城鎮(zhèn)糞便污水處理的設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐

李 清，趙衛(wèi)兵，張 勇，朱小明，張 倫，馬星辰

（中機(jī)十院國(guó)際工程有限公司，北京 100086）

1 引言

我國(guó)城鎮(zhèn)水廁的使用率較高，糞便通常進(jìn)入化糞池后被定時(shí)清掏外運(yùn)至糞便處理廠(chǎng)。目前我國(guó)關(guān)注點(diǎn)多在糞渣的處理，而糞水則一般簡(jiǎn)單處理達(dá)下水道排放標(biāo)準(zhǔn)后排入城市生活污水處理廠(chǎng)，這無(wú)疑會(huì)對(duì)污水處理廠(chǎng)造成一定的負(fù)荷沖擊。

隨著我國(guó)提標(biāo)治理污染政策的出臺(tái)及人們對(duì)生活環(huán)境要求的不斷提高，城鎮(zhèn)的糞便污水處理已經(jīng)成為城鄉(xiāng)環(huán)境治理的重要部分。本研究將結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，進(jìn)行糞便污水處理方案的設(shè)計(jì)分析，并以實(shí)際運(yùn)行效果驗(yàn)證設(shè)計(jì)，以期為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供參考。

2 糞便污水的特點(diǎn)及處理難點(diǎn)

1） 雜物多、SS 高。糞便污水因來(lái)源于城鄉(xiāng)公廁、公寓以及企業(yè)等化糞池，雜物較多，充滿(mǎn)了衛(wèi)生用品、纖維絲團(tuán)、化纖織物、塑料、玻璃、木頭等各種碎屑雜物。如果采用格柵機(jī)械清除雜物，容易產(chǎn)生纏繞和透過(guò)的問(wèn)題，需要人工協(xié)助清理和高壓水沖洗，不能完全采取全封閉設(shè)施，臭氣污染嚴(yán)重［1］。

2） 有機(jī)物及氮含量高［2］。糞水含水量大，COD 含量較高，通常在30 000～40 000 mg/L［3］，通過(guò)本研究實(shí)際測(cè)定，氨氮及總氮含量通常在400～600 mg/L，水處理負(fù)荷較高，如采用生物處理常需考慮氨氮毒性問(wèn)題，脫氮除磷將成為糞水處理的關(guān)鍵點(diǎn)。

3） 含砂較多。由于吸糞車(chē)吸取的糞水主要來(lái)自化糞池第一格底部，沉積泥沙濃度非常高，需考慮除砂及污泥處理設(shè)施［4-6］。

3 工程設(shè)計(jì)方案

本工程為河北省某縣級(jí)市的糞便處理項(xiàng)目，處理收集縣級(jí)市內(nèi)的清掏糞便，設(shè)計(jì)處理含水率98%的糞便100 t/d，實(shí)際收集能力為50 t/d。

3.1 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

本工程處理介質(zhì)為城鎮(zhèn)人類(lèi)糞便，不含油脂、重金屬等物質(zhì)。糞便預(yù)處理工段“固液分離+絮凝脫水”的處理效果對(duì)污水處理系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)有較大影響?；诒竟こ痰念A(yù)處理運(yùn)行情況，本次設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表1，出水水質(zhì)指標(biāo)執(zhí)行GB 8978—1996 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)中的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及當(dāng)?shù)厣钗鬯幚韽S(chǎng)的進(jìn)水水質(zhì)要求，見(jiàn)表1。

3.2 工藝設(shè)計(jì)

本工程糞便污水處理流程見(jiàn)圖1。

圖1 某廠(chǎng)糞便污水處理工藝流程示意

1） 預(yù)處理工藝段。

糞便污水通過(guò)快速卸糞裝置進(jìn)入固液分離機(jī)，在固液分離機(jī)中去除糞便中的大塊沉淀物、大于20 mm 的漂浮懸浮物以及90%以上的粒徑大于0.5 mm 的砂礫，固液分離一體機(jī)設(shè)置1 臺(tái)，處理量為100 m3/h。沉砂池停留時(shí)間10 min，人工清掏。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：①來(lái)糞負(fù)荷沖擊較大，即使設(shè)備選型偏大，仍然會(huì)出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，故應(yīng)設(shè)來(lái)料緩存池；②固液分離后，糞水含砂量較大，應(yīng)設(shè)沉砂裝置；③固液分離后仍有大量的漂浮物進(jìn)入后端處理，固液分離格柵間隙偏大，建議兩級(jí)過(guò)濾，增加一級(jí)6～10 mm 柵隙。

固液分離出水進(jìn)入調(diào)節(jié)池，均質(zhì)均量，調(diào)節(jié)池設(shè)計(jì)停留時(shí)間為36 h，建議水力攪拌與機(jī)械攪拌結(jié)合破除表面結(jié)痂，設(shè)置參數(shù)為8～15 W/t，且該方法實(shí)際運(yùn)行效果良好。

調(diào)節(jié)池出水通過(guò)螺桿泵抽入脫水車(chē)間，并在管道內(nèi)投加高分子量絮凝劑PAM 后進(jìn)入螺壓脫水機(jī)脫水，濾液進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，濾渣運(yùn)至好氧發(fā)酵車(chē)間資源化回用。螺壓脫水機(jī)參數(shù)為8～12 m3/h，P=3.05 kW，配高壓沖洗。三腔一體機(jī)溶解配藥投加能力為2 000 L/h，P=5.50 kW，變頻調(diào)控，投藥量為100～250 mg/L。

2） 濾液池。

接受重力流入的脫水濾液。該池分為兩個(gè)功能區(qū)，進(jìn)料池停留時(shí)間為1.2 h，其中該池內(nèi)設(shè)置進(jìn)料泵2 臺(tái)，1 用1 備，參數(shù)為Q=5 m3/h，H=8 m，P=0.55 kW；緩存池停留時(shí)間為3.56 h，該池內(nèi)設(shè)有2 臺(tái)可調(diào)潛水?dāng)嚢杵鳎瑢?duì)角設(shè)置，單臺(tái)功率為0.37 kW。濾液池設(shè)計(jì)需注意水面嚴(yán)重結(jié)垢的問(wèn)題，應(yīng)設(shè)置攪拌等破垢措施。

3） 缺氧池。

主要發(fā)揮反硝化作用，去除硝態(tài)氮。該池停留時(shí)間為6.90 h，池內(nèi)設(shè)置2 臺(tái)潛水?dāng)嚢杵鳎瑔闻_(tái)功率為0.55 kW。

4） 好氧池。

缺氧池污水通過(guò)不銹鋼集水槽溢流至好氧池，在池內(nèi)完成有機(jī)物降解、硝化及聚磷菌吸磷的過(guò)程，降低污水中COD、氨氮含量。在較大曝氣量的1#好氧池內(nèi)好養(yǎng)微生物大量繁殖，在2#、3#好氧池內(nèi)，為硝化液回流及出水沉淀，降低曝氣量。該池停留時(shí)間為14.27 h，池內(nèi)設(shè)置管式曝氣系統(tǒng)，呈“豐”字布置，羅茨鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)為：Q=1.92 m3/min，P=0.05 MPa，N=4 kW，可調(diào)。硝化液回流泵參數(shù)為：Q=10 m3/h，H=12 m，N=2.2 kW，變頻。

5） 斜管沉淀池。

鑒于可利用占地較小，絮凝污泥沉淀性能較好，斜管設(shè)備采用表面光滑的乙丙共聚材料斜管，每日定期排泥，運(yùn)行良好，未見(jiàn)堵塞現(xiàn)象。該池的表面水力負(fù)荷為0.60 m3/（m2·h），停留時(shí)間為1.50 h，斜管設(shè)備φ×l 為100 mm×1 500 mm。

污泥采用多點(diǎn)回流方式，大小泵匹配分別可切換至好氧池、缺氧池及緩存池。1#污泥回流泵參數(shù)為：Q=5 m3/h，H=5 m，P=0.55 kW。2# 污泥回流泵參數(shù)為：Q=12.6 m3/h，H=5 m，P=1.1 kW。

剩余污泥排至調(diào)節(jié)池。

6） MBR 膜池。

若斜管沉淀池出水不達(dá)標(biāo)，則開(kāi)啟膜池，使得好氧池出水進(jìn)入MBR 膜池繼續(xù)反應(yīng)去除污染物，而后將達(dá)標(biāo)污水外排。膜過(guò)濾面積為448 m2，配套膜清洗系統(tǒng)。

7） 糞水加藥。

糞便污水中含磷量較高，需投加化學(xué)藥劑進(jìn)行去除，投加藥劑為某公司特制除磷液體藥劑，投加量為800～900 mg/L，投加點(diǎn)為好氧池，經(jīng)充分?jǐn)嚢?，進(jìn)入斜管沉淀池進(jìn)行沉淀。

3.3 運(yùn)行效果分析

該項(xiàng)目于2018 年7 月調(diào)試運(yùn)行。經(jīng)過(guò)調(diào)試監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，該項(xiàng)目各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到出水水質(zhì)要求，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于各限值。污水處理各階段工藝水質(zhì)變化情況見(jiàn)表2。本研究主要分析糞便污水處理出水的CODCr、NH3-N、TN、TP 指標(biāo)。

表2 污水處理各階段處理效果

3.3.1 CODCr

根據(jù)調(diào)試情況，調(diào)試前30 d，為增大污泥量，好氧池DO 為6～8 mg/L，第30～60 天，好氧池DO為4～6 mg/L，其他水池?cái)嚢杵?4 h 開(kāi)啟。糞便處理廠(chǎng)CODCr去除效果見(jiàn)圖2。

圖2 糞便處理廠(chǎng)CODCr 去除效果

根據(jù)圖2 可知，CODCr數(shù)據(jù)在每次池體排空維修后波動(dòng)較大，個(gè)別值超過(guò)當(dāng)?shù)匚鬯畯S(chǎng)進(jìn)水水質(zhì)要求（＞400 mg/L），出水CODCr在150～500 mg/L變化，去除率在80%～95%變化，處理效果良好。這可能是：①接種污泥來(lái)自當(dāng)?shù)匚鬯幚韽S(chǎng)，啟動(dòng)時(shí)間較短，污泥活性高；②調(diào)試時(shí)天氣溫度較高，利于微生物的生長(zhǎng)繁殖；③糞便污水可生化性有機(jī)質(zhì)含量較高，有利于微生物的生長(zhǎng)。

9 月初，出水CODCr為150～250mg/L；11月初，在增加冬季保溫措施后，出水CODCr低于100 mg/L，去除率可達(dá)97%，達(dá)到GB 18918—2002 城鎮(zhèn)污水處理廠(chǎng)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（≤100 mg/L），部分時(shí)段甚至達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)（≤50 mg/L）。

3.3.2 NH3-N 和TN

糞便處理廠(chǎng)NH3-N 去除效果見(jiàn)圖3。

圖3 糞便處理廠(chǎng)NH3-N 去除效果

根據(jù)圖3 可知，調(diào)試前30 d，出水NH3-N 在5～200 mg/L 變化，去除率在40%～99%變化，波動(dòng)較大，這可能是：①據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋收運(yùn)方式出現(xiàn)問(wèn)題，清掏周期及方式不同會(huì)影響糞便的性質(zhì)；②預(yù)處理段的脫水工藝仍處于調(diào)試當(dāng)中，絮凝劑投加量100～250 mg/L，絮凝效果對(duì)于濾液的性質(zhì)產(chǎn)生了影響。

經(jīng)歷約60 d 的調(diào)試后，NH3-N 的去除效果基本穩(wěn)定，11 月初，NH3-N 低于1 mg/L，可達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)A 的限值標(biāo)準(zhǔn)（≤5 mg/L）。這說(shuō)明好氧池的培養(yǎng)條件（DO 為4～6 mg/L） 利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，硝化效果優(yōu)良［7］。

糞便處理廠(chǎng)TN 去除效果見(jiàn)圖4。根據(jù)圖4 可知，前60 d 的出水TN 在40～230 mg/L 變化，去除率在10%～90%波動(dòng)，TN 的去除成為調(diào)試運(yùn)行的難點(diǎn)，為應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)厝攵瑴囟茸兓?，增加缺氧池保溫措施，通過(guò)調(diào)整反硝化菌的生長(zhǎng)條件，溫度15℃左右，降低硝化液回流比為0.5∶1～1.5∶1［7-8］，40～70 d 的TN 基本維持在50～100 mg/L，變化幅度減小。

圖4 糞便處理廠(chǎng)TN 去除效果

為進(jìn)一步降解TN，增加缺氧池停留時(shí)間，故將一級(jí)好氧池的曝氣量降低，控制氧含量為0.8～1.50 mg/L［9］，這樣一級(jí)好氧池形成好氧兼具缺氧的條件，從而使缺氧池停留時(shí)間增加至約10 h，經(jīng)過(guò)1 個(gè)月的調(diào)試后，TN 的去除效果基本穩(wěn)定，數(shù)值低于45 mg/L，去除率達(dá)到85%，達(dá)到GB 8978—1996 三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)排放要求。

進(jìn)料池NH3-N 與TN 數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 進(jìn)料池NH3-N 與TN 數(shù)據(jù)對(duì)比 mg/L

經(jīng)過(guò)多次測(cè)試結(jié)果表示，進(jìn)料池的NH3-N 與TN 的測(cè)試數(shù)據(jù)基本相等，相差不超過(guò)50 mg/L，故說(shuō)明糞便混合物經(jīng)過(guò)一定時(shí)間和預(yù)處理（固液分離+絮凝脫水） 后，糞尿中的尿素分解，氮元素主要存在形式轉(zhuǎn)為NH3-N［10］，進(jìn)入污水生化處理系統(tǒng)，在硝化菌的作用下轉(zhuǎn)為NO3-N，故在水處理系統(tǒng)中氮的主要存在形式為NH3-N、NO3-N 或者NO2-N。

3.3.3 TP

糞便處理廠(chǎng)TP 去除效果見(jiàn)圖5。

圖5 糞便處理廠(chǎng)TP 去除效果

根據(jù)圖5 可知，前15d 的出水TP 在80～140mg/L變化，波動(dòng)較大，這說(shuō)明生物處理基本未發(fā)揮除磷作用，可能原因?yàn)椋孩傧到y(tǒng)調(diào)試初期，緩存池內(nèi)聚磷菌并未優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)；②系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)，為增加污泥量，不曾排泥。

由于糞水中的磷主要以無(wú)機(jī)磷形式存在［8］，為盡快降低磷含量，采用化學(xué)除磷方式。在20 d后，根據(jù)小試結(jié)果，投加除磷藥劑400～650 mg/L，數(shù)據(jù)顯示TP 含量基本在40 mg/L 左右，說(shuō)明絮凝劑對(duì)于污水中磷的去除具有較好的效果，且在系統(tǒng)排泥后，去除率未明顯提高。考慮實(shí)際工程的絮凝效果與小試相差較大，增加除磷藥劑濃度至800～900 mg/L，效果較為顯著，TP 含量低于5 mg/L，滿(mǎn)足出水水質(zhì)要求。在該投加濃度下，沉淀池每日排泥量為1～2 m3。

3.4 運(yùn)營(yíng)成本

本糞便廠(chǎng)的污水處理運(yùn)營(yíng)成本見(jiàn)表4。按照設(shè)計(jì)收運(yùn)規(guī)模100 t/d 計(jì)算，處理1 t 糞便污水需要約26 元，糞渣處理未計(jì)入本次成本。

表4 污水處理運(yùn)行費(fèi)用

3.5 問(wèn)題與建議

糞便廢水的提標(biāo)排放將成為未來(lái)治理趨勢(shì)。目前糞便處理主要存在以下問(wèn)題：①由于目前城鎮(zhèn)的收運(yùn)模式不完善，進(jìn)料負(fù)荷波動(dòng)大，固液分離機(jī)選型參數(shù)偏大也無(wú)法預(yù)估來(lái)料情況，為設(shè)備選型合理合適，減少電耗及設(shè)備投資，建議設(shè)置進(jìn)料緩存池；②懸浮物含量大，易造成結(jié)痂情況，水下常規(guī)攪拌均無(wú)法擾動(dòng)液面，故在液面處須采取水力攪拌與機(jī)械攪拌的方式；③糞便污水自化糞池抽出，含砂量較大，建議調(diào)節(jié)池前設(shè)置沉砂及排砂裝置；④有機(jī)質(zhì)與氮磷含量較高，為減輕糞便污水的生化處理壓力，提高前段預(yù)處理效率，盡量降低脫水濾液的含固率；⑤強(qiáng)化水處理的生物脫氮除磷設(shè)計(jì)，增加缺氧池停留時(shí)間、化學(xué)除磷等措施。

4 結(jié)論

根據(jù)調(diào)試運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在MBR 膜池不開(kāi)啟情況下，糞便廠(chǎng)污水出水CODCr、NH3-N 指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了GB 18918—2002 的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，部分時(shí)段甚至達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

糞便污水氮磷及SS 含量高，通過(guò)糞便污水處理廠(chǎng)的處理工藝設(shè)計(jì)及關(guān)鍵設(shè)備選型，TN 去除率大幅提升，污水中磷含量快速降低，出水水質(zhì)達(dá)到GB 8978—1996 中的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及當(dāng)?shù)匚鬯畯S(chǎng)進(jìn)廠(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)，為今后糞便處理設(shè)計(jì)起到一定的指導(dǎo)意義。

與此同時(shí)，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)參數(shù)下的糞水處理站運(yùn)行良好，達(dá)標(biāo)污水經(jīng)下水道進(jìn)入當(dāng)?shù)厥姓鬯幚韽S(chǎng)，不僅不會(huì)增加受納污水廠(chǎng)的運(yùn)行負(fù)荷，還可以為市政污水處理增加有效碳源，減輕市政污水廠(chǎng)的運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)了糞便污水“變廢為寶”的資源化出路。