农村分散型生活污水一体化处理设备研究及应用

Research and Application of Integrated Equipment for Dispersed Domestic Sewage Treatment in Rural Areas

摘要: 本研究针对农村分散型生活污水特点及处理现状，结合AAO和人工湿地工艺设计制作一种农村生活污水一体化处理设备，并开展农村生活污水处理效果研究。结果表明，在无需外加碳源和化学药剂前提下，采用活性污泥法和人工湿地结合对污水中COD、氨氮和总氮去除效果较好，去除率分别为83%、87%和76%，对总磷的去除率相对较低，去除率为71%，出水水质基本可以达到GB18917-2002一级B标准。当进水污染物浓度一定范围增加时，设备对去除率相对稳定，具有较好的抗冲击负荷，为农村分散型生活污水处理提供技术支撑。

Abstract: Considering the characteristics and treatment status of dispersed rural domestic sewage, this study combined AAO process and constructed wetland process to design an integrated equipment for rural domestic sewage treatment and tested its effect on. The results showed that the combined application of activated sludge method and constructed wetland had a good effect on domestic sewage treatment with the removal rate of COD, total nitrogen and ammonia nitrogen in sewage were 83%, 87% and 75% respectively without adding carbon sources and chemical. The removal rate of total phosphorus was relatively lower at 66%. The effluent quality can basically meet the GB18917-2002 Class B standard. When the concentration of influent pollutants increases in a certain range, the removal rate of the equipment for was relatively stable which indicated that the equipment has a good impact resistance load and provides support for rural dispersed domestic sewage treatment.

1. 引言

我国农村区域面积占全国总面积的近九成，人口占比超过50%。全国约有60万个行政村，农村人口超5亿。近年来随着国家经济的快速发展，农村居民的生活水平不断提高，生活污水排放量迅速增大。单户农村居民生活污水日均排放量相对较小，污染物类型相对稳定，生活污水经过化粪池处理后污染物主要为COD、氮、磷、有机物等[1]-[3]。由于农村居民居住分散，污水集中收集难度大、费用高，收集管网基础设施缺乏，使得全国对农村生活污水进行处理的乡仅占比35%左右[4]。大量农村生活污水仅经过简单处理后就直接排放到自然水体，易造成水体污染，破坏农村生态环境，影响农村人居环境及居民身体健康。

AAO工艺具有工艺流程简单，脱氮除磷效果良好，运行维护成本低等特点，该工艺目前在生活污水处理中应用广泛[5]-[8]。人工湿地在污水深度处理去除氮磷具有效果较好[9] [10]。因此，本研究针对农村分散型居民生活污水特点，以AAO污水处理工艺为基础，结合表面流人工湿地，设计制作一种适用于农村分散污水处理一体化污水处理设备，该设备具有占地少、结构简单、运行维护费低等优点，通过现场试验优化一体化处理设备运行参数，为农村生活污水处理提供技术支持。

2. 一体化处理设备设计

2.1. 工艺流程

本研究设计的一体化污水处理设备是以AAO工艺为基础，结合人工湿地处理工艺，设厌氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池、清水池、微型人工湿地于一体，通过为氨化、反硝化、硝化、沉淀、植物吸收等达到脱氮除磷的效果。一体化处理设备工艺流程示意图如图1所示。

一体化处理设备设计平面图如图2所示，进水首先进入厌氧池，从厌氧池底部流入缺氧池，从缺氧池预设管道流入好氧池，经过好氧池处理后从顶部圆孔流入沉淀池，沉淀后的水从顶部流入清水池后，再通过气提装置将水排至最上端的人工湿地，最后排出至设备外面。好氧池设曝气和硝化液回流，沉淀池设污泥回流，并通过气提实现消化液、污泥回流和清水池排均通过气提完成，因此当通过自流进水时，设备运行只一台鼓风机即可，无需回流泵。

Figure 1. Process diagram of the integrated processing equipment

图1. 一体化处理设备工艺流程示意图

其中1. 进水口，2. 厌氧池，3. 缺氧池，4. 好氧池，5. 沉淀池，6. 清水池，7. 鼓风机连接口，8. 消化液回流，9. 清水池排水，10. 污泥回流，11. 曝气，12. 人工湿地，13. 出水口。

Figure 2. Design plan of the integrated processing equipment

图2. 一体化处理设备设计平面图

2.2. 主要参数确定

按照国家城乡供水一体化发展要求，依据相关用水定额规范要求，按户均6口人算，设计日户均排放污水量取值0.6 m³/d。进水水质通过查阅相关资料确定，出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2022二级标准，本次设计一体化污水处理设备日排水量为0.6 m³，设计进出水水质各指标标准如表1所示。

Table 1. Water quality index of rural domestic intake and effluent (mg/L)

表1. 农村生活进水及出水水质指标(mg/L)

指标	PH	SS	CODcr	氨氮	总氮	总磷
排水	6~9	30	100	25	/	3
进水	6~8	≤200	≤500	≤60	≤90	≤5

按照《室外排水设计规范》GB50014-2021要求计算一体化污水处理设备各反应池容积，并设计各反应池尺寸、曝气量等。厌氧池体积为0.05 m³，设计有效水深为0.9 m，长、宽分别为0.28 m、0.2 m，水力停留时间为2 h。缺氧池体积为0.075 m³，设计有效水深为0.9 m，长、宽分别为0.28 m、0.3 m，水力停留时间为3 h，底部与厌氧池连通管，与好氧池通过两者隔板上端圆孔连通。好氧池体积为0.175 m³，设计有效水深为0.9 m，长、宽分别为0.37 m、0.5 m，水力停留时间为7 h。好氧池设曝气装置和消化液回流装置，其中曝气管道采用直径20 mm的pvc管道，回流管道直径为50 mm的pvc管道。沉淀池和清水池设计有效水深均为0.85 m，长、宽均分别为0.2 m、0.25 m，有效容积为0.042 m³，水力停留时间为1.7 h。在一体化污水处理设备顶端设置“回字形”表面流人工湿地，有效高度为0.2 m，容积为0.063 m³，水力停留时间为2.5 h。

2.3. 附属设施设计

好氧池曝气供气量计算得出好氧池供气量为9 L/min。一体化污水处理设备采用气提进行混合液回流、污泥回流和清水池排水，由一个气泵同时为曝气、混合液回流、污泥回流和清水池排水提供所需的空气，各进气管设有阀门调控进气量。气提所需气量按下公式计算，其中设计混合液回流比最大为400%，最大回流量为100 L/h。设计污泥最大回流比为100%，最大回流量为25 L/h。设计清水池排水量等于进水量，为25 L/h。所需最大空气用量Q_v按公式(1)计算得出Q_v为5.5 L/min。因此设计曝气和气提用气量为14.5 L/min，曝气风压不低于11 Kpa。好氧池采用悬浮球生物填料，填料由聚氨酯球形外壳以及内部聚氨酯海绵块组成。

$Q_v=\frac{QKH}{23\lg \left(\frac{h+10}{10}\right)n}$ (1)

式中：Q_v为空气用量(m³/h)；K为安全系数，取1.2；H拟提升高度，本次设计高度为0.1 m，Q为回流流量(m³/h)；h为最小浸没水深，取1.5倍H值；n为效率系数，取0.35。

3. 试验材料与方法

3.1. 试验材料

为验证一体化设备污水处理效果，本研究在位于长沙市春华镇的湖南省灌溉试验中心站内进行现场试验，污水为该试验站内工作人员生活污水，污水经化粪池处理后悬浮性有机物明显降低，COD在有机物浓度COD在100~400 mg/L之间。接种活性污泥为长沙岳麓区某污水处理厂沉淀池污泥。本次试验装置由一体化污水处理设备、进水泵、鼓风机组成，其中一体化处理设备按本研究设计尺寸采用PPR制作，本次提水泵选择机械电磁隔膜计量泵，型号为GM 0~90 L/0.8 Mpa，鼓风机选择罗茨鼓风机HG-370，最大风压12 kpa，最大风量54 m³/h。一体化设备人工湿地底层填充细沙，选择狐尾藻作为净化植物，经过湿地处理后的水最终排出。

3.2. 试验方法

本次试验设置的进水量为25 L/h，水力停留时间为16.8 h，其中厌氧池、缺氧池、好氧池、沉淀池、清水池和人工湿地水力停留时间分别为2 h、3 h、7 h、1.3 h、1.3 h和2.2 h，试验水温度为15℃~25℃。硝化液回流比200%，污泥回流比50%。待设备运行稳定后，每天17:00进行取样测定水质COD、TN、TP、氨氮和PH指标情况。

COD采用重铬酸钾分光光度法测定，氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定，pH采用便携式pH计测定。

4. 结果与分析

4.1. COD去除效果

一体化污水设备对进出水水质COD变化情况如下图3所示，平均进水COD浓度为310 mg/L，平均出水COD浓度54 mg/L，平均COD去除率为83%。进水COD浓度为268至366 mg/L，出水COD浓度为42至68 mg/L，试验前段进水COD浓度呈增加趋势，到试验中后期进水COD浓度相对较高，但COD去除率整体相对稳定，平均去除率有所提高，这说明该设备容积负荷较好，除个别天数外，大部分出水COD浓度达到GB18918-2002一级B标准排放标准，整体COD去除效果较好。

Figure 3. COD removal in domestic sewage

图3. 生活污水COD去除情况

4.2. 氨氮去除效果

一体化污水设备对进出水水质氨氮变化情况如下图4所示，平均进水和出水氨氮浓度为分别42 mg/L和5.4 mg/L，平均氨氮去除率为87%，氨氮去除效果较好。研究显示，当好氧区溶解氧在2 mg/L左右时，缺氧区溶解氧含量低于0.5 mg/L时，氨氮在硝化和反硝化作用下被有效分解。本试验通过曝气阀门开度控制好氧池进气量，使好氧池溶解氧浓度控制在2~3.5 mg/L，缺氧池溶解氧浓度低于0.8 mg/L，为去除氨氮提供稳定的环境。试验前7天平均进水氨氮浓度为39 mg/L，去除率为81%；到试验中后期进水氨氮浓度略增高，但氨氮去除率有所提高，平均氨氮去除率达90%，这说明该设备容积负荷较好。出水氨氮浓度除第一天超过8 mg/L外，其余时间分出水氨氮浓度均达到GB18918-2002一级B标准排放标准。

Figure 4. Ammonia nitroge removal in domestic sewage

图4. 生活污水氨氮去除情况

4.3. 总氮去除效果

一体化污水设备对进出水水质总氮变化情况如下图5所示，稳定运行后，平均进水和出水总氮浓度为分别63 mg/L和16 mg/L，平均氨氮去除率为75%。进水总氮浓度相对稳定，试验期进水浓度为59~69 mg/L，出水总氮浓度为11~19 mg/L，出水总氮浓度达到GB18918-2002一级B标准排放标准。总氮去除主要通过硝化和反硝化作用分解，硝化液回流比是影响总氮去除的重要因素，研究表明硝化液回流比控制在200%至300%比较适宜。本次运行结果总氮去除率较氨氮低，出水总氮主要由氨氮和硝氮组成，其中硝氮占比较大，氨氮约占总氮34%，这可能是由于运行设定硝化液回流比偏低，好氧池溶解氧量偏高，导致厌氧池反硝化不足而造成的现象。

Figure 5. Total nitrogen removal in domestic sewage

图5. 生活污水总氮去除情况

4.4. 总磷去除效果

进出水水质总氮变化情况如下图6所示，平均进水和出水总磷浓度为分别3 mg/L和0.9 mg/L，平均氨氮去除率为71%。整体进水总磷浓度不高，总磷浓度为2.2~3.6 mg/L，出水总磷浓度在0.6~1.2，出水达到GB18918-2002一级B标准排放标准，总磷去除率在67%~76%之间。传统AAO工艺需要严格控制各项运行参数实现高效除氮脱磷，一定程度上增加了运行维护的难度。本设备结合人工湿地基质吸附和水生植物吸收除磷，保证了除磷效果，降低了运行要求。

Figure 6. Total phosphorus removal in domestic sewage

图6. 生活污水总磷去除情况

5. 结论

本研究针对农村分散性生活污水特征及处理现状，基于AAO和人工湿地污水处理工艺，设计制作一种一体化污水处理设备，并对设备开展了污水处理效果研究，得出以下结论：

(1) 相较于传统AAO工艺，该设计减少了回流泵的使用，结合人工湿地工艺，保证了污水处理效果，降低了运行维护成本。

(2) 在不外加碳源和化学药剂的前提下，运行参数硝化液回流比为200%，污泥回流比为50%，好氧池溶解氧在2~4 mg/L时，设备对污水COD、氨氮、总氮去除效果较好，去除率分别为83%、87%、75%；对总磷的去除效果相对较低，去除率为71%。

(3) 一体化污水处理处理具有一定的抗冲击负荷，处理后水质基本达到GB18918-2002一级B标准排放标准。

基金项目

湖南省水利水电科学研究院优秀人才培养支撑项目(202104)、国家自然基金联合基金项目(U21A2010)、湖南省水利科技项目(XSKJ2023059-21)。