改良SBR 工艺处理分散式农村生活污水效能研究

张鼎强，蔡天洲，杨 帆，刘张静，刘待成，张 霞，恽云波，郭 勇，李 果，罗 森，杨 超

（1.德汶环保科技有限公司，四川成都 610073； 2.中国石油四川石化有限责任公司，四川成都 611930；3.四川大学化学工程学院，四川成都 610207）

随着农村地区经济发展和居民生活水平的提高，农村生活污水的排放量不断增加。农村生活污水主要包括人类、家禽粪尿及洗浴、洗涤、厨房废水等，其中有机物、氮、磷等污染物含量较高〔1〕。由于农村生活污水具有量少、分散、远离排污管网等特点，通常不经任何处理直接就近排放，致使农村地区水体黑臭及富营养化现象加剧，对农村生态环境和居民生活造成不良影响〔2-3〕。

我国高度重视农村生活污水治理工作，目前，全国各地正大力兴建农村生活污水处理设施，并取得了一定成效。然而，现有农村污水处理设施大多存在投资和运行费用高、运行维护复杂、处理后出水难以长期稳定达标等问题，推广应用困难。同时，随着乡村振兴和新农村建设的不断推进，我国对农村生活污水处理后出水的排放要求逐渐提高〔4〕，现有农村污水处理设施面临巨大挑战。因此，开发高效率、低投资、低能耗、运行维护简单的农村生活污水处理工艺及设备，对提高农村生活污水处理效能、助力新农村建设具有重要意义。

目前，应用于农村生活污水处理的技术较多，其中，序批式活性污泥法（SBR）因其工艺简单、运行灵活、处理效率高、抗冲击负荷能力强、占地面积小、基建费用低等优点，已成为国内外广泛研究的热门污水生化处理工艺〔5〕。同时，伴随着自动化控制和在线监测技术的飞速发展，SBR 工艺在农村分散式生活污水处理中表现出广阔的应用前景。然而，由于农村地区经济条件等因素的限制，传统SBR 工艺仍难以满足农村生活污水处理的高效率、低成本和低能耗等要求。因此，对传统SBR 工艺及设备进行改进和完善，是解决农村生活污水污染问题的重要途径之一。

针对农村生活污水排放分散、水质水量波动大以及现有污水处理设施运行费用高、难以稳定达标等问题，本研究将两种改良SBR 工艺应用于农村生活污水处理，并考察其对污染物的去除效能，以期为农村生活污水处理提供可行方案和技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验装置

两种SBR 工艺采用两种不同型号的设备，并以相同结构和尺寸的罐体作为池体，如图1 所示。罐体材质为玻璃钢，圆柱形结构，被中间隔板平均分为两部分，一部分作为预处理区兼贮泥池，另一部分作为反应区兼沉淀区，SBR 的主体设备置于中间隔板上。罐体内径、高度及有效容积分别为2.3 m、3.5 m 和14.5 m3。

图1 两种改良SBR 工艺示意Fig. 1 Schematic diagram of two improved SBR processes

Ⅰ型设备以气提装置为主体，通过特殊浮球阀控制气体走向，实现曝气和气提功能的自动切换，从而依次实现SBR 一个周期的反硝化、硝化、沉淀、排水4 个阶段。每一个周期开始，污水经污水管道进入预处理区后，通过隔板上设置的连通管进入反应区。系统首先进入反硝化阶段，气泵间歇工作（开1 min，停9 min），对反应区污水进行间歇搅拌；随后系统进入硝化阶段，气泵间歇工作（开4 min，停6 min），对反应区污水进行搅拌和曝气充氧；当反应区水位达到设定的最高液位时，系统结束硝化阶段，进入沉淀阶段；待沉淀阶段结束，浮球阀自动切换，气泵开启，空气依次通过气提装置和气提管，在气提作用下进行排水；待水位达到设定的最低液位时，系统结束排水，进行下一个周期循环。此外，通过气提装置还可实现排泥及污泥回流，污泥可经缓冲槽返回到预处理区。该设备通过气提装置设计，实现集曝气、排水及污泥回流三大功能于一体，整个系统无任何水泵及电磁阀等设备，系统根据罐体内液位自动运行，工艺操作运行简单，自动化程度高，运行维护成本低。

Ⅱ型设备以气泵和水泵为主体，其整体工艺流程每个周期亦依次为反硝化、硝化、沉淀、排水4 个阶段。每一个周期，系统首先进入反硝化阶段，预处理区污水被泵入反应区，气泵间歇开启（开1 min，停9 min），对反应区污水进行间歇搅拌；进入硝化阶段，气泵间歇开启（开4 min，停6 min），对反应区污水进行搅拌和曝气充氧；当反应区水位达到设定的最高液位时，硝化阶段结束，进入沉淀阶段；沉淀阶段结束，水泵开启，进行排水，水位达到设定的最低液位时结束排水，系统进行下一个周期循环。该设备通过控制装置，仅需一台潜污泵，即可同时满足进水、污泥回流及排水三大功能，无需配置污泥回流泵及排水泵，相比于传统SBR 工艺可减少一台泵的使用，也在一定程度上减少了设备的故障率。

两种型号设备的控制器均设置有节能模式和超级节能模式，若24 h 内无污水进入或仅有少量污水进入，系统将自动切换为节能模式，48 h 后仍无污水进入或少量污水进入，系统将自动切换为超级节能模式。

1.2 实验过程

实验在四川省某乡镇污水处理站内进行，污水处理工艺流程如图2 所示。Ⅰ型设备和Ⅱ型设备所对应的SBR 分别记为R1 和R2，两种SBR 工艺的运行参数见表1。

表1 两种SBR 工艺的运行参数Table 1 Operation parameters of the two SBR processes

图2 污水处理工艺流程Fig. 2 Flow of sewage treatment process

生化处理系统的启动采用直接启动法。将接种污泥与生活污水在罐内充分混合，闷曝2 d，随后在保持水力停留时间为8 h 的条件下连续进水，待出水水质趋于稳定则完成启动，紧接着进入实验阶段。实验进水取自各罐体前端的预处理区，CODCr、NH3-N、TN、TP 分别为108~436、7~48、8~70、0.8~6 mg/L，其水质指标能较好地代表当地农村生活污水的水质。

实验分为两个阶段，第1~15 天为第一阶段，处理量为1.0 m3/d，第16~25 天为第二阶段，处理量为1.2 m3/d。整个实验期间，每天对各罐体进出水的CODCr、NH3-N、TN、TP 等水质指标进行监测，以考察两种改良SBR 工艺的处理效能。CODCr、NH3-N、TN 和TP 等水质指标均采用国家标准方法〔6〕进行测定。

2 结果与讨论

2.1 CODCr去除效果

两种SBR 工艺对CODCr的去除效果见图3。

图3 R1 和R2 对CODCr的去除效果Fig. 3 CODCr removal effects of R1 and R2

从图3 可以看出，在第一阶段，处理量为1.0 m3/d 时，两种SBR 均对CODCr表现出很好的去除效果，R1 出水CODCr为20~96 mg/L，平均去除率为78%；R2 出水CODCr为33~75 mg/L，平均去除率为68%。相比之下，R1 对CODCr的去除效果更佳，平均去除率较R2 高出10%。

在第二阶段，处理量从1.0 m3/d 提升至1.2 m3/d，生化系统受到一定的水力负荷冲击，但两种SBR 仍然能够维持很好的CODCr去除效果，R1 出水CODCr为11~72 mg/L，平均去除率为83%；R2 出水CODCr为16~82 mg/L，平均去除率为84%，去除效果与R1相当。相较于第一阶段，R1 和R2 在第二阶段的CODCr去除率波动幅度更小，且对CODCr的平均去除率有所增加，其主要原因在于：污泥经第一阶段的培养及驯化后，其异养菌的数量增加，生化系统的除碳能力得到提升，从而表现出更好的CODCr去除效果。

基于以上结果可知，在进水量不超过1.2 m3/d的条件下，两种改良SBR 工艺均能实现对CODCr的高效去除，其出水CODCr均能稳定达到四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 51/2626—2019）中的三级标准（CODCr≤100 mg/L）。此外，根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）中的一级A 标准要求（CODCr≤50 mg/L），在连续25 d 的监测结果中，R1 有19 d 达标，R2 有12 d 达标，因此，从除碳潜力来看，R1 更具优势。

2.2 氨氮去除效果

两种改良SBR 工艺对NH3-N 的去除效果见图4。

图4 R1 和R2 对NH3-N 的去除效果Fig. 4 Ammonia removal effects of R1 and R2

从图4 可以看出，在整个实验阶段，R1 和R2 对NH3-N 的去除能力相当，均可实现对NH3-N 的高效去除。R1 出水NH3-N 为0.1~7.6 mg/L，平均去除率为92%；R2 出水NH3-N 为0.6~7.7 mg/L，平均去除率为93%。两种SBR 工艺的出水NH3-N 均能稳定达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 51/2626—2019）中的一级标准（NH3-N≤8 mg/L）。此外，当处理量从1.0 m3/d 增加到1.2 m3/d 时，R1 和R2对NH3-N 的去除效率均未受到明显影响，其主要原因在于硝化阶段的反应时间和溶解氧充足，两个生化系统内均培养出了大量高活性硝化细菌，从而保证了生化系统高效的NH3-N 去除能力。

2.3 总氮去除效果

SBR 工艺的脱氮原理主要是利用反硝化细菌在反硝化过程中以有机质作为电子供体，硝酸盐作为电子受体，最终将硝酸盐还原为N2，从而实现对废水中氮素的去除〔7〕。R1 和R2 对TN 的去除效果见图5。

从图5 可以看出，在第一阶段，当处理量为1.0 m3/d 时，两种SBR 均对TN 表现出良好的去除效果，R1 出水TN 为0.3~9.0 mg/L，平均去除率为87%；R2出水TN 为2.3~11.9 mg/L，平均去除率为72%。相比之下，R1 对TN 的去除效果更好，平均去除率较R2高出15%。

在第二阶段，当处理量从1.0 m3/d增加到1.2 m3/d时，两个SBR 对TN 的去除率大幅下降，且出现明显波动现象。R1 出水TN 为7.7~32.3 mg/L，平均去除率为50%；R2 出水TN 为12.9~30.9 mg/L，平均去除率为57%。这主要是因为生化系统内大量好氧异养菌对有机质具有竞争优势，致使反硝化阶段缺乏碳源，从而使得生化系统对TN 的去除效率下降。

根据以上结果，并结合农村生活污水的水质特征，可以认为，当处理量不超过1.0 m3/d 时，两种改良SBR 工艺在无任何碳源投加的情况下均能获得良好的脱氮效果，其出水TN 均在15 mg/L 以下，满足《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 51/2626—2019）中的一级标准（TN≤20 mg/L），并且R1 对TN 的去除更具优势。

2.4 总磷去除效果

SBR 工艺的除磷原理是在厌氧-好氧交替运行的条件下，利用聚磷菌厌氧释磷及好氧超量吸磷的特性，使过量吸收的磷贮存在聚磷菌体内，最终通过排放富含磷的剩余污泥而达到除磷的目的〔7〕。因此，定期排泥是实现高效除磷的重要前提。在本研究中，为探究两个改良SBR 的适宜污泥龄参数，整个实验阶段并未进行排泥。两种SBR 工艺对TP 的去除情况见图6。

图6 R1 和R2 对TP 的去除效果Fig. 6 Total phosphorus removal effects of R1 and R2

由图6 可知，在第一阶段，当处理量为1.0 m3/d时，R1 和R2 均对TP 表现出良好的去除效果，R1 出水TP 为0.03~0.42 mg/L，平均去除率为93%；R2 出水TP 为0.07~1.50 mg/L，平均去除率为71%。相比之下，R1 对TP 的去除效果更佳，平均去除率较R2高出22%。在此阶段，两种SBR 工艺处理后出水TP均能稳定达到《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 51/2626—2019）中的一级标准（TP≤1.5 mg/L）。

在第二阶段，第16 天将处理量从1.0 m3/d 突然增加到1.2 m3/d，R1 和R2 仍表现出良好的TP 去除效果，这说明水力负荷冲击并未对TP 去除产生明显影响。然而，从第17 天起，R1 对TP 的去除率出现大幅波动，出水TP 为0.44~2.6 mg/L，平均去除率为64%。同时，在第17~25 天，R2 对TP 的去除率呈连续下降的趋势，从92% 下降到25%，出水TP 为0.39~3.79 mg/L，平均去除率为60%。基于生物除磷原理可以推断，R1 和R2 在第二阶段对TP 去除效果明显变差的原因主要是系统运行过程中未进行排泥，活性污泥的泥龄过长，导致聚磷菌过量吸收的磷被部分释放，从而使得出水TP 增加。因此，为保证出水TP 稳定达标，在两种改良SBR 生化系统连续运行约15 d后应对其进行排泥。从除磷潜力角度看，R1 更具优势。

2.5 能耗分析

低能耗是实现农村生活污水低成本处理和正常运行的重要前提之一。对两个SBR 生化系统连续运行25 d 的能耗进行监测，结果表明，R1 和R2 的总耗电量分别为16.42 kW∙h 和58.26 kW∙h，平均日耗电量分别约为0.66 kW∙h 和2.33 kW∙h。由此可见，R1 的能耗远低于R2，其平均日耗电量仅为R2 的28%。因此，R1 在节能方面较R2 具有明显优势，可大幅度降低运行费用。

3 结论

1）实际运行效果表明，在处理量不超过1.0 m3/d的设计条件下，两种改良SBR 工艺均可实现对农村生活污水的高效处理，其处理后出水NH3-N、TN 及TP 均能稳定达到四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》（DB 51/2626—2019）中的一级标准，出水CODCr稳定达到其三级标准。

2）相比于Ⅱ型设备（R2），Ⅰ型设备（R1）在污染物去除潜力和节能等方面更具优势，在处理量为1.0 m3/d 的条件下，R1 的CODCr、TN、TP 平均去除率较R2 分别高出10%、15%和22%，其平均日耗电量（0.66 kW∙h）仅为R2 的28%，运行及维护费用低，具有更好的推广应用价值。