淺度發(fā)酵-人工濕地法處理村寨生活污水案例研究

余海寧， 邵紅艷， 熊小龍， 劉定富

(1.貴州師范大學(xué) 材料與建筑工程學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550001； 2. 貴陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550005； 3.貴州省農(nóng)村能源辦， 貴州 貴陽(yáng) 550001； 4.貴州大學(xué) 化工學(xué)院， 貴州 貴陽(yáng) 550025)

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國(guó)許多村寨的生活污水處理設(shè)施極其欠缺，大量生活污水只經(jīng)化糞池短暫滯留后直接排入天然水系，對(duì)自然河流、小溪及特有的水資源環(huán)境造成嚴(yán)重污染[1]。隨著地方經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，特別是在那些居住相對(duì)集中的村寨，甚至在城市郊區(qū)的一些生活小區(qū)、學(xué)校等居民區(qū)，或者沒(méi)有污水處理設(shè)施，或者是污水處理廠難于覆蓋，還有一些城市居民區(qū)離污水處理廠很遠(yuǎn)，從化糞池排出的污水濃度高、有害微生物多，水污染現(xiàn)象嚴(yán)重[2]。

前些年，我國(guó)大力發(fā)展的農(nóng)村“三沼”事業(yè)，通過(guò)對(duì)農(nóng)村人畜糞便的沼氣池凈化處理，對(duì)潔凈新農(nóng)村的建設(shè)起到了非常重要的作用，但隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化，單純利用沼氣發(fā)酵技術(shù)以戶為單位處理生活污水已經(jīng)不可行，原因一是農(nóng)戶無(wú)法提供足量生物質(zhì)滿足傳統(tǒng)的沼氣池發(fā)酵處理產(chǎn)氣的需要，二是用單純的發(fā)酵技術(shù)處理生活污水的效果差，無(wú)法穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放[3]。

本文研究提煉出了“生活污水淺度發(fā)酵-人工濕地組合工藝”，這是一種將厭氧發(fā)酵技術(shù)與起源于上世紀(jì)七十年代的人工濕地生物降解凈化處理技術(shù)相結(jié)合的新工藝，是天然凈化與人工處理相結(jié)合的復(fù)合處理系統(tǒng)。不但能夠直接處理污水，還可以對(duì)二級(jí)污水處理廠處理后的污水進(jìn)行再處理或深度處理，而且能夠根據(jù)污水量的大小采取合適的規(guī)模與之適應(yīng)。該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為綜合解決生活污水造成的環(huán)境污染問(wèn)題提供了新選擇[4-5]。應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)將居住相對(duì)集中的村寨、學(xué)校及居民區(qū)的生活污水進(jìn)行集中處理，可以解決生活污水的環(huán)境污染問(wèn)題。

1 污水來(lái)源、水質(zhì)及設(shè)計(jì)處理目標(biāo)

1.1 污水來(lái)源

本文設(shè)計(jì)案例的村寨生活污水來(lái)源于銅仁市碧江區(qū)和平村，包括廚房炊事用水，沐浴、洗滌用水和沖洗廁所用水，其特點(diǎn)有三：一是沖洗廁所的水中含有糞便，是多種疾病的傳染源；二是生活污水濃度低，其中干物質(zhì)濃度一般為1%～3%；三是生活污水可降解性較好，BOD/COD為0.41。和平村以前的污水是未經(jīng)任何處理直接排入自然河流中，污染嚴(yán)重，實(shí)施項(xiàng)目?jī)艋幚砗螅诖逭瘍?nèi)重新修建排水管網(wǎng)，將生活污水集中引入處理場(chǎng)。處理場(chǎng)入水口污水進(jìn)水水質(zhì)采樣檢測(cè)指標(biāo)如表1。

表1 污染物進(jìn)水水質(zhì) (mg·L-1)

1.2 設(shè)計(jì)處理目標(biāo)

受納水體水域環(huán)境功能為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-2002)Ⅲ類(lèi)(河道)標(biāo)準(zhǔn)，處理排放標(biāo)準(zhǔn)按《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)，處理后出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的主要處理目標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 污染物處理目標(biāo)參數(shù)值 (mg·L-1)

設(shè)計(jì)處理能力估算[6]：和平村現(xiàn)有農(nóng)戶400戶，人口1870人，規(guī)劃中小學(xué)1000人，計(jì)劃農(nóng)家樂(lè)接待100人，平均用水量按每人每天80升計(jì)，排放量按用水量的80%計(jì)，則每天排放污水2970×0.08×0.8=190 m3?？紤]到人口可能有增長(zhǎng)，用水量及相應(yīng)污水處理量需留有余地，取1.2系數(shù)，設(shè)計(jì)處理能力為228 m3·d-1。

1.3 設(shè)計(jì)原則

總結(jié)國(guó)內(nèi)外目前污水處理成熟技術(shù)，參考、借鑒國(guó)內(nèi)外處理農(nóng)村生活污水的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮和平村的實(shí)際情況，以建設(shè)生態(tài)環(huán)境、功能、景觀相統(tǒng)一的污水處理系統(tǒng)為目標(biāo)，為新農(nóng)村建設(shè)中的污水處理提供技術(shù)依據(jù)和示范樣板。

(1) 較低的建設(shè)成本，較低的運(yùn)行與維護(hù)成本。

(2)簡(jiǎn)單的管理和維護(hù)方便。

(3)比傳統(tǒng)工藝更長(zhǎng)的使用壽命和維護(hù)周期。

(4)無(wú)大面積土木工程、無(wú)動(dòng)力、無(wú)機(jī)械和電子設(shè)備。

(5)兼顧不同處理規(guī)模，設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)潔具有通用性。

(6)綜合考慮尾水綜合利用。

(7)設(shè)計(jì)依據(jù)：《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》(HJ2005-2010)，《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50014-2006)。

2 工藝設(shè)計(jì)方案

2.1 工藝簡(jiǎn)述

工藝設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1。污水首先流經(jīng)柵格，主要分離一些粗大的垃圾，這些粗大的固體物需要人工清理放入清掏池，定期進(jìn)行清運(yùn)。

淺度發(fā)酵池是淺度發(fā)酵與人工濕地組合法的主要設(shè)施，是確保人工濕地長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件之一[7-8]。淺度發(fā)酵池主要處理生活污中的高濃度污水，將有機(jī)物分解、發(fā)酵，是糞便處理最重要的環(huán)節(jié)，去除懸浮物、漂浮物及降解有機(jī)物。另外，對(duì)進(jìn)入濕地系統(tǒng)的污水量平衡及控制，確保污水連續(xù)均勻的流入濕地。淺度發(fā)酵池可以降解30%～40%的懸浮物，對(duì)有害菌的去除達(dá)到40%～60%。淺度發(fā)酵后進(jìn)入兩個(gè)生物濾池進(jìn)行氧化處理。

配水槽主要作用是將污水均勻?qū)胨槭蔡幚硐到y(tǒng)進(jìn)行深度處理，還有利于對(duì)沉降物的清理，維護(hù)人工濕地有效長(zhǎng)久運(yùn)行。

生物床人工濕地是生活污水處理的核心部分，該處理系統(tǒng)通過(guò)自然界提供的物理(吸附、過(guò)濾、沉淀)、化學(xué)(氧化、還原、吸附、離子交換)以及生物程序(有機(jī)物的氧化、分解作用、氨化、硝化、脫硝及同化作用)，達(dá)到對(duì)生活污水的凈化。分別由兩級(jí)4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的污水上下行生物床處理池組成。

2.2 工藝特點(diǎn)

十年前，政府大力扶持廣大農(nóng)村采用“三沼”方式處理人畜糞便，對(duì)凈化村落環(huán)境起到了一定作用，緊接著探索大型沼氣池加生物濾池的方式處理人口集中村寨的生活污水，該工藝占地面積小，但對(duì)發(fā)酵池建設(shè)要求高，加上生活污水的濃度低，很難充分發(fā)酵，最后靠生物濾池完成后續(xù)凈化，生物濾池的負(fù)荷往往很大，效果不理想。盡管大型沼氣池加生物濾池的方式對(duì)處理養(yǎng)殖場(chǎng)的糞便發(fā)揮了非常好的作用，但在生活污水的處理上由于效果不佳應(yīng)用很少。

圖1 淺度發(fā)酵-人工濕地組合工藝流程

因此，本工藝結(jié)合貴州鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生活污水排放與處理實(shí)際情況的變化歷程，參照其它地區(qū)村鎮(zhèn)生活污水處理的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)而成。再加上近年來(lái)，人工濕地凈化方式在許多地方實(shí)施，效果明顯[9]。所以，本文就是將原來(lái)的集中發(fā)酵+生物濾池為主的工藝，整合人工濕地工藝，形成淺度發(fā)酵+生物床降解的新工藝，是在厭氧處理池及生物濾池處理工藝基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)的一種新型生活污水處理技術(shù)，它是用發(fā)酵池淺度發(fā)酵與人工濕地生物降解相結(jié)合的處理工藝，這一工藝與原來(lái)擬采用的工藝相比，去掉了沼氣收集應(yīng)用的環(huán)節(jié)，具有明顯的特點(diǎn)和優(yōu)越性：一是保留了厭氧及生物濾池的作用，但在設(shè)施的建設(shè)上不用要求那么高，改原來(lái)的深度發(fā)酵和精細(xì)過(guò)濾氧化為淺度發(fā)酵與適度過(guò)濾，以氧化溝之空間換取氧化效果；二是變?nèi)斯竦貫橹鲄捬鯙檩o的工藝為綜合分?jǐn)們艋蝿?wù)的工藝。該工藝節(jié)能、運(yùn)行成本低、處理效果好。

3 主要處理設(shè)施

處理設(shè)施包括1個(gè)柵格池、10個(gè)串聯(lián)的淺度發(fā)酵池、2個(gè)生物濾池、1個(gè)配水槽、6個(gè)串聯(lián)的生物床和1個(gè)植物穩(wěn)定塘，附屬設(shè)施包括管網(wǎng)、管道及檢測(cè)井、通風(fēng)、氧化溝及防洪溢流設(shè)施。主要設(shè)施的平面布置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2，Ⅰ-Ⅰ剖面簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3。

3.1 淺度發(fā)酵區(qū)

柵格池、發(fā)酵池、生物床1、生物床2、過(guò)渡的生物溝、生物床3、生物床4級(jí)植物穩(wěn)定塘之間的標(biāo)高按10 cm下降，生物濾池比發(fā)酵池標(biāo)高降低5 cm。每個(gè)發(fā)酵池有取樣檢測(cè)窗口，窗口用水封法密封。淺度發(fā)酵區(qū)總?cè)萘?80 m3，設(shè)計(jì)停留時(shí)間為480/228=2.1天(約48 h)。發(fā)酵池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，防滲處理。在這里糞便進(jìn)行沼氣發(fā)酵，沼氣通過(guò)通風(fēng)管排放。向后流動(dòng)過(guò)程中，生成的污泥及懸浮固體在該區(qū)的后半部沉降并沿傾斜的池底滑回前部，再與新進(jìn)入的糞便混合進(jìn)行沼氣發(fā)酵。在中部的發(fā)酵池添加半軟件性填料，因?yàn)榻?jīng)過(guò)前面的發(fā)酵處理，大部的有機(jī)物都已經(jīng)分解，不過(guò)有一部分的有機(jī)物僅僅靠厭氧發(fā)酵并不能全部分解，需要加上一些介質(zhì)，進(jìn)一步的分解污物。在尾端發(fā)酵池可添加軟性填料。

淺度發(fā)酵區(qū)的尾端是兩個(gè)生物濾池，分兩隔，污水從上部瀑布式流入第一隔，第二隔中部鋪設(shè)砂石過(guò)濾，留有通氣空隙，截留少量漂浮物質(zhì), 兼氧細(xì)菌分解去除有機(jī)污染物。

3.2 人工濕地區(qū)

生物床對(duì)基質(zhì)材料為水生植物提供支持載體，也為微生物提供了穩(wěn)定的生長(zhǎng)及棲息場(chǎng)所，基質(zhì)的選擇在一定程度上還決定濕地水流的透水性及均勻性。

生物床基質(zhì)材料：碎石床布水，采用管徑100 mm的PE管人工處理為篩管，組成碎石床布水系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)進(jìn)出水位及流量，充分保證集水、配水的均勻性，避免短流和堵塞現(xiàn)象發(fā)生。分別由兩組相對(duì)獨(dú)立的污水上下行兩級(jí)處理池組成，池體磚混結(jié)構(gòu)，深度0.7～1 m，防滲處理?；|(zhì)材料在為水生植物提供支持載體的同時(shí)，也為微生物提供了穩(wěn)定的生長(zhǎng)及棲息場(chǎng)所，基質(zhì)的選擇在一定程度上還決定濕地水流的透水性及均勻性。項(xiàng)目基質(zhì)選擇為礫石(粒徑10～15 cm)礫石(粒徑4～8 cm)、燒結(jié)粘土(粒徑2～4 cm)、礫石(粒徑1.5～3 cm))組合，確保微生物的附著棲息及植物根系的生長(zhǎng)?；|(zhì)材料鋪裝基質(zhì)材料的滲透系數(shù)控制在相應(yīng)范圍內(nèi)，項(xiàng)目設(shè)置由下至上進(jìn)行鋪裝分別為：礫石(粒徑10～15 cm)、礫石(粒徑4～8 cm)磚粒(粒徑2～4 cm)、礫石(粒徑1.5～3 cm)，每層厚度為20 cm，碎石床基質(zhì)厚度為80 cm。本文基質(zhì)選擇為礫石(粒徑10～15 cm)礫石(粒徑4～8 cm)、燒結(jié)粘土(粒徑2～4 cm)、礫石(粒徑1.5～3 cm)組合，確保微生物的附著棲息及植物根系的生長(zhǎng)，見(jiàn)圖4。

植物穩(wěn)定塘的主要作用是通過(guò)種植水生植物，沉降水體懸浮污染物，增加水體中含氧量，提高污水處理效果。采用粘土夯實(shí)防滲膜處理，池體深度平均在0.4 m，面積250 m2。

圖2 淺度發(fā)酵-人工濕地組合平面布置簡(jiǎn)圖

圖3 淺度發(fā)酵-人工濕地組合I-I剖面簡(jiǎn)圖

3.3 附屬設(shè)施

排洪管道：作為人工濕地輔助設(shè)施，設(shè)置管徑為200 mm的波紋排洪管，其目的在于雨污分流，同時(shí)濕地兩邊均修建防洪溝，預(yù)防雨季洪水對(duì)人工濕地系統(tǒng)造成破壞。分別在人工濕地系統(tǒng)的格柵、植物氧化塘、水位調(diào)節(jié)池、一二級(jí)碎石床、三四級(jí)碎石床預(yù)留分洪口，確保人工濕地的處理效果和使用壽命。備用檢修管道及檢測(cè)井，在有條件的人工濕地各級(jí)碎石床中設(shè)置PE備用檢修管道，設(shè)置豎立通風(fēng)管，人工處理為篩管。

4 監(jiān)測(cè)與處理結(jié)果分析

4.1 水質(zhì)監(jiān)測(cè)分析方案

定期取水樣采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定水體中的CODCr，BOD5，pH值，NH3-H，SS，TP等主要污染指標(biāo)。設(shè)置3檢測(cè)口，分別位于淺度發(fā)酵區(qū)尾部、一二級(jí)生物床尾部生物溝和最后排水口。監(jiān)測(cè)頻率為每3月1次，保證處理系統(tǒng)性能與控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)揮反饋?zhàn)饔?，及時(shí)調(diào)整各處理單元的運(yùn)行參數(shù)，使系統(tǒng)能夠發(fā)揮處理的效能。

圖4 碎石床基質(zhì)材料鋪裝圖

指標(biāo)測(cè)定按照《地表水和污水監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T91-2002)要求進(jìn)行檢測(cè)。CODCr采用快速密閉催化消解法(含光度法)；五日生化需氧量(BOD5)的測(cè)定，稀釋與接種法HJ505-2009；懸浮物的測(cè)定用重量法；總磷的測(cè)定用鉬酸銨分光光度法；氨氮的測(cè)定用納氏試劑分光光度法；pH值的測(cè)定用玻璃電極法。

4.2 處理結(jié)果分析

村寨生活污水經(jīng)淺度發(fā)酵-人工濕地組合新工藝處理后，按照水質(zhì)采樣方法從出水口取樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，水體中的CODCr，BOD5，pH值，NH3-H，懸浮物(SS)，TP等主要污染指標(biāo)的濃度均低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918)中一級(jí)A標(biāo)要求，結(jié)果如表3。

表3 檢測(cè)點(diǎn)3排放口廢水處理結(jié)果 (mg·L-1)

4.3 運(yùn)行成本核算

管理人員1名，每月工資(兼職)1800元；每年管道維護(hù)需要成本5000元；人工濕地設(shè)計(jì)服務(wù)年限10年，年維護(hù)成本5000元；運(yùn)行成本：1800×12+5000+5000=31600元·年-1；年污水量：228×365=83220噸；每噸污水處理成本：31600/83220=0.38元·噸-1。

5 結(jié)論

在小城鎮(zhèn)、集中村寨、大型人口聚集區(qū)，生活污水采用淺度發(fā)酵-人工濕地組合法凈化，既能使污水經(jīng)處理后穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，又具有流程簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。特別是在排水管網(wǎng)系統(tǒng)不健全, 能源緊張, 但土地寬裕，能修建集中污水處理廠困難的區(qū)域, 建造生活污水淺度發(fā)酵-人工濕地組合凈化設(shè)施不失為一個(gè)好的選擇方案。