一种多模态农村生活污水生化处理装置及方法

本发明属于农村生活污水处理，尤其是涉及一种多模态农村生活污水生化处理装置及方法。

背景技术：

1、农村污水主要是指农村地区的村民生产生活产生的生活污水，其主要构成是厨房污水、冲厕污水、洗涤污水和洗浴污水四类。由于冬季气温低，村民用水量相对减少，污水中的污染物浓度（如cod、bod、氨氮等）会因为排水量下降而相对升高（稀释作用减弱）。进入夏季，气温升高，用水量大（如洗浴、冲凉等），加上雨水可能渗入或进入污水管网（尤其是合流制系统），稀释了污水，因此进水浓度较低。所以，农村生活污水具有明显的特征规律，一是水量受季节变化、人口规模、生活方式等影响，具有很大的波动性。二是农村生活污水中有机污染物浓度不稳定，普遍呈现冬季污染物浓度高，夏季污染物浓度低的特点。

2、很多农村污水处理装置因规划设计时间仓促，导致处理设施工艺选型盲目性大于针对性，治理模式不精准、治理成效不稳定，设计规模与农村人口动态变化及其污水实际产生量匹配不足，加之处理站自动化程度低，工艺标准化程度缺失、运行管理粗放，直接导致出水水质稳定性差等问题普遍存在。

3、a2o+mbr工艺将生物处理与膜分离技术相结合，在实现脱氮除磷的同时，更提高了抗冲击负荷能力，大大减少了土地占用。该工艺在农村生活污水处理领域得到广泛应用。仅某地区农村生活污水处理工艺中，采用ao+mbr或a2o+mbr工艺的处理站就高达60%以上。但同时也存在多方面的问题。以跟踪的采用a2o+mbr工艺的九座农村生活污水处理站为例，一方面，设计阶段没有历史来水量和污染物浓度数据作为参考依据，仅以有关规范和指南进行估算设计，对特定地区不同季节、不同污染物浓度及不同来水量下，采取何种处理模式，才能充分发挥脱氮除磷效能，难以细致考虑，全部按照普通的a2o+mbr工艺进行设计，且在农村人口大量流失的当下，处理站规模普遍偏大。行业内人员可知，在a2o同步脱氮除磷工艺中，‌cod/tn和‌cod/tp是影响脱氮除磷效率的关键参数，当综合考虑处理效果和运行经济性时，其比值的变化是工艺选择的关键因素。生物除磷方面，cod/tp≥‌15～20‌时，才能满足聚磷菌在厌氧条件下充分吸收挥发性脂肪酸（vfas）并合成pha，为后续好氧吸磷提供能量‌，而根据反硝化理论和大量实践运行经验表明，当进水cod/tn低于一定数值时，采用倒置a2o方案，可以更加充分的利用有限碳源，保证脱氮效果，此时污水宜优先进入缺氧池，完成反硝化反应，若进水总磷（tp）含量过高，导致厌氧池内污水cod/tp过低，则通过化学措施完成除磷。当cod/tn高于这个数值，且进一步升高到某个区间时，可以通过改变回流方案，实现更加合理的碳源分配。如将好氧池硝化液与污泥回流至缺氧池，待硝态氮反应完全后，再从缺氧池以混合液形式，回流到厌氧池，以更好的利用有限的碳源进行同步脱氮除磷，只有当cod/tn>8甚至更高时，才可以认为碳源充足，能够利用a2o工艺实现污水的同步脱氮除磷处理，而如果cod/tn<4，理论上，碳源已经处于匮乏的临界值，极有可能需外加碳源和化学除磷药剂措施才能满足出水指标。而实际上，由于多种因素影响，在设计阶段，难以周密的考虑到不同进水条件下的进水方式与回流系统设置，无论来水量和污染物浓度如何变化，基本都是按照常规a2o+mbr的预设工艺运行。另一方面，行业内人员可知，在污水处理a2o工艺中，‌厌氧、缺氧、好氧‌是根据环境中‌溶解氧（do）浓度‌和是否存在‌硝态氮‌等氧化性物质来划分的三种关键反应条件。它们分别支持不同功能的微生物群落，实现对有机物、氮、磷等污染物的去除。厌氧环境中‌既无溶解氧，也无硝态氮等氧化性物质‌。它的主要功能是利用聚磷菌释放磷，为后续好氧池大量吸磷做准备‌。缺氧环境中不应有溶解氧，但存在硝酸盐或亚硝酸盐‌作为电子受体。它的主要功能‌是通过反硝化菌利用有机物将硝态氮还原为氮气，实现脱氮‌。而好氧环境中，要求有充足的溶解氧‌，供好氧微生物利用。其主要功能‌是通过好氧菌分解有机物为co2和h2o；硝化菌将氨氮氧化为硝态氮；聚磷菌过量吸磷并以排泥的形式将磷从系统中排除。然而，在实际运行中，硝态氮进入厌氧池以及溶解氧进入厌氧池和缺氧池导致系统功能失常的问题屡见不鲜，脱氮除磷效果大打折扣。第三，很多时候，来水的污染物含量并不充分，甚至维持脱氮除磷尚且不足，现实很多运维人员专业知识受限，盲目认为污水处理效果不好就是曝气或污泥浓度的问题，频繁调整曝气量和污泥浓度，造成污泥老化、膨胀、mbr膜组件堵塞等问题频发，甚至导致系统瘫痪。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种多模态农村生活污水生化处理装置及方法，以解决背景技术中至少一个技术问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种多模态农村生活污水生化处理方法，包括如下步骤：获取目标污水处理场站的历史进水水质数据，得到cod/tn比值；根据所述cod/tn比值所处的数值区间，从至少两种运行方案中选择并执行以下四种运行方案之一：第一运行方案，用于高碳氮比工况；第二运行方案，用于中高碳氮比工况；第三运行方案，用于中低碳氮比工况；第四运行方案，用于低碳氮比工况。

4、优选地，第一运行方案，当cod/tn>8时，执行厌氧、缺氧、好氧和mbr的运行方案；待处理污水依次流经厌氧池、缺氧池、好氧池和mbr膜池，设置硝化液回流，好氧池的硝化液经脱氧池回流至缺氧池；设置外回流，好氧池污泥回流至厌氧池。该方案适用于进水碳源充足（cod/tn > 8）的工况，旨在实现有机物、氮、磷的同步高效去除。

5、优选地，第二运行方案，当6

6、优选地，第三运行方案，当4

7、优选地，第四运行方案，当cod/tn≤4时，执行两级内回流、mbr和外加碳源和药剂的运行方案。待处理污水依次流经厌氧池、缺氧池再进入mbr膜池，设置两级内回流，即mbr膜池的硝化液由mbr膜池经脱氧池回流至缺氧池，缺氧池的混合液由缺氧池回流至厌氧池；设置外回流，即mbr膜池污泥经脱氧池回流至缺氧池；并配合外加碳源和化学除磷措施。该方案适用于碳源极度匮乏（cod/tn ≤ 4）的工况。所述外加碳源投加于缺氧池的进水端或厌氧池的进水端。

8、从化学计量学角度看，反硝化细菌将1g的硝态氮（no3--n）还原为氮气（n2）理论上至少需要2.86g的化学需氧量（cod）作为电子供体。这一数字可通过基于甲醇作为碳源的反应方程式推导得出，因此，2.86是维持反硝化反应的最低碳氮比（cod/tn）。但由于细菌除了反应本身，还需要碳源来维持自身生长和繁殖，理论cod/tn比一般会提高到约3.7。在实际工程中，碳源还会被其他因素消耗，一是好氧池末端混合液回流时，会携带溶解氧（do）进入缺氧区，这部分do会消耗掉一部分原本用于反硝化的碳源。二缺氧区可能还存在其他竞争碳源的电子受体。因此，根据实践经验，考虑到反硝化菌与聚磷菌（paos）对碳源的激烈竞争，行业内通常将cod/tn安全控制线提升至 4～6。当cod/tn比达到8以上，系统碳源实现真正意义的充足，常规a2o工艺的脱氮除磷效果才能够得以保证。

9、虽然农村污水处理站具有来水量和水质随季节和地域波动的特点，但很多污水处理站基本都有自己的年内变化规律，我们利用这个特性，收集符合cod/tn变化规律的场站历史数据，用以设计一种多模态农村生活污水处理装置不同阶段运行方案。

10、参照历史数据，以cod/tn比值4、6、8为控制节点，将全年大致划分为4个区间，每个区间为一个运行方案。

11、进一步地，当cod/tn>8时：

12、待处理污水经过进水调节池、厌氧池、缺氧池、好氧池、mbr膜池后排出；

13、硝化液回流：好氧池的硝化液流向脱氧池，经脱氧池脱氧后回流至缺氧池；

14、硝化液回流路径：好氧池的硝化液在脱氧池内停留15~30分钟后进入缺氧池。

15、外回流：好氧池的污泥流向脱氧池，脱氧池的污泥一部分外排，一部分流向厌氧池。好氧池污泥在脱氧池内停留15~30分钟后进入厌氧池；

16、厌氧池阶段，进水中的新鲜碳源以挥发性脂肪酸vfa为主，新鲜碳源与来自外回流的污泥在此混合。由于外回流污泥中基本不含可利用的碳源，但携带一定量的硝酸盐，其反硝化反应消耗一部分碳源。聚磷菌（paos）在厌氧环境下利用进水碳源进行代谢，水解体内的多聚磷酸盐并释放正磷酸盐，同时将碳源以聚羟基脂肪酸酯（phb）的形式储存于体内。这一过程消耗了进水中的大部分碳源。

17、缺氧池阶段，厌氧池出水含有未被完全消耗的剩余碳源，以及氨氮、已释磷的paos。内回流液富含硝酸盐，基本不含碳源。厌氧池出水与来自好氧池的内回流液在此混合。反硝化菌利用厌氧池出水中的剩余碳源作为电子供体，将硝酸盐还原为氮气。至此，系统中剩余的碳源被进一步消耗。

18、好氧池阶段，从缺氧池中过来的混合液，剩余碳源被进一步消耗。paos利用此前储存于体内的phb作为能源和碳源，进行过量吸磷，硝化菌则将氨氮氧化为硝酸盐。

19、mbr膜池阶段，经过好氧池的污水进一步进入mbr膜池，在这里，悬浮物（ss）、不溶性有机物、不溶性磷、细菌及大部分病毒得到进一步降低和去除。

20、除磷方面，厌氧池内聚磷菌（paos）厌氧释磷，在进入好氧池后，聚磷菌（paos）过量吸磷。通过排放富磷剩余污泥实现磷的去除。

21、脱氮方面，好氧池内硝化菌将氨氮转化为硝态氮，然后以硝化液回流的方式，进入缺氧池，在反硝化菌作用下，将硝态氮转化为氮气。

22、进一步地，当6

23、待处理污水经过进水调节池、厌氧池、缺氧池、好氧池、mbr膜池后排出；

24、硝化液回流（第一内回流）：好氧池的硝化液在脱氧池内停留15~30分钟，流向缺氧池；

25、好氧池的污泥流向脱氧池，脱氧池的污泥一部分外排，一部分流向缺氧池。

26、缺氧回流（第二内回流）：缺氧池的混合液流向厌氧池；

27、此方案通过改变回流路径，将硝酸盐拦截在厌氧池之外，为paos创造更为优良的厌氧环境。厌氧池阶段，进水中的新鲜碳源与来自缺氧池的回流液在此混合，该回流液为第二内回流，该回流液已完成反硝化，硝酸盐浓度极低，且含有少量未被消耗的剩余碳源。由于缺氧回流液中不含硝酸盐，厌氧池环境纯净，聚磷菌（paos）独占进水碳源进行高效释磷，将碳源以phb形式储存。此过程消耗了进水中的大部分碳源。

28、缺氧池阶段，厌氧池出水进入缺氧池。厌氧池出水中含有未被paos消耗完的剩余碳源，以及氨氮、已释磷的paos，厌氧池出水与两股回流液混合，一是来自好氧池的内回流液，内回流液为第一内回流，富含硝酸盐，基本不含碳源，二是外回流污泥，外回流污泥富含硝酸盐，含少量内源碳源。反硝化菌利用厌氧池出水中的剩余碳源作为电子供体，将硝酸盐还原为氮气。

29、好氧池阶段，进入好氧池的混合液中碳源已基本耗尽。paos利用此前储存的phb进行过量吸磷，硝化菌将氨氮氧化为硝酸盐。

30、mbr膜池阶段，经过好氧池的污水进一步进入mbr膜池，在这里，悬浮物（ss）、不溶性有机物、不溶性磷、细菌及大部分病毒得到进一步降低和去除。

31、除磷方面，通过缺氧回流将无硝酸盐的混合液送回厌氧池，彻底切断硝酸盐对厌氧环境的干扰，paos在纯净厌氧环境下独占进水碳源，释磷充分，生物除磷效率得到极大提高。

32、脱氮方面，外回流和内回流中的硝酸盐均在缺氧池被消耗，脱氮效率与a2o基本相当。

33、进一步地，当4

34、待处理污水经过进水调节池、缺氧池、厌氧池、mbr膜池后排出；

35、mbr膜池的硝化液流向脱氧池，脱氧池的硝化液流向缺氧池；

36、mbr膜池的污泥进入脱氧池，脱氧池内的污泥一部分流向缺氧池，另一部分排出。

37、该方案是在碳源短缺的情况下，综合考虑运行成本和出水效果，经实验优化后采取的改良措施，即牺牲部分生物除磷能力，将来水碳源优先分配给反硝化菌，强化脱氮。若进水总磷含量过高，且经检测出水总磷超标，需要化学除磷辅助。

38、mbr膜池为了冲刷膜表面、防止堵塞，其曝气强度通常大大高于普通好氧池，这使得膜池内的混合液溶解氧浓度很高。在进水碳源浓度偏低的情况下，如果再经过好氧池曝气，不仅增加不必要的运行成本，更会对系统运行产生诸多负面影响。第一，低污泥负荷意味着食微比f/m过低，过量溶解氧会加速微生物内源代谢，导致活性污泥自身氧化、絮体结构松散、沉降性能变差‌，加剧污泥老化‌解体。第二，可能诱发某些丝状菌（如诺卡氏菌）膨胀或形成浮渣或泡沫，进一步恶化污泥沉降‌性能。第三，由于污泥活性下降、eps/smp失衡，膜污染类型可能从可逆转向不可逆，需更频繁化学清洗，缩短膜寿命‌。所以，该方案下，污水不经过好氧池，直接进入mbr膜池。且mbr膜池需降低曝气强度，保持2mg/l

39、外污泥回流，mbr膜池污泥在脱氧池内停留15~30分钟，再流向缺氧池；

40、硝化液内回流，mbr膜池硝化液在脱氧池内停留15~30分钟，再流向缺氧池。

41、缺氧池阶段，进水中的新鲜碳源首先进入缺氧池，与外回流污泥（含硝酸盐）和内回流液（含硝酸盐）在此混合。反硝化菌优先利用进水中的新鲜碳源作为电子供体，将回流液中的硝酸盐还原为氮气。这一过程消耗了进水中的绝大部分碳源。

42、厌氧池阶段，缺氧池出水进入厌氧池。缺氧池出水可能含有未被反硝化消耗完的剩余碳源，以及氨氮、反硝化菌等。由于进水碳源已在缺氧池被大量消耗，进入厌氧池的碳源大幅减少。聚磷菌（paos）在厌氧环境下利用仅存的碳源进行释磷，但释磷效果受到很大影响。

43、mbr膜池阶段，进入mbr膜池的混合液中碳源已基本耗尽，聚磷菌（paos）利用此前储存的phb进行过量吸磷后随污泥排出系统，硝化菌将氨氮氧化为硝酸盐，悬浮物、不溶性有机物、不溶性磷、细菌及大部分病毒得到进一步降低和去除。

44、脱氮方面，碳源优先供给缺氧池，反硝化菌获得充足碳源，脱氮效率显著提升。

45、除磷方面，经缺氧反应后，进入厌氧池的碳源大幅减少，paos释磷受限，若对总磷（tp）有较高达标要求，则需要化学除磷辅助。

46、进一步地，当cod/tn≤4时；

47、待处理污水经过进水调节池、厌氧池、缺氧池、mbr膜池后排出；

48、mbr膜池的硝化液流向脱氧池，脱氧池的硝化液流向缺氧池；缺氧池的混合液回流厌氧池；

49、mbr膜池的污泥进入脱氧池，脱氧池内的污泥一部分流向缺氧池，另一部分排出。

50、当cod/tn < 4时，此时进水碳源理论上已难以满足脱氮除磷的双重需求，鉴于两级内回流工艺通过改变回流路径，最大限度降低了外加碳源和药剂的用量，故此方案成为不得已情况下的最经济运行方案。

51、由于此方案，污水不经过好氧池，直接进入mbr膜池。故此，该方案进水路径设计为：

52、污泥外回流，mbr膜池底部污泥在脱氧池内停留15~30分钟，再流向缺氧池；

53、缺氧回流，缺氧池的混合液流向厌氧池

54、硝化液内回流，mbr膜池的硝化液在脱氧池内停留15~30分钟，再流向缺氧池。

55、运行该方案时，须采取外加碳源和化学除磷措施，具体投加量须结合具体场站来水特征，按有关规范和工艺手册进行计算，并通过现场试验进行验证。

56、进一步地，当4

57、进一步地，第一运行方案、第二运行方案、第三运行方案、第四运行方案均还包括缺氧池orp监测，实时监测缺氧池末端的orp数值；当缺氧池末端orp高于-100mv时，orp监测传感器发出报警，单次报警间隔为25~35min，连续报警三次；

58、此时，经硝酸盐试纸测定确认硝酸盐超标后，逐步增加内回流比，每次在现有内回流比基础上增加10%~20%，每次间隔2~4小时，直至报警消除，试纸测定达标；

59、内回流比=回流硝化液流量/进水流量×100%；

60、外回流比=回流污泥流量/进水流量×100%；

61、第一运行方案、第二运行方案、第三运行方案、第四运行方案均包括缺氧池溶解氧调控，实时监测缺氧池内的溶解氧数值，当缺氧池溶解氧高于0.5mg/l时，在线溶氧仪发出报警，单次报警间隔为25~35min，连续报警三次；

62、此时，延长污水在脱氧池的停留时间，并逐步降低内回流比，每次在现有内回流比基础上减少10%~20%，每次间隔2~4小时，且内回流比不低于200%；

63、当缺氧池的orp与溶解氧同时报警时，降低内回流比，并在溶解氧恢复至0.5 mg/l以下前，禁止执行任何增加内回流比的调控指令；

64、第一运行方案、第二运行方案、第三运行方案、第四运行方案均包括厌氧池orp监测，实时监测厌氧池内的orp数值；当厌氧池orp高于-150mv时，orp监测传感器发出报警，单次报警间隔为25~35min，连续报警三次，经硝酸盐试纸测定确认硝酸盐超标后，此时逐步降低外回流比，每次在现有外回流比基础上减少4~6%，每次间隔2~4小时，且外回流比不低于50%；

65、上述的一种多模态农村生活污水处理生化方法使用的装置，包括进水调节池、厌氧池、缺氧池、多功能池和mbr膜池，多功能池内分隔为好氧池和脱氧池；

66、进水调节池与厌氧池连通，厌氧池与缺氧池连通，缺氧池与好氧池连通，好氧池的末端与mbr膜池侧面中下部连通；

67、进水调节池与缺氧池连通，缺氧池的侧面中上部与厌氧池的侧面中下部连通；

68、厌氧池与mbr膜池的侧面中上部连通，缺氧池的侧面中上部与mbr膜池的侧面中上部连通；

69、好氧池的末端侧面中上部与脱氧池的侧面中下部连通，脱氧池的侧面中上部与缺氧池的侧面中下部连通，mbr膜池的侧面中上部与脱氧池侧面中下部连通，缺氧池的侧面中上部与厌氧池的侧面中下部连通；

70、好氧池的侧面底部与脱氧池的侧面底部连通，脱氧池的侧面底部与厌氧池的侧面底部连通；脱氧池的侧面底部与排泥池连通；mbr膜池的侧面底部与脱氧池的侧面底部连通。

71、本装置主体由进水调节池、厌氧反应池、缺氧反应池、多功能池、mbr膜池五部分组成。其中进水调节池，主要起到对来水量和水质的调节作用，避免个别来水日污染浓度过大或过低对系统运行产生的影响，提高抗冲击负荷能力。多功能池内分隔有好氧池和脱氧池。好氧池的作用一方面是彻底降解有机物，将厌氧和缺氧池未消化掉的有机物彻底氧化为co2和h2o。二是将氨氮先转化为亚硝酸盐，再转化为硝酸盐完成硝化反应，为缺氧池的反硝化准备电子受体，第三是在溶解氧充足的条件下，聚磷菌以磷酸根形式过量吸收污水中的磷，储存在体内，实现活性污泥的大量吸磷，最终通过排泥将磷去除。脱氧池的作用是降低回流液的溶解氧（do）浓度，保护厌氧和缺氧环境。当来水污染物浓度高时，污水中有机物经好氧池进一步消耗后，进入mbr膜池继续处理，而当来水污染物浓度过低时，厌氧池、缺氧池、mbr膜池这三个池体可以将有机物完全消耗掉，污水跳过好氧池直接进入mbr膜池，由mbr膜池承担好氧池硝化反应作用。

72、进一步地，进水调节池与厌氧池通过管道连接，且二者之间的管道上设有第一阀门；

73、进水调节池与缺氧池通过管道连接，且二者之间的管道上设有第二阀门；

74、厌氧池与mbr膜池的侧面中上部通过管道连接，且二者连接的管道上设有第三阀门；

75、缺氧池的侧面中上部与厌氧池的侧面中下部通过管道连接，且二者连接的管道上设有第四阀门；

76、缺氧池的侧面中上部与mbr膜池的侧面中上部通过管道连接，且二者连接的管道上设有第五阀门；

77、缺氧池的侧面中上部与好氧池侧面中下部通过管道连接，且二者连接的管道上设有第六阀门。

78、进一步地，脱氧池侧面底部与厌氧池侧面底部之间通过管道连接，且二者之间的管道上设有第一污泥回流阀；

79、脱氧池侧面底部与缺氧池侧面底部之间通过管道连接，且二者之间的管道上设有第二污泥回流阀和排泥阀；

80、mbr膜池的侧面底部与脱氧池的侧面底部通过管道连接，且二者之间的管道上设有第三污泥回流阀；

81、mbr膜池的侧面中上部与脱氧池的侧面中下部通过管道连接，且二者之间的管道上设有膜池回流阀。

82、相对于现有技术，本发明所述的一种多模态农村生活污水生化处理装置及方法具有以下优势：

83、1.本发明为一种多模态农村生活污水生化处理装置及方法（multimodalbiochemical treatment device and method for rural domestic sewage，mbt-rds），针对农村污水处理站多而分散，运维人员精力和专业水平普遍较低的现实情况，充分利用历史来水的污染物规律特征，对符合条件的场站采取针对性设计，结合日常运维检测数据，及时切换适宜运行方案，进一步降低了运维难度，提高了标准化管理水平。本发明针对不同季节来水污染物浓度变化，预先制定有针对性的污水处理方案，保证了来水碳源的精细化利用。

84、2.好氧曝气能耗在整个污水处理系统中大约占到50%-65%，本发明在运行方案三和方案四时，绕开好氧曝气池，不仅节省了碳源，更节省了大量电费，同时也降低了mbr膜污染速率，延长了离线清洗周期。

85、3.本发明适用于新建生活污水处理装置，也适用于对现有a2o+mbr工艺的改进。且改进时，仅需对现有a2o+mbr工艺进行简单的连通管线路改造，并辅以plc自动控制系统，即可实现本发明方案，改造升级操作简便，费用低。

86、4.本技术的四种工艺融入一套装置，在不增加额外工程量前提下，实现了针对特定地理位置、特定居住人群、特定场站的精准优化，在一定程度上解决部分场站建而不能用、建而不好用的顽疾，为优化调整低效、无效污水处理设施提供了一条全新的解决路径。