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生物膜法在散小型农村生活污水处理中的适用性分析

2024-07-23 5 上传者：管理员

摘要：农村地区生活污水具有分散、量小、管理不便及经济受限等特点，使得生物膜法在该类污水处理领域占据优势。文章通过对2022年福建省优秀农村污水处理工程设计申报案例的整理分析，结合福建省农村污水处理项目的特征，比较后认为生物膜法运行稳定、维护简便、出水达标、成本低，是适用于“散小型”农村生活污水处理的工艺技术，并进行了适用性分析。

关键词：
微生物
污水处理技术
生活环境
生物膜法
美丽乡村
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中国共产党第十九次全国代表大会上的报告明确提出，我国社会的主要矛盾是人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾[1]。这映射到农村环境的问题上，至少可反映两个层面：一是城乡生活环境的差距；二是人们对美好环境质量至上追求。近三十年来，在工业废水“一控双达标”、城镇污水“收集率”“达标率”双考核等一系列铁拳整治下，全国大小流域的水质日新月异，水污染控制工作成绩斐然。然而，农村生活污水长效治理是推进美丽乡村建设必须面对的现实问题，如何有效地持续性保障农村生活污水治理设施稳定运行、达标排放，是这项工作长期以来亟待完善的地方。

1、农村生活污水特征

农村生活污水主要来源于厨房、厕所、洗衣、淋浴等生活排水，其污水特征是量小、生化性好。在农村，绝大部分自然村人口少于1000人，按照100 L/人排水量测算[2]，每个村落的污水处理工程规模普遍在100 m3/d左右。该类污水成分较为简单，主要是有机物、氮、磷、悬浮物等，B/C（是生化需氧量与化学需氧量比值的缩写，通常用来表示污水的可生化性）一般在0.4～0.5之间，生化性良好[3]。针对此类污水特征，常用的主体生化工艺有：活性污泥法、生物膜法、生态法（人工湿地/稳定塘等）。

农村生活污水水质虽不复杂，但由于具有排放时间分散、水量变化系数较大，排放区域分散、难以管网统一收集等制约污水处理的特征。加上我国农村地区间发展不均衡，长此以往导致农村污水在治理过程中出现很多瓶颈问题，比如：治理设施能耗高、缺乏资金保障；污水处理技术力量薄弱；缺乏专人运行维护、设施运行维护差。虽然农村生活污水处理存在上述问题，但通过科学的处理工艺加持，是可以克服运行管理的技术支持短板，确保农村生活污水处理的稳定达标。

农村分布小而散，经济水平、地理条件、环境容量等差异不同，固定工艺技术不适于普遍的农村生活污水处理，故而强调以因地制宜原则来选择合适工艺方案。农村生活污水处理可优先选择的工艺是什么呢？本文结合2022年福建省优秀农村生活污水处理工程设计的申报案例，整理分析并推荐最适用的生物膜法技术方案，以期为“散小型”村落确定农村生活污水处理工艺时参考借鉴。

2、生物膜法污水处理技术

生物膜法[4]是以滤料或者填料为载体，以载体的表面作为微生物附着面附着生长，形成生物膜。当污水与生物膜接触时，微生物通过分泌的酵素和催化剂降解污水中的物质，分解水中污染物，从而实现污水的净化，同时排出代谢产物。从提供微生物附着生长的填料差异，采用生物膜法的主要形式有生物接触氧化法（固定床填料）、MBBR（悬浮填料）和生物转盘。

2.1生物膜基本原理[4]

生物膜在载体上的生长过程：当有机污水或由活性污泥悬浮液培养而成的接种液流过载体时，水中的悬浮物及微生物被吸附于固相表面上，其中的微生物利用有机底物而生长繁殖，逐渐在载体表面形成一层黏液状的生物膜。这层生物膜具有生物化学活性，有进一步吸附、分解污水中呈悬浮、胶体和溶解状态的污染物。

2.2污染物降解机理

⑴物质的传递[4]

微生物降解有机污染物过程中，需要污染物、氧气、分解产物等传递。其中输入有：有机污染物则由流动水层传递给膜上的附着水层，然后进入生物膜；溶解于流动水层中的氧，也通过附着水层传递给生物膜。输出的是：微生物的代谢产物如H2O等则通过附着水层进入流动水层排走；好氧氧化产物CO2及厌氧层分解产物H2S、NH3和CH4等气态代谢产物则从水层逸出进入大气。

⑵膜的生长与脱落

——膜生长过程中，膜中的微生物进行新陈代谢的活动，对有机物进行降解；

——好氧层增厚，内部供氧不足，出现厌氧层；

——厌氧层加厚，生物膜老化、脱落。

2.3生物膜法的主要特征

⑴生物相特征

生物膜法的微生物的主要特征有：生物多样化，生物的食物链长，存活世代时间长（泥龄长），分区优势种属明显、分段运行功能显著。

⑵处理工艺特征

生物膜法的工艺具有特点：对水质、水量变动的缓冲能力强，污泥沉降性能良好，抗污水水质浓度变化冲击负荷，节能并易于维护运行。

3、案例分析

3.1案例介绍

案例1：生物接触氧化法（固定床填料生物膜法）

平和县XX镇XX村，污水处理站设计服务人口1500人，污水处理规模200 m3/d。主体设施采用“（厌氧+缺氧+好氧）生物接触氧化法+混凝沉淀”处理工艺的一体化设施，出水执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中所规定的一级A标准。

生化单元设计：总有效池容121.9 m3，总HRT=12.2 h，其中厌氧段HRT=1.62 h、缺氧段HRT=2.0 h、好氧段HRT=8.58 h；填料选用了Φ150mm的悬挂式组合填料，共69.75 m3；为达到处理站无人值守、兼职管理的人员配备要求，设施采用PLC全自动化控制设计。项目运行1年间的3次抽检中，进水水质COD为52～63 mg/L、BOD5为14.6～29 mg/L、NH3-N为11.8～15 mg/L、TP为1.32～2.2 mg/L，出水水质COD为10～14 mg/L、BOD5为1.3～3.3 mg/L、NH3-N为0.73～0.78 mg/L、TP为0.24～0.38 mg/L，处理效果稳定达标。

该项目挂膜快、污泥少、成本低、易维护、效果好，技术经济指标：总投资决算170万元，占地600 m2，运行成本0.33元/m3污水。

案例2:MBBR（悬浮填料）

闽清XX镇XX村是一个农村集镇，人口约3000人，污水处理站扩建工程设计规模400 m3/d。主体设施采用“A3/O+MBBR+砂滤+紫外线消毒”处理工艺的装配式设施，出水执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中所规定的一级A标准。

生化单元采用2套外形尺寸17.5 m×2.9 m×2.9 m装配式设施，设计总有效池容约220 m3，总HRT=13.2 h；填料为Ф100 mm的聚氨酯多孔球形悬浮填料，比表面积380～800 m2/m3，孔隙率大于99%，共132 m3。项目运行期间的监督性检查检测中，出水水质COD为46 mg/L、BOD5为8.3 mg/L、NH3-N为4.46 mg/L、TP为0.45 mg/L，处理效果达标。

该项目建设快、占地小、能耗低、抗冲击、易管理，技术经济指标：总投资350万元，占地1326 m2，运行成本（含人工费）0.75元/m3污水。

案例3：生物转盘

安溪县XX乡XX村，人口约1000人，建设了一套100 m3/d规模污水处理站，出水执行GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B类标准。“格栅池+调节池+3J-RBC立体结构生物转盘”工艺，设施采取装配式成品设备，现场组装。

生化单元采用生物转盘工艺，氧化槽有效容积100 m3,HRT=2.4 h，生物转盘盘片采用轻质无框架立体网格状结构的改性工程塑料，膜面积大于1040 m3。项目运行期间的监督性检查检测中，出水水质COD为26～40 mg/L、BOD5为8.4～11.6 mg/L、NH3-N为3.48～4.34 mg/L、TP为0.46～0.68 mg/L，处理效果达标。

该项目占地小、能耗省、无噪声、维护简单、功能稳定，技术经济指标：总投资34.85万元，占地325 m2，运行费用0.30元/m3污水。

3.2案例剖析

从上述三个不同类型案例可以总结生物膜法的主要共性特点：

⑴生物相稳定耐冲击，有别于悬浮型活性污泥法。生物膜中微生物量大、泥龄长、丰度广，当进水的水量水质发生变化时，微生物有很好的缓冲能力。

⑵管理人员技术要求低，维护简单。由于生物相稳定，不存在污泥腐化、污泥上浮、污泥膨胀和污泥解体等问题，对管理人员无较高的技术要求。

⑶出水水质稳定缓解环保压力，各类功能微生物在膜层由外到内地有序分布，降碳脱氮除磷有效进行，污染物去除率得以保证。

⑷污泥量少降低污泥处理工作难度，微生物泥龄长，污泥密实度大，体积脱水性能好，利于后续处理与处置。

⑸投资少运行成本低，基于微生物量大而设计污染负荷高，设施容积比常规的活性污泥法小得多，且管理的便捷性，建设与运行成本会更为节约。

但是，生物膜法也有自身的局限性，如生物滤池常出现气流不均、易堵塞，生物接触氧化池在低温时处理效果较差，生物流化床存在泥水分离效率低[5]，生物转盘的材质易被腐蚀、受气候影响较大[6]等问题。

当然，当前有理念先进的活性污泥法改进型技术，如MBR[7]工艺，虽然该技术具有建设周期短、占地小、自动化程度高、出水水质稳定、产泥少等优点，但是投资大、膜组件造价高、高曝气强度能耗高、膜需定期污染清洗或更换等缺点，不是非常适合农村生活污水的现实条件。而另一类型常冠以最符合农村的“因地制宜”生态工艺——人工湿地或氧化塘，虽然它们可以利用农村地区的荒地、塘洼，并辅以种植芦苇、荷花、菖蒲、睡莲等植物以美化环境，但由于这类工艺的污染负荷很低，对进水水质要求比较高，否则容易滋生恶臭、蚊蝇等次生污染，所以该技术只能对水环境污染起到一定的辅助缓解作用而已，不能作为核心工艺治理污水。因此，在农村生活污水治理方面，我们要因地制宜地选择合适工艺方案。

文献[8-14]表明，通过采用生物膜法与其他工艺的组合，可以提高水质净化效果。基于前期案例调研和综合分析，在我省农村地区选用污水处理工艺时，建议根据当地的用地资源、经济条件、用水规模、出水水质要求及是否满足专人运行维护等特点，考虑生物膜法或生物膜法+生态的组合形式来适应不同区域地理环境的农村污水，例如“厌氧+好氧”“厌氧+生态”“好氧+生态”“厌氧+好氧+生态”多样化的组合，其中厌氧和好氧单元均建议优先选用污泥产量少和动力需求低等特点的生物膜法工艺，再根据实际情况加以人工湿地、氧化塘等生态工艺辅助净化。

4、结论

生物膜法是一类非常成熟的污水处理工艺，对于受有机污染物、氨氮轻度污染的水体净化效果显著。该技术既广泛用于高污染的工业废水，也适用于污染简单的小型生活污水，在具有较高处理效率同时也便于管理维护，因此很适合“散小”的农村地区生活污水治理。可根据当地农村地区用水规模、经济条件及出水水质要求等特点，建议以生物膜法为核心处理单元，因地制宜地选用能够满足不同需求的生物组合工艺，达到水质净化的目的，助力农村生活污水长效治理。如今，美丽乡村建设在我国规划中相当重要，就当前形势来看，我国对农村生活污水处理领域投入将保持持续增长的势头，农污治理将是环保行业一大热点。围绕生物膜法的技术创新，集成开发处理效果稳定、管理维护便捷、投资省成本低的模块化污水处理设备，是生活污水处理领域的一个增长极。

参考文献:

[1]习近平.决胜全面建成小康社会夺取新时代中国特色社会主义伟大胜利——在中国共产党第十九次全国代表大会上的报告[J].理论学习,2017(12):4-25.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.农村生活污水处理工程技术标准:GB/T 51347—2019[S].北京:中国建筑工业出版社,2019.

[3]福建省生态环境厅.福建省农村生活污水治理规划(2020—2030年)[EB/OL].(2020-03-30)[2024-03-28].

[4]郑元景,沈光范,邬扬善.生物膜法处理污水[M].北京:中国建筑工业出版社,1983.

[5]韦亮.生物造粒流化床分散式污水处理技术的中试试验研究[D].西安:西安建筑科技大学,2013.

[6]韦真周,范庆丰,容继,等.生物转盘处理小城镇生活污水工程实例[J].水处理技术,2016(2):133-136.

[7]周涛.浅谈MBR膜生物反应器的应用[J].铁道标准设计,2002(08):60-61.

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[9]易齐涛,李慧,章磊,等.厌氧/生物滤池/潜流人工湿地组合工艺处理农村生活污水效果评估[J].环境工程学报,2016,10(5):2394-2400.

[10]黄媛媛,许东阳,纪荣平.改进生物滴滤池-人工湿地处理农村生活污水研究[J].水处理技术,2018(5):93-97.

[11]戴世明,白永刚,吴浩汀,等.滴滤池/人工湿地组合工艺处理农村生活污水[J].中国给水排水,2008,24(7):21-24.