧MBR 藝，該工藝將膜組件放置在一個不分區的兼氧生物反應單元之中，反應單元的活性污泥中80%約為兼性厭氧菌和厭氧菌，好氧菌僅占菌群總量的10%。FMBR 形成的高濃度污泥能適應高濃度廢水并對COD 有穩定良好的處理效果。在天津市某區農村污水治理工程中，劉佳元考察了不同溶解氧濃度下FMBR 工藝對高濃度生活污水的處理效果。工藝對COD 去除率始終保持在70%以上，最佳可達93.82%，對氨氮、總氮的最大去除率則分別為79.95%、73.82%。在鄒思怡采用該工藝處理養殖廢水的研究中，發現溶解氧濃度在0.3mg/L 到1.0mg/L 范圍內時，FMBR 工藝可實現同步硝化反硝化脫氮，控制水力停留時間保持在14h 左右，設備對COD、氨氮去除率可達93%、75%，TN 的去除率可達到78%。

3 結語

綜上，一體化水處理設備工藝的選擇應依據治理工程所處區域的人口數量，經濟發展程度來確定。在人口數量較多、居住集中、污水排放量大的村鎮，采用A2O或AO 類型工藝，無疑是在節省土地資源，減少后期維護困難的較佳選擇。對于一些有廢舊池塘、荒灘的地區可以采用一體化設備結合人工濕地的處理工藝，以進一步提高污水的氮磷去除效果。在經濟發達，對出水水質要求高的農村地區，有能力保證生物膜工藝維護更換所需費用，可以采用MBR 類型的工藝。

現階段，對于大多數的農村一體化處理設施而言，缺少技術人員實時提供支持及污水的斷流問題是導致處理效果惡化的主要元兇。因此，未來水處理設備應向自動化的模式發展，以實現在無人值守情況下的精準加藥和曝氣。對于斷流問題，應研究發展污泥共發酵技術，以使農村污水處理設備達到其應用的處理能力，并且解決剩余污泥處置難題。此外，還應創新設計模塊化處理設備，方便因地制宜的將各種工藝組合使用。最后，在設計中應考慮采用降低流程復雜度的改良工藝，如倒置A2O 工藝，取消了內回流，在緩解傳統A2O 工藝厭氧段碳源矛盾的同時降低了設備使用能耗，未來可以針對此工藝設計緊湊式水處理設備，并研究其處理效果。