寒冷地區(qū)農(nóng)村居民點(diǎn)生活污水處理系統(tǒng)升溫保溫技術(shù)研究

查 磊

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

隨著我國水電開發(fā)進(jìn)程的不斷深入，水電工程的建設(shè)重心逐步向西部地區(qū)推進(jìn)，尤其是金沙江上游、雅礱江上游和大渡河上游等高寒高海拔地區(qū)將成為未來一段時(shí)期我國開發(fā)水能資源的重要區(qū)域。移民安置工程作為水電工程重要的項(xiàng)目組成之一，其配套的生活污水處理設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行也將面臨高寒高海拔氣候特征的考驗(yàn)。

目前，我國對高寒高海拔農(nóng)村地區(qū)生活污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)研究較為薄弱，這與西部農(nóng)村地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平相對落后有關(guān)。此外，高海拔地區(qū)惡劣的氣候條件也為傳統(tǒng)的污水處理工藝的推廣應(yīng)用帶來了技術(shù)上的挑戰(zhàn)。因此，為促進(jìn)水電開發(fā)和環(huán)境保護(hù)的和諧發(fā)展，針對高海拔地區(qū)水電工程農(nóng)村移民安置區(qū)生活污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)研究十分必要。本文在簡要介紹農(nóng)村地區(qū)常規(guī)生活污水處理工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)分析了溫度對生化處理效果的影響。針對高海拔地區(qū)的農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)，初步探討了保障運(yùn)行效果的升溫保溫方式，提出了冬季污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行管理措施。

1 農(nóng)村地區(qū)常規(guī)生活污水處理工藝簡介

我國農(nóng)村地區(qū)生活污水一般具有污水量少，產(chǎn)生源分散，水質(zhì)相對穩(wěn)定等特點(diǎn)［1-2］。常規(guī)的污水處理工藝主要有人工濕地污水處理系統(tǒng)［3-5］、人工快滲處理系統(tǒng)［6-8］和活性污泥法等［9-11］。

1.1 人工快滲

人工快速滲濾系統(tǒng)（constructed rapid filtration system），簡稱CRI系統(tǒng)。該系統(tǒng)的滲濾池內(nèi)人工填充摻入一定量特殊填料的天然河砂（天然河砂選用一定的顆粒級配），以保證既有較高的水力負(fù)荷，又能滿足出水水質(zhì)的處理目標(biāo)。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)，景觀水體生活污水水力負(fù)荷可達(dá)1 m3／（m2·d）以上，出水質(zhì)CODcr一般在40 mg／L以下，最低小于20 mg／L；BOD5一般在10 mg／L以下。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，濾料表面附著生物膜。當(dāng)污水流過時(shí)，首先通過吸附和過濾作用截留污水中的懸浮物和部分溶解性污染物。同時(shí)，因?yàn)V料表面（特別是滲池上部濾料表面）的生物膜具有較大的比表面積，能夠?qū)ξ鬯M(jìn)行快速凈化。就氮的去除而言，落干時(shí)產(chǎn)生銨化和硝化作用，淹水期產(chǎn)生反硝化作用，氮可通過上述轉(zhuǎn)化過程而被去除。

1.2 人工濕地

人工濕地（Constructed wetland）是為處理污水而人為地、在有一定長寬比和底面坡度的洼地上用土壤和填料（如礫石等）混合組成填料床，使污水在床體的填料縫隙中或表面流動(dòng)；同時(shí)在床體表面種植具有吸附性能好、成活率高、抗水性強(qiáng)、生長周期長、美觀且具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水生植物（如蘆葦、蒲草等），形成一個(gè)獨(dú)特的植物生態(tài)體系。

人工濕地去除的污染物范圍廣泛，主要包括N、P、SS、有機(jī)物、微量元素和病原體等。有關(guān)研究結(jié)果表明，進(jìn)水BOD濃度在70～150 mg／L的條件下，人工濕地對BOD5的去除率可達(dá)85%～95%，COD去除率可達(dá)80%以上，處理出水中BOD5的濃度在10 mg／L左右，SS小于20 mg／L。污水中大部分有機(jī)物作為微生物的有機(jī)養(yǎng)分，最終被轉(zhuǎn)化為微生物體及 CO2、H2O。

1.3 活性污泥法

活性污泥法是在人工充氧條件下，對污水和各種微生物群體進(jìn)行連續(xù)混合培養(yǎng)，形成活性污泥。此方法利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，以分解去除污水中的有機(jī)污染物，然后使污泥與水分離，大部分污泥再回流到曝氣池，多余部分則排出活性污泥系統(tǒng)。

活性污泥法及其系列變形工藝，如SBR、CASS，A2／O，氧化溝［12］等，是生活污水處理的主要工藝之一。

1.4 沼氣化糞池

農(nóng)村安置點(diǎn)規(guī)模小、數(shù)量多且布置分散，如集中處理所需收集污水管道長、投資高，顯然不切合當(dāng)?shù)貙?shí)際?？紤]到高原農(nóng)村地區(qū)生活需水量較少，污水主要為人畜糞便污水，從提高土壤肥力的角度看，耕地對這種污水有很大的灌溉需求，當(dāng)?shù)赜钟腥诵蠹S便農(nóng)田綜合利用的傳統(tǒng)，因此，農(nóng)村居民點(diǎn)的污水處理目標(biāo)為收集后綜合利用，處理措施采用沼氣化糞池，對于分散安置戶的生活污水處理選擇該處理工藝切實(shí)可行且效果好，并能調(diào)動(dòng)廣大農(nóng)戶的積極性。

戶用沼氣化糞池的工藝特點(diǎn)是發(fā)酵原料為人、畜、禽糞便有機(jī)廢水，采用連續(xù)發(fā)酵工藝維持比較穩(wěn)定的發(fā)酵條件，使沼氣微生物區(qū)系穩(wěn)定，保持逐步完善的原料消化速度，提高原料利用率和沼氣池負(fù)荷能力，達(dá)到較高的產(chǎn)氣率；工藝自身耗能少，簡單方便、容易操作。各居民點(diǎn)的生活污水經(jīng)各戶沼氣化糞池預(yù)處理后再匯集至集中水池，尾水用于各居民點(diǎn)的農(nóng)田灌溉。

1.5 工藝特點(diǎn)

人工快滲、人工濕地、活性污泥法及其變形工藝、戶用沼氣化糞池是目前農(nóng)村地區(qū)常規(guī)的生活污水處理工藝，表1反映了各種處理工藝的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。從表1可以看出，人工快滲投資指標(biāo)和占地指標(biāo)都較低，適用于人數(shù)較小的農(nóng)村安置點(diǎn)；人工濕地占地指標(biāo)較高，但運(yùn)行成本較低，適用于建設(shè)用地較為富余的農(nóng)村安置點(diǎn)；活性污泥法隨處理量的變化投資指標(biāo)和占地指標(biāo)變化都較大，適用于集中安置人口較多的農(nóng)村安置點(diǎn)；沼氣化糞池具有單戶建設(shè)，簡化市政管網(wǎng)，每戶居民自行運(yùn)行不專設(shè)污水處理運(yùn)行人員的優(yōu)點(diǎn)，適用于分散式人數(shù)較少農(nóng)村安置點(diǎn)。

表1 常規(guī)污水處理工藝主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

2 溫度對生化處理效果的影響

對于常規(guī)的生活污水處理工藝來說，無論是人工濕地、人工快滲，還是活性污泥法及其變形工藝，其核心都是通過微生物的生長和繁育達(dá)到凈化水質(zhì)的作用，均屬于生物降解法的范疇。對于生物處理技術(shù)來說，溫度是生物生長和繁育最為重要的生境因子，溫度對生化處理效果影響很大。

溫度是微生物生命活動(dòng)中的重要環(huán)境因子。水溫對有機(jī)物降解和污泥增殖的影響研究表明，溫度對微生物種群組成，內(nèi)源代謝過程，微生物細(xì)胞的增殖［13］，活性污泥的絮狀結(jié)構(gòu)以及沉淀性能以及曝氣池中的充氧效率都有影響［14］。

根據(jù)文獻(xiàn)資料［15］顯示：在我國北方地區(qū)和西部高海拔高寒地區(qū)，冬季寒冷漫長，水溫偏低，冬季的平均水溫一般不超過10℃。這些地區(qū)冬季污水溫度在6～10℃左右，少數(shù)地區(qū)4～6℃左右，只有極冷地區(qū)的污水溫度在4℃以下。同時(shí)，污水溫度又與最冷的月平均氣溫有一定的關(guān)系。最冷月平均氣溫在-25～-15℃左右時(shí)，城市污水水溫大致在5～8℃；最冷月平均氣溫在-15～-10℃左右時(shí)，城市污水水溫大致在8～10℃。寒冷的氣候條件導(dǎo)致了污水處理系統(tǒng)中微生物的數(shù)量和活性急劇下降，嚴(yán)重影響了污水廠的生物處理效果［16］。

根據(jù)生產(chǎn)溫度特性，微生物大致可以分為三類：高溫菌、中溫菌和低溫菌。根據(jù)Morita的定義，低溫菌又稱為冷適應(yīng)微生物，這類微生物可以細(xì)分為兩類，一類是必須生活在低溫條件下，在0℃可以生長繁殖，最適合溫度不超過15℃，最高溫度不超過20℃的微生物，稱之為嗜冷菌（Psychrophiles）；另一類是能在低溫條件下生長，在0～5℃可以生長繁殖，最高溫度可達(dá)20℃以上的微生物，稱之耐冷菌（Psychrotrophs）［17］。

一般認(rèn)為，水溫在20℃左右時(shí)，中溫菌有較高的活性。因此，常溫下系統(tǒng)有較好的處理效果；當(dāng)溫度下降到10℃以下時(shí)，由于酶蛋白對溫度是極為敏感的，起主要降解作用的中溫菌體內(nèi)的生物酶的催化作用極度下降，中溫菌已經(jīng)失去了降解有機(jī)物的能力，而冷適應(yīng)微生物由于世代時(shí)間較長，并且受自身生理特性和各種生態(tài)因子的抑制作用，在數(shù)量上不能達(dá)到一定的要求，從而導(dǎo)致了生物處理效果的降低［18］。

國內(nèi)外相關(guān)研究表明［19］，當(dāng)水溫溫度從20℃下降到15℃時(shí)，系統(tǒng)對BOD的去除率基本保持在85%以上；當(dāng)溫度下降到10℃時(shí)，BOD去除率有明顯地下降；當(dāng)溫度持續(xù)下降到5℃時(shí)，BOD去除率下降到77.8%。這是由于溫度在15℃以上時(shí)，中溫菌是系統(tǒng)中的優(yōu)勢種群，對水中的有機(jī)物的降解起主要作用。在常溫下，中溫菌的世代時(shí)間較短、生化反應(yīng)速度以及代謝活性高的特點(diǎn)使得系統(tǒng)可以保持較高的BOD去除率。在溫度從15℃下降到10℃的過程中，中溫菌的優(yōu)勢種屬數(shù)目逐漸減少，菌體的繁殖速度和生理活性迅速下降。當(dāng)溫度降至10℃以下時(shí)，中溫菌基本失去了外源代謝的能力，菌體活性降至最低，具體呈休眠狀。

溫度對反應(yīng)速度的影響一般采用菲爾普斯（Phelps）公式表示：

式中，K2、K1是在溫度 T2、T1時(shí)的反應(yīng)速度常數(shù)，該公式引出了溫度系數(shù)θ，明確地反映了溫度對污水處理的反應(yīng)速度影響。

以SBR反應(yīng)器為例，根據(jù)文獻(xiàn)［19］報(bào)道，傳統(tǒng)SBR系統(tǒng)的溫度系數(shù)θ為1.045。取T2為常溫狀態(tài)25℃，T1為低溫狀態(tài)5℃，θ取1.045，則有：

也就是說常溫狀態(tài)25℃時(shí)的有機(jī)物去除效率為低溫狀態(tài)5℃時(shí)的2.41倍。以典型生活污水進(jìn)水水質(zhì)為例，BOD值為200 mg／L，常溫狀態(tài)25℃時(shí)去除率為90%。根據(jù)式（2）計(jì)算出比例系數(shù)，則低溫狀態(tài)5℃時(shí)的去除率僅僅為37.34%。所以在高寒高海拔地區(qū)，最冷月平均氣溫低于-10℃或者污水平均水溫低于10℃時(shí)，應(yīng)采用必要的升溫保溫措施。

3 升溫保溫措施

目前，高寒高海拔地區(qū)農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)常規(guī)的升溫保溫措施主要有大棚保溫和熱水機(jī)組升溫兩種。

3.1 大棚保溫

大棚主要由主體結(jié)構(gòu)和覆蓋材料組成，大棚的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其用途，而大棚的覆蓋材料是保溫效果高低的關(guān)鍵因素。

3.1.1 大棚結(jié)構(gòu)

大棚的結(jié)構(gòu)形式主要有拱圓形和屋脊形兩種（見圖1）。

圖1 典型大棚結(jié)構(gòu)

由于污水處理設(shè)施單體以及整體體積均較大，大棚結(jié)構(gòu)宜采用屋脊形大棚。

3.1.2 覆蓋材料

不同的覆蓋材料，其保溫效果不同，成本不同，使用壽命也不同。大棚覆蓋材料主要有以下幾種。

（1）普通膜：以聚乙烯或聚氯乙烯為原料，膜厚0.1 mm，無色透明，使用壽命約為半年。

（2）多功能長壽膜：是在聚乙烯吹塑過程中加入適量的防老化料和表面活性劑制成。

（3）草被、草苫：用稻草紡織而成，保溫性能好，尤其適用于夜間保溫。

（4）聚乙烯高發(fā)泡軟片：為白色多氣泡的塑料軟片，寬1 m、厚0.4～0.5 cm，質(zhì)輕能卷起，保溫性與草被相近。

（5）無紡布：為一種滌綸長絲，不經(jīng)織紡的布狀物。

（6）遮陽網(wǎng)：一種塑料織絲網(wǎng)。

根據(jù)高海拔農(nóng)村地區(qū)的氣候特征，應(yīng)選用寬幅大、厚度薄、使用壽命長、夜間保溫效果好且不易破損的膜材料，所以宜選用多功能長壽膜。為了加強(qiáng)防寒保溫，提高大棚內(nèi)夜間的溫度，減少夜間的熱輻射，可以采用多層薄膜覆蓋。

3.1.3 大棚對溫度的影響

保溫大棚覆蓋薄膜后，大棚內(nèi)的溫度將隨著外界氣溫的升高而升高，隨著外界氣溫下降而下降，并存在明顯的季節(jié)變化和較大的晝夜溫差，越是低溫期溫差越大。一般冬季大棚內(nèi)日增溫可達(dá)3～6℃，陰天或夜間增溫僅1～2℃。春暖時(shí)節(jié)棚內(nèi)和露地的溫差逐漸加大，增溫可達(dá)6～15℃。外界氣溫升高時(shí)，棚內(nèi)增溫相對加大，最高可達(dá)20℃以上。因此大棚內(nèi)存在高溫及冰凍危害，需進(jìn)行人工調(diào)整，進(jìn)行全棚通風(fēng)，棚外覆蓋草簾或搭成“涼棚”，夏季可比外界氣溫低1～2℃。冬季夜間最低溫度可比外界高1～3℃，陰天時(shí)幾乎與露地相同。

通過保溫及通風(fēng)降溫可靈活調(diào)節(jié)和保持棚內(nèi)氣溫，降低外界溫度變化對棚內(nèi)系統(tǒng)的影響。但是在高寒地區(qū)，要將棚內(nèi)氣溫保持在15～30℃的微生物最適合生長溫度，還得引入熱水機(jī)組進(jìn)行升溫。

3.2 熱水機(jī)組升溫

使用大棚將整個(gè)高寒高海拔地區(qū)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行全面覆蓋，能有效地調(diào)節(jié)污水處理設(shè)施的水溫，大大提高處理效果。當(dāng)大棚保溫措施依然不能保持水溫在微生物活性較高的范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可以考慮采用熱水機(jī)組對進(jìn)水進(jìn)行升溫。

3.2.1 生化反應(yīng)適宜溫度及經(jīng)濟(jì)性溫度的確定

國內(nèi)外相關(guān)研究表明［9］，活性污泥最適增殖溫度為20～40℃；低于15℃時(shí)，活性污泥的生長繁殖速度較慢，微生物活性較低，污水處理效果較差。

熱水機(jī)組升溫的能耗與目標(biāo)提升溫度成正相關(guān)。為了維持微生物的活性，同時(shí)兼具節(jié)能高效，經(jīng)濟(jì)性最適溫度宜確定在15～20℃。

3.2.2 熱水機(jī)組功率的確定

（1）確定污水平均水溫T1，并確定經(jīng)濟(jì)性最適合溫度T2。

（2）確定日進(jìn)出水水量V。

（3）計(jì)算進(jìn)出水升溫?zé)崃浚?/p>

（4）系統(tǒng)需求功率計(jì)算，COP（Coefficient of Performance）為熱機(jī)性能系數(shù)：

（5）計(jì)算水面散失熱量補(bǔ)充功率，可以按暴露水面面積計(jì)算。每平方水面面積保溫功率P宜取150～250 W／m2。

（6）確定總功率并選取熱水機(jī)組，宜采用3臺以上熱水機(jī)組串聯(lián)或并聯(lián)，且留有1臺機(jī)組備用。

根據(jù)熱水機(jī)組的功率計(jì)算，可以參考廠家設(shè)備型號進(jìn)行選型。

3.2.3 熱水機(jī)組熱交換方式

熱水機(jī)組熱交換方式一般采用熱水管道供熱，將散熱器深入調(diào)節(jié)池，熱水供應(yīng)管道與散熱器連接，在調(diào)節(jié)池實(shí)現(xiàn)升溫。

3.3 地覆式保溫

當(dāng)建設(shè)地點(diǎn)冬季溫度長期低于10℃以下時(shí)，污水處理可以考慮將設(shè)施整體建設(shè)至地面以下，相關(guān)污水處理設(shè)備和管道敷設(shè)完畢之后，整體回填覆蓋。

該種方式在一定程度上可以隔離低溫空氣對生活污水的降溫作用。但此方式會提高污水處理設(shè)施的建設(shè)成本，還會加大污水處理設(shè)施的運(yùn)行難度。此外在污水處理設(shè)施與市政管網(wǎng)的豎向布置上也會產(chǎn)生銜接問題。

3.4 升溫保溫措施的可行性和推薦技術(shù)

3.4.1 升溫保溫措施的可行性

對于高寒高海拔地區(qū)，溫度低主要是由于海拔高程造成的。雖然溫度較低，但日照依舊較為充分。所以，對于冬季日照充分地區(qū)，大棚保溫技術(shù)可行。

對于敷設(shè)有市政污水管網(wǎng)，將生活污水集中收集后進(jìn)行處理，且有穩(wěn)定充足電源的建設(shè)點(diǎn)，熱水機(jī)組升溫技術(shù)可行。

對于建設(shè)地點(diǎn)較為分散，可進(jìn)行合理豎向布置的污水處理設(shè)施，地覆式保溫技術(shù)可行。

3.4.2 推薦升溫保溫技術(shù)

對于進(jìn)行比選的四種工藝中的前三種（人工快滲、人工濕地、活性污泥法及其變形工藝），根據(jù)其集中建設(shè)污水處理設(shè)施的工藝特點(diǎn)，推薦采用熱水機(jī)組升溫和大棚保溫相結(jié)合的升溫保溫技術(shù)。

對于進(jìn)行比選的四種工藝中的第四種（戶用沼氣化糞池），根據(jù)其分散建設(shè)，每戶單獨(dú)運(yùn)行的工藝特點(diǎn)，推薦采用地覆式的升溫保溫技術(shù)。

4 高寒高海拔污水處理系統(tǒng)運(yùn)行管理措施

在高寒高海拔地區(qū)，生活污水處理設(shè)施的效率除了可以通過保溫升溫措施保障處理效果外，也可以通過采取針對性的運(yùn)行管理措施提高處理效果。

為了保障高寒條件下污水處理設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行，可以在冬季低溫到來前進(jìn)行提前準(zhǔn)備；在進(jìn)入高寒氣候之后，可以針對性地對污水處理設(shè)施進(jìn)行運(yùn)行管理。

4.1 冬季運(yùn)行前的準(zhǔn)備工作

在冬季高寒季節(jié)到來之前，對高海拔地區(qū)污水處理設(shè)備進(jìn)行全面地檢修和維護(hù)，包括更換設(shè)備潤滑油及注油脂的工作。所有大修項(xiàng)目盡量在10月底冬季到來之前結(jié)束。

對廠區(qū)下水管線、浮渣井在入冬前作一次徹底地疏通和清理。

對廠區(qū)內(nèi)各種污水、污泥、空氣、投藥管線和閥門應(yīng)注意防凍，對于裸露在室外的管線要纏好保溫棉、保溫氈，對于一些間歇輸送液體的管線應(yīng)在管線外纏繞伴溫帶，保證管線內(nèi)液體不上凍結(jié)冰。

4.2 冬季運(yùn)行要求

冬季運(yùn)行工藝要求：因環(huán)境氣溫低，冬季高寒地區(qū)污水水溫一般在10℃左右，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)延長曝氣時(shí)間，適當(dāng)提高污泥濃度，增加污泥齡，保證處理效果。一般情況下，冬季活性污泥法MLSS保持在3.5～4.0 g／L；出水口溶解氧保持在2 mg／L左右。

鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)閥開度要適當(dāng)控制在低限位，防止氣溫過低，造成電流過大出現(xiàn)過載停機(jī)。

格柵柵渣、各處理單元浮渣、脫水污泥應(yīng)及時(shí)清運(yùn)，防止成塊結(jié)冰。

進(jìn)入冬季以后，所有的污水處理區(qū)和污泥處理區(qū)必須保持連續(xù)運(yùn)行，進(jìn)入冬季后各構(gòu)筑物不允許放空，避免池體出現(xiàn)含水凍融現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

（1）高海拔農(nóng)村地區(qū)生活污水常規(guī)處理工藝主要為人工濕地污水處理系統(tǒng)、人工快滲處理系統(tǒng)和活性污泥法三種。相對而言，人工濕地建設(shè)成本最低，人工快滲運(yùn)行成本最低，活性污泥法及其變形工藝在占地方面具有優(yōu)勢。

（2）通過動(dòng)力學(xué)計(jì)算，在高寒高海拔地區(qū)，最冷月平均氣溫低于-10℃或者污水平均水溫低于10℃時(shí)，微生物活性降低，出水水質(zhì)惡化，有必要采取升溫保溫措施。

（3）高海拔農(nóng)村地區(qū)生活污水處理設(shè)施宜采用工程措施以實(shí)現(xiàn)升溫保溫，常規(guī)的工程措施主要為大棚保溫和配置熱水機(jī)組。

（4）高海拔農(nóng)村地區(qū)生活污水處理冬季運(yùn)行前需進(jìn)行大量準(zhǔn)備工作，在工藝運(yùn)行上應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)延長曝氣時(shí)間，適當(dāng)提高污泥濃度，增加污泥齡，保證處理效果。