摘要：目前，缺氧（預(yù)脫硝）-厭氧-缺氧-好氧（A3/O）工藝和移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域，可以進(jìn)行組合運(yùn)用。本文以我國(guó)北方某農(nóng)村污水處理工程為例，分析了A3/O+MBBR污水處理站在冬季低溫條件下的處理效果及運(yùn)行成本。冬季運(yùn)行期間，出水化學(xué)需氧量（COD）、懸浮物（SS）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）與總磷（TP）的均值分別為27.67 mg/L、7.16 mg/L、2.92 mg/L、9.50 mg/L與0.34 mg/L，出水各項(xiàng)主要指標(biāo)均穩(wěn)定控制在《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 13/2171—2020）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值以內(nèi)。處理規(guī)模30～200 t/d的污水處理站工程費(fèi)用為1.29萬～4.82萬元/t，以設(shè)備購(gòu)置費(fèi)為主，冬季運(yùn)行成本為0.92～1.45元/t，以電耗為主，人工成本及污泥處置成本較低。

關(guān)鍵詞：低溫；生活污水；移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器；工程示范；污水處理站

中圖分類號(hào)：TU992.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2023）02-0-06

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.02.048

Study on the Engineering Application of A3/O+MBBR Sewage Treatment Station In Rural Areas of North China

YUE Peng1， BAI Bing2， YU Yangyang1， HU Jin1

（1. China Railway Liuyuan Group Co.， Ltd.， Tianjin 300308， China; 2. Hebei Yuzu Environmental Protection Technology Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050035， China）

Abstract： At present， the anoxic （pre denitration） - anaerobic-anoxic-oxic （A3/O） process and the moving-bed biofilm reactor （MBBR） have been widely used in the field of sewage treatment and can be used in combination. Taking a rural sewage treatment project in North China as an example， this paper analyzes the treatment effect and operation cost of A3/O+MBBR sewage treatment station under low temperature conditions in winter. During winter operation， the mean values of chemical oxygen demand （COD）， suspended solids （SS）， ammonia nitrogen （NH3-N）， total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） of effluent are 27.67 mg/L， 7.16 mg/L， 2.92 mg/L， 9.50 mg/L and 0.34 mg/L respectively， the main indicators of effluent are stably controlled within the limit of Class Ⅰ A standard in the \"Discharge Standard for Rural Domestic Sewage\" （DB 13/2171—2020）. The engineering cost of the sewage treatment station with a treatment capacity of 30～200 t/d is 12 900～48 200 yuan/t， mainly the equipment purchase cost， and the operating cost in winter is 0.92～1.45 yuan/t， mainly power consumption， with low labor cost and sludge disposal cost.

Keywords： low temperature; domestic sewage; moving-bed biofilm reactor; project demonstration; sewage treatment station

近年來，我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，水體污染問題比較突出。加強(qiáng)農(nóng)村污水治理不僅能改善農(nóng)村人居環(huán)境，也能推進(jìn)我國(guó)整體環(huán)境治理工作。我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)污水產(chǎn)生量較小，水質(zhì)水量變化大，冬季波動(dòng)尤為突出[1]。在我國(guó)北方大部分地區(qū)，冬季污水溫度低且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響水中微生物的硝化和反硝化[2]，導(dǎo)致污水處理站出水水質(zhì)難以達(dá)標(biāo)。此外，農(nóng)村污水治理工程還存在點(diǎn)源分散、專業(yè)維護(hù)人員少、投資低、污泥處置難等問題。因此，有必要探索一種適用于北方農(nóng)村地區(qū)的污水處理工藝。

移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）的微生物學(xué)本質(zhì)是生物膜，水力學(xué)特征是流化床，通過流化實(shí)現(xiàn)微生物的高效附著和動(dòng)態(tài)更新，在高鹽、低溫等特殊水環(huán)境條件下也有良好的處理效果，具有生化系統(tǒng)啟動(dòng)快、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、脫氮效果好、剩余活性污泥少、投資運(yùn)行費(fèi)用低的特點(diǎn)[3-6]。作為一種新型污水生化處理工藝，缺氧（預(yù)脫硝）-厭氧-缺氧-好氧（A3/O）工藝是在厭氧-缺氧-好氧（A2/O）工藝的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)置功能明晰的預(yù)脫硝區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，前端預(yù)脫硝區(qū)可去除回流污泥中攜帶的硝態(tài)氮，確保厭氧聚磷菌所處環(huán)境優(yōu)良，強(qiáng)化脫氮除磷效果[7-8]。A3/O+MBBR組合工藝結(jié)合了A3/O與MBBR的優(yōu)點(diǎn)，更加適用于北方農(nóng)村地區(qū)污水處理工程。本文以我國(guó)北方某農(nóng)村污水處理工程為例，分析A3/O+MBBR工藝在冬季低溫條件下的處理效果及運(yùn)行成本，以期為北方農(nóng)村污水處理提供參考。

1 工程概況

該農(nóng)村污水處理工程范圍內(nèi)，各村莊居民生活污水集中或分散直排進(jìn)入周邊河渠等水體中，嚴(yán)重影響河渠水質(zhì)，因此要設(shè)置截流干管與支管對(duì)直接排入重點(diǎn)支干渠的生活污水進(jìn)行系統(tǒng)收集并建設(shè)污水處理站進(jìn)行處理。本工程針對(duì)村莊排入重點(diǎn)支干渠的生活污水進(jìn)行系統(tǒng)治理，生活污水經(jīng)過處理后，達(dá)到《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 13/2171—2020）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，尾水排入河渠。工程共新建污水處理站12座，其中，處理規(guī)模200 m3/d的污水處理站有3座，100 m3/d污水處理站有3座，50 m3/d污水處理站有2座，30 m3/d污水處理站有4座。該污水處理工程有三大難點(diǎn)。一是水量波動(dòng)大，時(shí)變化系數(shù)及日變化系數(shù)均較高[1]；二是冬季進(jìn)水溫度低且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；三是出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求高，尤其是氮磷指標(biāo)要求嚴(yán)格。冬季運(yùn)行的設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。主要監(jiān)測(cè)指標(biāo)有pH、COD、五日生化需氧量（BOD5）、SS、NH3-N、TN和TP。

2 工程方案

2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)工程范圍內(nèi)村鎮(zhèn)的排污特點(diǎn)，確定設(shè)計(jì)原則。一是在確保處理和排放達(dá)標(biāo)的前提下，做到投資省、運(yùn)行費(fèi)用低。二是采用可移動(dòng)式污水處理設(shè)備。受社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)影響，工程范圍內(nèi)村莊遠(yuǎn)期存在整體遷移的規(guī)劃，采用可移動(dòng)的一體化處理設(shè)備，可減少重復(fù)投資及浪費(fèi)。三是系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，能適應(yīng)農(nóng)村污水水質(zhì)、水量波動(dòng)大的特點(diǎn)[1]。四是污水處理站內(nèi)設(shè)備采用可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行全自動(dòng)控制，系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單方便。村鎮(zhèn)缺少專業(yè)操作人員，所以要求系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)量少，整體工程僅需要少量專業(yè)人員定期維護(hù)。五是因地制宜，合理布局，有效地利用空間和場(chǎng)地。

2.2 主體工藝及流程

MBBR工藝是一種生物膜與活性污泥的復(fù)合工藝，具有生物量較大、污泥齡長(zhǎng)、容積負(fù)荷高、池容小、占地省、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、出水水質(zhì)好和運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，且在低溫季節(jié)，生物膜法的脫氮效果比活性污泥法要好，能適應(yīng)北方低溫污水[9]。A3/O-MBBR工藝在此基礎(chǔ)上增加一個(gè)前置脫硝區(qū)，去除回流污泥中的硝酸鹽氮，使聚磷菌在厭氧段釋磷更徹底，從而提高氮磷去除能力[10]。最終確定采用A3/O+MBBR工藝作為工程范圍內(nèi)村鎮(zhèn)污水處理的主體工藝，工藝流程如圖1所示。

生活污水經(jīng)收集管網(wǎng)排入污水格柵渠及沉砂池，去除懸浮物及無機(jī)顆粒物。沉砂池處理后的污水自流進(jìn)入地下式調(diào)節(jié)池，保證水質(zhì)、水量均勻。同時(shí)，調(diào)節(jié)池內(nèi)安裝的預(yù)曝氣系統(tǒng)可根據(jù)進(jìn)出水水質(zhì)對(duì)原水進(jìn)行充氧攪拌，以防止污水中懸浮顆粒沉淀而發(fā)臭，又對(duì)污水中有機(jī)物起到一定的降解功效，提高整個(gè)系統(tǒng)的抗沖擊性能和處理效果。污水在地下式調(diào)節(jié)池內(nèi)充分調(diào)節(jié)，水質(zhì)穩(wěn)定后，經(jīng)污水提升泵提升至A3/O+MBBR一體化設(shè)備內(nèi)。在一體化設(shè)備內(nèi)，污水依次經(jīng)過預(yù)脫硝區(qū)﹑厭氧區(qū)﹑缺氧區(qū)﹑好氧區(qū)﹑沉淀區(qū)，污水中污染物被微生物充分降解后與水分離，上清液通過紫外線消毒器消毒處理后排放。

好氧區(qū)的混合液通過氣提回流裝置回流至缺氧區(qū)，實(shí)現(xiàn)硝化脫氮，沉淀區(qū)的底部污泥通過氣提回流裝置回流至預(yù)脫硝區(qū)，維持系統(tǒng)污泥濃度。當(dāng)檢測(cè)到原污水的磷含量過高時(shí)，投藥裝置可自動(dòng)加入化學(xué)除磷劑，強(qiáng)化除磷效果。沉淀池的浮渣通過撇渣器收集，然后通過管道重力流至地下式調(diào)節(jié)池。沉淀池內(nèi)的污泥定期自動(dòng)外排至污泥池，污泥池內(nèi)污泥定期外運(yùn)處理。

2.3 污水處理站設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)

以處理規(guī)模100 t/d的污水處理站為例，污水處理系統(tǒng)的主要設(shè)備及構(gòu)筑物有進(jìn)水井、格柵渠、調(diào)節(jié)池、一體化A3/O+MBBR污水處理設(shè)備、污泥池、出水井等。下面分析其設(shè)計(jì)參數(shù)。

進(jìn)水井直徑為1 000 mm。格柵渠、調(diào)節(jié)池、污泥池采用合建的形式，為地下式鋼混結(jié)構(gòu)。格柵渠采用雙渠道，單渠道寬度為0.9 m。格柵采用人工格柵與機(jī)械格柵，一用一備。柵寬為0.8 m，柵隙為5 mm，材質(zhì)為碳鋼。機(jī)械格柵功率為0.75 kW。調(diào)節(jié)池有效容積為30 m3，配套污水提升泵（一用一備），流量為10 m3/h，揚(yáng)程為10 m，功率為1.1 kW。污泥池儲(chǔ)存周期為7 d。

A3/O+MBBR一體化污水處理設(shè)備采用高強(qiáng)度鋼板拼接或焊接而成，外表光滑并經(jīng)防腐處理，安裝于地上，功能分區(qū)有預(yù)硝化段、厭氧段、缺氧段、MBBR段、沉淀池、在線監(jiān)測(cè)設(shè)備間和其他設(shè)備間。尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為13.0 m×3.0 m×3.0 m。設(shè)計(jì)有效水深為2.5 m。設(shè)備采用電伴熱帶進(jìn)行保溫，伴熱帶纏繞在一體化設(shè)備外壁后，再敷橡塑板與集成板。出水井將尾水外排，直徑為1.0 m，高度為0.7 m。

在污水處理站內(nèi)設(shè)置發(fā)光二極管（LED）照明燈柱和監(jiān)控?cái)z像頭，為污水處理站提供室外照明及視頻監(jiān)控，監(jiān)控終端設(shè)置在一體化設(shè)備的設(shè)備間內(nèi)。污水處理站采用380 V低壓供電，總裝機(jī)容量為4.4 kW。站區(qū)電纜采用穿保護(hù)管敷設(shè)。設(shè)備在線監(jiān)測(cè)出水流量及pH、COD、NH3-N、TN、TP等水質(zhì)指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果調(diào)節(jié)污泥及消化液回流量。

3 效果及成本分析

3.1 處理效果分析

污水處理站于2021年4月開始采用接種掛膜法調(diào)試運(yùn)行，掛膜啟動(dòng)成功并經(jīng)夏季穩(wěn)定運(yùn)行后，于2021年11月2日至2022年1月23日收集污水處理站冬季運(yùn)行數(shù)據(jù)，其間，氣溫為-9～7 ℃（均值-3.15 ℃），進(jìn)水溫度為6～12 ℃（均值8.85 ℃）。

3.1.1 COD去除效果

污水處理站進(jìn)出水COD變化情況如圖2所示。冬季運(yùn)行期間，進(jìn)水COD濃度為120.36～545.34 mg/L，平均值為385.28 mg/L，進(jìn)水COD波動(dòng)較大，但出水COD維持在較低濃度，為14.18～49.75 mg/L（均值27.67 mg/L），COD去除率維持在87.45%～94.03%（均值92.50%），出水COD穩(wěn)定在《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 13/2171—2020）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值（50 mg/L）以內(nèi)。結(jié)果顯示，A3/O+MBBR污水處理站在冬季運(yùn)行時(shí)對(duì)有機(jī)物有良好的處理效果并且具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。經(jīng)分析，A3/O+MBBR反應(yīng)器內(nèi)懸浮填料比表面積大，污泥濃度高，可形成從細(xì)菌→原生生物→后生生物的食物鏈，能夠有效降解水中有機(jī)物[10]，生物膜較高的生物多樣性保障了溫度變化時(shí)生物膜系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的良好去除效果[2]。

3.1.2 SS去除效果

由圖3可知，冬季運(yùn)行期間，污水處理站進(jìn)水SS濃度為100.18～219.31 mg/L（均值153.59 mg/L），出水SS濃度為4.11～9.41 mg/L（均值7.16 mg/L），SS去除率維持在93.78%～95.94%（均值95.30%）。

結(jié)果表明，A3/O+MBBR污水處理站冬季運(yùn)行期間對(duì)SS的去除效果較好，雖然進(jìn)水SS有波動(dòng)，但出水SS能穩(wěn)定在《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 13/2171—2020）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值（10 mg/L）以內(nèi)。

3.1.3 NH3-N去除效果

冬季運(yùn)行期間，污水處理站進(jìn)出水NH3-N變化情況如圖4所示。進(jìn)水NH3-N濃度為20.33～56.82 mg/L（均值37.58 mg/L），出水NH3-N濃度為0.72～6.06 mg/L（均值2.92 mg/L），NH3-N去除率維持在89.33%～96.55%（均值92.52%），出水NH3-N穩(wěn)定在《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 13/2171—2020）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值（水溫低于12 ℃時(shí)，取8 mg/L）以內(nèi)。研究顯示，在低溫條件下，污水處理站出水NH3-N不達(dá)標(biāo)的主要原因是活性污泥泥齡不足，溫度對(duì)硝化菌群活性的影響次之[2]。A3/O+MBBR反應(yīng)器內(nèi)懸浮載體可延長(zhǎng)污泥泥齡超過30 d，使懸浮載體的硝化速率受溫度的影響程度顯著低于傳統(tǒng)活性污泥法，可顯著改善冬季低溫條件的硝化效果[11]。出水水質(zhì)惡化時(shí)，污水處理站會(huì)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，以降低運(yùn)行負(fù)荷，保證冬季出水NH3-N達(dá)標(biāo)。

3.1.4 TN去除效果

如圖5所示，冬季運(yùn)行期間，污水處理站進(jìn)出水TN濃度為32.68～55.98 mg/L（均值45.84 mg/L），出水TN濃度為7.84～11.39 mg/L（均值9.50 mg/L），TN去除率維持在73.87%～80.57%（均值79.08%），出水TN穩(wěn)定在《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 13/2171—2020）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值（15 mg/L）以內(nèi)。A3/O+MBBR反應(yīng)器內(nèi)生物膜存在缺/好氧微環(huán)境，具備反硝化功能的菌群能夠生長(zhǎng)并將氨氮的氧化產(chǎn)物還原為氮?dú)?，因而具有良好的脫氮效果[10]。冬季運(yùn)行時(shí)，污水處理站通過曝氣調(diào)節(jié)溶解氧濃度，采用電伴熱避免水溫過低，從而維持生物活性，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行。

3.1.5 TP去除效果

污水處理站進(jìn)出水TP變化情況如圖6所示。冬季運(yùn)行期間，進(jìn)水TP濃度為2.58～5.96 mg/L（均值4.34 mg/L），出水TP濃度為0.16～0.45 mg/L（均值0.34 mg/L），TP去除率維持在91.10%～94.79%（均值92.16%）。A3/O+MBBR反應(yīng)器的前端預(yù)脫硝區(qū)可去除回流污泥中攜帶的硝態(tài)氮，確保厭氧聚磷菌在厭氧段釋磷更徹底并在好氧段攝磷更充分，強(qiáng)化脫氮除磷效果[10]。反應(yīng)器根據(jù)出水水質(zhì)自動(dòng)投藥除磷，保證污水處理站在冬季的除磷效果，使得出水TP穩(wěn)定在《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 13/2171—2020）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)限值（0.5 mg/L）以內(nèi)。

3.2 成本分析

3.2.1 工程費(fèi)用

污水處理站土建構(gòu)筑物包括進(jìn)水井、格柵渠、調(diào)節(jié)池、污泥池、出水井以及一體化設(shè)備基礎(chǔ)等，并修建了道路、圍欄、大門及綠化帶。主要采購(gòu)設(shè)備為一體化污水處理裝置、污水提升泵、污泥提升泵、路燈和攝像機(jī)等。處理規(guī)模30～200 t/d的A3/O+MBBR污水處理站工程費(fèi)用為1.29萬～4.82萬元/t，以設(shè)備購(gòu)置費(fèi)為主，噸水處理工程費(fèi)用隨污水處理站規(guī)模的增加而降低，詳情如表2所示。

3.2.2 運(yùn)行成本

污水處理站的主要運(yùn)行成本包括電耗、藥耗、污泥處置費(fèi)及人工費(fèi)等。處理規(guī)模30～200 t/d的污水處理站冬季運(yùn)行成本為0.92～1.45元/t，隨著處理規(guī)模的增加而減小。運(yùn)行成本以電耗為主，人工成本及污泥處置成本較低，詳情如表3所示。

（1）電耗。污水處理站配套的機(jī)電設(shè)備較少，主要包含一體化污水處理設(shè)備（含提升泵、鼓風(fēng)機(jī)、紫外消毒器、污泥泵）、燈、監(jiān)控?cái)z像頭等。冬季進(jìn)水溫度過低時(shí)，采用電伴熱保溫，保證出水水質(zhì)，同時(shí)導(dǎo)致電耗較高，其占整體電耗的20%～40%。

（2）藥耗。污水處理站僅在系統(tǒng)檢出出水總磷較高時(shí)，自動(dòng)投加硫酸鋁除磷劑，保證出水水質(zhì)，藥耗低。根據(jù)冬季整體運(yùn)行結(jié)果，藥耗約為0.12元/t。

（3）污泥處置費(fèi)。污水處理站反應(yīng)器中，微生物控制在內(nèi)源呼吸期，剩余污泥的產(chǎn)生量少，濃度大，僅需要在自動(dòng)控制系統(tǒng)提示后，定期外運(yùn)至污泥處置單位處理，大大節(jié)省了污泥處置費(fèi)用。

（4）人工費(fèi)。污水處理站運(yùn)行時(shí)由PLC系統(tǒng)自動(dòng)控制，無須專人值守，僅做定期巡視，人工費(fèi)低。

4 結(jié)論

A3/O+MBBR污水處理站可適應(yīng)我國(guó)北方寒冷地區(qū)農(nóng)村生活污水產(chǎn)生量小、變化大、水溫低的特點(diǎn)，具有良好的處理效果，出水水質(zhì)可達(dá)到《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 13/2171—2020）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于A3/O+MBBR污水處理站，工程費(fèi)用以設(shè)備購(gòu)置費(fèi)為主。處理規(guī)模30～200 t/d的污水處理站冬季運(yùn)行成本為0.92～1.45元/t，隨處理規(guī)模的增加而減小。運(yùn)行成本以電耗為主，人工成本及污泥處置成本較低。污水處理站采用移動(dòng)式一體化污水處理設(shè)備，設(shè)備可遷移重復(fù)使用。系統(tǒng)采用全自動(dòng)化設(shè)計(jì)，運(yùn)行數(shù)據(jù)定期上傳，并可進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，維護(hù)管理簡(jiǎn)單，可應(yīng)對(duì)農(nóng)村生活污水治理項(xiàng)目布局分散、近遠(yuǎn)期規(guī)劃變化大、不同村落污水處理站規(guī)模不一、缺乏專業(yè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員的難題，具有很高的推廣價(jià)值。

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