朱明君，任 亮，楊忠蓮，徐連紅，仲雨葉，朱光燦，3

（1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.江蘇中車環(huán)保設(shè)備有限公司，江蘇 常熟 215505；3.西藏民族大學(xué)西藏水污染控制與生態(tài)修復(fù)國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 咸陽 712082）

0 引言

農(nóng)村生活污水治理是農(nóng)村人居環(huán)境整治的重要內(nèi)容，是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要舉措，是全面建設(shè)小康社會的內(nèi)在要求[1]。根據(jù)農(nóng)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(nóng)村生活污水的排放具有量小、分散難集中、水質(zhì)水量變化大、時(shí)空變化大等特點(diǎn)[3]，而集中處理模式的管網(wǎng)建設(shè)成本高，只適用于人口規(guī)模大、經(jīng)濟(jì)條件好的地區(qū)[2]?！掇r(nóng)業(yè)農(nóng)村污染治理攻堅(jiān)戰(zhàn)行動方案（2021—2025年）》提出應(yīng)篩選適合當(dāng)?shù)鼐唧w情況的治理模式和工藝技術(shù)[4]，因地制宜地對農(nóng)村生活污水進(jìn)行分散治理是較好的選擇。

江蘇省某地分散農(nóng)戶采用小型一體化生物接觸氧化污水處理設(shè)施，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 32/3462—2020）一級B標(biāo)準(zhǔn)，然而，由于處理設(shè)施的進(jìn)水水質(zhì)水量波動較大、進(jìn)水來源差異較大等原因，易出現(xiàn)部分處理設(shè)施運(yùn)行不穩(wěn)定、出水水質(zhì)時(shí)有超標(biāo)等問題。針對這些問題，本文分析了該地區(qū)處理設(shè)施的進(jìn)水水質(zhì)水量負(fù)荷特征、運(yùn)行狀況，并進(jìn)行了現(xiàn)場優(yōu)化運(yùn)行試驗(yàn)，提出優(yōu)化運(yùn)行方案，為農(nóng)村生活污水分散處理設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)研

1.1 設(shè)施結(jié)構(gòu)及工藝流程

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

圖1 小型一體化污水處理設(shè)施結(jié)構(gòu)

1.2 運(yùn)行現(xiàn)狀分析

1.2.1 進(jìn)水負(fù)荷

為掌握該地區(qū)小型一體化分散處理設(shè)施（簡稱設(shè)施）進(jìn)水污染物的負(fù)荷情況，選取該地區(qū)不同村落43臺調(diào)研設(shè)施的進(jìn)水水質(zhì)、水量及負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行分析，各設(shè)施凈化槽進(jìn)水水量分布情況、進(jìn)水水質(zhì)分布情況、進(jìn)水污染物負(fù)荷分布情況分別如表1至表3所示。

表1 各設(shè)施凈化槽進(jìn)水水量分布情況

表2 各設(shè)施進(jìn)水水質(zhì)分布情況

表3 各設(shè)施進(jìn)水污染物負(fù)荷分布情況

調(diào)研的43臺設(shè)施進(jìn)水水量總體范圍大致為70～500 L/d，平均每臺設(shè)施的進(jìn)水水量在229 L左右，各設(shè)施的進(jìn)水水量存在較大差異，其中進(jìn)水水量為20～400 L/d的臺數(shù)占統(tǒng)計(jì)總量的88.37%，大多數(shù)凈化槽進(jìn)水水量處于300 L/d以下。進(jìn)水水量差異較大與設(shè)施服務(wù)的常住人口用水習(xí)慣有關(guān)。對于同一臺設(shè)備，每年不同季節(jié)、每天不同時(shí)刻的排放規(guī)律也不同。該地區(qū)農(nóng)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(diào)研的43臺設(shè)施進(jìn)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(shè)施的進(jìn)水COD濃度為419±408 mg/L，進(jìn)水氨氮濃度約為73±118 mg/L，不同設(shè)施的進(jìn)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(shè)施的進(jìn)水COD濃度為154.5±753.5 mg/L，進(jìn)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(shè)施的進(jìn)水污染物濃度低于分散式處理設(shè)施。因此，集中污水處理進(jìn)水濃度低，不符合現(xiàn)狀。

不同設(shè)施進(jìn)水水質(zhì)差異較大。一方面，受季節(jié)性變化及農(nóng)村居民用水習(xí)慣的影響，主要表現(xiàn)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(gè)排水高峰期中，早上產(chǎn)生的污水主要是廚余污水、洗漱廢水以及沖廁污水，此時(shí)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(wèi)生間污水COD/TN值為6.53，洗浴/洗滌COD/TN值為9.63，因此設(shè)施接入的生活污水也會影響水質(zhì)。

綜合各設(shè)施的COD、氨氮負(fù)荷，將設(shè)施進(jìn)水負(fù)荷分為低、中、高3種級別。當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷處于50 g/d以下或氨氮負(fù)荷處于15 g/d以下時(shí)，該設(shè)施處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷為50～150 g/d或氨氮負(fù)荷為15～30 g/d時(shí)，該設(shè)施處于中負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷大于150 g/d或氨氮負(fù)荷大于30 g/d時(shí)，該設(shè)施處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

1.2.2 出水水質(zhì)

在1—9月采集43臺設(shè)施的出水水樣，分析了COD、氨氮、TN的達(dá)標(biāo)情況及其與進(jìn)水負(fù)荷的關(guān)系。不同設(shè)施出水水質(zhì)差異較大，且季節(jié)差異性明顯?？傮w來看，對氨氮和COD處理效果較好，在夏季持續(xù)監(jiān)測的設(shè)施出水水樣中，80%以上的出水COD和氨氮可以達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 32/3462—2020）一級B標(biāo)準(zhǔn)，全年的設(shè)施出水檢測中，70%左右的出水COD和氨氮可以達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)；TN的處理效果較差，只有接近50%的設(shè)施出水TN可以達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

表4 設(shè)施出水達(dá)標(biāo)情況匯總

1.3 運(yùn)行問題與分析

根據(jù)對43臺設(shè)施的進(jìn)水類別、水量、濃度、負(fù)荷和出水水質(zhì)、運(yùn)行狀況的調(diào)研，小型一體化分散處理設(shè)施存在的主要問題如下。

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

（2）受季節(jié)性變化及農(nóng)村居民用水習(xí)慣等影響，污水水量及污染物排放負(fù)荷差異大，同時(shí)季節(jié)性變化較為明顯，直接影響了設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）原有風(fēng)機(jī)提供的曝氣量與設(shè)施處理需求量不匹配，一般好氧區(qū)溶解氧為0.1～0.3 mg/L，使得設(shè)施處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

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

2 優(yōu)化運(yùn)行研究

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研與運(yùn)行現(xiàn)狀分析，為提高小型一體化設(shè)施對農(nóng)村生活污水的處理能力和運(yùn)行穩(wěn)定性，本文開展在不同負(fù)荷下進(jìn)水條件、曝氣量和回流比的優(yōu)化研究，重點(diǎn)開展曝氣量和回流比的優(yōu)化研究，研究時(shí)期是2018年7月至2019年12月。

研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)施前端設(shè)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(shè)施進(jìn)水的條件下，設(shè)施的出水水質(zhì)較好[7]。因此，選取進(jìn)水條件相同（廚房污水、衛(wèi)生間經(jīng)化糞池預(yù)處理的污水、洗浴/洗滌污水均接入），分別處于低、中、高不同進(jìn)水負(fù)荷下的1、2、3號設(shè)施進(jìn)行曝氣量和回流比優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)水水質(zhì)水量分布情況如表5所示。

表5 試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)水水質(zhì)水量分布情況

2.1 曝氣量優(yōu)化

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

圖2 不同運(yùn)行負(fù)荷設(shè)施溶解氧隨曝氣量變化情況

圖3 不同運(yùn)行負(fù)荷設(shè)施出水水質(zhì)隨曝氣量變化情況

從圖2可知，當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)行設(shè)施好氧區(qū)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(shí)經(jīng)歷了快速增加、慢速增加、快速增加3個(gè)階段，表明好氧微生物經(jīng)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(gè)階段。缺氧區(qū)的溶解氧在曝氣量分別為0～4.8 m3/h、4.8～9.6 m3/h時(shí)經(jīng)歷了慢速增加、快速增加兩個(gè)階段，表明當(dāng)曝氣量較高時(shí)，回流水帶來的溶解氧會破壞缺氧區(qū)的缺氧環(huán)境。因此，處于低負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施的曝氣量應(yīng)不高于4.8 m3/h。中、高負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施在不同曝氣量條件下對設(shè)施溶解氧變化的趨勢和低負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施相同，中、高負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施曝氣量應(yīng)不高于6.0 m3/h和7.2 m3/h。

從圖3可知，當(dāng)?shù)拓?fù)荷運(yùn)行設(shè)施的曝氣量從0 m3/h提升到4.8 m3/h時(shí)，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(zhì)效率得到提高，填料上的生物膜活性得到增強(qiáng)，使COD處理效果有所提高[9]。此時(shí)溶解氧含量充足，亞硝酸菌能將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，硝化反應(yīng)增強(qiáng)[10]。但當(dāng)曝氣量增至8.4 m3/h時(shí)，低負(fù)荷運(yùn)行設(shè)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?yàn)檫^量曝氣導(dǎo)致附著于填料上的生物膜脫落、生物量減少；另一方面，有機(jī)物分解速度過快導(dǎo)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(qū)破壞了缺氧區(qū)的缺氧環(huán)境，使反硝化反應(yīng)被抑制。當(dāng)曝氣量為4.8 m3/h時(shí)，低負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施對COD、氨氮、TN的處理效果達(dá)到最佳。中、高負(fù)荷運(yùn)行設(shè)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(fù)荷運(yùn)行設(shè)施相同，中、高負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施分別在曝氣量為6.0 m3/h和7.2 m3/h時(shí)，對COD、氨氮、TN的去除效果達(dá)到最佳。

2.2 回流比優(yōu)化

小型一體化設(shè)施采用氣提回流方式，設(shè)有回流和曝氣空氣量調(diào)節(jié)閥門，當(dāng)回流空氣量調(diào)節(jié)較小時(shí)易出現(xiàn)斷流現(xiàn)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(qū)，從而可以通過開孔數(shù)量對回流比進(jìn)行控制?；亓骺梢愿淖冄b置內(nèi)水體的流動模式，降低污染物在厭氧區(qū)的停留時(shí)間，并稀釋厭氧區(qū)的污染物濃度，當(dāng)回流比過高時(shí)，回流液中帶有的溶解氧會破壞缺氧環(huán)境，導(dǎo)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(jìn)水負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施出水水質(zhì)（COD、氨氮、TN處理效果）及缺氧區(qū)（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(diào)整回流比運(yùn)行一周后采樣分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，回流比對于不同負(fù)荷下COD、氨氮、TN處理效果的影響趨勢基本一致。當(dāng)回流比小于100%時(shí)，COD、氨氮、TN處理效果基本沒有變化，這是因?yàn)榛亓髦寥毖鯀^(qū)的回流比過小無法滿足反硝化反應(yīng)的需求[12]。當(dāng)回流比從100%提升到300%時(shí)，出水COD、氨氮、TN濃度分別為42.2 mg/L、5.8 mg/L、16.6 mg/L，設(shè)施對于COD、氨氮、TN的處理效果達(dá)到最佳，這是因?yàn)榛亓髦寥毖鯀^(qū)的硝化液濃度增加使得反硝化反應(yīng)增強(qiáng)，從而提高了處理效果。當(dāng)回流比從300%提升至600%時(shí)，設(shè)施對于COD、氨氮、TN的處理效果均有所下降，這是因?yàn)榛亓饕簬肓巳芙庋?，此時(shí)的缺氧池缺氧環(huán)境遭到破壞，且有機(jī)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(fù)荷運(yùn)行設(shè)施的最佳回流比均為300%。

圖4 回流比對不同進(jìn)水負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施出水水質(zhì)及缺氧區(qū)溶解氧的影響

低、中、高3種進(jìn)水負(fù)荷運(yùn)行設(shè)施經(jīng)優(yōu)化后，出水水質(zhì)均達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 32/3462—2020）一級B標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

（1）小型一體化分散處理設(shè)施水質(zhì)水量差異較大，根據(jù)調(diào)研情況可將設(shè)施按照進(jìn)水負(fù)荷分為低、中、高3種級別。當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷處于50 g/d以下、氨氮負(fù)荷處于15 g/d以下時(shí)，該設(shè)施處于低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷處于50～150 g/d、氨氮負(fù)荷處于15～30 g/d時(shí)，該設(shè)施處于中負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)水COD負(fù)荷大于150 g/d、氨氮負(fù)荷大于30 g/d時(shí)，該設(shè)施處于高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

（2）設(shè)施的氨氮和COD處理效果較好，全年的設(shè)施出水監(jiān)測中70%左右的出水COD和氨氮可以達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)；TN的處理效果較差，只有接近50%的設(shè)施出水TN可以達(dá)到一級B標(biāo)準(zhǔn)。

（3）對設(shè)施進(jìn)行曝氣量和回流比優(yōu)化，低、中、高負(fù)荷運(yùn)行設(shè)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(shí)，設(shè)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(shí)設(shè)施對農(nóng)村生活污水的處理效果達(dá)到最佳。