0 引言
农村污水高氮磷特点，对河流湖泊等受纳水体造成严重污染，使其成为中国面源污染的主要污染源之一。解决农村水污染问题已引起水处理学者们的普遍关注，随着市政和工业污水处理技术的快速发展，中国城市污水的处理能力和效果得到根本改善,使这种关注更加普遍。村庄分散，排水设施落后，给农村污水的集中处理带来了困难，导致农村污水处理必然采用因地制宜，就地处理模式。当今世界性的水危机，使污水处理与利用结合的更加紧密，许多国家和地区依据自身开发出农村生活污水处理工艺，一些工艺作为永久性的处理方式延续至今，例如，日本的“生物净化槽”，美国的“分散处理系统”，澳大利亚的“菲尔托”，还有一体化集成净化装置、人工湿地和土地处理系统等都得到了广泛的应用。
中国农村生活污水处理与利用正处在起步阶段，村庄分散、人口不集中等问题给处理工艺提出了新的要求，又因为农村污水量小、分散、日变化系数大给收集和利用带来一定的困难，使分散处理与直接利用成为农村污水处理技术的主要研究方向[8-12]。新农村建设在滨海地区加快进行，使水资源的供需矛盾更加突出，处理后的农村生活污水不仅仅作为农业灌溉，逐步应用于水产养殖，村庄绿化，景观水体等多领域，尤其是补充景观水体和河道成为现阶段新农村再生水资源利用的主要方面，这也对进入环境的再生水中的营养盐提出了更高的要求。
根据农村污水排放特点，在间歇曝气连续回流工艺基础上，自主开发了两级交替回流连续曝气生物膜新工艺。污水 经1 次提升后以自流的方式依次完成后续工艺流程，耗能低。厌氧段只进行到水解酸化阶段，在二次沉淀池和循环水池中分别设置污泥回流泵和循环水泵，污泥回流泵提高了厌氧池和接触氧化池内的混合液污泥浓度（mixed liquid suspended solids），延长污泥龄为反硝化过程提供硝酸盐以提高脱氮效率，排泥设在厌氧段末端，减小排泥量延长排泥周期，循环水泵保证了间歇进水系统的连续处理能力。在进一步控制有机物和营养盐的环境进入量同时，有效控制了投资成本，运行、维护费用，简化操作程序，笔者以实际运行的污水处理站为研究对象，重点探讨了间歇性进水，低碳氮比条件下，系统对有机物和氮、磷的去除效果。
1 材料与方法
1.1 工艺流程
本处理系统由集水调节池、厌氧水解池、接触氧化池、二次沉淀池、循环水池和风机房构成，构筑物总有效容积270 m3，其中集水调节池18 m3，厌氧水解池207 m3和接触氧化池24 m3，二次沉淀池14 m3，出水循环池7 m3。其中，厌氧水解池兼具缺氧反硝化脱氮功能，与接触氧化池容积比约8.6∶1。整个生化反应区组合填料填充深度为1.0 m，其中厌氧水解段填充率为60%，水力负荷为0.48 m3/(m3·d)；接触氧化段填充率为75%，水力负荷为4.17 m3/(m3·d)。系统设计处理能力100 m3/d，运行期间实际进水量为90 t/d，进水方式为液位自动控制波段式进水，经实际运行监测，进水泵日工作时间约8 h，主要集中在早、中、晚3 个时段，其中早间集中工作2～3 h，午间集中工作1～2 h，晚间集中工作3～5 h，曝气方式为三叶罗茨风机连续鼓风，2 台风机交替工作，污泥回流泵为每4 h工作15 min，循环水泵保证系统在无进水和污泥回流情况下的正常水力推流，系统回流比为2∶1。
工艺流程见图 1，本污水处理站位于天津市宁河县大北涧沽村，服务290 余户，约1 100 人。该村2010 年完成集中污水收集管网建设，并在检查井内安放清淤井和拦污网，所以污水处理站未设初沉池。同时该村地势低洼，存在雨污合流现象，故集水池又兼顾泄洪功能。该项目于2011 年5 月进行了设备运行调试，并于6 月开始监测分析处理效果。
1.2 试验水质与采样
系统于2011 年5 月底完成设备运行调试，在调试过程中系统一直以交替回流连续曝气的方式运行。从2011 年6 月开始，分别在月初和月中（1号、16 号）采集水样，连续采集12 个月，进水水质见表1。
注：CODcr、BOD5、NH3-N、TN、TP 和SS 分别为：化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总氮、总磷和固体悬浮物。
1.3 测定项目及方法
水质分析方法采用《水和废水监测分析方法》[20]，其中CODcr：重铬酸钾法；BOD5：稀释与接种法；SS：烘干称重法；NH3-N：瑞典 Foss Flastaar 5000全自动流动注射分析仪；pH 值：pH-HJ90B 型酸度剂；TP：钼酸铵分光光度法；TN：德国Analytikjena公司multi N/2100S。
2 结果与讨论
对该反应装置进行了为期12 个月的运行监测，通过COD、BOD、NH3-N、TN、TP 和SS6 项指标的监测数据，对其运行规律和可能影响其运行效果的因素进行了分析。
2.1 对有机物的去除效果
系统对有机污染物的去除效果如图2a、2b 所示。运行期间COD 平均去除率为75.7%，出水COD平均质量浓度为51.0 mg/L，BOD 平均去除率为84.8%，出水BOD 平均质量浓度为15.8 mg/L。二级交替回流连续曝气生物膜技术较间歇曝气连续回流工艺对有机物的去除效果更加稳定，去除能力有所增强（间歇曝气连续回流工艺COD、BOD 去除率分别为74.8%和83%）。分析原因，主要是厌氧控制在水解酸化阶段，为接触氧化提供了大量可直接利用碳源和氮源，加快了生化反应进程，从数据上可以看出污水中的85%有机物均可被生物分解利用。其次，厌氧水解段填充了大量组合填料，并与泥水循环系统协同作用，不仅填料上附着大量的腐解微生物，污水中也夹杂着大量的回流污泥，使固定化生物膜法和活性污泥法同时存在系统中，极大的发挥了系统对有机物的截流与降解能力，同时，也为好氧脱碳提供了有利条件。整个运行期间，BOD 的平均去除率高于COD，同时BOD 的去除率波动范围较小，也显示出了两级交替回流连续曝气生物膜工艺提高了生物膜抗冲击能力，气温的骤然变化对本系统有一定的影响，冬季低温降低了生物膜上微生物活性。对低碳氮比农村生活污水中有机物的去除效果表明，改进后工艺对进水负荷和冬季低温环境有较强的适应能力，但仍要加强极端气候条件下的运行可靠性。
2.2 对NH3-N、TN 的去除效果
活性污泥反应系统中氮循环的传统理论认为，生活污水中氮的主要存在形式——有机氮，将首先被氨化菌分解成氨态氮，此过程需要有机物作为碳源和能量来源；之后在一系列自养的硝化细菌作用下，氨态氮进一步氧化分解为亚硝酸氮和硝酸氮。而氮的真正去除则依赖接下来的反硝化过程，反硝化细菌以硝酸氮和亚硝酸氮为电子受体，在无氧的条件下利用有机物作为能量来源将硝酸氮和亚硝酸氮还原为气态氮（N2）排出系统实现氮的脱除。
进水中含有大量有机碳，系统调试后，厌氧水解池前段形成一个缺氧区，反硝化细菌利用进水中丰富碳源为能源将循环水中的硝酸氮和亚硝酸氮还原为气态氮（N2），实现系统氮的去除。进水中的有机氮经过厌氧氨化后，大部分以氨态氮的形式进入接触氧化池，有机物在反硝化的过程中被大量消耗，为硝化细菌的生长提供了优越的条件；使污水中的氨态氮顺利的转化为硝酸盐，系统中的生物膜和污泥回流工艺强化此目的，生物固体停留时间与水力停留时间分离，使世代时间较长的硝化菌和亚硝化菌得以繁衍增殖，硝酸氮的生成得以实现。从而实现脱氮的3 个主要因素——碳源、无氧条件和硝酸盐的积累在系统中的实现。根据监测的数据（见图3a、3b），NH3-N 平均去除率为69.2%，出水NH3-N 平均质量浓度为10.8 mg/L。从数据中也证明了好氧区硝化细菌占据绝对优势，实现了氨氧化，也证明了大量的碳源用于反硝化过程。出水的TN 平均去除率为68%，出水TN 平均质量浓度为16.5 mg/L，去除率分别比改造前提高了17.8%和7.7%（间歇曝气连续回流工艺NH3-N、TN 去除率分别为51.4%和60.3%）。氮的最终去除是通过反硝化实现的，对于低碳氮比农村生活污水，碳源不足一直是系统脱氮的主要制约因素，本系统利用厌氧水解过程将有机氮氨化，节约了大量的碳源，同时为生物反硝化提供了可直接利用的碳源和能源，硝酸氮和亚硝酸氮的还原需在无氧的条件下进行，所以系统利用出水的循环使厌氧水解池前段形成缺氧区，在水深为0.5 m以下，水中的溶解氧接近0，足以证明反硝化作用的存在。整个监测期间出水NH3-N 和TN 浓度均达到了GB-18918-2002 中的一级标准，也说明厌氧水解池为有机氮的氨化提供了有利的条件，生物接触氧化池为硝化细菌提供了生长空间，出水循环工艺为反硝化脱氮提供了电子受体，也加快了生物膜的更新，最终实现了系统的高效脱氮。
2.3 对 TP 的去除效果
由图4 可知，系统对TP 的去除偏低。整个运行过程中系统对TP 平均去除率为58.9%，进水TP的平均质量浓度为6.1 mg/L，出水TP 平均质量浓度为2.3 mg/L，只达到了城镇污水处理厂污染物排放标准（GB-18918-2002）中的二级。分析原因，整个系统的设计以厌氧水解-缺氧/好氧脱氮为核心，将污泥的外排设置在厌氧水解的末端，污泥必须经过厌氧水解消化后才能排出系统，设计的目的是增加厌氧水解段的污泥浓度，提高聚磷菌生物量，并使外排污泥减量化。但是，当泥水混合物进入厌氧水解阶段后必然会释放一部分磷进入水中，这可能是系统去除磷不理想的主要原因[26]。排泥周期不合理，使大量污泥在厌氧水解池中停留时间过长，可能是磷去除不理想的又一因素[27]。生物好氧吸磷需要大量的碳源作为能源，碳源的不足是磷去除不高的另一个原因。
2.4 对SS 的去除效果
由于采用了生物膜法，装置中的生物填料对悬浮物起到很好的吸附、过滤的作用，形成生物膜。同时，污泥回流技术使污水中的悬浮物迅速被污泥吸附、沉降排出系统，循环水技术使系统始终保持流动状态，污泥悬浮于水中增加了与悬浮物接触的机会，进而提高了悬浮物沉降的机率。从数据分析看系统对SS 的去除率稳定在79.1%～92.7%，平均为87.9%，出水平均值在15.7 mg/L 以下（见图5）。从而解决了常规工艺对分散型低碳氮比农村生活污水中悬浮物去除不理想这一难题。
3 结论
1）以实际农村生活污水水质和排放规律，考察了改进后的两级回流连续曝气生物膜工艺的处理效果，经分析出水化学需氧量、五日生化需氧量、氨氮、总氮、总磷和固体悬浮物的平均质量浓度分别在51.0、15.8、10.8、16.5、2.3 和15.7 mg/L 以下，除总磷（达到GB-18918-2002 中的二级）外，其他5 项指标均符合GB-18918-2002 中的一级B 要求。。
2）试验将间歇曝气连续回流工艺调整为两级回流连续曝气模式，通过各项指标的监测表明系统对低碳氮污水的脱氮能力有较大提高，调整后工艺有利于硝酸氮的生成和反硝化作用的进行，实现了NH3-N、总氮平均去除率69.2%和68%以上。其中，氨氮去除率较间歇曝气连续回流工艺提高了17.8%，全氮去除率提高了7.7%。
3）工艺的调整并没有提高系统的除磷性能，分析原因可能有以下3 点：当泥水混合物进入厌氧水解阶段后必然会释放一部分磷进入水中，这可能是系统去除磷不理想的主要原因；排泥周期不合理，使大量污泥在厌氧水解池中停留时间过长，可能是磷去除不理想的又一因素；生物好氧吸磷需要大量的碳源作为能源，碳源的不足是磷去除不高的另一个原因。鉴于以上原因，在以后的设计上应重点研究污泥回流比、回流区间、排泥周期和生物接触氧化段碳源补偿技术等以提高磷的去除效率，另外也可以考虑新增后续处理工艺，如人工湿地或土壤渗滤等手段。
