綜述｜農村生活污水一體化處理技術研究進展
摘要：我國農村生活污水具有污水量大且分散的特點,難以實現集中處理,選擇處理效率高、經濟性好、實用性強、便于運行維護與管理的農村生活污水處理技術和設備非常重要。綜述了農村生活污水一體化處理技術,闡明一體化活性污泥衍生工藝、生物膜處理工藝、膜生物反應器工藝及其組合工藝的適用范圍和優缺點,分析了適宜分散式污水處理的技術模式,即小型一體化裝置處理與集中收集處理相結合。以處理量為5 t/d的小型污水處理一體化設備為基礎,綜合農村生活污水排放特點,對比分析了各處理工藝的污染物去除性能和經濟指標,提出一體化生物接觸氧化工藝、改進型生物膜與活性污泥混合工藝及在厭氧-缺氧-好氧工藝段后端增加缺氧沉淀段工藝等是我國農村生活污水一體化處理技術的發展趨勢。
按行政村比例計,2016年我國農村生活污水治理率僅為22%[1],2017年提高至25%;若以自然村計,2019年統計數據表明全國有250萬個自然村、6.7億農村人口,但污水治理率不到10%[2]。2018年9月,生態環境部、住房和城鄉建設部聯合印發《關于加快制定地方農村生活污水治理排放標準的通知》,之后我國很多省、自治區、直轄市等制訂了適合本省(區、市)的農村生活污水處理排放標準,其中以北京市制訂并發布的DB 11/1612—2019《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》最為嚴苛,其一級A排放標準COD為50 mg/L、NH3-N濃度為5 mg/L、TP濃度為0.5 mg/L,還增加了動植物油等指標。可見,國家層面和地方政府都很重視農村生活污水治理問題,各地區均在積極有效地采取防治措施和技術升級手段,以提高農村生活污水的處理能力和水平。
農村生活污水若得不到有效治理,會影響村鎮飲用水安全,造成土壤肥力下降,糧食產量降低,也會對地下水、湖泊、流域的水質產生影響[3?-5]。因此,深入探討與研究、選擇和應用農村分散式污水處理技術與模式,使其因地制宜、有效運行,是解決農村生活污水污染問題的有效途徑。筆者從分析農村生活污水一體化技術特點出發,綜述了一體化技術適用范圍和優缺點,分析了適宜分散式污水處理的技術模式,旨在為技術模式選擇、推廣和應用提供理論支撐,進而促進農村水資源環境的健康、可持續發展。
1 農村生活污水來源與特征
農村生活污水主要來源于廚房污水、生活洗滌污水和沖廁水等[6],另外我國大部分農村地區農戶家中普遍散養牲畜(豬、羊和禽類等),牲畜的洗滌用水、糞水等含有大量污染物的污水也常被納入農村生活污水進行統一收集與處理。農村生活污水具有排放點分散、水量小、時段性和季節性強等特點,污水中氮、磷濃度高且含有大量的營養鹽、細菌和病毒[6-7],上述特點均給農村生活污水處理帶來挑戰。
農村生活污水在處理與排放方面有以下特點[8-9]:1)污水產生量小、分散且成分不同。農村地區總用水量較少且污染物成分單一,極少有有毒有害成分。2)污水排放量時空分布變化大。由于農村居民生活作息習慣的特點,用水高峰時段集中,夜間基本不外排水,且用水量與季節、氣候變化關聯性高,生活用水呈現冬季少夏季多的特點。3)具有可生化處理性。農村生活污水中的氮、磷及有機物的濃度較高,且不含有毒、有害物質,易生化處理。4)污水分散、難集中。現階段大部分農村生活污水直接排放或經化糞池簡單處理后排放,污水處理程度低,對附近流域水質以及土壤土質具有較大影響[10-11]。總體來說,我國不同地區、不同經濟水平的農村生活污水成分特征和排放規律可以概括為:中部地區的污水中污染物濃度較高,治理方式以設施處理和農田排放為主;南部沿海地區人均生活污水排放量較大,因經濟發達,污水處理率較高;北方地區污水排放量較少,污染物濃度較低,但污水處理率也相對較低[12]。
因此選擇農村生活污水處理工藝、處理設施時,首先應考慮當地生活污水收集、處理及排放情況,確保出水水質穩定達標的同時能耗費用低、易管理維護;同時農村生活污水處理需遵循生態化、節能化、景觀化的原則,以實現污水回用及氮、磷資源化利用,并提高農業經濟效益。
2 農村生活污水一體化處理技術
農村分散式生活污水可采用自然凈化技術進行處理,如人工濕地污水處理、污水土地處理、穩定塘處理等技術,其特點為利用自然水體或土壤中植物、微生物的自凈作用實現對污染物的吸收與降解,但其具有受環境條件限制,出水水質不穩定等缺點。一體化處理技術是指對傳統污水處理工藝各功能模塊進行優化設計、組合,減少工藝復雜度,滿足不同規模、成本、進水水質等要求的污水處理工藝,其優勢包括方便運輸、現場安裝簡單及占地面積較小等,一體化處理技術為現階段農村生活污水處理技術研究的熱點。結合我國農村生活污水處理技術的主要進展,一體化處理技術依據技術原理主要可分為一體化活性污泥衍生工藝、一體化生物膜處理工藝、一體化膜生物反應器(MBR)工藝以及一體化組合工藝等類型。
2.1 一體化活性污泥衍生工藝
2.1.1 一體化AAO工藝
AAO工藝即為厭氧-缺氧-好氧污水處理工藝,污水經厭氧區釋磷、缺氧區脫氮以及好氧區硝化和除磷3個階段,可達到較好的脫氮除磷效果,且總水力停留時間(HRT)少于其他工藝。該工藝設備結構簡單,污水處理工作中的運營成本較低,適合于在大多數農村地區推廣使用。AAO工藝中,缺氧池體積對污水處理效率影響顯著,當缺氧池體積發生變化時,化學需氧量(COD)去除率隨缺氧池體積的增加而增大,氨氮(NH3-N)去除率隨缺氧池體積的增大而減小,總氮(TN)與總磷(TP)去除率隨缺氧池體積的增大呈先增大后減小的趨勢[13]。
整合工藝流程、縮小占地面積是一體化AAO工藝亟待解決的問題。肖炘圻等[14]設計了豎流式一體化反應器(圖1)處理農村生活污水,該反應器將常規AAO工藝中單獨設置的厭氧區、缺氧區、好氧區和沉淀區整合為一體,考察了HRT和好氧區溶解氧(DO)濃度對處理效果的影響。結果表明,HRT為8 h,DO濃度為2.5 mg/L時,出水COD和NH3-N、TN、TP濃度均可以滿足GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。針對一體化工藝中污泥處理處置問題,任宏洋等[15]將AAO系統中剩余污泥臭氧化處理,研究了處理后污泥減量效果和污水處理效能,考察了污泥全部回流至厭氧區、等比例回流至厭氧區和缺氧區、全部回流至缺氧區3種回流方式下累積排泥量,發現耦合后的AAO系統排泥量分別下降了51.3%、49.8%、47.6%;另外研究發現,臭氧化污泥回流提高了污泥沉降性和系統的脫氮能力,且污泥回流區域對TP的去除率有較大影響,確定等比例回流臭氧化污泥至厭氧區和缺氧區為最佳回流方式。
2.1.2 一體化SBR工藝
序批式活性污泥(SBR)工藝,即污水在裝置中按時間順序依次反復進行曝氣、反應沉淀、排水閑置等過程。該工藝優點為占地面積小、運行方式靈活、脫氮除磷效率高,適用于經濟條件好但水資源、土地緊缺的地區[16]。該工藝也有較多不足,如間歇排水時,需要設置專門的排水設備(潷水器),且易產生浮渣[17]。由于工藝的要求高,需要專業人員定期維護,運維費用較高,因此不適于在經濟落后的農村地區推廣使用,常用于度假區、高速公路休息區等的分散式污水處理。
為降低工藝裝置復雜度,張冰等[18]設計了無復雜出水裝置的一體化空氣提升SBR反應器,用于處理低碳氮比(C/N)的農村生活污水,在DO濃度為3 mg/L、曝氣3 h、沉淀1.5 h時,可保證出水水質指標COD、NH3-N、TN、TP均滿足GB 18918—2002二級標準,且裝置能耗較低、剩余污泥產量少、維護管理方便,具有較強的抗沖擊負荷能力。針對傳統SBR工藝污泥絮體結構松散、沉降速率低問題,薛晨楠等[19]考察了磁粉(微米Fe3O4)對系統活性污泥和污水處理效果的影響,結果表明,磁化污泥SBR系統處理率較高,綜合經濟和處理效率因素,確定最佳磁粉投加量為0.5 g/L,此時出水COD、NH3-N、TN、TP去除率分別為95.30%、91.48%、70.83%和92.80%,滿足GB 18918—2002一級標準。
2.2 一體化生物膜處理工藝
2.2.1 一體化生物接觸氧化工藝
生物接觸氧化工藝由厭氧和好氧2個反應器組成,內置附著生物膜的填料,通過生物膜的代謝分解作用去除水體污染物。該工藝在農村地區使用較為普遍,主要特點是出水水質穩定可靠、占地面積較小、安裝簡便。通過地埋式等簡單保暖措施,可適用于北方寒冷地區農村生活污水的處理。日本凈化槽是以水解+接觸氧化為基礎工藝的分散式生活污水處理一體化工藝,主要通過絮凝沉降、物理沉淀及微生物的降解等作用去除水體中污染物,按用途不同可分為單獨處理凈化槽、合并處理凈化槽、深度處理凈化槽3類[20-21],日本凈化槽是我國眾多一體化裝置設計和借鑒的原型,對推動國內一體化技術發展起到一定作用[22-23]。
填料是生物接觸氧化工藝的核心組件,由于填料在運行過程中易發生老化、板結等問題,影響系統的處理效率,加大運行維護難度,因此選擇掛膜能力好和可操作性強的填料是重中之重。Xie等[24]采用鐵、活性炭和沸石制作復合過濾器(Fe/C-ZACID),將材料以不同比例混合后將大小不同的2個過濾器分別放入好氧和厭氧反應區。結果表明,該裝置的生物反硝化過程復雜,脫氮和抗沖擊能力強,在HRT為6 h,DO濃度約3 mg/L,進水C/N為3,硝酸鹽循環比為100%條件下,NH3-N和TN的去除率可高達95%和85%。沈波等[25]采用一體化生物活性炭中試裝置,以柱狀活性炭為載體進行人工掛膜,發現4.0 mm的柱狀炭掛膜成功后,氣水體積比為2∶1時,裝置對污染物的去除率最高,但活性炭使硝化細菌生長受限,氨氮去除率較低。從成本控制上看,微生物可提高活性炭吸附能力,延長使用周期,降低裝置運行成本[26]。合續環境研發的CHtank污水凈化罐[27]采取分戶/聯戶處理、自由組合的設計理念,采用固液分離+多級厭氧好氧(A/O)和固液分離+同步硝化反硝化(SND)2種工藝,使用軟性固定填料作為過濾模塊,滿足不同水量的處理要求,該系列產品具有工藝簡單、運行穩定、運行成本低及安裝靈活等特點。
2.2.2 一體化生物轉盤工藝
生物轉盤工藝通過轉盤交替與空氣和污水相接觸,使盤片附著生物膜,利用水的自然落差使生物膜連續吸氧、吸附和氧化分解,以凈化水體。生物轉盤工藝是生物膜處理技術的一種[28],該工藝具有污染物處理能力較強,微生物濃度較高,無需泥水分離設備,出水懸浮物(SS)濃度較低[13]等優點;其缺點在于盤片的材質、形狀、質量及有效面積等直接影響轉盤的處理效率,但盤片面積過大或材質過重會使設備占地面積和運行成本增加。
盤體結構優化是生物轉盤工藝當下的研究熱點之一。Han等[29]開發了新型可自動回流旋轉的一體化生物轉盤裝置(NISRRBC),試驗發現自動回流硝化液和污泥可提高污染物去除率。在轉速為5 r/min,HRT為8 h,浸沒直徑為40%,回流比為200%條件下,出水COD、SS、NH3-N和TN濃度可達(37.41±9.40)、(6.27±1.28)、(4.99±0.95)和(18.67±1.46)mg/L。另外,盤片優化升級的新式生物轉盤技術,如采用空間立體結構轉盤盤片的“3D-RBC立體結構生物轉盤技術”[30]、盤片添加碳黑素防止老化的“KEE一體化低碳生物轉盤”[31]等改良型一體化生物轉盤主體工藝也同樣值得關注[10]。
2.2.3 一體化生物濾池工藝
曝氣生物濾池(BAF)是一種污水固定床生物膜處理技術[32],該工藝將生物氧化和SS截留結合在一起,空氣經壓縮曝氣供給掛膜的顆粒狀懸浮填料,通過反沖洗再生實現周期運行[33]。BAF工藝具有占地面積小、有機負荷高、不產生污泥膨脹等優點[34-35],但在進水SS濃度較大時,該工藝運行周期縮短,導致反沖洗不完全,易出現堵塞、同步生物除磷效果差等問題。
生物濾池的濾速決定BAF的處理能力,同時也決定設備運行參數和造價。王銘源等[36]考察濾速對一體化復合三級生物濾池污水處理效果的影響,結果表明,一體化復合生物濾池對COD、NH3-N、TN的去除效果整體隨濾速增大而減小,其中TN對濾速變化最敏感。吳亞慧等[37]考察了一體化生物濾池中硝化液回流比對污染物的去除效果,發現增大回流比時,系統對COD、NH3-N和TN的去除率先增大后降低;回流體積比控制在100%時,一體化生物濾池對COD、NH3-N去除率較高,分別達到86.08%、90.01%。
2.3 一體化MBR工藝
一體化MBR工藝是指膜分離與生物膜處理有機結合的新型污水處理技術[38],其通過膜分離的原理提高活性污泥的濃度,從而強化生物反應器的功能并省去二沉池,保證在發生污泥膨脹時也可穩定運行。但該工藝易產生膜污染,出現膜通量下降、膜分離阻力增加、膜分離特性改變等問題;另外膜組件及施工成本投入較高,且運行維護困難,適用于對污水處理質量要求較高同時對水體環境比較敏感的農村污水處理項目[39]。根據膜組件和生物反應器的不同組合方式,可將MBR分為分置式、一體式及復合式,其中分置式MBR較常見[40]。
為減少膜污染、提升膜壽命,王陽等[41]發明了一種旋轉膜生物氣升式循環反應器,其中膜過濾裝置包括旋轉接頭和曝氣管,膜組件可通過旋轉接頭驅動旋轉,該發明降低了設備能耗,減少了維護成本。為驗證工藝在北方寒冷地區的適用性,晁雷等[42]在遼寧省某村生活污水處理中采用兼氧MBR分散式污水處理與回用一體化工藝(圖2),工程試運行發現,采用地下埋置保溫方式,在溫度低的北方冬季該工藝能正常運行,兼性厭氧菌可適應含氧量變化,適用于進水量波動大的農村地區的生活污水處理,出水能穩定達到GB 18918—2002一級B標準。
2.4 一體化組合工藝
污水處理工藝往往非由單一處理工藝組成,而多采用組合工藝或多級工藝,以提高污水處理能力,使生活污水達標排放。如在我國南方大部分地區,分散式生活污水常采用結構簡單的一體化處理工藝與氧化塘、人工濕地聯用,利用自然中的微生物和植物的凈化作用,使污水高效達標并降低成本。如付麗霞等[43]設計了水解酸化-接觸氧化-MBR生物反應器,MBR膜采用中空纖維膜,系統運行90 d,出水COD為35 mg/L,NH3-N為3.7 mg/L,TP為0.3 mg/L,去除率較高且設備運行穩定可靠;陳永志等[44]考察了AAO-曝氣生物濾池生化系統的脫氮除磷特性,以低C/N生活污水為研究對象,通過縮短AAO的泥齡分離硝化過程,在曝氣生物濾池進行硝化反應,實現硝化菌和聚磷菌的分離,解決了硝化菌和聚磷菌泥齡之間的矛盾。馬來西亞某填海人工島的污水處理廠采用固定化好氧生物膜(BioAX)與嵌入式固定化硝化菌(MBS)載體(圖3)流化床反應器組合的新工藝[45],BioAX為改進型生物膜、活性污泥混合工藝(IFAS)[46],MBS是指用一種包埋固定化菌載體填料取代常規塑料多孔圓形填料[47],該新型污水處理工藝具有較高的處理效率且節省占地空間,在節能減排、污泥減量和維護管理上具有明顯優勢,出水可達到GB 18918—2002一級A標準。
3 農村生活污水一體化處理技術發展趨勢
農村分散式生活污水處理技術發展趨勢是在保證出水水質的前提下,最大限度地縮短和簡化工藝流程[48]。在全國各地農村生活污水處理標準和技術標準不斷出臺、要求不斷提高的背景下,農村生活污水處理技術宜采取分散處理與集中收集相結合的模式,不同農村地區采用的處理技術應具有經濟性和環境適應性。
3.1 農村生活污水一體化處理技術發展要求
目前一些農村地區采用的污水處理技術設施建設和運行成本高、運營能力不足,尚存在不能達標排放或與農村地區經濟發展水平不適應的現象,因此建議農村生活污水一體化技術的發展滿足以下要求:1)創新不同規模型號與模塊化的一體化污水處理設備。分戶處理需考慮設施的需求處理量,以合理確定設計處理規模;集中污水處理站處理則需考慮管網鋪設難度,根據不同處理需求,可采用模塊化的處理設備。2)依據地理地貌及氣候差異、受納水體的環境污染負荷,因地制宜地選擇和優化處理技術。如在北方地區,應選擇適合冬季寒冷氣候的污水處理技術,采取地埋式方法以及保溫措施,考慮生物生長、生活條件與活性對處理效率和出水水質的影響。在南方地區,可考慮使用組合技術如一體化設備與人工濕地或氧化塘聯用,以提高工藝適配度。3)使用智能化污水處理操作系統,以可編程控制器(PLC)為控制核心實現自動控制[49]。農村生活污水一體化處理缺少專業人員的維護和管理,可使用互聯網與在線設備聯用,以實現遠程控制、無人值守、精準加藥和曝氣、問題診斷功能等,確保水質穩定達標排放。4)降低制作、安裝、運行和維護成本。針對地方出臺的排放標準,選擇經濟適用的污水處理技術,在水質達標的前提下,降低工藝復雜度,減少管路和閥門,降低設備投資和運行維護的成本,使一體化處理技術在經濟落后的農村地區也能適用。
3.2 農村生活污水一體化處理技術發展趨勢
以處理量為5 t/d的小型污水處理一體化設備為基礎指標,綜合小型農村生活污水的排放特點,以9~10戶三口之家每日的污水排放量為例,規定生活污水日平均排污量COD為100~400 mg/L,NH3-N為20~80 mg/L,TP為1.5~6 mg/L,對比幾種一體化技術的污染物去除性能和經濟指標,結果如表1所示。由表1可知,一體化AAO工藝、一體化SBR工藝結構簡單,設備建成和運行費用少,適合對出水要求不高的大多數農村地區;一體化生物接觸氧化工藝、一體化生物轉盤工藝、一體化生物濾池工藝3種生物膜工藝設備規模小、耐沖擊的能力強,可在水質、水量、氣候環境變化大,不穩定的農村地區使用;一體化MBR工藝出水水質穩定、污染物去除率高,但工藝設備復雜、成本高,對運行維護有較高的要求,建議在我國東部經濟條件較好的農村地區使用。各地區可以此為參考,根據地方經濟水平和環境特征選擇最適宜的處理技術加以應用和推廣。
1 )GB 18918—2002中的排放標準。
4 結語
結合我國農村分散式污水排放現狀,建議采用小型一體化裝置處理與集中收集處理相結合的技術模式。其中,一體化生物接觸氧化工藝、改進型生物膜與活性污泥混合工藝及在AAO工藝段后端增加缺氧沉淀段工藝等可較好地滿足我國大多數農村污水處理排放要求,具有適用性廣、可操作性強的特點,與我國農村地區現有經濟條件相適應,是我國農村生活污水一體化處理技術的發展趨勢。
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