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乡村振兴战略是我国当前重要的发展战略。在乡村建设发展过程中，人们已更加注重生态环境的有效利用与保护[1]。其中，水污染治理是农村环境治理的重要工作，亦为改善农村人居环境的核心工作内容。我国农村生活污水主要包括餐厨污水、冲厕污水、洗涤污水以及畜禽污水等。农村生活污水具有污染面广、来源多、成分复杂、分散且不易收集等特点[2]。同时，农村生活污水水质水量变化大，污水明显表现为间歇排放，日变化系数一般可达3.0~5.0[3]。而且，由于受到作物生长、地理环境、气候等多种因素的影响，不同农村地区不同季节排放的水质水量均不同[4]。例如，江苏省农村地区人均污水排放量为64.1~118.6 L·d−1[5]；月平均COD为62.1~234.7 mg·L−1，四季平均COD分别为205.9、93.8、89.6和255.9 mg·L−1，水质水量波动明显[6]。
我国农村污水多采用分散式处理的方式[7-8]，处理技术主要分为生物处理、生态处理和组合处理技术。其中，生物处理主要采用一体化处理设备[9-10]。虽然近年来各地农村生活污水处理设施数量及处理能力显著提升[11-12]，但仍有很多问题亟待解决。尤其是随着农村污水处理要求的提高，在水质水量波动明显的情况下，处理效果往往达不到预期要求[13-14]。
目前，农村污水一体化处理设备的研究多从工艺改进与优化、运行管理控制智能化和处理技术新型化等方面展开[15]。针对现有的问题与需求，对于一体化污水处理技术与设备的要求一般包括：1)处理效果稳定、抗波动；2)维护管理简单、自动化程度高；3)低能耗；4)高度集中化、节约土地[16]。本研究应用基于Engelbart SST技术开发的一体化污水处理设备对农村生活污水进行处理，并对其实际应用情况进行考察评估。该技术采用生化反应/沉淀一体化设计形式，集成微氧曝气、空气提升、大比例循环技术，具有较高的处理效率以及节能、抗波动特性。该一体化设备的开发和推广可为提高农村污水处理的稳定性和降低污水处理设施运行成本提供新的思路。
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由于一体化处理设备所在农村住户排放的污水中含有大量的餐饮废水，含油量较高，因此在一体化设备前设置气浮除油设备进行预处理，并配置污泥浓缩设备。污水首先经过格栅，拦截去除水中漂浮物后进入调节池；调节池设计停留时间8 h，污水在此进行混合均质，降低水量水质波动对系统的影响；调节池出水通过提升泵进入气浮除油池，去除水中油类污染物；而后进入一体化设备，对COD、NH3-N、TN、TP等进行处理，处理达标后排放至清水池。处理过程中产生的污泥、浮渣经过浓缩后外运处置。工艺流程见图1。
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设备设计污水处理规模为50 m3·d−1，服务人口500人，占地80 m2。污水主要来源于农村居民生活污水及餐饮废水，设计处理目标到达《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A[17]标准，设计进出水水质如表1所示。实际运行中，进水水质与设计水质存在较大差异，进水COD为279~1 259 mg·L−1、NH3-N浓度为28.1~64.7 mg·L−1、TN浓度为30.4~65.6 mg·L−1、TP浓度为2.18~7.21 mg·L−1，水质波动较大。
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该一体化处理设备为标准集装箱尺寸撬装设备。设备主要由池体、曝气软管、鼓风机、填料、在线仪表、加药系统及控制系统组成，设备工艺如图2所示。池体体积根据处理规模以及主要设计参数确定，采用碳钢防腐或不锈钢材质，通过在池体内设置隔墙，将池体划分为若干功能区域。反应区池底布置曝气软管，曝气软管采用聚氨酯材质，氧利用率可达50%~60%，同时可实现不停机更换；反应区中部设置在线DO监测仪器，实时监测池内DO值，并反馈给曝气风机，通过变频或时间控制保证DO在设计范围内；气提区内设置气提回流管，依靠风机产生的空气为动力源，通过曝气改变局部水体密度，从而在特殊的池体结构下提高充气区液面来推动水体流动；分离澄清区内设置VR/VF 2种不同形式填料，混合液通过填料后，清水通过出水堰流出设备，污泥则随水流继续循环。
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一体化设备所采用的Engelbart SST工艺是一种使所有类型的微生物共存于“一种污泥”或者“一个微生物群落”中的均质活性污泥处理技术。利用空气提升推动反应器内水体循环流动，通过控制曝气强度，使得沿程大部分区域形成微溶解氧条件；空间上没有明显的缺氧和好氧分区，从而利用同步硝化反硝化作用去除污染物[18-19]。因此，溶解氧控制范围的设计尤为重要。有研究[18-22]发现，当DO低于0.3 mg·L−1时，硝化过程严重受阻，大部分进入反应器的NH3-N没有反应即排出系统；当DO超过0.48 mg·L−1时，氧气可穿透絮体，破坏絮体内缺氧环境；当DO为0.3~0.4 mg·L−1时，硝化效果得到改善，SND率提高。一体化设备运行中通过设置在反应池内的DO监测仪，监测反馈DO值，并控制曝气风机频率与启停，实现对反应池内DO值的有效控制，实际运行中控制DO为0.3~0.5 mg·L−1。一体化设备主要运行参数：MLSS为5 600~8 800 mg·L−1，HRT为12~15 h，回流比为1 000%~2 000%，污泥龄为20~25 d。
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水样测定方法：COD、TP浓度、TN浓度、NH3-N浓度按照文献中的方法[23]测定。
分析检测仪器：可见光分光光度计(DR3900，美国哈希公司)；溶解氧传感器(LDO® II，美国哈希公司)。
1.1. 设备及工艺流程
1.2. 进水水质与处理规模
1.3. Engelbart SST一体化设备
1.4. 工况设置
1.5. 分析方法及仪器
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1) COD去除效果。由图3可知，进水COD为279~1 259 mg·L−1。这是由于设备所在村建有农家乐，排放污水COD相比于常见农村污水更高、波动幅度更大，最高排放浓度与最低排放浓度的比值达到了4.51。在接近5个月的连续运行过程中，在来水水质波动明显的情况下，设备出水COD仍能保持在50 mg·L−1以下；只有在进水COD为1 259 mg·L−1，远远超过设计值时，出水COD会达到55.8 mg·L−1。项目平均进水COD为695.9 mg·L−1，较设计值高出74%。该设备长期在较高的负荷下运行，系统平均去除率仍可达到95.3%，故可满足设计排放要求。由于该设备采用了大比例回流，使得污染物在进入系统后快速分散稀释，从而在进水水质波动、污染物浓度突增时，有利于充分利用池容，提高抗冲击性。同时，由于该设备系统中活性污泥浓度较高，可达到5 600~8 800 mg·L−1，提高了系统的有机物降解能力，也提高了该系统对冲击负荷的适应能力。
2) NH3-N去除效果。设备进水NH3-N浓度呈现较大波动，据图4数据显示，浓度为28.1~64.7 mg·L−1，出水NH3-N浓度基本保持在5.0 mg·L−1以下。进水NH3-N平均浓度为36.95 mg·L−1，去除率可达94.9%，完全满足设计排放要求。当进水NH3-N浓度突增至64.7 mg·L−1时，出水NH3-N浓度上升至最高值5.30 mg·L−1；随着DO自动调整，出水NH3-N浓度逐渐降低，最终降至0.53 mg·L−1。
3) TN去除效果。在农村污水处理中，TN的去除效率与污水C/N、反应溶解氧、NH3-N硝化程度等密切相关。本研究中的污水大部分来自于度假村餐厨废水，COD较高、可生化性较好、运行期间进水C/N平均值超过8.6、碳源充足，为同步硝化反硝化的进行创造了有利条件。反应系统DO由设置于反应池中部的在线DO监测仪及鼓风机控制，基本保持在0.3~0.5 mg·L−1。由图5可知，设备进水TN浓度为30.4~65.6 mg·L−1，呈现出与NH3-N浓度一致的变化趋势。出水TN浓度基本低于15 mg·L−1，只有当进水TN浓度突增至65 mg·L−1以上时，由于溶解氧调整的延时性以及NH3-N硝化不充分，造成去除率降低，最高出水TN浓度出现在最大波动处，为17.8 mg·L−1。平均出水TN浓度为9.19 mg·L−1，平均去除率达到78.9%。
4) TP去除效果。在设备运行DO维持在0.3~0.5 mg·L−1的条件下，虽然反应器局部区域可形成厌氧条件，但绝大部分的生物除磷效果来自于微生物同化作用[24]；依靠微生物同化与排泥，系统在未进行化学除磷时仍具有一定除磷效果。由图6可知，设备进水TP浓度为2.18~7.21 mg·L−1。设备运行初期，在未进行化学除磷时，系统出水TP平均浓度为2.46 mg·L−1，平均去除率为55.7%。当系统正常开启同步化学除磷时，设备出水TP浓度基本低于0.5 mg·L−1，出水平均TP浓度为0.36 mg·L−1，去除率达到92.2%，满足设计要求。
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由于一体化设备内无明显的缺氧、好氧分区，因此COD、NH3-N、TN的污泥负荷按照总有效反应体积计算，COD平均负荷为0.14 kg·kg−1、NH3-N平均负荷为0.007 9 kg·kg−1、TN平均负荷为0.007 2 kg·kg−1，略高于设计值。同时，进水水质与水量具有较大的波动性；就污染物浓度而言，进水COD较设计浓度波动幅度为−30.3%~214.8%、NH3-N浓度波动幅度为12.4%~158.8%、TN浓度波动幅度为−13.1%~87.4%。通过计算实际运行负荷，分析系统在不同负荷下的处理效果，结果见图7。图7显示了设备在负荷波动情况下的处理效果，在实际运行中，COD负荷较设计值波动幅度达到−39.7%~171.0%；NH3-N与TN实际运行负荷波动幅度分别达到了−34.8%~96.9%、−45.0%~61.1%。在此条件下，除因自动调整延迟造成的个别数值超标外，出水基本达到设计要求，即出水满足COD≤50 mg·L−1、NH3-N浓度≤5.0 mg·L−1、TN浓度≤15 mg·L−1，系统具有良好的抗冲击、抗波动性。
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用于农村污水处理的一体化设备能耗主要来自于污水提升、曝气以及污泥回流。其中，曝气能耗所占比重往往超过50%。因此，合理设计DO浓度，控制曝气量，对设备节能非常重要。系统中DO浓度的高低是微生物耗氧的表观体现。如果曝气设备的可调节能力很强，能够随时做到供氧与耗氧速率相匹配，将DO浓度维持在设计值，这样的运行条件将是最经济的。然而，由于监测反馈与曝气设备的调控具有延迟性，并且曝气设备的氧转移效率在不同运行功率下也会变化，因此在实际运行中几乎不可能达到此理想状态。但是，通过对曝气系统的合理控制，使供氧速率接近系统耗氧速率仍是能够做到的，这样系统运行的DO浓度就会出现在经济的溶解氧范围内[25]。一体化设备采用了自动控制的曝气系统，通过PID控制等一系列修正手段，实现了风机与DO浓度检测反馈信号的实时联动，可在不同的水质水量条件下将系统DO浓度调整至0.3~0.5 mg·L−1。图8显示了一体化设备在不同进水COD范围下的平均能耗及组成。其中，气提风机、加药泵、控制单元能耗变化较小，曝气风机频率与工作时间随着进水负荷自动调整，能耗相应变化。系统运行能耗为0.24~0.33 kWh·m−3，节能效果较好。
2.1. 污染物去除效果
2.2. 负荷与抗波动性
2.3. 节能效果
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1)对于典型的农村生活污水，基于Engelbart SST工艺设计的一体化处理设备具有较高的去除效率，出水基本实现COD≤50 mg·L−1、NH3-N浓度≤5.0 mg·L−1与TN浓度≤15 mg·L−1；配合化学除磷，出水TP浓度≤0.5 mg·L−1。COD、NH3-N、TN、TP平均去除率分别为95.3%、94.9%、78.9%、92.2%。
2)该一体化农村污水处理设备，具有良好的抗波动性以及抗负荷冲击的能力。在系统进水水质波动明显，COD、NH3-N、TN实际运行负荷较设计值波动幅度分别达到−39.7%~171.0%、−34.8%~96.9%、−45.0%~61.1%的条件下，系统出水仍可满足设计要求。
3)一体化设备利用气提回流污泥，无需设置回流泵，设备能耗主要来源于鼓风机用电，通过自动控制系统可使设备工作在经济DO范围内，平均运行能耗为0.24~0.33 kWh·m−3。
