农村生活污水一体化处理设备建设实践和运行数据分析

罗伟

（南京万德斯环保科技股份有限公司，江苏南京 210000）

1 引言

我国幅员辽阔，截至2016 年，我国农村、城乡接合部和小城镇人口仍占全国人口60%以上，总数在8 亿人以上［1］。广大农村及城乡接合部远离城区，除了少数经济发达地区之外，绝大多数居民生活污水没有经过统一的收集和处理，自然就近排放到河湖。由于上述地区数量众多，污染物排放总量很大，对河流和湖泊的生态环境威胁不容忽视［1-2］。

在农村、城乡接合部等地区，村民住房与农田以及自然水体等区域交错分布，其生活污水的产生和排放广泛而分散，由于缺乏统一收集和管理，雨污混流，其排放多呈现出无组织、不稳定、波动大，受季节、环境和天气等因素影响大的特点［3］。因此，广大农村、城乡接合部等地区生活污水的处理和管理具有不同于城市生活污水的方面，相比规模化的城市生活污水处理而言，其处理设备设施的建设、运行和管理面临更加严峻的挑战［2］。

本文收集了南京市江北片区共计106 个农村污水一体化净化处理装置的建设、调试和运行数据，通过对所得数据的统计分析，试图挖掘我国农村生活污水产生和排放规律，分析一体化净化处理装置的运行特征，以期为我国广大农村和城乡接合部生活污水处理和管理提供借鉴。

2 技术路线和方法

2.1 项目背景

该项目服务的农村片区位于南京市江北六合区，范围跨葛塘街道、盘城街道、大厂街道和长芦街道等多个街道，所有村庄散布或连片分布于滁河两岸。以相对独立的村户或者村庄为单位，为数户或者数十户单独提供一套一体化生活污水处理设备，有针对性地接收对应村户的生活污水，经处理达标后排放到附近农田或河流。设备出水执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A 标准。

2.2 技术路线

项目中一体化设备采用了调节池－缺氧－好氧接触氧化－二沉池－生态滤池的工艺路线。

一体化农村污水处理设备一般采用A/O 工艺，污水中的氮在好氧单元被氧化成硝酸盐氮后，回流至缺氧单元进行反硝化脱氮，最终转化为氮气从污水中去除。生物膜法具有耐冲击负荷、运行稳定、脱氮效能强、经济节能、无污泥膨胀问题、污泥产量少等优点［4］。为适应农村污水水质水量波动大的特性，本项目中好氧单元采用接触氧化法工艺，好氧段槽内装填半软性球型填料。

为避免因排泥工作而难以自动化运行或造成次生环境污染问题，项目实施中排除了生物除磷法和化学除磷法，选择了装配式生态滤池为一体化农村污水设备出水的深度处理工艺。该工艺不仅无需排除污泥，具有深化去除生化尾水中氮磷等污染物的效果，出水水质好，还可以营造美丽的景观，与美丽乡村的建设理念相吻合［5］。

2.3 技术方法

（1）设备进水流量控制

严格按照设备设计吨位进水（按24 h 连续进水计），通过控制提升管路的回水阀和进水阀开度来调节进水水量。

（2）设备溶解氧控制

通过控制曝气管旁路控制阀开度调节曝气量，控制各单元溶解氧浓度如下：好氧单元溶解氧浓度保持在2～4 mg/L［6］；缺氧单元溶解氧浓度保持在0.5～1 mg/L；曝气时间24 h，水量不足的站点可设置间歇式曝气。

（3）混合液回流控制

利用空气提升器的提升作用实现混合液回流，回流比控制在200%～400%。

（4）污泥回流控制

采用另一路空气提升器实现污泥回流，回流比控制在100%～150%，运维期间可定期对沉淀池进行搅拌，减少沉淀池浮泥的产生。

（5）菌群驯化（挂膜）

投加市政污泥驯化挂膜，前期设备进水为设计进水量的50%，对菌种进行驯化，7 d 后按设计流量进水，进行挂膜培养。

（6）水质检测和运行控制

及时检测进水水质，特别在调试期采用试纸等快检技术，在水质明显变化时适当调整运行参数。

3 结果和讨论

3.1 农村污水排污规模和排污水质特征统计分析

以设计处理规模（t/d）为分组依据，计算此次在南京江北片区共106 个农村污水收集站点的来水水质指标的统计值，见表1。从表1 数据可以看出，相同处理规模的点位水质数据标准偏差较大，表明即使收集户数（表现为日来水量）相同，不同的村庄收集站点所收集的生活污水水质也差别较大；同时，不同处理规模的站点相互之间污水水质差别不大，说明农村生活污水具有排水水质波动大，而不同地点之间的污水水质又具有相似性的特点。

表1 南京江北片区农村污水收集站点进水水质统计

进一步对上述106 个农村污水收集站点的来水中的COD 和NH3－N 浓度进行分组，统计在各水质浓度区间的村庄个数分布，可得出以下结论：

（1）南京江北片区农村污水排放规模普遍较小，排污规模在1～5 t/d 的村庄数量最多，以5 t/d 的步长统计，随着规模的增大，对应的村庄数量呈指数规律递减，已没有排污量超过50 t/d 的村庄。

（2）南京江北片区农村污水COD 浓度在200 mg/L以下者最多，占总样本量的52%，COD 浓度200～400 mg/L 的占总样本量的41%，两者累积频率为93%。农村污水COD 浓度最高不超过800 mg/L。

（3）南京江北片区农村污水NH3－N 浓度普遍在30～70 mg/L，累计占总样本量的61.3%，低于30 mg/L和高于70 mg/L 的站点数量比较接近，分别占总样本量的19%。农村污水NH3－N 浓度最高不超过120 mg/L。

3.2 进水量对处理效果的影响

不同进水规模的设备在调试前期和运行期对COD 的处理效果见图1。

图1 不同进水规模的设备在调试前期和运行期对COD 的处理效果

不同进水规模的设备在调试前期和运行期对NH3－N 的处理效果见图2。

图2 不同进水规模的设备在调试前期和运行期对NH3－N 的处理效果

重点考察缺氧－好氧接触氧化工艺段对污染物的去除效果。从测定结果可以看出，对于处理规模不超过25 t/d 的设备，处理效果受进水规模影响较小，COD 去除率可稳定在50%附近；当平均进水量超过25 t/d 时，COD 和NH3－N 去除效率整体随进水量增大而明显下降。

一体化装置对NH3－N 的去除效果较差，尤其在进水量超过25 t/d 的设备中，出水NH3－N 浓度甚至高于进水，表明在前置的厌氧单元和缺氧单元可能存在较强的水解反应，并且在好氧单元设备挂膜暂未达到设计的理想程度，这也是因为硝化细菌生长速率比普通的异养微生物菌群更慢。

事实上，根据正常的污染负荷设计，当平均进水量超过25 t/d 时，缺氧＋好氧接触氧化＋沉淀池的一体化农村污水处理装置总长度已超过10 m，从方便制造、运输和安装的角度看，也不建议单套农村污水一体化处理设备设计处理能力超过25 t/d。

3.3 进水污染物浓度对处理效果的影响

从不同进水COD 浓度和COD 去除率、NH3－N去除率（见图3）可以看出，在进水COD 浓度低于200 mg/L 时，COD 去除率随进水COD 浓度增加而明显增加；而在进水COD 浓度超过200 mg/L 时，设备对COD 的去除率趋于稳定而不再随进水COD 浓度增加而增加。稳定的最大COD 去除率在60%～70%。

图3 不同进水COD 浓度范围下设备对污染物的处理效果

设备对COD 和NH3－N 的去除率随进水COD 浓度的变化走势在进水COD 浓度超过600 mg/L 后呈现较大的差异，在进水COD 浓度超过600 mg/L 后，设备对NH3－N 的去除率急剧下降，表明在进水COD浓度过高时，由于异养菌对水中溶解氧的竞争效应，对接触氧化反应器中硝化菌群的生长造成严重抑制。因此，针对厌氧＋缺氧＋好氧接触氧化农村污水处理设备，不建议COD 浓度大于600 mg/L 的污水直接进入设备，可以采取均化调节或适当引入低浓度水稀释后，再将污水送入设备处理，以保障设备对NH3－N 的处理效果。

从不同进水NH3－N 浓度和NH3－N 去除率（见图4）可以看出，在所调研的样本中，进水NH3－N 浓度在10～120 mg/L 的范围内，NH3－N 去除率随进水NH3－N 浓度增加而增加。在调试前期，进水NH3－N浓度小于40 mg/L 时，NH3－N 去除率受进水NH3－N浓度影响较大，随进水NH3－N 浓度增加，NH3－N 去除率增加较快，而在进水NH3－N 浓度超过40 mg/L时，设备对NH3－N 的去除率随进水NH3－N 浓度增加而增加的速率明显减慢。在所调研的样本中，各设备对NH3－N 的去除率最大在40%附近，此时设备出水NH3－N 浓度平均为30 mg/L（基本在20 mg/L 以上），表明设备挂膜暂未达到设计的理想程度，特别是硝化菌群的生长量暂未达到满负荷水平。

图4 不同进水NH3－N 浓度范围下设备在调试前期和运行期对NH3－N 的处理效果

随着调试的进行，设备运行的稳定，再次做了水质检测分析，结果见图4（b）。从结果可知，此时NH3－N去除率保持相对稳定，受进水NH3－N 浓度波动影响不大。另外，从结果中仍可看出，各站点NH3－N 的稳定去除率整体有了较明显的提高，平均去除率接近60%；在进水NH3－N 浓度不超过50 mg/L 的情况下，设备出水NH3－N 浓度普遍低于15 mg/L。

另外还发现在运行效果比较差的站点，经常出现出水NH3－N 浓度明显高于进水的情况，表明在前置的厌氧单元和缺氧单元可能存在较强的水解反应，将原水中的大量有机氮转化成了NH3－N。由于硝化菌群数量不足，这些NH3－N 在好氧单元无法充分转化为NO3－N 的情况下，将随出水排出而造成出水NH3－N 浓度过高，甚至远远超过进水NH3－N 浓度。以上结果也从侧面表明，农村不少站点的排污水存在有机氮含量较高的现象。

综合上述分析结果，从处理的稳定性和可靠性角度考虑，为尽量避免出水超标，针对进水COD 浓度超过600 mg/L 或者进水NH3－N 浓度超过70 mg/L的站点，可以考虑引入较低浓度的污水将水质稀释到上述指标值以下，再送入调节池＋缺氧＋好氧接触氧化一体化污水处理装置进行处理。

4 结论

（1）项目实施片区内农村生活污水具有排水水质波动大，而不同地点之间的污水水质又具有相似性的特点。

（2）根据片区村户的分布情况，农村污水排放规模普遍较小，大部分在1～5 t/d 范围内。排污水中，COD 浓度在200 mg/L 以下者最多，NH3－N 浓度普遍在30～70 mg/L。农村不少站点的排污水存在有机氮含量较高的现象。

（3）对于处理规模不超过25 t/d 的设备，处理效果受进水规模影响较小，当平均进水量超过25 t/d时，COD 和NH3－N 去除效率整体随进水量增大而明显下降。从运行和建设角度考虑，不建议单套农村污水一体化处理设备设计处理能力超过25 t/d。

（4）针对缺氧＋好氧接触氧化法的农村污水处理设备，不建议在COD 浓度大于600 mg/L 或NH3－N浓度大于70 mg/L 的污水直接进入设备，可以采取均化调节或适当引入低浓度水稀释后，再将污水送入设备处理，以保障设备对NH3－N 的处理效果。

（5）由于设备点数多，分布地点广阔而分散，且交通条件较差，设备调试运维工作繁杂而辛苦，从运行管理的角度看，应尽可能采用维护简单的处理技术，探索采用远程云监控＋当地居民主动参与维护的方式，及时修复排除水泵堵塞等常见问题，提高设备维护的及时性和设备完备性，避免建而不用，成为“晒太阳”工程［7］，确保投资收到环境效益和社会实效。