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當前我國許多地區水體富營養化問題依然突出，而農村生活污水是主要氮、磷污染源之一，對于農村生活污水高效脫氮除磷技術的研究與應用仍顯不足。在農村生活污水處理領域，生態處理技術備受推崇，但仍存在占地面積大等弊端，限制了其在土地資源相對緊張地區的應用。與生態處理技術相比，生物處理技術占地面積相對較小，但因農村生活污水C/N普遍較低，采用傳統生物脫氮除磷工藝處理時，往往需要外加碳源，從而導致處理成本大幅增加。

反硝化除磷技術在缺氧段以NO3--N作為電子受體完成聚磷過程，實現了“一碳雙用”，相對傳統脫氮除磷工藝，最高可節省50%的碳源消耗、35%的曝氣能耗，在處理低C/N污水方面優勢突出。但A2N等現有反硝化除磷工藝流程較為復雜，目前幾乎未見該類工藝應用于農村生活污水處理的工程案例報道。

針對上述問題，聯合SBR與生物接觸氧化（BCO）工藝，開發了一種新型反硝化除磷工藝（SBR-BCO反硝化除磷工藝），在同一反應器內實現厭氧、缺氧、好氧的時間交替，無需污泥回流，結構簡單，可實現全程自動控制。此外，該工藝整體上采用序批運行方式，能夠根據實際水量、水質調整SBR運行周期及各階段反應時間比，可在一定程度上應對農村生活污水水量波動較大的問題。以江蘇省常州市新北區西夏墅鎮某村的生活污水處理工程為例，介紹SBR-BCO反硝化除磷工藝對實際農村生活污水的處理效果。

1、設計水量和進、出水水質

該村建有完善的污水收集管網系統，采用雨污分流排水體制。所收集的生活污水包括沖廁污水及洗浴、餐廚污水等，設計處理規模為20m3/d，根據前期水質調查結果，污水處理設施設計進水水質如表1所示。

設計出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）的一級A標準。

2、工藝流程與設計參數

2.1 工藝流程

人工濕地等生態處理技術具有成本低、操作簡單等優點，是農村生活污水處理的優選技術之一，但該村可供建設污水處理設施的土地面積有限，且出水水質要求較高，使得生態處理技術難以實施。相比較而言，生物處理工藝容積負荷高、占地面積小、溫度適應性強，較適宜作為該村生活污水處理的主體工藝，但較低的C/N一直是困擾農村生活污水生物脫氮除磷的難題。考慮到反硝化除磷技術在處理低C/N污水方面的技術優勢，項目建設單位決定將該村作為試點，開展SBR-BCO反硝化除磷工藝的工程示范，嘗試通過該工藝的應用，提升碳源利用效率，在不投加碳源或化學除磷藥劑的情況下使出水水質達到排放標準。

該村污水處理的整體工藝流程：污水經格柵進入調節池，再由潛污泵提升至SBR-BCO反硝化除磷系統，處理出水達標排放。

2.2 SBR-BCO反硝化除磷工藝原理

該工藝主要組成見圖1，SBR、BCO為兩個主要反應單元。SBR包括厭氧、缺氧、好氧（后曝氣）3個反應階段。厭氧階段結束并通過沉淀進行泥水分離后，將厭氧上清液排至中間水池2，繼而將存儲于中間水池1的富磷硝化液提升至SBR，隨后依次進行缺氧、好氧反應。中間水池1排水完畢，將中間水池2的厭氧上清液以一定流量連續提升進入BCO，BCO出水送入中間水池1存儲，在下一周期缺氧反應階段開始前送入SBR。好氧階段結束后，再次沉淀，排出上清液（最終出水）。

SBR-BCO反硝化除磷系統的主要生化代謝機理見圖2。在SBR厭氧反應階段，部分有機物經發酵轉化為VFA，聚磷菌分解體內聚磷顆粒（Poly-P）產生能量（ATP），通過主動運輸方式吸收VFA，聯合體內糖原（Gly）合成聚羥基脂肪酸酯（PHA）。在缺氧、好氧反應階段，聚磷菌分別以NO3--N、O2為電子受體分解PHA生成糖原，并利用所產生的ATP吸收磷酸鹽合成聚磷顆粒。缺氧階段可同步實現磷酸鹽的吸收和反硝化（反硝化聚磷），解決了生物除磷和脫氮之間的碳源競爭問題。

BCO單元通過好氧硝化作用將厭氧上清液中的NH4+-N轉化為NO3--N，作為SBR缺氧反應階段的電子受體。BCO單元填充組合填料作為生物膜載體，用以提升反應器內生物量，進而提高硝化反應速率；此外，厭氧階段對碳源的大量消耗（通過厭氧釋磷、普通反硝化等作用），大幅降低了進入BCO單元的有機物濃度，從而減小了異養菌對溶解氧的競爭，可為硝化反應創造有利條件。

本工藝中SBR與BCO的污泥系統相互獨立，兩單元僅通過中間水池交換上清液，屬典型的雙污泥系統，解決了聚磷菌與硝化菌之間的污泥齡矛盾。同時，本工藝充分利用序批式反應器的優勢，在SBR單元實現了厭氧/缺氧/好氧的時間交替，節省了多個處理構筑物，且各階段反應時間可獨立設置，增大了參數調控空間。SBR與BCO兩個單元均無需污泥回流，在一定程度上減少了工藝操作的復雜性，并有利于節約能耗。

2.3 主要構筑物及設計參數

①調節池

設置1座地埋式調節池，鋼筋混凝土結構，設計停留時間為1d，有效容積為20m3，調節池內配置無堵塞潛污泵2臺（1用1備），設計流量為20m3/h，揚程為105kPa。

②SBR-BCO一體化處理設備

SBR與BCO單元采用一體化設計，設備主體為碳鋼材質，地上式安裝，基礎為鋼筋混凝土結構，尺寸為2.5m×1.9m×0.2m，承重25t。

SBR的設計參數主要依據設計水量、水質以及預試驗結果確定。每天運行2周期，每周期12h，包括進水1h（進原水及硝化液各0.5h）、厭氧3h、缺氧3h、好氧1h、沉淀3h（厭氧、好氧階段結束后各沉淀1.5h）、排水1h（排厭氧上清液及最終出水各0.5h），污泥濃度維持在2000~2500mg/L，污泥齡10~15d。SBR單元尺寸為3.6m×1.5m×2.5m，超高0.3m。底部鋪設215型微孔曝氣器35個，設計氣水比為3∶1。設備：風機2臺（1用1備，風量0.33m3/min，風壓30kPa）；潛水攪拌器3臺（2用1備，功率為0.37kW，2臺攪拌器安裝于反應器底部，交替運行）；浮筒式潷水器1臺，流量為20m3/h，最大潷水深度1.8m。

BCO單元總尺寸為1.5m×1.55m×2.5m，超高0.3m，設計水力停留時間為4.6h，進水流量采用閥門聯合浮子型液體流量計調控。在BCO單元出水端以隔板分隔出沉淀區域，尺寸為1.2m×0.3m×2.5m。反應區內部懸掛?150mm×80mm組合填料，底部鋪設215型微孔曝氣器9個，配置風機2臺（1用1備，風量0.15m3/min，風壓30kPa）。BCO單元的氣水比同樣為3∶1。由于BCO單元設計風量較小，采用間歇曝氣方式運行。

③中間水池

2座中間水池位于SBR-BCO一體化處理設備兩側，為地埋式玻璃鋼罐體，長3.8m，罐體的橫截面為圓形，半徑1m。中間水池1配套潛污泵2臺（1用1備，流量20m3/h，揚程105kPa）；中間水池2配套潛污泵2臺（1用1備，最大流量1m3/h，揚程100kPa）。

④自動控制

采用PLC控制柜配合連桿浮球液位控制器、電磁閥（DF80）、時間繼電器等控制部件實現全程自動控制，所有運行參數可通過觸屏手動調節。PLC控制柜置于設備間，設備間尺寸為4m×2.5m×2.5m，彩鋼結構，內部同時安裝風機等設備。

3、運行效果及技術經濟分析

該工程于2018年12月底建成運行，SBR進、出水容積交換率為0.725，實際處理水量為17.2m3/d，與設計處理水量較為接近。

接種污泥取自常州市新北區某A2/O工藝污水處理廠。整個處理系統運行15d后達到相對穩定的處理效果，之后每隔3~5d采集一次水樣，連續3個月監測各主要反應階段（單元）COD、NH4+-N、NO3--N、TN、TP濃度。水溫為11~16℃。盡管運行期間溫度較低，但因接種污泥已經歷過較長時間的低溫馴化，處理過程中依然表現出較好的生化代謝性能。

3.1 主要污染物去除效果

主要污染物去除效果見圖3。運行期間，進水COD、NH4+-N、TN、TP濃度分別為121.8~209.0、21.0~37.7、23.5~40.1、1.77~3.47mg/L，出水COD、NH4+-N、TN、TP分別降至21.4~29.9、0.1~1.86、7.4~14.9、0.12~0.49mg/L，以上污染物的平均去除率分別為83.0%、92.5%、60.5%、85.1%，出水水質滿足一級A標準。

通過物料衡算得出各污染物的平均去除貢獻率分布（見圖4）。厭氧階段耗氧過程消耗的有機物量根據該階段溶解氧的去除量計算；以外加碳源為電子供體的普通反硝化過程所消耗的COD量，按NO3--N去除量的2.86倍估算。

聚磷菌在厭氧反應階段充分吸收污水中有機物并轉化為PHA存儲（厭氧釋磷），是反硝化聚磷過程發生的一個基本前提。該工程設置了較長的厭氧反應時間，使被去除的有機物大部分消耗于SBR的厭氧反應階段，該階段對COD去除的平均貢獻率達到了74.3%。厭氧階段溶解氧對有機物的消耗量極小，普通反硝化是與反硝化聚磷過程競爭碳源的主要反應過程。進、排水時采用了較高的容積交換率（0.725）以減少上一周期殘留的硝酸鹽量，使厭氧段普通反硝化過程所消耗的碳源僅占該階段碳源消耗總量的14.2%。厭氧階段81.7%的碳源消耗應發生在污泥厭氧釋磷等其他過程，除去發酵過程產生的少量有機物損失以及異養菌缺氧生長同化的部分碳源，其余應主要用于聚磷菌胞內PHA的合成。

在所設計的SBR-BCO反硝化除磷系統中，缺氧段反硝化聚磷的NO3--N電子受體主要來自BCO出水。在排出厭氧上清液時，較高的容積交換率使大部分NH4+-N在BCO單元被去除，BCO單元對NH4+-N去除的貢獻率為70.4%，被去除的NH4+-N除少部分用于微生物生長外，多數應轉化為NO3--N。

該工藝將SBR的缺氧段設在好氧段之前，并設置足夠長的缺氧反應時間，令厭氧階段合成的PHA優先用于反硝化聚磷過程。SBR厭氧段合成的PHA大部分（約82.9%）在缺氧段被消耗，同步實現了較好的缺氧聚磷及脫氮效果，該階段的聚磷量占總聚磷量的66.1%，對TN去除的貢獻率達到了62.7%。SBR缺氧段僅消耗了極少量的有機物（見圖4），表明該階段的普通反硝化作用可以忽略，TN的去除應主要來自以PHA為電子供體的反硝化聚磷過程（包括同步發生的異養菌的缺氧生長）。

以上分析表明，該工程所采用的工藝通過強化反硝化聚磷過程，優化了碳源的分配利用，是實現較好污染物去除效果的一個重要因素。需要說明的是，SBR最后的好氧階段對整個系統的污染物去除效果起到了保障作用。該階段可去除未排入BCO單元的厭氧上清液中殘留的NH4+-N；同時，由于缺氧聚磷量受限于NO3--N電子供體數量，SBR好氧段可繼續以氧為電子受體聚磷，使TP進一步降低。

3.2 技術經濟分析

農村生活污水處理設施運行成本包括電費、藥劑費、人工費等。其中電費、藥劑費與處理工藝直接相關。實際運行過程中的設備耗電量如表2所示，各用電設備的運行時間由工藝運行方式及運行參數決定。該工程電耗為15.9kW·h/d，實際處理水量為17.2m3/d，則耗電量為0.93kW·h/m3。電價按0.67元（/kW·h）計，折算電費為0.62元/m3。進入BCO單元厭氧上清液中的有機物濃度相對于原水有機物濃度顯著降低，需氧量相應減小；SBR缺氧段對污泥體內PHA的大量消耗亦降低了好氧段的溶解氧需求。因此，BCO、SBR好氧段均采用了較低的氣水比（3∶1），可在一定程度上節約運行能耗。

運行期間未投加任何藥劑，不產生藥劑成本。需要說明的是，是否投加藥劑與具體的進水水質有關，盡管反硝化除磷工藝可在一定程度上實現碳源的優化利用，但當原水C/N過低，或者進水磷酸鹽濃度過高時，仍可能需要外加藥劑輔助提升處理效果。

人工費與工程所在地的經濟水平、人力資源以及污水處理設施運營模式有關，因此未對該部分進行計算。該工藝實現了全流程自動控制，操作管理方便，人力需求應不高于現有的其他生物脫氮除磷工藝。

4、結論與展望

①聯合SBR與接觸氧化（BCO）開發了一種新型反硝化除磷工藝，結合在江蘇省常州市新北區西夏墅鎮某村的生活污水處理工程實例，分析了污染物去除過程與效能。運行結果表明，該工藝通過強化反硝化聚磷過程優化了碳源的分配利用，獲得了較好的處理效果，對COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分別為83.0%、92.5%、60.5%、85.1%，出水水質滿足一級A標準。

②運行期間生活污水平均C/N>4，未投加任何化學藥劑；電耗為0.93kW·h/m3，電價按0.67元（/kW·h）計，折算電費為0.62元/m3。整個工藝實現了全流程自動控制，操作管理方便。

③工藝整體上為序批式運行，理論上在應對水量波動上更具優勢，但實際運行期間水量相對穩定，今后仍需在不同運行工況下進行更多驗證。此外，工藝整體上包含多個相互關聯的反應過程，今后可構建工藝數學模型，輔助工藝的設計和運行調控。