小型一体化农村生活污水处理设施进水负荷特征与运行优化研究

朱明君，任 亮，杨忠莲，徐连红，仲雨叶，朱光灿，3

（1.东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096；2.江苏中车环保设备有限公司，江苏 常熟 215505；3.西藏民族大学西藏水污染控制与生态修复国家民委重点实验室，陕西 咸阳 712082）

0 引言

农村生活污水治理是农村人居环境整治的重要内容，是实施乡村振兴战略的重要举措，是全面建设小康社会的内在要求[1]。根据农村生活污水的收集方式，可将治理方式分为接管处理、集中处理、分散处理3种[2]。农村生活污水的排放具有量小、分散难集中、水质水量变化大、时空变化大等特点[3]，而集中处理模式的管网建设成本高，只适用于人口规模大、经济条件好的地区[2]。《农业农村污染治理攻坚战行动方案（2021—2025年）》提出应筛选适合当地具体情况的治理模式和工艺技术[4]，因地制宜地对农村生活污水进行分散治理是较好的选择。

江苏省某地分散农户采用小型一体化生物接触氧化污水处理设施，设计出水水质达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 32/3462—2020）一级B标准，然而，由于处理设施的进水水质水量波动较大、进水来源差异较大等原因，易出现部分处理设施运行不稳定、出水水质时有超标等问题。针对这些问题，本文分析了该地区处理设施的进水水质水量负荷特征、运行状况，并进行了现场优化运行试验，提出优化运行方案，为农村生活污水分散处理设施的稳定运行提供技术支撑。

1 运行现状调研

1.1 设施结构及工艺流程

小型一体化分散处理设施结构如图1所示。设施采用缺氧/好氧（A/O）生物接触氧化处理工艺，设计处理水量为1 m3/d。污水依次进入设施初沉区、缺氧区、好氧区、沉淀区和消毒区，在经过沉淀、反硝化、硝化和有机物降解等过程后排出，消毒区作为应急处理单元。其中缺氧区设置固定床生物滤材，体积为0.75 m3，好氧区投加球形填料，填充比为70%，沉淀区设置回流装置，部分经过处理的污水从沉淀池经气提回流至初沉区。

图1 小型一体化污水处理设施结构

1.2 运行现状分析

1.2.1 进水负荷

为掌握该地区小型一体化分散处理设施（简称设施）进水污染物的负荷情况，选取该地区不同村落43台调研设施的进水水质、水量及负荷指标进行分析，各设施净化槽进水水量分布情况、进水水质分布情况、进水污染物负荷分布情况分别如表1至表3所示。

表1 各设施净化槽进水水量分布情况

表2 各设施进水水质分布情况

表3 各设施进水污染物负荷分布情况

调研的43台设施进水水量总体范围大致为70～500 L/d，平均每台设施的进水水量在229 L左右，各设施的进水水量存在较大差异，其中进水水量为20～400 L/d的台数占统计总量的88.37%，大多数净化槽进水水量处于300 L/d以下。进水水量差异较大与设施服务的常住人口用水习惯有关。对于同一台设备，每年不同季节、每天不同时刻的排放规律也不同。该地区农村夏季生活污水排放量约为冬季排水量的2～3倍，每天早、中、晚都有一段排水高峰期，而午夜到凌晨基本无排水。

调研的43台设施进水COD浓度范围为104～827 mg/L，氨氮浓度为18～191 mg/L，平均每台设施的进水COD浓度为419±408 mg/L，进水氨氮浓度约为73±118 mg/L，不同设施的进水污染物浓度差别较大。江苏省集中式村庄生活污水处理设施的进水COD浓度为154.5±753.5 mg/L，进水氨氮年均浓度为29.5±62.4 mg/L[5]，集中式村庄生活污水处理设施的进水污染物浓度低于分散式处理设施。因此，集中污水处理进水浓度低，不符合现状。

不同设施进水水质差异较大。一方面，受季节性变化及农村居民用水习惯的影响，主要表现为夏季污染物排放浓度偏低，冬季污染物排放浓度偏高。早、中、晚3个排水高峰期中，早上产生的污水主要是厨余污水、洗漱废水以及冲厕污水，此时污染物浓度较高。另一方面，不同生活污水COD与总氮（TN）的比值差异较大，厨房污水COD/TN值为49.15，卫生间污水COD/TN值为6.53，洗浴/洗涤COD/TN值为9.63，因此设施接入的生活污水也会影响水质。

综合各设施的COD、氨氮负荷，将设施进水负荷分为低、中、高3种级别。当进水COD负荷处于50 g/d以下或氨氮负荷处于15 g/d以下时，该设施处于低负荷运行状态；当进水COD负荷为50～150 g/d或氨氮负荷为15～30 g/d时，该设施处于中负荷运行状态；当进水COD负荷大于150 g/d或氨氮负荷大于30 g/d时，该设施处于高负荷运行状态。

1.2.2 出水水质

在1—9月采集43台设施的出水水样，分析了COD、氨氮、TN的达标情况及其与进水负荷的关系。不同设施出水水质差异较大，且季节差异性明显。总体来看，对氨氮和COD处理效果较好，在夏季持续监测的设施出水水样中，80%以上的出水COD和氨氮可以达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 32/3462—2020）一级B标准，全年的设施出水检测中，70%左右的出水COD和氨氮可以达到一级B标准；TN的处理效果较差，只有接近50%的设施出水TN可以达到一级B标准，如表4所示。

表4 设施出水达标情况汇总

1.3 运行问题与分析

根据对43台设施的进水类别、水量、浓度、负荷和出水水质、运行状况的调研，小型一体化分散处理设施存在的主要问题如下。

（1）生活污水收集不完全，实际接入污水以卫生间污水为主，COD/TN值仅为6.53，一般碳氮比小于8即可认为碳氮比较低[6]，由此可知设施进水碳氮比失衡，影响设施处理效果。

（2）受季节性变化及农村居民用水习惯等影响，污水水量及污染物排放负荷差异大，同时季节性变化较为明显，直接影响了设施的稳定运行。

（3）原有风机提供的曝气量与设施处理需求量不匹配，一般好氧区溶解氧为0.1～0.3 mg/L，使得设施处于超负荷运行状态。

（4）回流比的大小不符合工艺需求，前期回流比设置较大，使得缺氧区溶解氧大于1 mg/L，破坏了缺氧区的环境。

2 优化运行研究

根据现场调研与运行现状分析，为提高小型一体化设施对农村生活污水的处理能力和运行稳定性，本文开展在不同负荷下进水条件、曝气量和回流比的优化研究，重点开展曝气量和回流比的优化研究，研究时期是2018年7月至2019年12月。

研究发现，在设施前端设置化粪池，并将化粪池出水和厨房污水、洗涤污水一起接入设施进水的条件下，设施的出水水质较好[7]。因此，选取进水条件相同（厨房污水、卫生间经化粪池预处理的污水、洗浴/洗涤污水均接入），分别处于低、中、高不同进水负荷下的1、2、3号设施进行曝气量和回流比优化实验，试验设备进水水质水量分布情况如表5所示。

表5 试验设备进水水质水量分布情况

2.1 曝气量优化

曝气量是影响设施污染物处理效果的重要因素。曝气量过低时，无法提供足够的溶解氧（DO）来满足硝化反应的需求；曝气量过高时，多余的溶解氧通过回流影响缺氧池的反硝化，当进水负荷较低时，过量曝气会导致污泥解体，影响系统的稳定性[8]。为确定适合不同进水负荷下的曝气量，分别选取处于低、中、高进水负荷的3套设施，观察不同曝气量对溶解氧、COD、氨氮、TN处理效果的影响，设施溶解氧变化情况如图2所示，设施出水水质变化情况如图3所示。回流比为200%，在每次调整曝气量运行一周后采样分析。

图2 不同运行负荷设施溶解氧随曝气量变化情况

图3 不同运行负荷设施出水水质随曝气量变化情况

从图2可知，当低负荷运行设施好氧区的溶解氧在曝气量分别为0～2.4 m3/h、2.4～4.8 m3/h、4.8～9.6 m3/h时经历了快速增加、慢速增加、快速增加3个阶段，表明好氧微生物经历了活性较低无法利用溶解氧、活性增加溶解氧消耗增大、活性较高溶解氧无法被完全利用3个阶段。缺氧区的溶解氧在曝气量分别为0～4.8 m3/h、4.8～9.6 m3/h时经历了慢速增加、快速增加两个阶段，表明当曝气量较高时，回流水带来的溶解氧会破坏缺氧区的缺氧环境。因此，处于低负荷运行设施的曝气量应不高于4.8 m3/h。中、高负荷运行设施在不同曝气量条件下对设施溶解氧变化的趋势和低负荷运行设施相同，中、高负荷运行设施曝气量应不高于6.0 m3/h和7.2 m3/h。

从图3可知，当低负荷运行设施的曝气量从0 m3/h提升到4.8 m3/h时，出水COD从187.2 mg/L降至58.1 mg/L，氨氮浓度由38.4 mg/L降至9.2 mg/L，TN浓度由42.1 mg/L降至21.6 mg/L。这是由于曝气量增加提高了水中的溶解氧含量，氧的传质效率得到提高，填料上的生物膜活性得到增强，使COD处理效果有所提高[9]。此时溶解氧含量充足，亚硝酸菌能将氨氮转化为亚硝酸盐氮，硝化反应增强[10]。但当曝气量增至8.4 m3/h时，低负荷运行设施出水COD浓度、氨氮浓度、TN浓度分别上升至70.5 mg/L、15.0 mg/L、31.4 mg/L，处理效果有所下降。一方面，因为过量曝气导致附着于填料上的生物膜脱落、生物量减少；另一方面，有机物分解速度过快导致污泥老化影响处理效果[11]，而溶解氧含量较高的回流液回流至缺氧区破坏了缺氧区的缺氧环境，使反硝化反应被抑制。当曝气量为4.8 m3/h时，低负荷运行设施对COD、氨氮、TN的处理效果达到最佳。中、高负荷运行设施在不同曝气量条件下对COD、氨氮、TN处理效果的趋势和低负荷运行设施相同，中、高负荷运行设施分别在曝气量为6.0 m3/h和7.2 m3/h时，对COD、氨氮、TN的去除效果达到最佳。

2.2 回流比优化

小型一体化设施采用气提回流方式，设有回流和曝气空气量调节阀门，当回流空气量调节较小时易出现断流现象，因此采取回流管打孔的措施，在确保不断流的情况下，部分回流水通过孔道流至好氧区，从而可以通过开孔数量对回流比进行控制。回流可以改变装置内水体的流动模式，降低污染物在厌氧区的停留时间，并稀释厌氧区的污染物浓度，当回流比过高时，回流液中带有的溶解氧会破坏缺氧环境，导致脱氮效果下降。观察回流比（分别为0、100%、200%、300%、400%、500%、600%）对不同进水负荷运行设施出水水质（COD、氨氮、TN处理效果）及缺氧区（水面下10 cm处）溶解氧的影响，曝气量分别为4.8 m3/h、6.0 m3/h和7.2 m3/h。在每次调整回流比运行一周后采样分析，结果如图4所示。

由图4可知，回流比对于不同负荷下COD、氨氮、TN处理效果的影响趋势基本一致。当回流比小于100%时，COD、氨氮、TN处理效果基本没有变化，这是因为回流至缺氧区的回流比过小无法满足反硝化反应的需求[12]。当回流比从100%提升到300%时，出水COD、氨氮、TN浓度分别为42.2 mg/L、5.8 mg/L、16.6 mg/L，设施对于COD、氨氮、TN的处理效果达到最佳，这是因为回流至缺氧区的硝化液浓度增加使得反硝化反应增强，从而提高了处理效果。当回流比从300%提升至600%时，设施对于COD、氨氮、TN的处理效果均有所下降，这是因为回流液带入了溶解氧，此时的缺氧池缺氧环境遭到破坏，且有机物浓度被过大的回流比稀释，反硝化过程受到抑制。因此，低、中、高负荷运行设施的最佳回流比均为300%。

图4 回流比对不同进水负荷运行设施出水水质及缺氧区溶解氧的影响

低、中、高3种进水负荷运行设施经优化后，出水水质均达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 32/3462—2020）一级B标准。

3 结语

（1）小型一体化分散处理设施水质水量差异较大，根据调研情况可将设施按照进水负荷分为低、中、高3种级别。当进水COD负荷处于50 g/d以下、氨氮负荷处于15 g/d以下时，该设施处于低负荷运行状态；当进水COD负荷处于50～150 g/d、氨氮负荷处于15～30 g/d时，该设施处于中负荷运行状态；当进水COD负荷大于150 g/d、氨氮负荷大于30 g/d时，该设施处于高负荷运行状态。

（2）设施的氨氮和COD处理效果较好，全年的设施出水监测中70%左右的出水COD和氨氮可以达到一级B标准；TN的处理效果较差，只有接近50%的设施出水TN可以达到一级B标准。

（3）对设施进行曝气量和回流比优化，低、中、高负荷运行设施在回流比为300%、曝气量分别为4.8 m3/h、6.0 m3/h和7.2 m3/h时，设施出水COD、氨氮、TN浓度分别为42.2 mg/L、5.8 mg/L、16.6 mg/L，此时设施对农村生活污水的处理效果达到最佳。