我國農村生活污水具有水量大且污水源分散的特點，特別是對于山區農村污水難以實現集中處理。現階段大部分農村生活污水以直接外排、化糞池處理為主，生活污水處理率低，對農村附近水環境和土壤環境具有較大影響。但由于農村建設資金有限、人口居住分散、管網建設難度大，導致現存污水處理技術并不適合推廣使用。

針對以上問題，一體化農村生活污水處理反應器應運而生，其具有基建投資費用低、占地面積小、無需專人看守、運行費用低等優點。目前我國流行的一體化農村污水處理反應器主要以A2O、AO、SBR和MBR為主體工藝，而以上一體化設備多用于相對集中式、規模化的農村污水處理。為解決那些無法鋪設污水收集管網的山區住戶和鄉村住宅等污水處理難題，筆者以戶為處理單位，在現有AO工藝和生物膜工藝基礎上進行改良，開發了多級AO生物膜農村污水處理器，以氣升泵實現充氧和污水循環流動，用以處理農村污水，以期為分散式農村污水處理設備提供一種新的選擇。該反應器將多級AO生物膜工藝與二沉池進行一體化設計，無需污泥回流，設施構造緊湊、合理。

1、試驗裝置與方法

1.1 華水罐一體化反應器原理

華水罐一體化反應器由生化反應區、污泥沉淀區兩部分組成，工藝流程見圖1。生化反應區為外環反應池，按照比例分成4個區域形成兩級AO工藝，其中好氧區有效容積為64L，缺氧區有效容積為26L，每個區域中均設置懸浮球生物填料；污泥沉淀區為內環反應池，底部設置污泥斗用于收集老化脫落的生物膜，有效容積為15L。生化反應池為同心圓環結構，形成連續流兩級AO生物膜工藝，同時也具有氧化溝工藝的特點，各區域功能設置合理、循環推進，以確保出水水質。

華水罐一體化反應器的結構如圖2所示。生活污水經過化糞池預處理以后，利用重力作用進入華水罐一體化反應器，采用多點進水，分別進入一級缺氧區（A1）和二級缺氧區（A2）；進入一級缺氧區（A1）的污水與前端二級好氧區（O2）流入的含有NOx--N的污水混合進行反硝化；一級缺氧區（A1）污水經下孔隔板利用重力作用流入一級好氧區（O1），一級好氧區（O1）設有鼓風曝氣系統，此區域完成原水剩余有機物的碳化和氨氮的硝化過程，同時通過鼓風曝氣為原水提供能量（水位升高、勢能增加），確保原水持續循環；一級好氧區（O1）污水經上孔隔板流入二級缺氧區（A2），多點進水在A2區域進一步完成反硝化；二級缺氧區（A2）污水經下孔隔板經重力作用流入二級好氧區（O2），此區同樣設有鼓風曝氣系統，主要功能為進一步完成硝化過程，提高出水水質，并且為污水增加勢能，確保后續循環流動。二級好氧區（O2）污水出流分兩部分，一部分經上孔隔板進入一級缺氧區（A1），與原水充分混合后進行反硝化；另一部分經二級好氧區（O2）內側壁開口進入沉淀區進水槽。內側壁開口孔洞高度高于上孔隔板開口孔洞，二級好氧區（O2）出水首先通過二級好氧區（O2）和一級厭氧區（A1）中間的上孔隔板進行循環，部分經過兩級AO工藝處理后的污水通過二級好氧區（O2）內側壁開口進入沉淀池進水槽，沉淀池進水槽和出水槽中間設有擋流板，防止沉淀池出現短流現象。以上4個區域均設置生物填料，為微生物生長提供載體，即4個區域均為生物膜法。沉淀區設在華水罐的中心部位，沉淀區上部為華水罐的開孔部位，定期經人工或抽糞車排除沉淀污泥。沉淀區設有進水槽和出水槽，確保均勻進出水，提高沉淀效果。沉淀池出水流入后續人工生態處理系統中，達到除磷的目的。

華水罐一體化反應器以氣升泵實現充氧和污水循環流動。好氧反應器底部充氧，液位提升，好氧池和缺氧池形成液位差，通過上孔隔板形成薄壁小孔流水現象，該液位差為反應器循環流動的動力。曝氣量越大，液位差也越大，反應器循環流量就越大。因此，硝化液回流比的大小根據曝氣量控制。同時，曝氣量也要滿足好氧池微生物生長的需求。

1.2 試驗材料

本試驗采用懸浮球生物填料，填充比為50%。填料由聚氨酯球形外殼和聚氨酯海綿塊內部兩部分組成。聚氨酯海綿為多孔墻體結構，比表面積>4000m2/m3，親水性極強，吸水膨脹后密度接近于水。鄒海明等發現，生物膜的兩種掛膜方式對污水中污染物的去除效率沒有影響。因此，本試驗采用自然掛膜法。

1.3 試驗水質

試驗裝置位于華北水利水電大學環境與市政工程學院實驗樓，原水為學術交流中心的生活污水。污水通過下水道管網收集于蓄水池中，直接從蓄水池取水使用。污水水質如下：COD為100~220mg/L，均值為162.8mg/L；氨氮為50~60mg/L，均值為54.5mg/L；總氮為60~70mg/L，均值為65.5mg/L；pH為6.5~8.5，均值為7.5；水溫為15~28℃，均值為21℃。

1.4 試驗方法

華水罐啟動階段：啟動時間為60d（2021年5月初—6月底），進水量為180L/d，保持穩定持續進水，硝化液回流比為100%，好氧池溶解氧控制在2~3mg/L。每隔3d取樣一次，以檢測污染物的去除情況，并觀察生物膜生長情況。

反應器抗沖擊負荷性能：調節進水量，改變水力停留時間（HRT），觀察在8、10、12h三種不同的HRT下華水罐一體化反應器的抗沖擊負荷性能。

反應器污染物去除沿程分析：調節華水罐一體化反應器的HRT為10h、硝化液回流比為200%、一級與二級缺氧區的流量分配比為2∶1、試驗水溫在15℃以上，分析污染物濃度的沿程變化。

1.5 分析項目及方法

COD、NH4+-N、TN、DO、pH分別采用重鉻酸鉀法、納氏試劑分光光度法、過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、溶解氧儀、pH測試儀進行測定。

2、結果與討論

2.1 啟動階段對污染物的去除效果

在啟動階段華水罐一體化反應器對污染物的去除效果如圖3所示。其中，對COD和氨氮的去除率可分別達到84.57%、91.2%，而對總氮的去除率較低，僅為51.23%。

分析原因，一方面，由于原水的碳氮比較低，而在低碳氮比的農村生活污水處理中，對總氮的去除效果大都比較差；另一方面，可能是由于啟動階段沒有形成嚴格的缺氧環境，生物膜上的反硝化細菌沒有形成優勢菌種，缺氧池中有大量的溶解氧存在，而且缺氧區氧化還原電位偏高，導致反硝化作用較弱。

同時發現，對COD、氨氮、總氮的去除率均隨著時間的延長呈增大趨勢，證明反應器內懸浮球生物膜上的生物量逐漸增加。反應器在運行約45d時趨于穩定。COD、NH4+-N、TN的平均出水濃度分別為30、5.74、31.55mg/L，COD和氨氮滿足《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB41/1820—2019）一級排放標準，戶用農村污水處理一體化反應器——華水罐啟動成功，對生活污水具有良好的處理效果。

缺氧池和好氧池生物膜的鏡檢結果見圖4。

由圖4可知，懸浮球生物膜上的生物相較豐富，且有少量藻類存在。由于反應器放置的地方有太陽直射，因此會滋生藻類。在夏季太陽能直射到反應器的時候，使用黑色塑料布將其覆蓋，避免反應器內綠藻泛濫影響試驗結果。在缺氧和好氧段能清楚地觀察到鐘蟲、輪蟲等指示生物，說明污水經過處理后水質良好。

2.2 反應器抗沖擊負荷性能

通過調整反應器的HRT來檢驗反應器抗沖擊負荷的能力，根據多級AO生物膜工藝的特點及試驗需求設置HRT。反應器抗沖擊負荷的性能見圖5。由圖5（a）可知，反應器對COD的去除效果較穩定，盡管進水水質存在波動，但在不同的HRT下，反應器出水COD濃度均保持在31.5mg/L左右，平均去除率在80%以上，可見反應器抗COD沖擊負荷能力較好。由圖5（b）可知，當HRT≥10h時，出水氨氮濃度無明顯變化，基本在5.03mg/L左右，平均去除率達到90%以上。當HRT=8h時，氨氮去除率降低5%左右。在增加水力負荷的情況下，氨氮去除率變化不大，說明生物膜中的微生物含量較豐富，增加水力負荷對硝化作用的影響較弱。可見，反應器抗氨氮沖擊負荷能力良好。

由圖5（c）可知，當HRT為8h時，對總氮的去除效果較差，出水總氮濃度維持在39.40mg/L左右，去除率僅約為40%。HRT較短時（華水罐一體化反應器好氧區與厭氧區的體積比為1∶2），導致缺氧區溶解氧濃度升高，影響反硝化菌的生長繁殖。當HRT為8h時，測定缺氧池的溶解氧，發現溶解氧濃度大于0.5mg/L。延長HRT后，總氮去除率逐漸升高，但與艾勝書等人獲得的結果（平均出水總氮濃度為10.9mg/L）相比，本系統對總氮的去除率偏低。彭永臻等的研究表明，當進水C/N值為4~7時，對總氮的去除效果較好（去除率在78%左右）。而本試驗進水C/N值在2.3左右，分析認為進水碳源不足限制了總氮的去除效果。

2.3 污染物沿程去除效果

華水罐一體化反應器掛膜成功以后，調整硝化液回流比為200%、HRT為10h、一級和二級缺氧區流量分配比為2∶1，同時確保試驗水溫在15℃以上。連續穩定運行30d后，在缺氧池、好氧池、進水口、出水口等點位進行取樣，并檢測相關水質指標。

2.3.1 COD沿程去除效果

COD濃度在華水罐一級缺氧段下降速度最快，一方面是缺氧區發生了稀釋和微生物吸附作用；另一因素為AO工藝的缺氧段發生了反硝化反應，在缺氧條件下反硝化細菌利用污水中的有機物作為碳源，將硝態氮轉化為氮氣脫離系統。在好氧區COD濃度有所降低，有可能在懸浮球填料上的生物膜內部形成了厭/缺氧條件，微生物利用少量COD作為碳源進行反硝化作用，而且總氮濃度在好氧區的降低也驗證了生物膜內部發生了反硝化反應，從而消耗了部分碳源。同時好氧區填料上的異養菌對有機物的好氧氧化分解亦可能是一個原因，異養菌利用污水中的有機物和溶解氧來獲取營養和能量進行生長繁殖。二級缺氧段COD濃度出現升高的現象，原因是反應器采用分段進水，原水中有機物濃度較高所致。

2.3.2 總氮、氨氮沿程去除效果

反應器中氨氮和總氮的沿程變化如圖6所示。可知，一級缺氧段氨氮濃度下降速度較慢，由進水的55mg/L左右下降到40mg/L，這是由于硝化液回流造成的稀釋作用和缺氧區存在降低氨氮的自養菌。在一級好氧段硝化細菌利用進水中的氨氮進行硝化作用，氨氮濃度降低較快。在二級缺氧段氨氮濃度出現短暫升高，是由于反應器采用分段進水導致的。二級好氧段的氨氮濃度進一步降低，系統對氨氮的總去除率較高。

一級缺氧段和一級好氧段的TN濃度逐漸降低，一級缺氧段為反硝化作用，可將系統中的硝酸鹽氮轉化為氮氣脫離系統；一級好氧段TN濃度下降，分析原因可能是好氧區懸浮球填料上的生物膜內部形成了厭/缺氧微環境，發生短程硝化反硝化反應將含氮有機物轉化為氮氣脫離系統。二級缺氧段總氮濃度出現短暫升高，依然是分段進水導致的。

最優工況下，華水罐一體化反應器的出水總氮濃度在22mg/L左右，去除率在58%左右，去除率偏低。根據理論最大脫氮效率（η）計算公式：η=（r+R）（/1+r+R）（R為污泥回流比，r為混合液回流比），反應器在硝化液回流比為200%的情況下，最大脫氮效率在67%左右。經分析，總氮去除率偏低是由于污水的C/N值較低，即污水中有機碳源不足。厭/缺氧環境中的反硝化作用需要足夠的碳源，才能有效去除污水中的含氮有機物，保證反應器出水總氮濃度達標。

2.4 經濟性分析

華水罐一體化反應器采用二級AO生物工藝，反應器具備內回流功能，無需外置硝化液回流系統，該反應器較傳統二級AO工藝節約了硝化液回流系統，降低了運行費用；反應器內置懸浮球生物填料，經實測系統內污泥濃度為0.8~1.2g/L，無需污泥回流系統，該反應器正常運行僅需1臺鼓風曝氣裝置。按照河南省鄭州市居民用電標準電價收取，即0.56元（/kW·h）。本次試驗的用電總功率為10W、功率系數為0.55、24h連續運行。華水罐一體化反應器處理水量為0.25m3/d，經計算處理費用約為0.30元/m3。與我國目前運行的一體化污水處理設備相比，在只考慮運行期間電能消耗方面，運行費用低廉，更適用于農村生活污水的處理。

3、結論

①華水罐一體化反應器在運行45d左右后逐漸趨于穩定，COD、NH4+-N、TN的平均出水濃度分別為30、5.74、31.55mg/L，COD和氨氮滿足《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》的一級排放標準。

②華水罐一體化反應器的最佳HRT為10~12h，其抗COD、氨氮沖擊負荷等能力良好，抗總氮沖擊負荷能力一般。

③該反應器在運行過程中僅需1臺小功率鼓風曝氣泵，處理費用約為0.30元/m3。整體工藝為多級AO生物膜工藝，無需污泥回流及排泥措施，操作管理方便。