曹亚丽，王 霞，胡 凯，孙 杏，侯克锁

(1.华设设计集团环境科技有限公司，江苏南京 210014；2.河海大学环境学院，江苏南京 210098)

截至2020年，我国农村生活污水年排放量接近233亿t[1]。由于污水处理设施匮乏、运行管理不善、村民环保意识薄弱等，大部分污水未经处理直接排入地表水体，造成农村水环境污染。近年，国家先后公布并施行《中华人民共和国水污染防治法(修改版)》《村庄整治技术标准》《农村生活污水处理设施技术标准》等政策条例，不断加大农村污水治理力度。但现阶段农村污水处理技术研发集中在城镇污水方面，对于排放量小、排放点分散、水质差异大、水量变化系数大的分散式农村生活污水及其处理技术的研发与应用尚处于起步阶段。

农村生活污水主要包括厨房污水、生活洗涤、沐浴污水和厕所污水。研究表明[2-5]，农村污水污染物浓度变化较大，BOD5质量浓度为70～250 mg/L，CODCr质量浓度为80～500 mg/L，pH值为6～8，冲厕废水中N、P等浓度较高。

膜生物反应器(MBR)是20世纪末兴起的新型水处理技术，具有出水水质优质稳定、剩余污泥产量少、占地面积小、易于自控等特点，适宜作为分散式污水处理技术。但该工艺脱氮除磷效果有限，面对农村生活污水处理要求，需要将MBR工艺与AAO工艺(或AAO变形工艺)耦合，不仅可弥补MBR在脱氮除磷方面的不足，而且可利用膜组件取消AAO工艺的二沉池，实现固体停留时间(SRT)和水力停留时间(HRT)完全分离，有效解决了AAO工艺污泥产量高、SRT短的问题[6-7]。

针对低浓度农村生活污水，AAO-MBR组合工艺的处理效果与运行优化有待研究。HRT是影响AAO工艺脱氮除磷效率的关键因素，但其对于组合工艺的影响研究较少。因此，本文采用改良型AAO-MBR组合工艺处理江苏省某农村生活污水，考察生化段HRT对组合工艺处理效果的影响。

1 试验装置与方法

1.1 试验装置及运行条件

改良型AAO-MBR试验装置如图1所示。装置采用焊接钢板，处理量为10 m3/d，长×宽×高=4.2 m×1.5 m×3.0 m，其中厌氧段、缺氧段、好氧段和膜池容积分别为0.83、1.67、5.00 m3和4.50 m3。膜池采用PVDF中空纤维膜组件，膜孔径为0.1 μm，膜架高度为1.4 m。

1—进水泵；2—细格栅；3—调节池；4—厌氧段；5—缺氧段；6—好氧段；7 —MBR池；8—膜组件； 9—出水泵；10—反冲洗泵；11—反冲洗水箱；12—鼓风机图1 改良型AAO-MBR装置工艺流程图Fig.1 Flow Diagram of Modified AAO-MBR Process

来自某乡村排水管网的污水由调节池经潜污泵提升后，依次流经厌氧段、缺氧段和好氧段，最后进入膜池，经膜过滤后出水(图1)，采用鼓风机向好氧段及膜池曝气。装置设置两套回流系统，一套将缺氧段混合液回流至厌氧段，回流比为50%，补充生化池流失的污泥，类似AAO工艺的外回流作用。该工艺采用了从缺氧段到厌氧段的混合液回流，混合液中含有较多的溶解性BOD5，而硝酸盐很少，为厌氧段内有机物水解反应提供适宜条件。另一套将膜池混合液回流至缺氧段，回流比为100%，进行反硝化脱氮，类似AAO工艺的内回流作用。该工艺采用膜池污泥先回流至缺氧段，再通过缺氧段混合液回流至厌氧段的方式，完成回流膜池污泥至厌氧段的目的，这种间接回流污泥至首段补充生化池流失污泥的做法可以防止硝酸盐进入厌氧段，破坏厌氧段的厌氧状态而影响系统的除磷率。

装置采用连续流，通过电磁阀控制进出水阀门的启闭，从而控制各生化池水深，实现不同工艺段HRT的变化。好氧段气水体积比为10∶1，膜池气水体积比为15∶1，均采用连续曝气，膜通量为17.36 L/(m2·h)，缺氧段至厌氧段回流比为50%，膜池至缺氧段回流比为100%。试验在MBR装置稳定运行(40 d)后开展，不同HRT下具体试验条件如表1所示。

1.2 农村生活污水水质

装置进水来自江苏某乡村排水管网，主要收集附近农户生活污水。试验期间，装置进水水温为25～30 ℃，pH值为6.5±0.5，CODCr、氨氮、TN和TP日均质量浓度分别为(110±20)、(14.000±4.000)、(19.60±1.80)mg/L和(0.89±0.36)mg/L，该地区农村生活污水具有有机物浓度低、碳氮比较低等特征。

1.3 水质指标与分析方法

CODCr、氨氮、TN、TP等水质指标测定方法参照国标[8]，水样pH采用pH计测定(pHS-3C，上海雷磁)。

2 结果和讨论

在低浓度农村生活污水条件下，改变各生化段HRT，装置稳定运行后，污染物去除效果如图2～图5所示。

注：横坐标轴数值分别表示厌氧段、缺氧段和好氧段的HRT图2 不同HRT下的CODCr去除效果Fig.2 Removal Effect of CODCr under Different HRT

2.1 HRT对CODCr去除的影响

由图2可知，不同HRT条件下，装置出水CODCr质量浓度为27～38 mg/L，稳定达到江苏省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 32/3462—2020)一级A标准和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

试验期间，CODCr去除率随厌氧段和缺氧段HRT增大而增大，CODCr平均去除率为69.50%，与郭耀杰等[9]研究结果一致。朱星等[10]研究了HRT对倒置AAO-MBR组合工艺中CODCr去除效果的影响，当进水CODCr平均质量浓度为274 mg/L时，在缺氧段HRT分别为1.5、3.7 h时，系统CODCr去除率均在90.00%以上，优于本试验结果。原因可能是后者的MBR反应器污泥浓度较高，以及进水中有机物形态不同，膜对大分子有机物具有截留作用，使大分子有机物与微生物接触时间增加，强化了系统对有机物的去除。

随着好氧段HRT的增大，CODCr去除率先增大后趋于稳定。好氧段HRT从6.0 h增至12.0 h时，装置出水CODCr质量浓度均稳定在35 mg/L左右，因此，出水剩余CODCr主要是难生物降解或微生物内源呼吸的残留物。汪浩等[11]采用AAO-MBR工艺处理城镇生活污水，发现好氧段HRT从3.6 h增加到10.8 h的过程中，CODCr去除率逐渐增大，但增幅较小，与本试验结果一致。

2.2 HRT对氨氮去除的影响

由图3可知，不同HRT条件下，装置出水氨氮质量浓度为0.029～0.295 mg/L，稳定达到江苏省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 32/3462—2020)一级A标准和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

注：横坐标轴数值分别表示厌氧段、缺氧段和好氧段的HRT图3 不同HRT下的氨氮去除效果Fig.3 Effect of Ammonia Nitrogen Removal under Different HRT

试验表明，厌氧段和缺氧段HRT对氨氮去除影响不大，与刘哲等[12]研究结果一致。氨氮去除率较稳定(98.29%～99.79%)，平均去除率为98.97%。可能是因为膜池排泥周期较长，污泥龄较大，系统内富集了较多硝化菌，有利于将进水氨氮氧化为硝态氮[1]。氨氮去除率随好氧段HRT增加略有提高，与杨胤等[13]研究结果一致。这是因为好氧段HRT增加使得好氧段微生物特别是硝化细菌具有充足的生长时间，硝化反应较彻底。

2.3 HRT对TN去除的影响

由图4可知，不同HRT条件下，装置出水TN质量浓度为8.73～14.60 mg/L，稳定达到江苏省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 32/3462—2020)一级A标准和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

注：横坐标轴数值分别表示厌氧段、缺氧段和好氧段的HRT图4 不同HRT下的TN去除效果Fig.4 Effect of TN Removal under Different HRT

试验条件下，TN去除率为26.49%～56.57%，平均去除率为35.96%，HRT变化对TN去除效果影响较大。TN去除率随厌氧段HRT增大显著提高，可能因为当厌氧段HRT 较小(1.0 h)时，反硝化无法反应完全，延长厌氧段HRT后，TN去除率逐渐上升，但与朱星等[10]研究结果(TN平均去除率为69.51%)相比，本研究TN去除率偏低。彭永臻等[14]研究表明，当进水CODCr质量浓度为211 mg/L、C/N为4.0～7.0时，TN可得到较好去除(去除率为78.00%)。而本试验进水CODCr质量浓度为110 mg/L、C/N为5.6，可能因为进水碳源不足限制了TN的去除效果。张娟[15]研究表明，改良型AAO工艺脱氮的限制因素不在于硝化反应，而是由反硝化过程决定，在进水CODCr质量浓度为210 mg/L、TN质量浓度为35.00 mg/L的条件下，缺氧段HRT为3.0 h时，基本能满足反硝化要求，之后继续增加缺氧段HRT对反硝化的影响很小，与本试验结果一致。

好氧段HRT从6.0 h增至10.0 h后，TN去除率增加了26.00%，可能因为硝化细菌世代周期长，较长的HRT使硝化细菌得到有效富集，保证硝化反应彻底进行，回流到缺氧段的硝化液中硝态氮浓度更大，使得反硝化菌得到有效增殖。当好氧段HRT为12.0 h时，TN去除率明显降低，因为HRT越大，有机负荷越低，由于反硝化菌属于化能异养菌，较长的HRT可能导致活性污泥发生内源呼吸，使得污泥浓度降低，影响反硝化效果[16]。

2.4 HRT对TP去除的影响

由图5可知，不同HRT条件下，装置出水TP质量浓度为0.22～0.42 mg/L，稳定达到江苏省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB 32/3462—2020)一级A标准和《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准。

注：横坐标轴数值分别表示厌氧段、缺氧段和好氧段的HRT图5 不同HRT下的TP去除效果Fig.5 Effect of TP Removal under Different HRT

图5表明，增大厌氧段HRT，TP去除率增大，与沈阳等[17]结论一致。因为活性污泥在厌氧条件下会发生内源呼吸，释放自身基质，使厌氧段有机底物浓度升高，为厌氧释磷提供了充足的碳源，上述内源呼吸随厌氧停留时间增大而增大。此外，徐荣乐等[18]研究发现，AAO工艺中厌氧段HRT不宜过长(不宜超过3.0 h)，否则将导致聚磷菌二次释磷，此时这类细菌将不能积累聚β-羟基丁酸酯(PHB)，从而影响其在好氧段的吸磷效果。另外，增大缺氧段HRT，TP去除率呈现先增大后减小的趋势，厌氧段、好氧段HRT一定时，缺氧段HRT为3.0 h的TP去除率最高(69.70%)。潘欣语等[19]研究表明，缺氧段HRT增大，TP 去除率不一定升高，而是呈现先升高后降低的变化趋势，与本试验结果一致。这是因为适当增大缺氧段HRT有利于提高反硝化聚磷菌数量，强化反硝化吸磷作用，但缺氧段HRT过大，在碳源有限的情况下，反硝化菌与聚磷菌形成竞争关系，而聚磷菌对于碳源的要求严于反硝化菌，即易降解有机物优先被反硝化菌利用，导致聚磷菌吸附的碳源较少，不利于吸磷作用。

好氧段HRT从6.0 h增至12.0 h时，TP去除率逐渐增大，厌氧段、缺氧段HRT一定时，好氧段HRT为12.0 h的TP去除率最高(66.10%)。研究表明[19]，在低碳源条件下，虽然聚磷菌在厌氧、缺氧阶段释磷不充分，但在好氧段HRT较长且曝气充足的条件下仍能过量吸收磷。此时，聚磷菌在好氧条件下过量吸磷的能量来源，既包括厌氧释磷时形成的PHB等细胞能源物质氧化分解而产生的能量，也包括来自好氧代谢过程中多余的能量。

3 结论

本试验采用改良型AAO-MBR工艺处理低浓度农村生活污水，结论如下。

(1)改良型AAO-MBR工艺中，HRT变化对CODCr、氨氮去除效果影响不大，CODCr、氨氮去除效果较稳定，平均去除率分别为69.50%、98.97%。

(2)改良型AAO-MBR工艺中，不同HRT条件下，TN去除率为26.49%～56.57%，TP去除率为48.60%～69.70%。TN去除率随厌氧段和缺氧段HRT增大而显著提高，TP去除率随缺氧段HRT增大而呈现先增大后减小的趋势。

(3)综合考虑污染物去除效果，提出改良型AAO-MBR工艺处理低浓度农村生活污水时，厌氧段、缺氧段、好氧段最佳HRT分别为2.0、4.0、10.0 h，此条件下CODCr、氨氮、TN、TP去除率分别为71.64%、99.15%、56.57%、62.16%，装置出水各污染物质量浓度分别为38、0.104、8.73、0.42 mg/L，稳定达到江苏省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》一级A标准。