农村一体化水处理设备研究进展

荆奂闻

（河北工程大学，河北 邯郸 056038）

1 农村污水处理现状

我国农村生活着5 亿～6 亿人口，据估计，每年将产生约80 亿吨污水，给环境带来了巨大压力，但与此相对的是我国污水处理措施的严重缺乏，与城市污水高达91.97%处理率相比，我国的农村污水处理率仅为13%～34%。除毗邻城市的农村地区生活污水可以直接排入城市污水处理厂外，大多数农村地区无法建设污水管网和污水集中排放系统。96%以上的村庄缺乏排水渠道和污水处理系统，一般直接排放或明渠排放。2016 年，第三次全国农业普查数据显示，农村污水集中处理或部分集中处理仅占总量的17.4%，这意味着大量污水无法得到有效处理。这直接造成了农村水环境的污染，危及农村生产和生活用水安全。

市政污水处理采用的集中式污水处理方式，由于成本高，设施占地面积大，需要长期而专业的设施运营和后期维护等原因。不适合人口密度低、人口分散的农村地区，因此，小型分散处理系统的发展有望为农村地区的污水处理提供长期解决方法。

2 一体化水处理设备的常用工艺及其发展现状

2.1 一体化SBR 工艺

一体化SBR 工艺也称序批式活性污泥法，此工艺将进水、曝气、沉淀、排水四个阶段按时间顺序放置在同一个反应器内进行，因此无须设置二沉池及污泥回流系统。使得整个设备结构紧凑。此外，SBR 工艺还具有抗冲击负荷能力强，不容易发生污泥膨胀等优点。适合应用于进水水质变化大，间歇排放的农村生活污水。但由于该工艺操作维护对工作人员的技术水平要求高，氮磷去除效果相较A2/O 工艺不理想、设备闲置率高等问题，限制了其广泛应用。针对上述问题，目前出现了SBR+人工湿地组合，间歇式双泥工艺，藻泥共生SBR 法等的改进方案，以下对几种改进模式进行介绍。

（1）SBR+人工湿地组合工艺。SBR+人工湿地技术是指因地制宜的，将SBR 设备的出水排入附近村落的氧化塘或者人工湿地中，以实现在不增加额外设备的情况下，提高对氮、磷元素的去除率。Guo 等构建了 SBR-垂直潜流人工湿地组合工艺，用于处理农村生活污水。结果表明，当进水COD、氨氮、总氮和总磷浓度分别为200mg/L、48mg/L、48mg/L 和6mg/L 时，组合工艺的去除率分别为97%、99%、92%和89%，去除效果相较常规SBR 提升明显。马凯将SBR 设备与垂直流人工湿地结合考察了其处理效果，结果表明，在SBR 反应器采用间歇性曝气，曝气累积时长为3h，换水比1:1，人工湿地进水有机负荷在20 ～40g·m-3/d 时组合工艺的处理效果最好，COD、氨氮、总氮和总磷的去除率分别能达到85.56%、97.76%、68.84%及85.13%。

（2）间歇式双泥工艺。间歇式双泥工艺是指将两种SBR 系统串联（如前置A2NSBRN），或者在SBR 基础上再添加活性污泥反应单元（如SBR-BCO），以改进SBR 的缺陷。前置A2NSBRN 双污泥系统污泥将两套SBR设备并联使用，进水先在间歇厌氧-缺氧SBR 中进行反硝化除磷，然后在好氧SBR 中进行硝化反应，以硝化出水作为最终出水，在赵伟华等进行的试验中，该工艺对于COD、氨氮、总氮和总磷的去除率分别可以达到分别为84.3%，98.4%，76.8% 和93.9%。SBR-BCO 强化除磷如图，是指将SBR 处理设备同接触氧化池（硝化单元）进行连接，通过增设的硝化单元，在简化操作流程的同时，改善传统SBR 设备脱氮除磷效果不理想的问题，王松凯考察了该技术在处理某村居民生活污水的效果，结果表明，该设备对于COD、氨氮、总氮及总磷平均去除率可达到96.9%、97.56%、60.41%、83.32%（图1）。

图1 SBR-BCO 技术流程示意图

（3）泥藻共生SBR。泥藻共生SBR 技术是指将污泥与微藻结合起来的污水处理技术，由于微藻可以利用光能，将无机碳及含氮、磷元素的无机营养物质合成为细胞内物质，且某些藻类还会产生过量吸磷的作用，可以有效弥补SBR 的不足。赵婷婷等人通过研究低溶解氧条件下泥藻共生SBR 对农村污水的处理效果，发现在低溶解氧强化反硝化作用的的情况下，相较纯污泥体系，采用泥藻共生SBR 技术使得总氮和总磷的去除率分别提高了48.72%和39.18%；与藻体系相比，泥藻体系中总氮和COD 的去除率分别提高了16.80%和77.35%，并且反硝化除磷菌系统中得到了富集。

2.2 A/O 工艺

A/O 工艺也称缺氧-好氧工艺，是由缺氧反应单元和好氧反应单元串联而成的工艺。在缺氧池中，微生物以有机物为碳源，反硝化回流而来的硝化液，在初步降解有机物的同时使氮转化为氮气脱除。在好氧池中，有机物得到进一步降解，氨氮被硝化去除。该工艺在实现对污水中有机物成分有效去除的同时，降低污水中的氮、磷成分。其主要工艺特点是流程简单，耐冲击负荷，适应性强，污泥量少，并且可以将水中的含碳有机物和细胞内源代谢产物作为为碳源，节省了外加碳源的费用。目前，在A/O 工艺的技术框架下，发展出多级A/O，A/O生物接触氧化，A/O 组合工艺等模式。

（1）转盘式A/O。转盘式A/O，取消了好氧反应区的曝气设备，通过生物装盘的转动，使附着于其上的微生物达到好氧缺氧交替的状态，在节省能耗的同时，达到间歇性供氧的效果。高晓杰设计了一款生物转盘式的A/O 工艺一体化设备，并尝试处理了人工配置的模拟农村污水，结果表明，在回流比适宜的情况下，生物转盘式的A/O 设备对COD、氨氮和总氮的平均去除率分别可以达到80%、90%和70%。在夏季水温适宜微生物生长时，设备对COD、氨氮和总氮的去除分别能达到 89.9%、92.1%和61.3%。

（2）多级A/O。多级A/O 是指在传统A/O 工艺的基础上，通过增加A/O 级数并将单点进水改为按比例多点进水的模式，提高了工艺对磷的去除率。王国栋在采用两级AO 工艺处理山东省某村生活污水的实验中发现，当设备的水力停留时间为32h 时，设备运行效果最好，对COD、氨氮、总氮及总磷的去除率分别为43.3%、84.8%、54.8%、76.8%。胡雪婷设计了一款采用悬浮球填料的跌水复氧多级A/O 设备，并在研究中发现，当A/O 容积比为0.33，填料填充比为70%，进水流量比例为5.4:3.1:1.7:1，且HRT 不小于16h 时，多级AO 对各对COD、氨氮、总氮及总磷的平均去除率为92.03%、64.59%、47.98%、40.37%。

（3）A/O 生物接触氧化。A/O 生物接触氧化是指，在缺氧池，好氧池中投加比表面积大、可以附着较多微生物的生物填料，以达到减少污泥产量，提高出水水质的目的。曹一鸣等人将一体化A/O+颗粒填料技术应用在广西地区某乡镇的生活污水处理中，并分析了设备的运行效果。结果表明，该一体化设施对COD 去除率稳定达到80%以上，最高达到90%以上；氨氮去除率稳定达到85%以上，最高达到96%以上。胡军福等人采用A/O+柔性生物绳填料处理宁波市某农村生活污水，系统稳定运行后，出水COD 和氨氮、总磷的质量浓度平均可分别降至21.9mg/L 和1.35mg/L、0.09mg/L，均达到GB 18918-2002 的一级A 标准。总氮去除率可达到65.2%。

（4）A/O 组合工艺。目前常用的A/O 组合工艺包括A/O+生物滤池工艺及A/O+人工湿地工艺。朱帅采用A/O+生物滤池工艺工艺，以河南省驻马店市平舆县某村的生活污水作为实验对象，在水温13 ～20℃，水力负荷为3.84m3/(m2·d）的运行条件下，工艺对COD、氨氮和总氮的平均去除率分别为80.1%、77.60%和57.98%。氨氮和总氮的出水浓度可以达到河南省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB41/1820-2019）一级标准。张瑞斌等人水厂副产品，铝污泥作为人工湿地的填料，考察了A/O+人工湿地工艺对农村生活污水的处理效果，结果表明，工艺对COD、氨氮、总氮、总磷平均去除率分别达到82.33%、81.58%、76.22%和86.50%。

2.3 A2/O 工艺

A2/O 工艺由缺氧、厌氧、好氧反应单元组成。在不同溶解氧环境的影响下，三个区域产生作用功能不同的菌群，在混合液回流和污泥回流的调控下，不同菌群相互配合，以达到脱氮除磷的效果。在A2/O 工艺中。污水在厌氧单元中的进行氨化及聚磷菌释磷，同时提高废水的可生化性，为后续反硝化过程提供更多可利用碳源。在缺氧单元中硝态氮被反硝化为氮气从水体中去除，在好氧池中，聚磷菌超量吸磷，同时硝化细菌以有机物为碳源氨氮转化成硝态氮，之后通过混合液回流到缺氧池。A2/O 及其改良工艺，由于工艺构造简单、操作成本、出水稳定，运行过程中不易发生污泥膨胀等优点，近年来，在农村一体化污水处理设备中应用广泛。

（1）预缺氧池+A2/O 工艺。预缺氧池+A2/O 工艺在传统A2/O 工艺的前端增加了预缺氧池，使污染物在预缺氧池得到初步降解，以提高设备的去除能力。工艺马博原研究了该工艺在实际处理农村生活废水时的运行效果，结果发现，经过预缺氧池候总磷、氨氮、COD 与总氮的出水浓度分别下降了27.42%、24.59%、34.57%与21.22%。在累计间歇曝气时间为16h/d，混合液回流比为200%时，COD、氨氮、总氮、总磷的平均出水浓度为49.05mg/L、3.67mg/L、14.76mg/L、0.96mg/L 可以达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB52/1424－2019）一级标准（图2）。

图2 预缺氧池+ A2/O 工艺一体化设备

（2）A2/O 生物接触氧化工艺。A2/O 生物接触氧化工艺，即在A2/O 的好氧区段，投放生物填料，在曝气设备的曝气推流作用下，池内污水始终处于翻流状态，翻流过程中，菌落逐渐吸附累积于填料表面，形成生物膜，之后在生物膜的吸附和代谢作用下提高工艺对于污染物的去除效果。在此工艺中填料的挂膜速度，与生物吸附量是关键指标。在李昀婷的研究中，相较传统维纶绳填料，聚酯类绳型填料，挂膜快，材料抗腐蚀能力强，且膜生物量大，抗冲击性较强。在处理污水的实验中，在工艺HRT 在9h 左右，采用间歇曝气且曝气量为15L/min 时，该设备对COD、氨氮、总氮、总磷的平均去除率分别为：87.9%、89.2%、54.3%、47.3%。

（3）A2/O+剩余污泥发酵组合工艺。由于农村污水C/N 比低，且易断流的问题，导致传统的A2/O 工艺在实际的农村污水治理工程中，氮磷的去除率不理想。A2/O+剩余污泥发酵组合工艺，将传统A2/O 工艺与污泥厌氧系统相结合，将污泥发酵液和出水混合进行回用，以缓解在污水断流期内生物处理系统的碳源不足，同时降低剩余污泥产量。在汶丽杰的研究中，将二级出水与污泥发酵液以12:1 的比例混合后，具备较好的生化特性，可作为补充碳源在断流工况下返排至生物系统以强化A2/O 系统的处理效能。在断流12h 和16h 的情况下，系统对于COD、氨氮、总氮、总磷的去除率分别可以稳定在76.49% ～92.74%、87.38% ～90.49%、64.14% ～76.18%、81.49%～90.00%。

2.4 一体化MBR 工艺

一体化MBR 工艺，是将膜分离技术与活性污泥法有机结合在一起的生物处理技术，能较好地处理难降解有机物及病原微生物。工艺通过膜分离的原理，较好地将混合液与回流污泥分离，提高反应单元中的污泥浓度，在强化生物反应器处理能力的同时省去了二沉池，减少了土地的占用。工艺通过膜分离工艺代替二沉池功能，并各自回流到相应的反应模块中。但其投资成本相对较高，还容易产生膜污染，提高后期维护的费用和难度。目前，农村一体化MBR 污水处理设备以采用厌氧-缺氧-好氧MBR（A2O/MBR）、缺氧-好氧MBR（AO/MBR）、兼氧MBR（FMBR）为主。

（1）A2O/MBR 工艺。A2O/MBR 工艺，是在A2O 工艺中加入膜组件，使工艺在实现良好固液分离的同时，增加膜池内的污泥浓度。丁毅等人将A2O-MBR 工艺一体化设备用污水成分主要为生活污水的乡镇水环境治理工程中，结果表明，该处理工艺对COD、BOD5、SS、NH3－N、TN、TP 的平均去除率分别为90.0%、98.9%、99.9%、99.7%、78.6%、74.3%，出水水质均可稳定达到DB32/3462-2020 一级A 标准。在沈正华的研究中，设计出一种圆形罐体的以改良A2O-MBR 一体化设备为核心的组合工艺，设备自右向左分布分别为厌氧区、缺氧区、好氧区以及膜反应区，厌氧区上方的设备控制区装有自吸泵、曝气风机以及加药设备等，储水区用于储存处理后的尾水（图3）。

图3 罐式A2O-MBR 工艺一体化设备

该设备将传统的A2O 工艺中的分区的隔板拆除，在曝气器中心位置放置MBR 膜组件，污水在曝气器的曝气作用下，产生溶解氧差异，在罐体内形成局部好氧区、缺氧区和厌氧区，曝气设备的推流还使得罐体内形成循环流动，在冲刷膜体的同时，使得膜组件位置形成好氧环境。该设备在经过具有深度处理的组合工艺处理后，COD、氨氮、总氮、总磷的去除率分别可以达到93.28%、99.15%、84.32%、97.64%。

（2）AO/MBR 工艺。AO 生化-MBR 一体化污水处理设备内部按照水流方向设置了厌氧池、好氧池、MBR 反应池，利用AO 工艺缺氧、好氧交替的特点，增强氮磷的去除率。在郑航宇的研究中，工艺在进水C/N 比为5的工况下控制混合液回流比为600%，去除效果最佳，工艺对于COD 和氨氮的去除效率最高可达95%以上，总氮和总磷去除效率最高可达81.9%和81.4%。在张晓飞采用该工艺处理低温生活污水的实验中表明，工艺在温度为7 ～13℃，TN 负荷为20g/(kg·m3)的工况下，控制回流比为150%、水力停留时间为18h、污泥浓度浓度6000mg/L 时，出水COD、氨氮、总氮、总磷的去除率可分别达到96%、98%、85%、97.5%。

（3）FMBR 工艺。

FMBR 工艺即兼氧MBR 艺，该工艺将膜组件放置在一个不分区的兼氧生物反应单元之中，反应单元的活性污泥中80%约为兼性厌氧菌和厌氧菌，好氧菌仅占菌群总量的10%。FMBR 形成的高浓度污泥能适应高浓度废水并对COD 有稳定良好的处理效果。在天津市某区农村污水治理工程中，刘佳元考察了不同溶解氧浓度下FMBR 工艺对高浓度生活污水的处理效果。工艺对COD 去除率始终保持在70%以上，最佳可达93.82%，对氨氮、总氮的最大去除率则分别为79.95%、73.82%。在邹思怡采用该工艺处理养殖废水的研究中，发现溶解氧浓度在0.3mg/L 到1.0mg/L 范围内时，FMBR 工艺可实现同步硝化反硝化脱氮，控制水力停留时间保持在14h 左右，设备对COD、氨氮去除率可达93%、75%，TN 的去除率可达到78%。

3 结语

综上，一体化水处理设备工艺的选择应依据治理工程所处区域的人口数量，经济发展程度来确定。在人口数量较多、居住集中、污水排放量大的村镇，采用A2O或AO 类型工艺，无疑是在节省土地资源，减少后期维护困难的较佳选择。对于一些有废旧池塘、荒滩的地区可以采用一体化设备结合人工湿地的处理工艺，以进一步提高污水的氮磷去除效果。在经济发达，对出水水质要求高的农村地区，有能力保证生物膜工艺维护更换所需费用，可以采用MBR 类型的工艺。

现阶段，对于大多数的农村一体化处理设施而言，缺少技术人员实时提供支持及污水的断流问题是导致处理效果恶化的主要元凶。因此，未来水处理设备应向自动化的模式发展，以实现在无人值守情况下的精准加药和曝气。对于断流问题，应研究发展污泥共发酵技术，以使农村污水处理设备达到其应用的处理能力，并且解决剩余污泥处置难题。此外，还应创新设计模块化处理设备，方便因地制宜的将各种工艺组合使用。最后，在设计中应考虑采用降低流程复杂度的改良工艺，如倒置A2O 工艺，取消了内回流，在缓解传统A2O 工艺厌氧段碳源矛盾的同时降低了设备使用能耗，未来可以针对此工艺设计紧凑式水处理设备，并研究其处理效果。