適合中原地區(qū)村鎮(zhèn)生活污水的SBR組合處理工藝

王勇康 劉 京 李圣哲 劉秉濤，2

（1.華北水利水電大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，河南 鄭州 450011；2.河南省水體污染與土壤損害修復(fù)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450011）

黨的十九大提出開(kāi)展農(nóng)村人居環(huán)境整治行動(dòng)，其中村鎮(zhèn)污水處理是重中之重。中原地區(qū)是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施及經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)薄弱，農(nóng)村污水難以通過(guò)管網(wǎng)收集進(jìn)入縣、鎮(zhèn)污水處理廠集中處理。目前，已建成的大部分村鎮(zhèn)污水處理廠由于水量小、波動(dòng)大、缺乏管理人員和運(yùn)行經(jīng)費(fèi)等原因停止了運(yùn)行［1-2］，造成河流、水塘污染，或者下滲進(jìn)入地下，影響地下水水質(zhì)和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，嚴(yán)重威脅農(nóng)村居民身體健康和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。農(nóng)村生活污水的主要來(lái)源是廚房污水。廚房污水和洗滌污水是農(nóng)村生活污水中有機(jī)物的主要來(lái)源，含大量的COD、氨、磷等成分，是造成農(nóng)村水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因。其次是廁所污水。

國(guó)外一些國(guó)家如日本，處理分散的村鎮(zhèn)污水多采用離網(wǎng)式凈化槽技術(shù)［3］；澳大利亞將生活污水灌溉土壤地，通過(guò)耕種的農(nóng)作物吸收分解生活污水中的物質(zhì)與水分，從而達(dá)到污染物去除和污水減量的目的［4］；國(guó)內(nèi)也對(duì)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)進(jìn)行了許多卓有成效的研究，常用的有氧化塘、生物接觸氧化、A/O工藝及MBR工藝等［5］。中原地區(qū)指黃河中下游地區(qū)與淮河上游以北地區(qū)，包括河南省大部、山西省東南部、河北省南部、山東省西部、江蘇省西北部以及安徽省北部等廣大區(qū)域，是溫帶季風(fēng)氣候，四季分明。因此，開(kāi)發(fā)適合中原地區(qū)的村鎮(zhèn)污水處理組合工藝具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 SBR工藝

序批式活性污泥法是指在同一反應(yīng)器內(nèi)，按照進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排放和閑置5個(gè)基本工序組成的污水處理方法，簡(jiǎn)稱SBR法。SBR法通常情況下可省去初沉池，因此能夠節(jié)省用地和運(yùn)行費(fèi)用，耐沖擊負(fù)荷，運(yùn)行方式靈活，能夠通過(guò)時(shí)間設(shè)置曝氣、缺氧和厭氧的不同狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)脫氮除磷的目的。

SBR工藝運(yùn)行簡(jiǎn)單，耐沖擊負(fù)荷，能夠有效避免污泥膨脹，操作自動(dòng)化，能夠脫氮除磷，投資少，出水水質(zhì)好，適用于農(nóng)村地區(qū)。

SBR工藝的操作流程，如圖1所示。

圖1 SBR運(yùn)行操作工序示意圖

1.1 進(jìn)水期

這個(gè)時(shí)期是反應(yīng)池容納生活污水的過(guò)程。通過(guò)反應(yīng)器容積的大小及被處理污水的水質(zhì)確定進(jìn)水的時(shí)間。在反應(yīng)器進(jìn)水前期，反應(yīng)器中的污染物濃度相對(duì)較低。然而，隨著生活污水的持續(xù)流入，反應(yīng)器中污染物的濃度不斷升高。在生活污水流入的過(guò)程中，反應(yīng)器具有活性污泥吸附、吸收和氧化等作用。當(dāng)反應(yīng)器中污染物濃度不斷升高時(shí)，活性污泥的吸附、吸收和氧化作用也不斷加快。如果在進(jìn)水時(shí)期向反應(yīng)器中流入的污染物濃度較低，則流入的污染物可以被及時(shí)吸收、吸附和氧化分解，整個(gè)操作過(guò)程將會(huì)穩(wěn)定進(jìn)行。然而，在SBR水處理工藝的實(shí)際操作過(guò)程中，基本不會(huì)出現(xiàn)這種情況。

1.2 反應(yīng)期

這個(gè)時(shí)期是在進(jìn)水完成后或反應(yīng)器進(jìn)滿水后，通過(guò)曝氣或攪拌達(dá)到對(duì)有機(jī)污染物生物降解的目的。在反應(yīng)器操作過(guò)程中，隨著反應(yīng)器中反應(yīng)的不斷進(jìn)行，基質(zhì)的濃度會(huì)逐漸降低。反應(yīng)器中有許多種類的微生物，它們彼此間相互作用，提高了工藝的處理效果。

1.3 沉淀期

此時(shí)期的工作程序類似于傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池。當(dāng)曝氣和攪拌完成后，活性污泥的絮體通過(guò)重力沉降和上清液分離。SBR反應(yīng)器作為沉淀池，能夠有效避免連續(xù)流活性污泥法中泥水一定要經(jīng)過(guò)沉淀池沉淀的過(guò)程，也能夠防止一些剛剛開(kāi)始絮凝的活性污泥再次破碎的情況。SBR反應(yīng)器具有沉淀效率高、沉降時(shí)間短的特點(diǎn)。

1.4 出水期

污水通過(guò)處理后滿足水處理排放要求，此時(shí)反應(yīng)池底部的活性污泥大部分可以作為下一個(gè)處理周期使用，多余的活性污泥外排。一般情況下，反應(yīng)器中的活性污泥體積占反應(yīng)器總?cè)莘e的30%左右。此外，反應(yīng)池中需要剩下一部分處理水，能夠起到循環(huán)和稀釋的功效。

設(shè)計(jì)SBR反應(yīng)器總水力停留時(shí)間為6 h，其中好氧區(qū)停留時(shí)間為2 h，缺氧區(qū)停留時(shí)間為40 min，厭氧區(qū)停留時(shí)間為2 h，沉淀區(qū)停留時(shí)間為1 h。不同進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷條件對(duì)SBR工藝的COD、TP的去除效果影響不顯著。當(dāng)進(jìn)水COD濃度平均值分別為300 mg/L、400 mg/L時(shí)，COD的平均去除率分別為93%和92%。一般條件下，TN、TP的平均去除率均在65%、95%以上［6］，其TN、TP出水濃度均低于15 mg/L、0.2 mg/L，達(dá)到GB18918-2002的一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明SBR反應(yīng)器具有穩(wěn)定的COD、氮、磷去除能力。

2 人工濕地工藝

人工濕地是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種污水處理技術(shù)。它根據(jù)自然濕地模擬人工生態(tài)系統(tǒng)，是一種由人工制造和監(jiān)督控制的、類似沼澤的地面，通過(guò)自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物三者的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的凈化作用。

人工濕地基建投資和運(yùn)行費(fèi)用低（分別為生化處理的1/3～1/5和1/5～1/6），水力負(fù)荷高于自然濕地，處理效果好，對(duì)氮、磷、重金屬和難降解有機(jī)物也有一定的處理效果。濕地植物有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，具有一定的景觀功能。但是，人工濕地需要的土地面積大，氣候和植物生長(zhǎng)對(duì)凈化效果影響較大，易造成二次污染。

人工濕地根據(jù)水流方式的差異可分為3種類型：表面流濕地、潛流濕地和立式流濕地。

①表面流濕地（Surface Flow Wetlands，SFW）。當(dāng)生活污水在填料表面漫流的過(guò)程中，它和自然的人工濕地非常接近，大多數(shù)有機(jī)物的去除主要是利用植物水下莖及桿上的生物膜來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是，由于這種濕地不能有效利用填料和植物根系，故衛(wèi)生條件差，因此設(shè)計(jì)中一般不采用。

②潛流濕地（Subsurface Flow Wetlands，SSFW）。由于生活污水在填料表面下滲流，所以能夠有效利用填料表面和根系上的生物膜處理污水，且衛(wèi)生條件良好，因此在設(shè)計(jì)中被廣泛采用。它的構(gòu)造如圖2所示。

圖2 人工潛流濕地

2.1 凈化機(jī)理

人工濕地能夠凈化生活污水，主要是基質(zhì)、植物、微生物相互作用的結(jié)果。經(jīng)水生植物及基質(zhì)的過(guò)濾、吸附、沉淀、微生物的降解、轉(zhuǎn)化及有機(jī)物吸收作用，人工濕地系統(tǒng)可以充分去除污水中的有機(jī)物、氮、磷等污染物。

2.2 濕地植物的機(jī)理

生活污水處理的濕地植物一般都具有吸收能力強(qiáng)、生長(zhǎng)快和生物量大等特點(diǎn)。一些研究顯示，冬季長(zhǎng)綠的水生植物有黃花鳶尾、菹草、水芹菜以及麥草等植物［7］。在濕地植物生長(zhǎng)過(guò)程中，能夠通過(guò)吸收作用去除污水中大量的氮、磷等元素，最后采用收割去除。濕地植物不僅能夠生長(zhǎng)吸收，還能夠由于氨的揮發(fā)作用、NH4+的陽(yáng)離子交換作用、硝化和反硝化作用去除氮。對(duì)于磷化合物的去除，不僅能夠作為營(yíng)養(yǎng)成分吸收，還能夠在基質(zhì)中進(jìn)行吸附、絡(luò)合和沉淀反應(yīng)。濕地植物除了能夠吸收營(yíng)養(yǎng)元素外，還能夠吸收鉛、砷、汞和鉻等重金屬，以金屬鰲合物的形式蓄積于植物體內(nèi)，可以滿足對(duì)生活污水和受污染土壤的生物修復(fù)。

2.3 濕地土壤的機(jī)理

濕地土壤是濕地植物的直接載體，同時(shí)也是微生物、動(dòng)物的生活場(chǎng)所。它的類型、結(jié)構(gòu)等情況決定了濕地植物的生長(zhǎng)情況。它通過(guò)食物鏈影響濕地動(dòng)物的種群、發(fā)育和生長(zhǎng)，進(jìn)而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)。濕地土壤是濕地中化學(xué)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的媒介，能夠通過(guò)沉淀、吸收、吸附、離子交換和代謝分解等作用去除一些有毒有害物質(zhì)。

2.4 濕地微生物的機(jī)理

生活污水中，有機(jī)物的分解、降解和轉(zhuǎn)化主要通過(guò)微生物來(lái)完成。濕地微生物還有吸附的作用，它在生長(zhǎng)的過(guò)程中，通過(guò)吸收一些營(yíng)養(yǎng)元素和重金屬元素來(lái)確保生長(zhǎng)和代謝高分子聚合物對(duì)重金屬的絡(luò)合力。

3 SBR與人工濕地組合工藝

該組合工藝綜合了兩種水處理工藝的特點(diǎn)。SBR處理工藝操作靈活，耐沖擊負(fù)荷，能夠有效避免污泥膨脹，且運(yùn)行自動(dòng)化。人工濕地工藝基建投資和運(yùn)行費(fèi)用低，水力負(fù)荷高于自然濕地，處理效果好，對(duì)氮、磷、重金屬和難降解有機(jī)物也有一定的處理效果，且濕地植物有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，具有一定的景觀功能，能夠與農(nóng)村社區(qū)的景觀相結(jié)合。此外，它能夠彌補(bǔ)兩種水處理工藝彼此的不足，減少SBR系統(tǒng)的曝氣時(shí)間，使其能耗降低，彌補(bǔ)SBR中氮磷的去除作用。由于中原地區(qū)冬季寒冷，因此人工濕地的一些處理作用被限制。但是，SBR系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)人工濕地系統(tǒng)在冬季處理效果不好的情況，有效避免人工濕地出現(xiàn)堵塞的問(wèn)題，降低人工濕地的占地面積［8-9］。

在組合工藝中，SBR系統(tǒng)對(duì)氨氮、COD、總氮、總磷的去除率分別為54.8%、90.1%、43.0%、30.1%。人工濕地對(duì)氨氮、COD、總氮、總磷的去除率分別為27.2%、5.5%、35.1%、60.1%。SBR系統(tǒng)對(duì)COD和氨氮的去除效果顯著，人工濕地對(duì)總磷的去除效果顯著，兩者能夠有效發(fā)揮各自的互補(bǔ)作用。

3.1 污水處理規(guī)模確定

河南省農(nóng)村地區(qū)用水類型包括自來(lái)水、井水和河水等。居民的用水量受經(jīng)濟(jì)狀況、供水條件、生活習(xí)慣等因素影響。結(jié)合當(dāng)?shù)鼐用竦挠盟F(xiàn)狀，表1給出了村鎮(zhèn)居民生活用水量的參考值。

表1 河南省農(nóng)村居民生活用水量參考值

農(nóng)村地區(qū)居民的排水量應(yīng)該根據(jù)對(duì)村莊衛(wèi)生設(shè)施水平、排水系統(tǒng)的組成和完善程度等影響因素進(jìn)行實(shí)地調(diào)查情況確定。表2給出了村鎮(zhèn)居民生活排水量的參考值。

表2 河南省農(nóng)村居民生活排水量參考值

3.2 污水進(jìn)水、出水水質(zhì)確定

根據(jù)調(diào)查，村鎮(zhèn)生活污水的主要污染源有：洗滌用水、廁所沖刷水及其他用水等，根據(jù)污水的特性，水質(zhì)指標(biāo)如表3所示。表3中以洗浴用水、廚房用水、廁所用水?dāng)?shù)據(jù)作為參考取值。

表3 河南省農(nóng)村居民生活污水水質(zhì)參考值

通過(guò)參考常規(guī)的生活污水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際用水情況，最終設(shè)計(jì)村鎮(zhèn)生活污水處理的進(jìn)水水質(zhì)如表4所示。

依據(jù)地方環(huán)境保護(hù)管理部門的相關(guān)要求，設(shè)計(jì)出水水質(zhì)不低于《河南省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB41/1820—2019）一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)排放的要求，主要的水質(zhì)指標(biāo)如表5所示。

表5 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)

4 污水處理工藝流程和特點(diǎn)

生活污水通過(guò)格柵能夠去除水中的懸浮物、漂浮物等雜質(zhì)，然后自流進(jìn)入水解酸化池，通過(guò)水質(zhì)、水量調(diào)節(jié)后，經(jīng)泵提升進(jìn)入SBR反應(yīng)池進(jìn)行生化處理。SBR處理系統(tǒng)至少需要2個(gè)或多個(gè)反應(yīng)器交替運(yùn)行，因此總體上污水是按順序依次進(jìn)入每個(gè)反應(yīng)器，而各反應(yīng)器相互協(xié)調(diào)作為一個(gè)有機(jī)的整體完成污水凈化功能，但對(duì)每一個(gè)反應(yīng)器則是間歇進(jìn)水和間歇排水。每個(gè)反應(yīng)器的運(yùn)行操作分階段、按時(shí)間順序進(jìn)行，去除污水中大部分有機(jī)物和氨氮，產(chǎn)生的剩余污泥在村鎮(zhèn)可以用于衛(wèi)生填埋或好氧堆肥，之后進(jìn)入人工濕地深度處理達(dá)標(biāo)后回用或排放，如圖3所示。

圖3 污水處理工藝流程圖

SBR與人工濕地的組合工藝能夠結(jié)合兩種水處理工藝的優(yōu)點(diǎn)，互補(bǔ)兩種處理工藝在水處理方面的缺點(diǎn)。依據(jù)村鎮(zhèn)生活污水處理工程的特點(diǎn)和要求，采用SBR+人工濕地的組合工藝處理村鎮(zhèn)生活污水在技術(shù)和實(shí)踐上具有高度的統(tǒng)一性。這也是采用此組合工藝處理村鎮(zhèn)生活污水的前提和基礎(chǔ)。

SBR與人工濕地組合工藝的特點(diǎn)：SBR工藝操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)；人工濕地工藝運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低，能夠美化環(huán)境，具有生態(tài)效應(yīng)；人工濕地工藝有綠化功效的作用，能夠與小區(qū)的綠化相結(jié)合，消除用地的消極影響。此外，兩種水處理工藝能夠互補(bǔ)兩者彼此的不足：人工濕地工藝能夠彌補(bǔ)SBR工藝中的氮磷去除功效；前置SBR工藝能夠有效避免人工濕地堵塞的現(xiàn)象；前置SBR工藝的預(yù)處理單元能夠有效降低人工濕地的占地面積。

5 社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

污水處理后，達(dá)到《河南省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 41/1820—2019）一級(jí)B排放標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)處理水量350 m3/d，電費(fèi)以0.50元/kW·h計(jì)，人員工資以1500元/月（兼職），則SBR工藝中水運(yùn)行成本為0.38元/m3，人工濕地運(yùn)行費(fèi)用0.145元/m3。

運(yùn)行費(fèi)用計(jì)算方法為（0.38+0.145元/m3）×350 m3/d×365 d=67068.75元/年，即6.7萬(wàn)元。

5.2 社會(huì)效益

村鎮(zhèn)污水處理工程的實(shí)施將有效改變村莊的整體形象，為河南省新農(nóng)村建設(shè)創(chuàng)造良好的發(fā)展條件，并將對(duì)村鎮(zhèn)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到較大的促進(jìn)作用，同時(shí)對(duì)推進(jìn)河南省農(nóng)村的城市化、生態(tài)化建設(shè)形成良好的示范帶動(dòng)作用，產(chǎn)生良好的社會(huì)效益。

6 結(jié)論

不同的村鎮(zhèn)地區(qū)要根據(jù)因地制宜的原則選擇污水處理工藝，同時(shí)需結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩硖卣?、環(huán)境狀況和運(yùn)行管理水平等。對(duì)于中原地區(qū)，可以針對(duì)不同情況選擇水處理工藝：對(duì)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、基礎(chǔ)設(shè)施完善、環(huán)境敏感度高的村鎮(zhèn)生活污水處理，建議采用SBR加人工濕地組合工藝，達(dá)標(biāo)后的水還可以用于畜禽養(yǎng)殖或綠化；村鎮(zhèn)規(guī)模較小、環(huán)境敏感度一般的村鎮(zhèn)生活污水處理，可以只采用SBR技術(shù)，占地較小、投資及運(yùn)行費(fèi)用較低，能有效改善農(nóng)村人居環(huán)境。污水的處理方法、工藝要與時(shí)俱進(jìn)，盡量滿足處理工藝簡(jiǎn)短、設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)需求低、出水水質(zhì)穩(wěn)定等標(biāo)準(zhǔn)。