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當(dāng)前我國許多地區(qū)水體富營養(yǎng)化問題依然突出，而農(nóng)村生活污水是主要氮、磷污染源之一，對于農(nóng)村生活污水高效脫氮除磷技術(shù)的研究與應(yīng)用仍顯不足。在農(nóng)村生活污水處理領(lǐng)域，生態(tài)處理技術(shù)備受推崇，但仍存在占地面積大等弊端，限制了其在土地資源相對緊張地區(qū)的應(yīng)用。與生態(tài)處理技術(shù)相比，生物處理技術(shù)占地面積相對較小，但因農(nóng)村生活污水C/N普遍較低，采用傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝處理時，往往需要外加碳源，從而導(dǎo)致處理成本大幅增加。

反硝化除磷技術(shù)在缺氧段以NO3--N作為電子受體完成聚磷過程，實現(xiàn)了“一碳雙用”，相對傳統(tǒng)脫氮除磷工藝，最高可節(jié)省50%的碳源消耗、35%的曝氣能耗，在處理低C/N污水方面優(yōu)勢突出。但A2N等現(xiàn)有反硝化除磷工藝流程較為復(fù)雜，目前幾乎未見該類工藝應(yīng)用于農(nóng)村生活污水處理的工程案例報道。

針對上述問題，聯(lián)合SBR與生物接觸氧化（BCO）工藝，開發(fā)了一種新型反硝化除磷工藝（SBR-BCO反硝化除磷工藝），在同一反應(yīng)器內(nèi)實現(xiàn)厭氧、缺氧、好氧的時間交替，無需污泥回流，結(jié)構(gòu)簡單，可實現(xiàn)全程自動控制。此外，該工藝整體上采用序批運行方式，能夠根據(jù)實際水量、水質(zhì)調(diào)整SBR運行周期及各階段反應(yīng)時間比，可在一定程度上應(yīng)對農(nóng)村生活污水水量波動較大的問題。以江蘇省常州市新北區(qū)西夏墅鎮(zhèn)某村的生活污水處理工程為例，介紹SBR-BCO反硝化除磷工藝對實際農(nóng)村生活污水的處理效果。

1、設(shè)計水量和進、出水水質(zhì)

該村建有完善的污水收集管網(wǎng)系統(tǒng)，采用雨污分流排水體制。所收集的生活污水包括沖廁污水及洗浴、餐廚污水等，設(shè)計處理規(guī)模為20m3/d，根據(jù)前期水質(zhì)調(diào)查結(jié)果，污水處理設(shè)施設(shè)計進水水質(zhì)如表1所示。

設(shè)計出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)。

2、工藝流程與設(shè)計參數(shù)

2.1 工藝流程

人工濕地等生態(tài)處理技術(shù)具有成本低、操作簡單等優(yōu)點，是農(nóng)村生活污水處理的優(yōu)選技術(shù)之一，但該村可供建設(shè)污水處理設(shè)施的土地面積有限，且出水水質(zhì)要求較高，使得生態(tài)處理技術(shù)難以實施。相比較而言，生物處理工藝容積負(fù)荷高、占地面積小、溫度適應(yīng)性強，較適宜作為該村生活污水處理的主體工藝，但較低的C/N一直是困擾農(nóng)村生活污水生物脫氮除磷的難題?？紤]到反硝化除磷技術(shù)在處理低C/N污水方面的技術(shù)優(yōu)勢，項目建設(shè)單位決定將該村作為試點，開展SBR-BCO反硝化除磷工藝的工程示范，嘗試通過該工藝的應(yīng)用，提升碳源利用效率，在不投加碳源或化學(xué)除磷藥劑的情況下使出水水質(zhì)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

該村污水處理的整體工藝流程：污水經(jīng)格柵進入調(diào)節(jié)池，再由潛污泵提升至SBR-BCO反硝化除磷系統(tǒng)，處理出水達(dá)標(biāo)排放。

2.2 SBR-BCO反硝化除磷工藝原理

該工藝主要組成見圖1，SBR、BCO為兩個主要反應(yīng)單元。SBR包括厭氧、缺氧、好氧（后曝氣）3個反應(yīng)階段。厭氧階段結(jié)束并通過沉淀進行泥水分離后，將厭氧上清液排至中間水池2，繼而將存儲于中間水池1的富磷硝化液提升至SBR，隨后依次進行缺氧、好氧反應(yīng)。中間水池1排水完畢，將中間水池2的厭氧上清液以一定流量連續(xù)提升進入BCO，BCO出水送入中間水池1存儲，在下一周期缺氧反應(yīng)階段開始前送入SBR。好氧階段結(jié)束后，再次沉淀，排出上清液（最終出水）。

SBR-BCO反硝化除磷系統(tǒng)的主要生化代謝機理見圖2。在SBR厭氧反應(yīng)階段，部分有機物經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為VFA，聚磷菌分解體內(nèi)聚磷顆粒（Poly-P）產(chǎn)生能量（ATP），通過主動運輸方式吸收VFA，聯(lián)合體內(nèi)糖原（Gly）合成聚羥基脂肪酸酯（PHA）。在缺氧、好氧反應(yīng)階段，聚磷菌分別以NO3--N、O2為電子受體分解PHA生成糖原，并利用所產(chǎn)生的ATP吸收磷酸鹽合成聚磷顆粒。缺氧階段可同步實現(xiàn)磷酸鹽的吸收和反硝化（反硝化聚磷），解決了生物除磷和脫氮之間的碳源競爭問題。

BCO單元通過好氧硝化作用將厭氧上清液中的NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N，作為SBR缺氧反應(yīng)階段的電子受體。BCO單元填充組合填料作為生物膜載體，用以提升反應(yīng)器內(nèi)生物量，進而提高硝化反應(yīng)速率；此外，厭氧階段對碳源的大量消耗（通過厭氧釋磷、普通反硝化等作用），大幅降低了進入BCO單元的有機物濃度，從而減小了異養(yǎng)菌對溶解氧的競爭，可為硝化反應(yīng)創(chuàng)造有利條件。

本工藝中SBR與BCO的污泥系統(tǒng)相互獨立，兩單元僅通過中間水池交換上清液，屬典型的雙污泥系統(tǒng)，解決了聚磷菌與硝化菌之間的污泥齡矛盾。同時，本工藝充分利用序批式反應(yīng)器的優(yōu)勢，在SBR單元實現(xiàn)了厭氧/缺氧/好氧的時間交替，節(jié)省了多個處理構(gòu)筑物，且各階段反應(yīng)時間可獨立設(shè)置，增大了參數(shù)調(diào)控空間。SBR與BCO兩個單元均無需污泥回流，在一定程度上減少了工藝操作的復(fù)雜性，并有利于節(jié)約能耗。

2.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

①調(diào)節(jié)池

設(shè)置1座地埋式調(diào)節(jié)池，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計停留時間為1d，有效容積為20m3，調(diào)節(jié)池內(nèi)配置無堵塞潛污泵2臺（1用1備），設(shè)計流量為20m3/h，揚程為105kPa。

②SBR-BCO一體化處理設(shè)備

SBR與BCO單元采用一體化設(shè)計，設(shè)備主體為碳鋼材質(zhì)，地上式安裝，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尺寸為2.5m×1.9m×0.2m，承重25t。

SBR的設(shè)計參數(shù)主要依據(jù)設(shè)計水量、水質(zhì)以及預(yù)試驗結(jié)果確定。每天運行2周期，每周期12h，包括進水1h（進原水及硝化液各0.5h）、厭氧3h、缺氧3h、好氧1h、沉淀3h（厭氧、好氧階段結(jié)束后各沉淀1.5h）、排水1h（排厭氧上清液及最終出水各0.5h），污泥濃度維持在2000~2500mg/L，污泥齡10~15d。SBR單元尺寸為3.6m×1.5m×2.5m，超高0.3m。底部鋪設(shè)215型微孔曝氣器35個，設(shè)計氣水比為3∶1。設(shè)備：風(fēng)機2臺（1用1備，風(fēng)量0.33m3/min，風(fēng)壓30kPa）；潛水?dāng)嚢杵?臺（2用1備，功率為0.37kW，2臺攪拌器安裝于反應(yīng)器底部，交替運行）；浮筒式潷水器1臺，流量為20m3/h，最大潷水深度1.8m。

BCO單元總尺寸為1.5m×1.55m×2.5m，超高0.3m，設(shè)計水力停留時間為4.6h，進水流量采用閥門聯(lián)合浮子型液體流量計調(diào)控。在BCO單元出水端以隔板分隔出沉淀區(qū)域，尺寸為1.2m×0.3m×2.5m。反應(yīng)區(qū)內(nèi)部懸掛?150mm×80mm組合填料，底部鋪設(shè)215型微孔曝氣器9個，配置風(fēng)機2臺（1用1備，風(fēng)量0.15m3/min，風(fēng)壓30kPa）。BCO單元的氣水比同樣為3∶1。由于BCO單元設(shè)計風(fēng)量較小，采用間歇曝氣方式運行。

③中間水池

2座中間水池位于SBR-BCO一體化處理設(shè)備兩側(cè)，為地埋式玻璃鋼罐體，長3.8m，罐體的橫截面為圓形，半徑1m。中間水池1配套潛污泵2臺（1用1備，流量20m3/h，揚程105kPa）；中間水池2配套潛污泵2臺（1用1備，最大流量1m3/h，揚程100kPa）。

④自動控制

采用PLC控制柜配合連桿浮球液位控制器、電磁閥（DF80）、時間繼電器等控制部件實現(xiàn)全程自動控制，所有運行參數(shù)可通過觸屏手動調(diào)節(jié)。PLC控制柜置于設(shè)備間，設(shè)備間尺寸為4m×2.5m×2.5m，彩鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部同時安裝風(fēng)機等設(shè)備。

3、運行效果及技術(shù)經(jīng)濟分析

該工程于2018年12月底建成運行，SBR進、出水容積交換率為0.725，實際處理水量為17.2m3/d，與設(shè)計處理水量較為接近。

接種污泥取自常州市新北區(qū)某A2/O工藝污水處理廠。整個處理系統(tǒng)運行15d后達(dá)到相對穩(wěn)定的處理效果，之后每隔3~5d采集一次水樣，連續(xù)3個月監(jiān)測各主要反應(yīng)階段（單元）COD、NH4+-N、NO3--N、TN、TP濃度。水溫為11~16℃。盡管運行期間溫度較低，但因接種污泥已經(jīng)歷過較長時間的低溫馴化，處理過程中依然表現(xiàn)出較好的生化代謝性能。

3.1 主要污染物去除效果

主要污染物去除效果見圖3。運行期間，進水COD、NH4+-N、TN、TP濃度分別為121.8~209.0、21.0~37.7、23.5~40.1、1.77~3.47mg/L，出水COD、NH4+-N、TN、TP分別降至21.4~29.9、0.1~1.86、7.4~14.9、0.12~0.49mg/L，以上污染物的平均去除率分別為83.0%、92.5%、60.5%、85.1%，出水水質(zhì)滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)。

通過物料衡算得出各污染物的平均去除貢獻率分布（見圖4）。厭氧階段耗氧過程消耗的有機物量根據(jù)該階段溶解氧的去除量計算；以外加碳源為電子供體的普通反硝化過程所消耗的COD量，按NO3--N去除量的2.86倍估算。

聚磷菌在厭氧反應(yīng)階段充分吸收污水中有機物并轉(zhuǎn)化為PHA存儲（厭氧釋磷），是反硝化聚磷過程發(fā)生的一個基本前提。該工程設(shè)置了較長的厭氧反應(yīng)時間，使被去除的有機物大部分消耗于SBR的厭氧反應(yīng)階段，該階段對COD去除的平均貢獻率達(dá)到了74.3%。厭氧階段溶解氧對有機物的消耗量極小，普通反硝化是與反硝化聚磷過程競爭碳源的主要反應(yīng)過程。進、排水時采用了較高的容積交換率（0.725）以減少上一周期殘留的硝酸鹽量，使厭氧段普通反硝化過程所消耗的碳源僅占該階段碳源消耗總量的14.2%。厭氧階段81.7%的碳源消耗應(yīng)發(fā)生在污泥厭氧釋磷等其他過程，除去發(fā)酵過程產(chǎn)生的少量有機物損失以及異養(yǎng)菌缺氧生長同化的部分碳源，其余應(yīng)主要用于聚磷菌胞內(nèi)PHA的合成。

在所設(shè)計的SBR-BCO反硝化除磷系統(tǒng)中，缺氧段反硝化聚磷的NO3--N電子受體主要來自BCO出水。在排出厭氧上清液時，較高的容積交換率使大部分NH4+-N在BCO單元被去除，BCO單元對NH4+-N去除的貢獻率為70.4%，被去除的NH4+-N除少部分用于微生物生長外，多數(shù)應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N。

該工藝將SBR的缺氧段設(shè)在好氧段之前，并設(shè)置足夠長的缺氧反應(yīng)時間，令厭氧階段合成的PHA優(yōu)先用于反硝化聚磷過程。SBR厭氧段合成的PHA大部分（約82.9%）在缺氧段被消耗，同步實現(xiàn)了較好的缺氧聚磷及脫氮效果，該階段的聚磷量占總聚磷量的66.1%，對TN去除的貢獻率達(dá)到了62.7%。SBR缺氧段僅消耗了極少量的有機物（見圖4），表明該階段的普通反硝化作用可以忽略，TN的去除應(yīng)主要來自以PHA為電子供體的反硝化聚磷過程（包括同步發(fā)生的異養(yǎng)菌的缺氧生長）。

以上分析表明，該工程所采用的工藝通過強化反硝化聚磷過程，優(yōu)化了碳源的分配利用，是實現(xiàn)較好污染物去除效果的一個重要因素。需要說明的是，SBR最后的好氧階段對整個系統(tǒng)的污染物去除效果起到了保障作用。該階段可去除未排入BCO單元的厭氧上清液中殘留的NH4+-N；同時，由于缺氧聚磷量受限于NO3--N電子供體數(shù)量，SBR好氧段可繼續(xù)以氧為電子受體聚磷，使TP進一步降低。

3.2 技術(shù)經(jīng)濟分析

農(nóng)村生活污水處理設(shè)施運行成本包括電費、藥劑費、人工費等。其中電費、藥劑費與處理工藝直接相關(guān)。實際運行過程中的設(shè)備耗電量如表2所示，各用電設(shè)備的運行時間由工藝運行方式及運行參數(shù)決定。該工程電耗為15.9kW·h/d，實際處理水量為17.2m3/d，則耗電量為0.93kW·h/m3。電價按0.67元（/kW·h）計，折算電費為0.62元/m3。進入BCO單元厭氧上清液中的有機物濃度相對于原水有機物濃度顯著降低，需氧量相應(yīng)減??；SBR缺氧段對污泥體內(nèi)PHA的大量消耗亦降低了好氧段的溶解氧需求。因此，BCO、SBR好氧段均采用了較低的氣水比（3∶1），可在一定程度上節(jié)約運行能耗。

運行期間未投加任何藥劑，不產(chǎn)生藥劑成本。需要說明的是，是否投加藥劑與具體的進水水質(zhì)有關(guān)，盡管反硝化除磷工藝可在一定程度上實現(xiàn)碳源的優(yōu)化利用，但當(dāng)原水C/N過低，或者進水磷酸鹽濃度過高時，仍可能需要外加藥劑輔助提升處理效果。

人工費與工程所在地的經(jīng)濟水平、人力資源以及污水處理設(shè)施運營模式有關(guān)，因此未對該部分進行計算。該工藝實現(xiàn)了全流程自動控制，操作管理方便，人力需求應(yīng)不高于現(xiàn)有的其他生物脫氮除磷工藝。

4、結(jié)論與展望

①聯(lián)合SBR與接觸氧化（BCO）開發(fā)了一種新型反硝化除磷工藝，結(jié)合在江蘇省常州市新北區(qū)西夏墅鎮(zhèn)某村的生活污水處理工程實例，分析了污染物去除過程與效能。運行結(jié)果表明，該工藝通過強化反硝化聚磷過程優(yōu)化了碳源的分配利用，獲得了較好的處理效果，對COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分別為83.0%、92.5%、60.5%、85.1%，出水水質(zhì)滿足一級A標(biāo)準(zhǔn)。

②運行期間生活污水平均C/N>4，未投加任何化學(xué)藥劑；電耗為0.93kW·h/m3，電價按0.67元（/kW·h）計，折算電費為0.62元/m3。整個工藝實現(xiàn)了全流程自動控制，操作管理方便。

③工藝整體上為序批式運行，理論上在應(yīng)對水量波動上更具優(yōu)勢，但實際運行期間水量相對穩(wěn)定，今后仍需在不同運行工況下進行更多驗證。此外，工藝整體上包含多個相互關(guān)聯(lián)的反應(yīng)過程，今后可構(gòu)建工藝數(shù)學(xué)模型，輔助工藝的設(shè)計和運行調(diào)控。