我国农村地区生活污水的排放具有点多、面广、量小、分散等特点,难于统一收集,治理难度很大[1-2]。现有污水处理技术基建投资及运行费用较大、管理维护不方便,农村经济实力以及技术力量很难按照常规城市生活污水处理厂的处理技术模式进行。开发高效、低能耗、低成本及运营费用低廉的一体化污水处理设备是解决农村生活污水污染问题的重要出路。

序批式活性污泥法(SBR)也称间歇性活性污泥法,是污水活性污泥生化处理系统的先驱。与连续流系统相比,该工艺具有净化效率高、耐冲击负荷高、污泥沉淀效果好、防止污泥膨胀、无需设置沉淀池和污泥回流装置等优点[3-5]。随着与其配套的过程控制设备和在线监测仪表等硬件的普及,使得SBR间歇运行的复杂操作问题变得简单灵活;无堵塞曝气设备的开发,使得SBR工艺重新获得应用有了可能[7-8]。SBR是适用于农村分散式生活污水处理的中小型污水处理设备,具有广阔的应用前景。

研究设计了集调节池、反应池、储泥池于一体的空气提升SBR,并对崇明农村低含量生活污水进行了中试,以期为一体化空气提升SBR农村分散式生活污水处理、工程设计及调试运行提供理论参考和依据。

1  实验部分

1.1  水质及种泥

中试取点在上海市崇明县某村污水收集管道中转泵站，利用水泵将经过格栅的污水提升至反应器内。污水主要包括厨房污水、洗涤污水和粪便污水几个方面。各污染物含量较城市生活污水低，属于低C/N污水，且水质水量波动大。COD为101.3～164.4mg/L，NH₄⁺-N、TN、TP的质量浓度分别为14.06～24.64mg/L、26.58～40.2mg/L，1.86～3.82mg/L，pH为6～9.实验种泥取自上海市崇明县某污水处理厂。

1.2  实验方法

一体化空气提升SBR基本构造及工艺流程见图1.

钙反应器集调节池、反应池、储泥池3个功能单元于一体，不设沉淀池，整个反应器外形为圆筒状结构，3个功能单元呈辐射状均分，与方形反应池相比，减少死角更利于污泥污水的混合均匀。反应器采用高密度聚乙烯桶，高径比为1.05，反应器高度1400mm，总有效体积为2400L，内有隔板将其均分为3个部分：调节池、反应池、储泥池。装置属于已申请专利，其中空气提升器构件属于专利中的核心保护部分。反应器采用PLC自动控制运行的方式，自动化程度高，无人值守，调节池内设置污水空气提升器（图1b）、液位计等构件；反应池内设置清水空气提升器（图1b）、搅拌机、曝气装置、液位计、污泥空气提升器（如图1c所示）；储泥池设有污泥空气提升器（图1c）。

1.3  工艺流程

工艺流程：利用自吸泵将经过格栅的元污水通过深入调节池底部的进水管泵入调节池均匀布水，起到调节水质水量的作用。SBR的进水电动阀门由设置在调节池、反应池内的液位计协同控制，排水电动阀门由设置在反应池内的液位计控制，如装置出现调节池内水位过低等意外情况，反应池进入闲置工序，定期进行少量曝气以维持污泥活性。装置各个工序由自动控制系统进行调控。在污水含量较低情况下，储泥池可满足1a排1次泥的要求，剩余污泥由污泥空气提升器排出装置。

与传统SBR相比，此装置采用空气提升器代替了泵和滗水器等设备，曝气、污水、污泥的提升所需空气量只需1台微型气泵即可，维护管理方便。

1.4  分析方法

分析项目包括COD、NH₄⁺-N、TN、TP、MLSS含量，污泥沉降比（SV）、污泥容积指数（SVI），均采用国家标准方法进行测定。pH和DO含量采用哈希HQ40D数字化多参数水质分析仪进行测定。

2  结果与讨论

实验考察了不同曝气强度、曝气时间以及沉降时间对空气提升SBR反应器净化效果的影响。内容分为以下4个部分，控制MLSS的质量浓度在2.0～2.3g/L、SV在23%左右，SVI维持在90～130mL/g，表明活性污泥具有良好的活性和沉降性能。周期处理水体积流量q_V为0.3m³，每天运行3～4个周期，基本可以解决3～4户人家的污水处理。SBR1个周期内工序时间如下，边进水边搅拌0.5h，进水结束再继续搅拌1h，排水0.5h，排水时间比为1/4.

2.1  曝气强度对净化效果的影响

曝气强度的大小直接影响着曝气混合液中DO的含量，进而影响到系统的有机物降解硝化、反硝化硝化程度。为考察曝气强度对反应器净化效果的影响，设计了3个工况，实验期间温度稳定在25.4～29℃，采用既定曝气时间3h，沉淀1.5h，调控曝气强度使DO的质量浓度稳定在2、3、4mg/L左右。结果见表1和图2～图4.

由表1和图2～图4可知，DO的质量浓度从2mg/L升到3mg/L，COD、NH₄⁺-N去除率明显升高。分析其原因，反应器内足够的DO、充分的反应时间和较长的污泥龄保证了硝化效能，周期开始反硝化细菌以原污水有机物为电子供体、上个周期硝化阶段积累的硝酸盐为电子受体在缺氧搅拌阶段保证了较好的反硝化能力；DO的质量浓度从3mg/L上升到4mg/L，COD、NH₄⁺-N去除率的提高幅度有所降低，TN的去除效果没有明显变化。原因可能是随着DO含量的继续增高，氨氮的硝化作用以及有机物的降解更为彻底，对于上个周期累计的硝酸盐含量，进水有机物不能够为反硝化提供相对充足的碳源，以及反应器内DO含量较高在一定程度上抑制了反硝化的进行；装置对各项污染物质的去除率随着DO有所波动，但是出水COD和NH₄⁺-N、TN含量指标均满足GB18918-2002的一级排放要求。

DO含量的变化对TP的去除率无明显变化，出水TP含量满足二级排放标准，其原因主要是反应器运行过程中活性污泥泥龄较长，被聚磷菌过量吸附的磷又重新释放到反应器中，而污水中污染物含量不均衡也影响了TP通过同化作用的去除途径。

2.2  曝气时间对净化效果的影响

曝气时间是影响活性污泥性能的主要因素，同时也是SBR工艺设计和运行的重要参数，活性污泥的性能直接影响着污水中污染物质的去除效果。为考察曝气时间对反应器净化效果以及活性污泥性能的影响设计了3个工况，实验期间温度稳定在20.7～25℃，采用既定曝气强度，控制DO的质量浓度在25mg/L，沉淀时间为1.5h，设定曝气时间分别为2、3、4h。实验结果见表2.

由表2可知曝气时间从2h增加到3h，COD、NH₄⁺-N的去除率有较大的增幅；继续增大，COD、NH₄⁺-N的去除率提高增幅减小。原因是随着曝气时间的减小，为好氧微生物提供了足够的DO和反应时间，使其硝化反应和除碳反应进行的更为完全；随着曝气时间的继续增加，TN去除率略有下降，过长的曝气时间导致反硝化有机物不足，抑制脱氢酶系产生降低反硝化活性。TP的去除率随着曝气时间的延长而有稍微的增大，综合脱氮除磷以及节能考虑，实验优化曝气时间确定为3h。

2.3  沉淀时间对净化效果的影响

实验期间温度稳定在20.6～25℃，采用既定曝气强度，控制DO的质量浓度在3mg/L，曝气时间为3h，考察沉淀时间为1、1.5、2h情况下SBR对污染物质的去除影响。结果见表3。

由表3可知，随沉淀时间的增大，COD的去除率提高；但是随着沉淀时间的继续增大，去除率提高幅度逐渐减小。原因可能是SBR工艺的活性污泥絮凝性好，吸附沉降速度快，污泥密实，不易松散膨胀，且整个沉降过程中反应器处于静止状态，所以短时间内可以达到较好的沉降效果。

对NH₄⁺-N、TN的去除效果影响不是很大，但TP去除率随着沉淀时间的增大略有下降的趋势。这可能是因为在沉淀过程中，随着DO含量的降低反应器内部变成厌氧状态导致磷的释放，吸附在底泥中的磷被部分释放出来，而使出水中TP含量增加；沉淀时间过长也容易导致富硝酸盐污泥发生反硝化反应而使污泥上浮。综合去除效果和处理水量的考虑，选择1.5h为优化沉淀时间。

2.4  耐冲击负荷研究

控制工艺参数为上述SBR优化运行条件下，通过改变进水COD和NH₄⁺-N、TN、TP含量，对SBR抗冲击负荷进行研究，结果见图5。

由图5可知，进水污染物含量突然提高1.5～2倍时，大约2～3d，系统出水就可以稳定，出水各指标虽有所提高，但是仍然满足二级排放标准，表明该反应器抗冲击能力强。

2.5  剩余污泥产量分析

如前所述实验用水污染物含量较低，活性污泥的净生长速率较慢，反应器运行期间活性污泥污泥停留时间（SRT）为25d，实验期间总共排泥4次，每次排泥10min，排泥量100L左右，储泥池体积约为1200L，储泥池可满足1a排1次泥的要求，减少二次污染和后续污泥处理的经济投资。分析其原因是，对于特定的低含量农村生活污水，微生物因其基质含量限制降低了其生长速率。该一体化反应器满足剩余污泥少排放或零排放要求，对于经济、技术相对贫乏的农村地区具有不可替代的优势。

3  结论

用一体化空气提升SBR处理低含量农村生活污水，得到以下结论：

结合脱氮除磷以及能耗的综合考虑，优化工况：DO的质量浓度控制在3mg/L左右，曝气3h，沉淀1.5h，反应器出水COD、NH₄⁺-N、TN指标可满足GB18918-2002的一级B要求，出水TP可达到二级排放要求。

实验不必投加外加碳源（甲醇或乙酸钠），只利用生活污水中的有机物作碳源就能达到如此好的脱氮除磷效果，而且该工艺的曝气时间小于传统活性污泥法，这说明此工艺对于低含量农村生活污水的脱氮除磷及有机物的去除有着良好的应用前景。

反应器采用的自主设计的空气提升器的可行性在实验过程中得到了验证，代替提升泵没运行中节省能耗，且维护管理方便；反应器运行过程中产生剩余污泥量少，储泥池可满足1a排1次泥的要求，降低了二次污染的风险，同时也减少了后续污泥处理处置的费用投入。

一体化空气提升SBR，具有投资省、占地小、建设周期短、操作简单、出水水质稳定等特点。在考虑农村目前农村的实际经济和工程耐用性条件以及人员的操作水平和维护能力的前提下，该一体化反应器非常契合实际情况，符合村建设工程与节能减排，并且为小城镇、城郊生活区、度假村以及别墅区等较为分散且难于纳入城市管网的污水处理提供借鉴意义。