趙會芳 何國鋼 鐘翔 鄒蓉 張明

(湖南惟創(chuàng)環(huán)境科技有限公司，湖南 長沙 410000)

1 農(nóng)村污水特點的分析及問題

目前，農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展迅速，農(nóng)民生活水平大幅提高,但是環(huán)境建設卻有一定程度的落后，農(nóng)村的環(huán)境問題也日益凸顯，其中水環(huán)境污染問題尤為嚴重。農(nóng)村生活污水有以下特點。

1.1 農(nóng)村生活污水水質較為復雜

我國農(nóng)村大部分地區(qū)，供水設施簡單，生活污水一般主要來源于4個方面[1]：廚房污水、洗滌污水、廁所污水、其它廢水，但是這些廢水無分類處理，基本為混合后外排，導致水質較為復雜。對于水質的指標范圍，建設部發(fā)布的《分地區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術指南》中對于全國不同地區(qū)，給出了具體的參考范圍。

1.2 水質水量隨不同地區(qū)和時間差異較大

不同地區(qū)農(nóng)村生活污水排放情況因為不同的生活習慣，也存在較大差異，且農(nóng)村地區(qū)生活污水的排放量一般在活動比較集中的時間段污水產(chǎn)生量比較多，其它時間段比較少，污水量在一天中的波動較大。另外，在春夏季節(jié)，雨水較多，農(nóng)村生活污水水質中BOD5、COD、總磷、氨氮等污染物濃度指標均較低，秋冬季節(jié)雨水少，污染物含量相對偏高[1]，故對農(nóng)村污水處理的一體化設備，抗沖擊負荷的能力有一定要求。

表1 分地區(qū)農(nóng)村生活污水污染物指標情況[2]

1.3 農(nóng)村生活污水管網(wǎng)收集系統(tǒng)不健全[3,4]

農(nóng)村地區(qū)對于污水的收集系統(tǒng)建設很不完善，污水管網(wǎng)設施簡單，大部分是明渠或者沿路邊敷設暗管對污水進行收集，不能實現(xiàn)雨污分流。隨著污染物濃度的降低，污水的處理難度逐步加大，導致排放不達標或者隨意排放，形成惡性循環(huán)。

1.4 污水處理設施不能有效運行

設施不能長期有效運行，有較多原因，對于農(nóng)村污水來說，主要有以下幾個方面：污水處理設施的抗負荷不足，對于農(nóng)村污水時高時低的進水流量及復雜的進水水質情況，不能很好的適應，導致微生物不能正常生長，污水達不到有效的處理；選擇的污水處理設施運行費用太高，當?shù)卣疅o法承擔，后期只能癱瘓；后期維護不到位。有些設備需要定期更換藥劑、設施零部件，或者如人工濕地，需要定期清理植被、更換基質等，很多都是簡單處理，長期就造成了設備運行效果越來越差，導致堵死等問題，無法解決。因此，選擇符合當?shù)貙嶋H情況的污水處理設施設備并配備一定的技術人員，也是比較重要的問題。

2 污水中各污染物指標的去除機理分析

農(nóng)村生活污水氮磷含量較高，主要是對氮磷的去除。

對于氮的去除，微生物將污水中的一部分氮(氨氮或有機氮)同化為自身細胞的組成部分，這就是氮的同化作用，同化作用對水中氨氮的去除率可以達到10%～20%左右[5]；硝化反硝化作用，在有氧條件下,通過硝化細菌的作用，將氨氮轉化為硝態(tài)氮；在缺氧條件下，反硝化細菌將硝態(tài)氮轉化為氮氣，從水中揮發(fā)逸出。生物的整個硝化反硝化分解過程，就是微生物在獲取能量的同時分解氨氮從而降低水中污染物的過程。

生物除磷是利用微生物在厭氧狀態(tài)下釋放磷，在好氧條件下從外界吸收磷的原理，通過排剩余污泥的方式，將磷從廢水中去除，以達到除磷的效果。對于農(nóng)村生活污水，在進水COD濃度較低的情況下，可以考慮增設乙酸鈉投加裝置，用以補充碳源，當生物除磷達不到要求時，考慮輔以化學除磷。

3 適合農(nóng)村污水特點的一體化設備工藝分析

對于農(nóng)村生活污水的處理，考慮到以上農(nóng)村污水的特點，一般推薦采用一體化設備處理農(nóng)村污水，依據(jù)的工藝原理主要有以下幾種類型的一體化設備。

3.1 基于改良A2/O工藝的IFAS工藝

3.1.1 工藝原理及特點

IFAS工藝，即生物膜/活性污泥組合工藝(IFAS，integrated fixed-film activated sludge process)，就是將生物膜和懸浮生長的活性污泥合并在一起的一種工藝[6]。IFAS是在原有活性污泥反應器內增加額外生物量，以提高系統(tǒng)的處理能力或提升其性能。在IFAS中使用載體可使有效MLSS的濃度翻倍[7]。

在IFAS工藝中，采用分開硝化，即分別進行硝化和碳氧化。有機碳去除在碳化曝氣區(qū)進行，硝化反應在硝化曝氣區(qū)進行。2個反應區(qū)獨立，更好地避免硝化和碳氧化的相互作用，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，使運行達到最佳狀態(tài)。

在硝化反應區(qū)，硝化細菌為優(yōu)勢菌體，硝化菌為自養(yǎng)性好氧菌，該區(qū)溶解氧在15～20mg·L-1。在反硝化區(qū)，反硝化菌為優(yōu)勢菌體，硝化菌為異養(yǎng)兼性菌，缺氧條件下反應，有機物作為電子供體，硝酸鹽(亞硝酸鹽)作為電子受體，該區(qū)溶解氧濃度一般>0.2mg·L-1，C/N>3。

在該工藝中由于有機物去除、氨氧化和硝酸鹽還原彼此之間相對獨立，系統(tǒng)運行的靈活性比較強，有機物降解菌、硝化菌和反硝化菌的生長環(huán)境均較佳，因而反應速度快，脫氮效果也比較好[8]。

IFAS工藝的除磷是傳統(tǒng)A2/O工藝的外回流剩余污泥實現(xiàn)，在好氧區(qū)加入了懸浮MBBR填料，填料在碳化區(qū)約占池容的30%左右，在硝化區(qū)約占池容的50%左右，MBBR填料在池內呈懸浮狀態(tài)，填料上會形成生物膜，當生物膜達到一定厚度時，氧氣無法向生物膜內層擴散，好氧細菌死亡，兼性細菌和厭氧細菌開始在內層繁殖，形成厭氧層，厭氧細菌在此基礎上繼續(xù)發(fā)展。釋放磷后，厭氧細菌進入二級好氧區(qū)吸收磷，混合液體進入集水區(qū)，出水進入沉淀池，通過在排放剩余污泥的方式來除磷。

采用該工藝類型的一體化設備，罐體分區(qū)明顯，一般分為厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、碳化區(qū)、硝化區(qū)、沉淀區(qū)，在出水要求較高的地區(qū)，可以后端設置后置反硝化區(qū)，適當補充碳源，進一步去除氨氮。

該反應器中污泥濃度一般為普通活性污泥法污泥濃度的2～3倍，曝氣池生物質濃度可高達7～10g·L-1。填料生物膜比表面積大，反應器容積負荷高，在相同的負荷條件下IFAS工藝占地較傳統(tǒng)活性污泥法最大能減少40%。對現(xiàn)有污水處理廠升級改造效果顯著，不增加用地面積僅需對現(xiàn)有設施簡單改造，污水處理能力可增加2～3倍，并提高出水水質。

該工藝雖然也是在生物處理過程中添加MBBR填料，但是其與生物接觸氧化法不同，IFAS工藝內部添加了填料，但是其主要的生物處理系統(tǒng)是活性污泥法和生物膜法的結合。生物接觸氧化法工藝對氨氮的去除率達到89%，總氮的去除率達到70%，而一體化IFAS工藝對農(nóng)村生活污水中有機物及含氮污染物的去除能力結果表明,氨氮去除率達到93%左右，總氮的去除效果達到75%左右[9]，均可以達到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB18918-2002)的一級A出水標準。

T Sriwiriyarat,C W Randall等也對IFAS工藝對廢水生物除磷工藝進行了研究，并將強化生物除磷納入了IFAS系統(tǒng)，通過實驗發(fā)現(xiàn)，當MCRTs由10d減少到6d時，除磷率僅下降10%，但是當C/P從20到52時，除磷率下降了50%[10]。

3.1.2 工藝流程

圖1 IFAS工藝流程圖

3.2 基于改良A2/O工藝的VFL工藝

3.2.1 工藝原理及特點

VFL(Vertical Flow Labyrinth)工藝，即垂直流迷宮工藝[11]，該技術的基本原理也是基于傳統(tǒng)A2/O的基礎上進行的變形，VFL主要是在厭氧區(qū)和缺氧區(qū)采用了垂直流迷宮的結構模式，同時設置多點回流，從結構上延長了厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的停留時間及回流次數(shù)，大大提高了脫氮效率，同時也有利于除磷，充分利用各區(qū)進行微生物反應，有效發(fā)揮厭氧區(qū)、缺氧區(qū)微生物對碳、氮、磷等有機物的利用。

厭氧區(qū)和缺氧區(qū)的污水采用多格上下折流形式前進，可以增加污水的停留時間，在上下翻流的過程中，污水具有一定的上升流速，帶動污水中的活性污泥上下翻騰，避免了污泥在池底的沉積，最大程度利用污泥與污水的接觸，提高反應器內污泥濃度，一般污泥濃度可以達到5000～6000mg·L-1，大大提高了污水處理效率和設備的抗沖擊能力。

該工藝設置多點回流，具體的回流點包括：厭氧區(qū)-缺氧區(qū)回流，缺氧區(qū)-缺氧區(qū)回流，好氧區(qū)-缺氧區(qū)回流，沉淀區(qū)-好氧區(qū)回流。并且，多點回流的實現(xiàn)較為簡單，無需拉較長的管線，只需池壁開口，安裝豎管即可。厭氧區(qū)-缺氧區(qū)回流有利于微生物在厭氧區(qū)、缺氧區(qū)充分利用碳源，進行脫氮、釋磷，缺氧區(qū)-缺氧區(qū)回流有利于缺氧區(qū)之間水質的均勻混合，好氧區(qū)-缺氧區(qū)回流相當于A2/O工藝中的內回流，主要是回流污泥混合液進行硝化反硝化作用，沉淀區(qū)-好氧區(qū)回流，主要是進行剩余污泥的回流。整個大循環(huán)，使得反應效率和污泥濃度大幅度提高，處理效率大大增加。

采用該工藝類型的一體化設備，前端無需設置調節(jié)池，生化池兼具調節(jié)池的功能，后端污泥池與處理區(qū)合建，污泥回流也采用氣提回流的形式，整體布置緊湊，可減少占地?？箾_擊負荷能力較強，處理效果較好。池型的靈活度也較高，可以根據(jù)場地的具體情況設計成不同的池型結構?？箾_擊負荷能力強，反應器前端脈沖進水，使污水與新補充的污泥混合反應，極限沖擊負荷可以承受200%。系統(tǒng)的污泥回流控制，不斷將污泥輸送到缺氧區(qū)中端，重新參與水處理過程，通過這種方式不斷補充流逝的污泥，并降低進水負荷，最大限度地提高反應池抗沖擊能力。VFL工藝具有獨特的污泥循環(huán)路線，迷宮部分污泥濃度7～8g·L-1，好氧部分4g·L-1左右[12-16]。使得污水中有機物降解徹底，脫氮除磷作用出色，出水可達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)的一級A標準，甚至更好的水質。VFL技術系統(tǒng)簡單，能耗低，日常維護工作量小，VFL技術設備除了污水進口處的提升設備和除砂設施(根據(jù)項目需要設置)外，以生化組合池為核心，配套設備只有鼓風機和加藥設備，因此設備的日常維護工作量大幅度減少，能耗最大程度得到節(jié)約。

VFL也出現(xiàn)了變形及組合工藝，王展旭等將VFL技術與食泥菌種生物水處理技術相結合，基于魚鰓過濾原理,仿生設計集水自壓分子鰓超濾系統(tǒng),使外排水質達到人可飲用的國家標準[13]。

3.2.2 工藝流程

圖2 VFL工藝流程圖

4 對農(nóng)村污水治理的建議及展望

4.1 完善管網(wǎng)，提高污水收集率

完善污水管網(wǎng)建設，提高污水收集率。農(nóng)村生活污水收集率低是我國大部分地區(qū)普遍存在的問題。目前許多地區(qū)的生活污水收集管網(wǎng)不斷完善，一些經(jīng)濟條件較好的新農(nóng)村已經(jīng)建設了比較完善的收集處理系統(tǒng)。污水分類收集也是農(nóng)村污水處理的一種有效途徑。將生活污水中較為干凈的部分分離出來，可以增加污水的處理效率,增加污水的濃度；作簡單處理后就可直接回用或直接外排，一定程度上也減少了處理量和建設運行成本。

4.2 制定有針對性的處理標準[17]

污水處理的排放標準直接影響污水處理設施的工藝選擇和投資規(guī)模，間接影響污水處理設施的管理和運行成本。建立合理的污水處理排放標準對農(nóng)村生活污水處理具有重要意義。近些年，各省份相繼頒布了省內關于農(nóng)村污水處理的地方標準，如湖南省2019年出臺的地標《農(nóng)村生活污水處理設施水污染物排放標準》DB43/1665-2019。但總體而言，大部分農(nóng)村生活污水的處理和排放標準仍缺乏標準化。建立合理的農(nóng)村污水排放標準，明確農(nóng)村污水處理目標，制定不同的排放標準以適應不同地區(qū)的差異，根據(jù)污水的用途和目的地靈活選擇排放標準，以平衡水環(huán)境質量要求、建設投資和運行費用。

4.3 合理選擇污水處理技術

農(nóng)村生活污水處理技術多種多樣且成熟，但只有因地制宜的處理技術才能真正達到控制農(nóng)村水污染的目的。污水處理技術在篩選的時候，要根據(jù)不同地區(qū)農(nóng)村污水的水質水量及政府能夠維持的運營建設成本進行選擇，對于人口較多、布局緊湊、污水可集中處理的地區(qū)，宜選用多級生物接觸氧化工藝或活性污泥法進行處理，對于污水集中不易收集的處理區(qū)域應采用靈活的分布式處理技術，可以采用小噸位處理規(guī)模的單戶罐設備，對于有廢舊池塘等可以利用或者土地較為充足的地區(qū)，可以考慮人工濕地等技術。此外，還要根據(jù)不同的水質處理工藝及出水要求，進行工藝的選擇，污水中的氮、磷和其它營養(yǎng)素應該為主要控制指標,選擇合適的脫氮和除磷技術，在選擇農(nóng)村生活污水處理工藝時，不僅要考慮處理效果和成本，還要考慮該工藝的適用性。

4.4 加強對污水處理設施的運行維護和管理[18]

為了維持污水處理設施的長期有效運行，需要長期穩(wěn)定的資金投入，以滿足污水處理系統(tǒng)運行的日常維護和定期檢查工作，加大對農(nóng)村環(huán)境綜合整治的支持力度，完善污水處理設施和配套管網(wǎng)建設，提高污水處理率，完善地方財政對污水處理設施的建設和日常運行維護的資金來源。加大宣傳力度，提高農(nóng)村居民的環(huán)境責任意識，并為污水收集處理設施的建設和維護提供支持。