一体化生物处理反应器处理农村生活污水研究概况

2011-08-15汪诚文赵雪锋王欣

环境工程技术学报 2011年6期

汪诚文，赵雪锋，王欣

1.清华大学环境学院，北京 100084

2.北京国环清华环境工程设计研究院有限公司，北京 100084

农村地区地域宽广，村民居住相对分散，造成农村污水排放点分散，难以通过管道收集的方式进行集中式处理。统计显示，全国农村地区每年产生的生活污水量约为80亿 t［1］，且每年以近7%的速度递增。由于经济和社会发展水平的制约，96%的村庄未建设有效的污水处理设施［2］，大量未经任何处理的污水直接排入水体中，给当地的饮用水安全造成了潜在的威胁。农村污水已成为我国非点源污染的重要组成部分［3］。近年来，国家对治理农村生活污水的重视程度与日俱增，“十二五”规划纲要明确提出了加强农村饮用水水源地保护、农村河道综合整治和水污染综合治理的要求。

农村生活污水主要来自3个方面:生活洗涤污水(如洗衣、沐浴等)、厨房用水和冲厕废水。污水特点是有机物、氮磷［4］含量高，可生化性好;重金属等有毒有害物质含量低;水质水量波动大［5-6］等。在处理农村生活污水的过程中，应结合当地的实际情况选择经济高效、运行稳定的污水处理工艺。

1 一体化生物处理反应器

我国现有污水处理工艺中80%以上采用的是活性污泥法，但其存在运行成本较高、污泥膨胀等问题，限制了在农村地区的推广使用。近年来，随着对农村生活污水处理研究的深入，一体化生物处理反应器得到了越来越多的重视。一体化生物处理反应器是指将传统生物处理的反应、沉淀和污泥回流集中在同一个反应器内的装置。该反应器投资运行成本低、占地面积小、操作管理灵活方便，同时反应器耐受水质和水量冲击的能力强，氮磷去除能力强［7］。一体化生物处理反应器发展至今，技术比较成熟，已在许多国家得到应用，如日本的净化槽技术以及其他一系列结合生物膜技术的一体化设备［8-9］。目前，各种一体化生物处理反应器已广泛用于生活污水［10］、医院污水［11］、屠宰废水［12］等领域，研究表明，一体化生物处理反应器特别适用于农村生活污水的处理。

2 研究概况

2.1 单一工艺的一体化生物处理反应器

(1)SBR反应器

SBR反应器的研究始于20世纪70年代，其是将曝气、反应和沉淀过程集中在一个SBR反应池内完成。SBR的主要特点是时间上的推流和空间上的完全混合。由于SBR反应器兼具调节池、沉淀池及污泥回流设备的功能，因此可大大节省占地面积和基建、运行管理费用。研究表明，SBR反应器能够实现分散式生活污水处理的达标排放［13］。这对于资金相对匮乏的农村地区具有十分积极的意义。另外，SBR反应器还具有抗冲击负荷能力强、反应推动力大、能有效抑制污泥膨胀、出水水质好等优点。

同时，为适应各种水质处理的要求，研究者对SBR做出了一些改进，较典型的改进工艺有间歇式循环曝气活性污泥(ICEAS)法，MSBR，三池联体型前部连续曝气和后部交替曝气相结合的活性污泥(UNITANK)法等。

(2)一体化OCO反应器

一体化OCO反应器［14］的主要特点是在一个圆形反应器中完成所有的生物反应步骤。原水经过预处理后与回流污泥混合，并在反应器的内圆中进行厌氧反应，污泥释放磷至污水中，随后进入缺氧区进行反硝化反应，最后进入好氧区进行氧化、硝化和吸磷反应。生物反应器结构特殊，能使泥水在混合、运动的过程中形成良好的湍动，使污水与污泥中的微生物充分反应，污染物得以去除。

薛军等［15］通过设置不同的分区将一圆池分隔成3个区，通过控制曝气与搅拌，使缺氧区和好氧区既相对分开，又能实现混合液的回流，从而使反应器具有良好的脱氮除磷功能。殷旭东等［16］考察了溶解氧、碳氮比(C/N)、水力停留时间和pH对中心岛式一体化OCO反应器运行的影响，发现在好氧区DO浓度为2.0 mg/L左右，C/N为8.5左右，HRT为12 h左右，pH为7.4～7.8时，该工艺具有较为理想的脱氮效果，脱氮率达到85%。

(3)一体式膜生物反应器

1989年日本学者Yamamoto首先开发出一体式膜生物反应器，随后被广泛用于处理生活污水和工业废水［17］。该装置具有运行能耗低、结构紧凑、体积小等优点，与传统的活性污泥法相比，它具有更强的硝化能力［18］，但也存在着处理能力小、膜污染严重、氮磷去除率不高等缺点。杨小俊等［19］在对农村生活污水进行处理时，采用间歇生物膜反应器作为一体式膜生物反应器的生化处理部分，微滤膜作为出水处理系统，有效地解决了一体式生物膜反应器出水SS较高和氮磷去除率不高的缺点，同时可实现系统的自动控制运行。经过优化操作参数，可使反应器对CODCr，氨氮，总氮，总磷及浊度的平均去除率分别达到 79.1%，83.5%，58.0%，81.3%和98.6%。

(4)一体化氧化沟

一体化氧化沟又可称作合建式氧化沟(Combined Oxidation Ditches)，最早由荷兰Pasveeer教授于1954年研制成功［20］。根据沉淀器置于氧化沟的部位可将一体式氧化沟分为沟内式、侧沟式和中心岛式三类。该装置集曝气、沉淀、泥水分离和污泥回流功能为一体，可显著减少占地面积，节省基建投资和管理费用，对水质的变动具有一定的适应性，适用于处理分散式生活污水。但是，它也有着不可克服的缺点:1)由于将固液分离器和氧化沟渠进行了一体化设计，导致出水不稳定;2)装置内难以形成功能相对独立的厌氧、缺氧和好氧区域，导致除磷脱氮效果的稳定性较差;3)农村生活污水水量和水质波动较大，容易导致氧化沟内污泥层难以稳定，有可能出现浮泥情况，增加出水的SS。

由以上分析可得，这些单一工艺的一体化生物处理反应器主要通过将生物反应与固液分离相结合来实现一体化，主体工艺多为活性污泥法，因而具有污泥膨胀、脱氮除磷效果较差等缺点［21］。与此同时，污水排放标准的不断提高促进了多种工艺组合的一体化生物处理反应器的开发和应用。

2.2 组合工艺的一体化生物处理反应器

2.2.1 活性污泥法与厌氧/缺氧工艺的结合

2.2.1.1 厌氧/好氧/缺氧一体化生物处理反应器

邓钦等［22］提出了将厌氧/好氧/缺氧集中在一个反应器内进行的一体化生物处理反应器，可同时实现反应器的连续流和一体化，各池子空间布置紧凑。研究结果显示，当N/P为8～10时，进水中的各类污染物都能在微生物的作用下得到有效去除，CODCr，NH3-N，TP和 TN的去除率分别为 91%，98%，90%和90%。

2.2.1.2 地埋式无动力厌氧达标处理设备

地埋式无动力厌氧达标处理设备(Underground Unpowered Anaerobic Reactor，UUAR)由浙江大学沈东升等［23］研发。该装置根据厌氧生物膜技术和推流原理设计，采用内充空心球状填料的地下厌氧管道式或折流式反应器为处理设备，利用附着于空心球状填料内外表面或悬浮的专门驯化专性厌氧或兼氧微生物去除生活污水中的有机污染物、病原菌和部分氮磷，从而达到净化水质的目的。沈东升等［23］通过中试研究发现，通过优化设计和调节球状填料的配比，并延长HRT至2 d，出水可达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》二级标准，且未出现剩余厌氧污泥的积累问题。UUAR无日常运行费用，非常适合农村生活污水的分散处理。

2.2.2 生物膜法与厌氧/缺氧工艺的结合

2.2.2.1 地埋式一体化生物滤池

曹大伟等［24-25］针对农村地区住户分散、污水排放日变化系数较大的特点，开发出了地埋式一体化生物滤池。其主体为一体化结构，由缺氧池、生物滤池和沉淀池三部分组成，前置的缺氧池用于进行生物脱氮并降低生物滤池的进水负荷;生物滤池用于进行碳氧化及硝化;整个系统仅设一台出水提升泵。因此，同传统生物滤池相比，具有节能和高效的特点，适合在农村地区推广使用。该装置具有较强的抗冲击负荷能力，对农村生活污水中的CODCr，NH3-N，TN及TP具有良好的去除效果，其中硝化效果尤为突出。针对农村污水的处理，研究了低温［26］条件下反应器的运行特性，对运行参数进行了优化［27］，同时发现采用两级溅水的充氧方式能够满足生物滤池内部微生物对氧气的需求，可免设曝气装置，因此能耗和运行费用较低［28］。

2.2.2.2 净化槽工艺

净化槽是一种高效的一体化处理设施，主要采用厌氧滤池与接触曝气池、生物滤池或移动床接触滤池的结合工艺，部分工艺反应集中在一个装置内完成，各步骤之间用隔板隔开，出水加氯消毒处理。日本对净化槽的研究开展较早，截至2007年，日本国内的净化槽使用总数为841.78万台，主要集中在排水系统缺乏的偏远乡村［29］。它具有出水水质好、工艺成熟度高、耐冲击负荷能力强等优点，但其脱氮除磷能力不强，因此如何提高系统的脱氮除磷效果成为当前亟需解决的问题。王昶等［30］对小型净化槽进行了改进，使用平推流二段厌氧和全混流好氧一体化回流技术以及生物滤床技术，增加了各区中的微生物含量，抑制了厌氧区的返混;采用部分回流，进一步提高了抗冲击性和出水水质，适用于农村生活污水的分散处理。白晓龙等［31］也对小型净化槽进行了改进，将厌氧生物滤池与生物接触氧化技术融于折流式厌氧反应器，生活污水采用上流式进入反应器，从而减少了设备堵塞和维护时间。该反应器在南通某新农村建设示范区进行了实际应用，结果发现污水经处理后CODCr，NH3-N，TP等指标符合GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准，污水处理动力费为0.44元/m3，成本较低，适合在农村地区推广使用。

2.2.2.3 序批式膜生物反应器

序批式膜生物反应器(SBMBR)将膜分离技术与序批式活性污泥(SBR)工艺相结合，该装置同时兼具了SBR工艺和MB工艺的共同优点，其占地面积小、耐冲击负荷、生化反应效率高、脱氮除磷效果好、不易发生污泥膨胀［32］。赵云霄等［33］通过在单个池体中采用限制曝气和半限制曝气的运行方式在时间序列上实现了厌氧/好氧(A/O)的组合，并合理控制各部分的时间比例来提高反应器的脱氮除磷效果，结果发现，反应器对NH3-N，TN和TP的平均去除率可达97.79%，89.30%和90%以上，但对总磷的去除率受外界条件的影响较大，高浓度的硝酸盐氮会影响出水总磷浓度。

2.2.2.4 一体化生物膜A/O反应器

李德豪等［34］根据好氧硝化和缺氧反硝化生物脱氮除碳工艺原理，开发设计了一体化生物膜A/O反应器，并将其用于处理模拟生活污水。该反应器实现了在一个设备内完成脱碳和脱氮，具有结构紧凑、占地少、投资省、处理成本较低等特点。通过在反应器内设置阻水板形成不同DO浓度分区，即好氧区和缺氧区，二者的容积比为2∶3。分别向好氧区和缺氧区内投入90和120个直径80 mm的塑料悬浮球形填料，在好氧区底部设置曝气装置，以曝气为推动力，使污水在反应器的好氧区-缺氧区间反复循环流动。研究发现，该反应器对氨氮具有良好的去除效果:C/N＜8.5时，NH3-N去除率达到90%以上;C/N为6.3～8.5时，NH3-N去除率达到60%以上。姜苏等［35］研究了一体化生物膜A/O反应器的脱氮性能，结果表明，反应器的硝化率和TN去除率分别达到了92%和82%。该一体化生物膜A/O反应器的结构与上述反应器有所不同，分别设置了好氧区、缓冲区和缺氧区，设置缓冲区可保证缺氧区较低的DO浓度，同时增强了反应器对进水水质波动的抗冲击能力。

3 结论和建议

一体化生物处理反应器发展很快，但主要用于城市生活污水和工业废水的处理，针对农村生活污水处理展开的研究并不多。因此必须加大对农村地区污水处理的关注，提高其污水处理率。针对一体化生物处理反应器在农村地区的实际应用情况，提出以下改进意见:

(1)通过结构的合理改进、工艺和操作参数的优化，提高一体化生物处理反应器同时去除氮、磷的能力，从源头上控制水体富营养化形成的条件，保障农村地区饮用水的安全。

(2)优化一体化生物处理反应器的设计，在保证出水稳定的前提下，对工艺的选择及工艺之间的匹配问题进行更多的研究，设计出更紧凑、具有高适应性、去除效率更高的一体化生物处理反应器。

(3)选择符合农村实际情况的一体化生物处理反应器。农村地区经济基础薄弱，缺乏专业的技术人员，故选择的一体化生物处理反应器应满足运行稳定、适应水质和水量的波动、维修少的目标。

(4)我国农村地区南北差异明显，研究应针对具体地区的情况展开，特别是我国北方地区冬季气温低，如何保证一体化生物处理反应器在冬季条件下的稳定运行应成为研究需解决的重点之一。

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