3种农村生活污水处理工艺处理效果比较分析

周 飞

(上海市金山区水利管理所，上海 201500)

农村生活污水综合治理可有效减轻生活污水对河道的直接污染，提高农村河道水环境质量，是乡村振兴战略的重要组成部分。自 2007 年起，上海市就以改变农村河道水环境面貌为目标，持续推进农村生活污水治理工作，截至2019 年底，已累计实施农村生活污水处理 84万户，处理率为84%[1]。通过10多年的建设，上海地区就地处理工艺趋于稳定，目前处理工艺主要包括生物滤池、一体化膜法 A2/O、模块化MBR、人工湿地、土壤渗滤等，不同处理工艺不仅在工艺技术机理、工程措施和养护成本技术方面具有显著差异，也在处理效果和出水稳定性方面具有显著差别[2-3]，目前对农村生活污水处理不同处理工艺的研究较多，但对实际工程处理设施处理效果的系统对比分析则不多，金山区是上海市城镇化率较低的地区，目前约有投入运行的农村生活污水处理站点700个，处理工艺主要以土壤渗滤、生物滤池+人工湿地、模块化MBR 3种工艺为主，通过调研上海其他郊区和周边外省市的农村生活污水处理情况可知，土壤渗滤、生物滤池+人工湿地、模块化MBR 3种工艺对其亦具有一定的代表性，该研究通过对土壤渗滤、生物滤池+人工湿地、模块化MBR 3种典型的农村生活污水处理工艺污染物平均去除率和稳定性的比较分析，为上海地区乃至长江三角洲地区评价农村生活污水处理效果和工艺提升提供依据。

1 材料和方法

1.1 工艺流程

1.1.1土壤渗滤。土壤渗滤工艺主要包括预处理单元和土壤渗滤场两部分，即把污水均匀地分配到经一定构造、一定深度并具备良好扩散特性的土层中，污水经土壤渗滤作用向周围流动且满足处理要求的一类自然处理方法，属于一种小型的污水自然净化系统。它是利用地表下土壤微生物、植物根系以及土壤所具有的物理、化学特性将污水净化的工程技术，这种工艺充分发挥了自然净化功能，所以具有土建投资少、运行投资小、操作方便等优点。工艺流程见图1。

图1 土壤渗滤工艺流程

1.1.2生物滤池+人工湿地工艺。该工艺是生物+生态相结合的污水处理工艺，主要由调节池、复合生物滤池和人工湿地等部分组成，当污水由上而下流经长有丰富菌膜的复合滤材时，其中的污染物被微生物吸收，大部分有机污染物、部分氨氮和磷得以消除。然后污水进入中间池经分配井均匀分配后进入人工湿地，人工湿地系统为准生态系统，可截留污水中悬浮物，其中的微生物对污水中的有机物、氮磷化合物有较好的分解功能[3]。污水经人工湿地进一步消除水污染物后，尾水就近排入附近河道。该工艺具备处理效果稳定，施工成本和运行费用低，结构简单便于管理维修等诸多优势。已有结果表明[4]，当系统中进水 CODCr、BOD5、NH3-N和 TP 的平均含量为300～350、180～200、30～35和4～5 mg/L时，出水CODCr、BOD5、NH3-N和 TP 的平均含量为 22.1～59.3、1.3～19.7、6.7～7.7 和0.5～1.1 mg/L，工艺流程见图2。

图2 生物滤池+人工湿地工艺流程

1.1.3模块化MBR工艺。该工艺属于膜分离技术与生物技术融合的处理工艺，污水自沉渣池进入调节池，匀质匀量后，首先进入缺氧池，继而进入MBR池；在MBR池进行鼓风曝气，促使有机物的好氧分解；混合液再回流至缺氧池进行反硝化脱氮，消除总氮；然后出水经过膜丝去除悬浮物(SS)。同时通过投加除磷剂，利用膜组件优点，去除总磷。产生的污泥排放至污泥池，再进行定期抽吸外运处理。已有结果表明[5]，系统进水 CODCr、BOD5、NH3-N和 TP 的平均含量为250～400、120～200、40～60和2.5～5.0 mg/L时，出水CODCr、BOD5、NH3-N和 TP 的平均含量为10.00～19.00、4.20～5.20、0.47～0.80和0.30～0.42 mg/L，工艺流程见图3。

图3 模块化MBR工艺流程

1.2 调查与采样方法选择上海市金山区105座农村生活污水处理站，其中土壤渗滤工艺站点31处，生物滤池+人工湿地工艺站点45处，模块化MBR工艺站点29处，于2019年7月、11月和2020年7月、11月分别开展进水、出水水质检测，7月份平均水温设定为28 ℃，代表高温时期，11月份平均水温设定为12 ℃，代表低温时期。为避免雨水影响，取样期间尽量避开中雨及以上的干扰。

1.3 指标与检测方法水质检测指标包括化学需氧量(CODCr)、5日生化需氧量(BOD5)、氨氮(NH3-N)、总磷(TP)等4项，其中 CODCr的检测方法为重铬酸盐法(HJ 828—2017)，BOD5的检测方法为稀释与接种法(HJ 505—2009)，NH3-N的检测方法为纳氏试剂分光光度法(HJ 535—2009)，TP的检测方法为钼酸铵分光光度法(GB/T 11893—1989)。

水质采样点位选择在农村生活污水处理设施出口后的采集井中，采样方式为瞬时采样，采样频次为每天1次1个样品。

2 结果和分析

2.1 进水水质特征通过对105座农村生活污水处理站的进水分析，CODCr进水浓度变化范围为5.2～440.0 mg/L，平均值为85.8 mg/L；远小于浙江嘉兴地区农村生活污水CODCr进水均值(142.2 mg/L)[6]；BOD5进水浓度变化范围为0.63～1 130.00 mg/L，平均值为46.7 mg/L；NH3-N进水浓度变化范围为0.33～273.00 mg/L，平均值为26.6 mg/L，接近于浙江嘉兴地区农村生活污水NH3-N进水均值(27.7 mg/L)，亦接近于江苏省农村生活污水NH3-N进水均值(27.8 mg/L)[7]，大于巢湖流域巢湖市两处农村生活污水中的NH3-N浓度(8.07和11.52 mg/L)[8]；TP进水浓度范围为0.4～35.4 mg/L，平均值为6.8 mg/L，高于浙江嘉兴地区农村生活污水TP进水均值(4.02 mg/L)，亦高于江苏省农村生活污水TP进水均值(3.4 mg/L)，低于云南大清河流域农村生活污水TP进水均值(9.75 mg/L)[9]。总之，进水CODCr、BOD5、NH3-N和TP浓度变化范围较大，进水浓度波动亦较大，不同地区的农村生活污水进水浓度差异也较大。高温条件下，用水量也相对增大，进水CODCr、BOD5、NH3-N和TP平均浓度依次为56.9、19.1、12.1和2.0 mg/L；低温条件下，用水量相对减少，进水CODCr、BOD5、NH3-N、TP平均浓度依次为73.1、36.1、33.6和9.0 mg/L，高温条件下各指标进水浓度小于低温条件下各指标进水浓度(图4)。

图4 高温期和低温期各污染物平均进水浓度

2.2 3种处理工艺各污染物平均去除率比较分析由表1可知，CODCr的平均去除率为67.5%，如按照处理工艺比较，CODCr的平均去除率排序依次为模块化MBR > 生物滤池+人工湿地 > 土壤渗滤；BOD5的平均去除率为77.0%，按照处理工艺比较，BOD5的平均去除率排序依次为模块化MBR > 生物滤池+人工湿地 > 土壤渗滤；NH3-N的平均去除率为76.1%，如按照处理工艺比较，NH3-N的平均去除率排序依次为模块化MBR > 生物滤池+人工湿地 > 土壤渗滤；TP的平均去除率为66.0%，如按照处理工艺比较，TP的平均去除率排序依次为生物滤池+人工湿地 > 土壤渗滤 > 模块化MBR。模块化MBR工艺对CODCr、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率依次为72.7%、80.4%、82.5%和62.2%，生物滤池+人工湿地工艺对CODCr、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率依次为66.0%、79.6%、76.1%和68.7%，土壤渗滤工艺对CODCr、BOD5、NH3-N和TP的平均去除率依次为63.8%、71.1%、69.8%和67.2%。因此，综合来看，模块化MBR工艺对CODCr、BOD5、NH3-N和TP指标的处理效率最高；生物滤池+人工湿地工艺次之；土壤渗滤工艺对污染物的处理效率最低。

表1 3种农村生活污水处理工艺进出水浓度和去除率比较

2.3 3种工艺效果分析综上分析可知，上海地区BOD5/CODCr约为0.5，说明生活污水可以用生物降解法处理。由于实际进水TP浓度平均值达到6.8 mg/L，说明金山区TP污染较有机物污染严重，参考工程工艺设计方案中进水TP处理浓度均为5 mg/L，实际进水TP浓度已超出了各处理工艺的设计处理能力，加之CODCr平均进水浓度较低(85.8 mg/L)，污水中碳源不足[10]会使BOD5/TP的值(<20)无法满足生物除磷技术的要求，造成土壤渗滤工艺、生物滤池+人工湿地工艺对TP去除率偏低。需采用化学方法或外加碳源强化除磷[11]，对于生物滤池+人工湿地工艺可选用火山岩或炉渣等滤料强化对磷的去除。模块化MBR工艺主要通过添加除磷药剂等化学方法去除磷污染物，药剂添加不当会影响除磷效果，由于模块化MBR工艺设备运行技术要求较高，建议在设备运维养护中，加强对除磷药剂量的关注。由于三格化粪池对CODCr的去除率往往在30%以上，多的可达 50%～70%，可能是导致CODCr平均进水浓度较低的原因之一，具体原因有待进一步研究。

土壤渗滤工艺对磷的去除主要依靠厌氧微生物的生长需求和土壤过滤作用，对可溶性磷的去除能力非常有限。生物滤池+人工湿地工艺对磷的去除主要靠微生物生长需求、物理沉淀作用、人工湿地填料中的固磷剂吸附，总体去除效果一般。模块化MBR工艺对磷的去除主要靠微生物生长需求、投加絮凝剂沉淀作用(部分站点无投加药剂措施)，总体效果和投加絮凝剂量有关。

由表1可知，3种处理工艺对TP的去除率相差不大且去除率均不高，模块化MBR工艺对BOD5和NH3-N的处理效果相对较好。相比较工程工艺设计方案中的去除效果，3种处理工艺对各污染物的去除率仍有进一步提升的空间。为了增强生物滤池+人工湿地工艺处理效果，需定期更换生物滤池滤料和湿地内部填料基质，避免堵塞现象，并定期维护植物生长；尽管模块化MBR工艺处理效率相对最优，但仍须规范设备运行管理、注意膜堵塞和污染、防止膜通量下降、保证污泥活性和防止排泥不畅等，在对膜进行清洗时，要选择正确清洗方式，以尽量保证膜的使用寿命[12-13]。

3 结论

(1)农村生活污水处理设施进水水质：各污染物进水浓度变化范围和波动较大，其中CODCr、BOD5、NH3-N和TP平均进水浓度分别为85.8、46.7、26.6和6.8 mg/L。CODCr进水浓度平均值较低，TP进水浓度平均值较高，TP污染较有机物污染更严重，且高温期污染物平均进水浓度低于低温期。

(2)3种处理工艺的污染物平均去除率：模块化MBR工艺对各污染物的处理效率最高，生物滤池+人工湿地工艺次之，土壤渗滤工艺对各污染物的处理效率最低。3种处理工艺对各污染物的去除率需要进一步优化提升，需要从加强日常养护、规范运营管理、提高处理设施专业化养护程度等措施提高处理效果。

(3)由于TP的去除效率不仅取决于处理工艺，还和除磷药剂使用量相关，模块化MBR、生物滤池+人工湿地、土壤渗滤处理3种工艺对TP的去除率相差不大且去除率均不高。

4 讨论

通过以上分析比较可知，土壤渗滤工艺虽工艺原理简单，但运行效果不可控，容易受到降水、农田水、河水倒灌等影响，对处理过程没有干预调节手段，出水水质难以控制，建议逐步淘汰该工艺。生物滤池+人工湿地工艺虽养护简单、节约能源，但常因配水不均、湿地堵塞而降低处理效果，建议及时清理污泥、调配平衡配水系统、增加生物滤池循环供水、缩短人工湿地整修频率、适当投加除磷药剂。模块化MBR工艺虽工艺完善、处理效果可控，但仍须选用经济耐用的MBR膜块并及时清洗、加强对电器设备的运维保养、及时清理污泥。

无论哪种工艺，①当进水水量小甚至是断水时均会影响处理站的处理效果，甚至损坏处理设备，因此，尽量归并集中站点可以降低缺水风险。②处理后的污泥存在大量污染物，及时清淤转运后才能避免污染物的再释放，但在污泥接收方面，仍存在缺少接收方的窘境。③积极探索资源化利用，可以考虑在现有处理站出水口后建设中型人工湿地，种植经济作物和景观植物，既不改变土地用途，又可以充分利用自净和植物吸收作用，进一步净化水质。

目前，除了在浙江农村生活污水处理设施地标中提及在线监测，其他地标中都还是以实验室检测作为手段，采样频率一般规定1～4次/a，采样的位置和方式也没有明确和统一，结合农村人口导出、用水习惯等因素，目前的水质检测往往不能综合反映农污站点的处理效果，更不能全面反映从农户源头到处理出水排口的全过程降解，因此，参考市政污水处理厂乃至自来水厂在线监测理念，开展全过程处理效率的研究势在必行。