鄭園文

華匯工程設計集團股份有限公司杭州博約分公司 浙江 杭州 310011

近年來，我國農村生活污水治理工作已在一些地區(qū)開展，并取得了一定的成效，但處理模式的市政化，處理終端工藝的低端化，均對項目后期運維造成較大的困擾；尤其當集中式處理終端在處理工藝選擇不當時，會產生生活污水集中式排放，直接造成周邊環(huán)境污染。因此，農村生活污水處理工藝的合理選擇，處理設施運行規(guī)模的彈性設置，都將影響項目的建設標準，進而決定項目的合理使用年限。鑒于此，本文主要分析污水生物脫氮除磷技術于農村生活污水處理的適用性，處理設施模塊化應用的具體實施方式。

1 農村生活污水水質與治理方向

1.1 農村生活污水的水質

在對長三角區(qū)域的農村生活污水進行長期跟蹤取樣后，完成了典型地區(qū)水質檢測報告：

表1 長三角區(qū)域農村生活污水水質（單位為mg／L）

表2 農村污水處理設施水污染物最高允許排放濃度限值[1,2]（單位為mg／L）

1.2 農村生活污水污染物治理方向

農村生活污水主要在懸浮物（SS）、化學需氧量（CODcr）、氨氮（NH3-N）、總磷（以P計）等污染物指標上超過允許排放濃度， SS、有機物通過好氧、沉淀、過濾等常規(guī)處理方法均較易降解，但氨氮、磷等無機物則很難在常規(guī)處理方法中降低濃度，且該類無機物往往造成水體富營養(yǎng)化進而惡化水質，本文主要對氨氮、磷等無機物的去除進行分析。

2 傳統(tǒng)污水生物脫氮除磷技術及工藝

2.1 傳統(tǒng)生物脫氮除磷技術

傳統(tǒng)生物脫氮理論：未經處理的生活污水中總氮主要為有機氮和氨氮，有機氮在氨化細菌作用下轉化為氨氮。生物脫氮第一步為硝化反應，在好氧條件下將氨氮轉化為硝酸鹽氮；第二步為反硝化反應，在缺氧條件下將硝酸鹽氮還原成氣態(tài)氮，最終逸出大氣。

圖1[4] 生物脫氮反硝化反應

傳統(tǒng)生物除磷理論：傳統(tǒng)的生物除磷理論是聚磷菌的攝取和釋放磷原理：在厭氧/好氧交替運行條件下馴化出聚磷菌微生物，從外部環(huán)境過量攝取磷，并以聚合磷的形式貯存在體內，形成高磷污泥，排出系統(tǒng)，達到除磷效果[3]。生物除磷過程通常包括厭氧除磷和好氧吸磷兩個過程。

圖2[4] 生物除磷過程

技術瓶頸：傳統(tǒng)生物脫氮技術中硝化菌群增殖速度慢，且硝化菌世代時間長，要維持較高生物濃度需較長的系統(tǒng)總停留時間[5]，而生物除磷則要求污泥齡及時排出，否則將發(fā)生磷的重新釋放，降低除磷效果。傳統(tǒng)工藝中的反硝化過程需要一定量的有機物，而廢水中的有機物經過曝氣后被大部分去除，反硝化需要外加碳源。

2.2 缺氧/好氧（AN/O）工藝

圖3 缺氧/好氧生物脫氮工藝

工藝特點：缺氧-好氧活性污泥脫氮系統(tǒng)中設內循環(huán)系統(tǒng)，向前置的反硝化池回流混合液。原污水直接進入反硝化池（缺氧池），為缺氧池中內循環(huán)混合液（硝化液）的硝態(tài)氮反硝化反應提供足夠的碳源[4]。

該系統(tǒng)的主要不足是處理后的出水來自硝化池，出水中含有一定濃度的硝酸鹽，如沉淀池運行不當，在沉淀池內也會發(fā)生反硝化反應，使污泥上浮，處理后出水水質惡化。

2.3 厭氧/好氧（AP/O）工藝

圖4 厭氧/好氧生物除磷工藝

該工藝無混合液回流影響，厭氧反應器能夠保持良好的厭氧狀態(tài)[4]；但系統(tǒng)內微生物對磷的吸收有一定的限度，除磷率難進一步提高，同時當污泥在沉淀池內停留較長時，容易產生磷的釋放現象。

2.4 同步脫氮除磷（AAO）工藝

圖5 同步脫氮除磷工藝

工藝特點：在厭氧、缺氧、好氧交替運行條件下，絲狀菌無法大量增殖，基本不存在污泥膨脹，且污泥濃度高；但系統(tǒng)污泥增長有一定的限度，除磷效果不易再提高，脫氮效果也有限，沉淀池內須防止厭氧狀態(tài)和污泥釋磷現象[4]。

3 改良污水生物處理工藝模塊化應用

3.1 改良工藝特征

基于上述特點，本文提出增效脫氮AAO工藝+強化除磷式人工濕地。

圖6 增效脫氮AAO工藝+強化除磷式人工濕地工藝圖

改良工藝是在AAO工藝的基礎上進行改進。在AAO工藝的O段增置聚氨酯多孔性懸浮填料，可延長污泥齡，培育世代時間長的硝化菌，提高脫氮能力；后置復式人工濕地，內置模塊化高效生物濾料，利用供氧系統(tǒng)，強化濾料層生物膜的除磷效果。濕地供氧系統(tǒng)同時可防止濾料堵塞。布水管與集水管外覆聚氨酯生物填料，增加生物膜可生長比表面積，進一步提高凈化效能。

圖7 功能型布、集水管

3.2 改良工藝的模塊化結構探討

3.2.1 增效脫氮AAO機組的模塊化

AAO工藝主要由厭氧反應器、缺氧反應器、好氧反應器三組完成，三組反應器在整體上屬推流式水流流態(tài)，同時又存在混合液回流及污泥回流等混合式水流流態(tài)，互相分隔又相互聯(lián)動，對回流系統(tǒng)進行剝離，可實現單個反應器的獨立。

厭氧反應器主要生活著聚磷菌，其屬于不動桿菌屬、氣單胞菌屬和假單胞菌屬等，只有在無分子氧且無氮氧化物氧（NOX）的條件下才能釋放磷。

缺氧反應器主要生活著反硝化菌，其屬于異養(yǎng)型兼性厭氧菌，只有在無分子氧而同時存在硝酸和亞硝酸離子的條件下才能利用這些離子中的氧進行呼吸，使硝酸鹽還原。

好氧反應器主要提供硝化菌和聚磷菌好氧環(huán)境。硝化菌是專性好氧菌，只有在有溶解氧的條件下才能增殖，厭氧和缺氧條件都不能增殖；聚磷菌在有溶解氧和氧化態(tài)氮的條件下進行有機物代謝，產生ATP。

反應器的獨立，模塊化的設置，為工藝菌種創(chuàng)造更有利的生存環(huán)境，更有利于工藝運行，保證出水標準。

3.2.2 強化除磷式人工濕地的模塊化

強化除磷式人工濕地主要包括布、集水系統(tǒng)，生物濾料系統(tǒng)，濕地系統(tǒng)，及曝氣系統(tǒng)。

污水與濾料接觸一段時間后，在其表面形成一層膜狀污泥—生物膜，在膜的表面和一定深度的內部生長繁殖著大量的各類微生物和微型動物，在好氧條件下，強化除磷效果。但生物膜在長期運行后，存在老化生物膜脫落，進而堵塞濾料、降低出水水質的危害，濾料的清洗維護顯得十分必要，模塊化的設置將為這項服務提供可能性，以實現人工濕地的常態(tài)化養(yǎng)護，保證工藝運行的有機更新。

圖8 人工濕地模塊化生物濾料

填料是生物濾料的主體，應具有高強度、耐腐蝕、比表面積大、較大的孔隙率等特征，強化除磷式人工濕地采用高效組合式填料，上層為改性沸石，下層為改性火山巖，具有高效強化處理效果。

圖9 改性沸石

圖10 改性火山巖

3.3 模塊化應用的前景

農村指以從事農業(yè)生產為主的勞動者聚居的地方，是不同于城市、城鎮(zhèn)而從事農業(yè)的人群聚居地，人口呈散落居住。

農村同城市相比有其特點：①人口稀少，居民點分散；②常住人口與戶籍人口差距較大，按年累計居住時間小于60天為非常住人口計[6]，常住與戶籍比總體在1:2；③流動人口多的地區(qū)，存在時節(jié)性人口變動規(guī)律，且變動比例大。

可見，農村設施很難按規(guī)劃人口統(tǒng)籌，也不能簡單復制市政工程的設計參數。農村生活污水處理設施同樣面對這個難題，如何更有效的發(fā)揮設施效益，更貼切服務農村居民，應該得到體現，模塊化的應用將為這項服務提供可能。

圖11 模塊化污水處理設施

采用多套獨立系統(tǒng)并聯(lián)運行的模塊化設置，可降低設施的待機概率，保持設備的常態(tài)化優(yōu)良運行。

村莊人口年平均流動變化率小于50%村莊，宜采用兩組污水處理終端交替并聯(lián)運行；變化率大于50%的村莊，宜采用三組及以上污水處理終端交替并聯(lián)運行。

4 結論

農村生活污水處理主要面對的是脫氮除磷，AAO工藝在小型化模塊化方向的發(fā)展，將有利于污水處理設施的布局，有利于農村污水處理系統(tǒng)的優(yōu)良運行，進而提升農村人居環(huán)境質量，為全面推進鄉(xiāng)村振興、加快農業(yè)農村現代化、建設美麗中國提供有力支撐。