西南農(nóng)村地區(qū)分散式污水站設(shè)計(jì)

岳崇峰，李馳昊，許江城

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

0 引言

據(jù)住建部統(tǒng)計(jì)，2020 年我國(guó)城市污水處理率已超過97%，但農(nóng)村地區(qū)污水處理率僅為28%。從總體看，農(nóng)村生活污水治理基礎(chǔ)薄弱，2016 年農(nóng)村污水處理率為22%。在過去5 a 處理率僅提高6%左右[1]。農(nóng)村地區(qū)污水收集設(shè)施不完善不同于城市污水，具有“分散廣、粗排放”特點(diǎn)，西南地區(qū)相比于沿海等地發(fā)展較為落后，且地勢(shì)以丘陵為主地貌差異大，從收集到污水處理站的建設(shè)均有很大困難，收集污水難直接導(dǎo)致污水廠進(jìn)水量少且水量不均衡，對(duì)污水廠運(yùn)行造成很大困難[2]。

該工程位于西南地區(qū)農(nóng)村，當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)，由于該地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施中缺乏穩(wěn)定運(yùn)行的污水處理站來處理養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水，導(dǎo)致部分養(yǎng)殖廢水散排，造成水環(huán)境及土壤污染。在項(xiàng)目推進(jìn)中發(fā)現(xiàn)，污水收集率低、水量不均衡、水質(zhì)資料缺失等問題已成為農(nóng)村地區(qū)污水廠建設(shè)的普遍問題，如何在有限的水質(zhì)資料和復(fù)雜的進(jìn)水水量條件下尋求適合當(dāng)?shù)氐奈鬯幚砉に囀窃O(shè)計(jì)的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。

設(shè)計(jì)選用AAO+MBBR 工藝作為二級(jí)處理工藝，并且調(diào)整AAO 及MBBR 的進(jìn)水運(yùn)行方式，二級(jí)處理中污水依次進(jìn)入?yún)捬醭?、缺氧池、MBBR 池和好氧池，通過改進(jìn)工藝流程，工藝運(yùn)行過程中碳氮比和碳磷比較低，且在不額外投加碳源的條件下仍達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，與傳統(tǒng)工藝AAO+MBBR 對(duì)比，運(yùn)行1 a 約節(jié)省1.5 t 乙酸鈉碳源（投加概率按30%計(jì)）。該生化池一體化設(shè)備采用集裝箱形式設(shè)計(jì)，占地面積小，出水水質(zhì)好，運(yùn)行成本低，抗負(fù)荷強(qiáng)，對(duì)西南農(nóng)村地區(qū)污水處理具有一定借鑒意義。

1 工程概況

設(shè)計(jì)污水處理站總規(guī)模為500 m3/d，分兩期建設(shè)，近期工程規(guī)模為250 m3/d，土建設(shè)計(jì)遠(yuǎn)期規(guī)模500 m3/d，設(shè)備按250 m3/d規(guī)模安裝。污水處理站進(jìn)水主要以農(nóng)村生活污水為主，約含有20%～30%養(yǎng)殖廢水，考慮西南地區(qū)排水管網(wǎng)特性和雨季泥沙進(jìn)入等水質(zhì)特點(diǎn)，工藝設(shè)計(jì)中出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。

2 工程設(shè)計(jì)規(guī)模和水質(zhì)

農(nóng)村生活污水主要來源為沐浴、洗滌、沖廁和養(yǎng)殖廢水，其中養(yǎng)殖產(chǎn)生廢水具有一定周期性，魚塘換水時(shí)產(chǎn)生的廢水量大，日常養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢水量少，直接導(dǎo)致污水站進(jìn)水質(zhì)水量變化大。此外，農(nóng)村地區(qū)大多數(shù)時(shí)期常駐人口較少，農(nóng)耕和春節(jié)期間常駐人口較多，產(chǎn)生的生活污水量變化也較大。因此，在工程設(shè)計(jì)中進(jìn)水量的時(shí)變化系數(shù)和日變化系數(shù)取值相對(duì)較高。

從水質(zhì)方面分析，進(jìn)水BOD5含量變化較大、TN、TP 含量高，但基本不含有重金屬等有毒有害物質(zhì)，這類水質(zhì)易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。由前期水質(zhì)檢測(cè)資料，該地區(qū)進(jìn)水碳氮比和碳磷比約為1.52～5.6 和4.7～20.83，雖然部分時(shí)段進(jìn)水水質(zhì)碳氮比和碳磷比較高，但大部分時(shí)間進(jìn)水水質(zhì)低于脫氮除磷的碳氮比和碳磷比中1∶4 和1∶16 的要求。

工程設(shè)計(jì)規(guī)模為500 m3/d，出水按照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 污水處理站進(jìn)水水質(zhì) 單位：mg/L

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 工藝選擇法

目前，農(nóng)村污水處理工藝主要以濕地、氧化塘、土壤過濾和SBR 等常見的生物工藝為主，這些工藝建設(shè)與運(yùn)行成本較低，但普遍存在出水穩(wěn)定性較差，填料或?yàn)V料流失和需周期性沖洗等問題。隨著農(nóng)村產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)村污水水質(zhì)復(fù)雜化，例如常見的農(nóng)產(chǎn)品加工或養(yǎng)殖廢水，上述工藝更是難以穩(wěn)定處理達(dá)到排放要求。

通過水質(zhì)水量分析，農(nóng)村污水處理站需抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)，運(yùn)行維護(hù)方便的工藝、設(shè)計(jì)比較了MBBR、AAO+MBBR 以及SBR 等工藝?？紤]進(jìn)水CODCr不穩(wěn)定、且氨氮去除標(biāo)準(zhǔn)高，鑒于AAO 運(yùn)行穩(wěn)定MBBR 抗沖擊負(fù)荷、節(jié)約用地、運(yùn)行管理方便，最終選用AAO+MBBR 工藝。

3.2 工藝流程

污水處理站工藝流程如圖1 所示，污水首先進(jìn)入沉砂井，將水中大顆粒物質(zhì)被沉淀截流，由沉砂井流出進(jìn)入格柵調(diào)節(jié)池。格柵分別設(shè)人工粗格柵和機(jī)械細(xì)格柵。由于該地區(qū)污水量小且進(jìn)水不穩(wěn)定，設(shè)調(diào)節(jié)池平衡水量，污水經(jīng)格柵后進(jìn)入調(diào)節(jié)池。然后污水進(jìn)入生化處理區(qū)，進(jìn)而依次進(jìn)入?yún)捬醭?、缺氧池、MBBR 池和好氧池。

圖1 處理站工藝流程圖

3.3 工藝優(yōu)勢(shì)

主進(jìn)水經(jīng)調(diào)蓄池調(diào)節(jié)后首先進(jìn)入?yún)捬醭?。厭氧池主要功能為聚磷菌厭氧釋放磷并存?chǔ)能量，缺氧段利用進(jìn)水碳源對(duì)內(nèi)回流混合液中的硝態(tài)氮進(jìn)行反硝化脫氮，將進(jìn)水中硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)饨档瓦M(jìn)水總氮含量。好氧池的主要作用為降解BOD5，將進(jìn)水中凱氏氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和磷的吸收。MBRB 中懸浮載體孔隙率高，當(dāng)微生物在載體上形成穩(wěn)定生物膜時(shí)，MBBR 反應(yīng)池就能彌補(bǔ)好氧池前段池容不足的問題，增強(qiáng)好氧池同步硝化反硝化能力。去除系統(tǒng)殘留的碳源，保證COD 的處理效果、總氮的去除效果。此外，好氧池預(yù)留加藥除磷裝置，污水經(jīng)MBBR 效果不達(dá)標(biāo)，好氧池投加一定量PAC 除磷藥劑，確保出水TP 達(dá)標(biāo)。

3.4 總體平面圖

設(shè)計(jì)污水處理站總體平面圖圖2 所示，格柵、調(diào)節(jié)池、生化組合池依次排序作為主要處理區(qū)，除臭設(shè)備、污泥池和綜合用房作為輔助處理區(qū)。其中格柵和調(diào)節(jié)池合建為一個(gè)構(gòu)筑物，AAO 反應(yīng)池、MBBR 反應(yīng)池和沉淀池合建成一個(gè)構(gòu)筑物，巴氏計(jì)量槽接紫外消毒器后出水。

圖2 污水處理站總平面圖

3.5 主要處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)及參數(shù)

（1）預(yù)處理設(shè)施

預(yù)處理設(shè)施主要包括除砂井、格柵和調(diào)節(jié)池三個(gè)部分，除砂井尺寸為0.9 m×0.9 m×1.2 m，除砂井出水經(jīng)過d15～50 的爐渣（厚150 mm）、d40～80 的爐渣（厚100 mm）和雨水篦子后進(jìn)入格柵調(diào)節(jié)池。

格柵進(jìn)水設(shè)計(jì)流量22.86 m3/h，尺寸7 m×1 m×3.35 m，格柵共設(shè)人工粗格柵和機(jī)械細(xì)格柵。人工格柵柵隙b=10 mm 設(shè)備高1.2 m 傾角60°，循環(huán)齒耙式細(xì)格柵間隙e=5 mm、井寬1.0 m，安裝角度α=75°，功率N=0.75 kW；

調(diào)節(jié)池尺寸7 m×7 m 有效容積100 m3、水力停留時(shí)間9.6 h，配長(zhǎng)、寬、高分別為7 m、7 m 和2.82 m的淺水?dāng)嚢铏C(jī)1臺(tái)，N=1.5 kW，潛水泵2臺(tái)，Q=10.4 m3/h，H=11 m，N=1.1 kW。

（2）生化處理

如圖3 所示，生化處理主要有厭氧池、缺氧池、MBBR 池和好氧池四座組成，生化處理構(gòu)筑物均設(shè)兩座。生物處理設(shè)計(jì)進(jìn)水流量33.3 m3/h，時(shí)變化系數(shù)取1.6，單座生化處理尺寸16.3 m×4.2 m×5 m，其中厭氧段尺寸1.3 m×4.2 m×5 m，缺氧段2.7 m×4.2 m×5 m，好氧段+MBBR 5.8 m×4.2 m×5 m。污水在生化池總停留時(shí)間為19.77 h，其中厭氧段2.63 h、缺氧段5.44 h、好氧+MBBR 段11.7 h，停留時(shí)間比為1∶2.1∶4.4。沉淀區(qū)回流至厭氧區(qū)比為100%，污泥回流管道泵Q=16 m3/h，H=10 m，N=0.75 kW。好氧區(qū)混合液回流至缺氧區(qū)比例為250%，混合液回流管道泵Q=31.3 m3/h，H=4 m，N=0.75 kW，好氧區(qū)設(shè)羅茨鼓風(fēng)機(jī)Q=1.10 m3/min，P=68.6 kPa，N=4 kW。

圖3 生化池反應(yīng)示意圖

生化處理中污泥參數(shù)取值結(jié)合當(dāng)?shù)剡\(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)及筆者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)溫度下（25℃）生化處理池內(nèi)平均混合液MLSS 為3.5 g/L，污泥負(fù)荷m（BOD5）/m（MLSS）為0.06kg/（kg·d）、剩余污泥m（DS）/m（BOD5）產(chǎn)率為0.03 kg，剩余污泥量SS 為3 000 kg/d、污泥齡AAO 好氧區(qū)為20 d、MBBR 填料區(qū)為30 d。

MBBR 工藝并不是簡(jiǎn)單將污泥與懸浮載體的混合投加，而是一個(gè)完整的系統(tǒng)處理系統(tǒng)。工藝設(shè)計(jì)包括了進(jìn)水出水系統(tǒng)、回水系統(tǒng)、懸浮載體選擇、載體流化系統(tǒng)等[3]，工藝運(yùn)行中處理效果受生物膜面積大小、懸浮載體的投加區(qū)域、推流攪拌器的布置和選型等因素影響[4]。實(shí)際工程中，這種生物膜處理法易出現(xiàn)懸浮的載體推擠、生物膜掛膜效果差、懸浮載體流失等不足[5]。

MBBR 反應(yīng)池中懸浮物是生物膜的載體，為保證載體與水體充分接觸載體應(yīng)選擇密度略低于水、孔隙率大、有效面積大的材料[6]。在工藝設(shè)計(jì)中為保證載體在反應(yīng)池內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，生物懸浮載體的最大填充率小于70%，載體有效比表面積在450～1 200 m2/m3范圍內(nèi)傳至傳氧效果較好[7]。結(jié)合以往研究結(jié)論和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在好氧池前段裝填φ10 ×0.7 mm 的短管型PE 填料，填料有效比表面積為550 m2/m3填充率30%。好氧池填料區(qū)出水端設(shè)出水?dāng)r截篩網(wǎng)，防止填料流失（攔截網(wǎng)材質(zhì)0Cr18Ni9，保證懸浮填料與混合液正常分離，出水口不堵塞，不堆積）。

填料區(qū)和非填料區(qū)中間采用導(dǎo)流墻分隔，利用池型氧化溝廊道使載體在好氧池內(nèi)循環(huán)留到，充分利用池型空間保證載體在反應(yīng)區(qū)內(nèi)良好流態(tài)。為防止懸浮載體在出水末端形成堆積在填料區(qū)底部設(shè)潛水推流器，推流器與曝氣裝置曝氣對(duì)懸浮載體產(chǎn)生剪切力實(shí)現(xiàn)載體穩(wěn)定流態(tài)化，曝氣量越大DO 濃度高、氧轉(zhuǎn)移速率越大，但填料容易紊亂，為保證填料的均勻懸浮和供氧需求池底曝氣采用盤式橡膠膜微孔曝氣器，共設(shè)6 套曝氣器，單盤供氣量為0～5m3/h。通過池型和曝氣裝置的設(shè)計(jì)，MBBR 反應(yīng)池內(nèi)水力條件好基本不出現(xiàn)水力死角。

沉淀區(qū)設(shè)豎流沉淀池共2座，單座沉淀池尺寸為4.2 m×4.2 m×4.7 m，池內(nèi)置φ80 斜管、安裝角度60°、斜長(zhǎng)1 m、斜管沉淀區(qū)投影面積共17.64 m2。

（3）消毒

管式紫外消毒器設(shè)計(jì)流量Q=40 mm3/h、P=0.8 MPa、N=0.45 kW 外線劑量為20～30 mJ/cm2，紫外線穿透率為65%。

巴氏計(jì)量槽設(shè)計(jì)流量Q=500 m3/d，B=0.041 m。

（4）除臭系統(tǒng)

處理站采用全過程除臭，對(duì)格柵與調(diào)節(jié)池、生化池（預(yù)缺氧區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)）、貯泥池等構(gòu)建筑內(nèi)產(chǎn)生的臭氣進(jìn)行處理，采用生物除臭。新建除臭生物濾池1座，設(shè)計(jì)總除臭氣量為1 000 m3/h，平面尺寸為直徑2.5 m 高2.3 m 圓形構(gòu)筑物，池底設(shè)曝氣系統(tǒng)，配套營(yíng)養(yǎng)劑投加系統(tǒng)。

（5）污泥處理

儲(chǔ)泥池尺寸4 m×3 m×5.8 m，配自吸式曝氣機(jī)QO2=6 kg/h、N=2.2 kW，生化池污泥經(jīng)沉淀池濃縮后儲(chǔ)存于儲(chǔ)泥池，運(yùn)行期間污泥通過吸糞車外運(yùn)至城市污水處理廠脫水處理。

4 運(yùn)行監(jiān)測(cè)與優(yōu)化

MBBR 池前期調(diào)試DO 采用1.5 mg/L，后期長(zhǎng)期運(yùn)行采用2.0 mg/L。污水處理站于2019 年3 月投產(chǎn)，投產(chǎn)后出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A標(biāo)，具體見表2。

表2 污水處理站實(shí)際進(jìn)水出水水質(zhì)

當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門對(duì)養(yǎng)殖廢水排污進(jìn)行控制，養(yǎng)殖廢水滿足排放標(biāo)準(zhǔn)后才允許排入下水道。由于當(dāng)?shù)貧夂蚝偷刭|(zhì)環(huán)境影響污水管網(wǎng)存由雨水、地下水等非正常流入。處理站實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)都低于設(shè)計(jì)值，且BOD5/TN 和BOD5/TP 值分別為1.44 和11，均不利于生物脫氮除磷。但從處理效果來看，出水指標(biāo)可以穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。這說明MBBR 載體附著大量的生物膜，這類生物膜污泥齡長(zhǎng)，對(duì)比AAO 好氧池增大微生物種群的豐度。當(dāng)載體上的生物膜達(dá)到一定厚度，生物膜形成好癢缺氧甚至缺氧微環(huán)境，這種生物環(huán)境增強(qiáng)生物處理階段脫氮除磷效果并且在惡劣的水質(zhì)條件中，適應(yīng)不同水質(zhì)濃度微生物的篩選和富集。

通過以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，低溫條件對(duì)硝化反應(yīng)影響較大，但處理站在冬季出水各項(xiàng)指標(biāo)均能保持穩(wěn)定，這也說明MBBR 反應(yīng)池中填料和生物泥復(fù)合形成系統(tǒng)內(nèi)生物菌類的多樣性，此外，MBBR 與AAO 好氧池相比生物膜傳傳至較慢，相同的生物降解產(chǎn)熱量與水體交換較慢，使膜內(nèi)局部環(huán)境溫度提高，有利于微生物保持較高的活躍性，在實(shí)際運(yùn)行中表現(xiàn)出MBBR 反應(yīng)池對(duì)低溫的適應(yīng)性[8]。

5 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

污水處理站設(shè)計(jì)規(guī)模為500 m3/d，占地1 685 m2。該處理站建設(shè)總投資4 000 萬元，每噸水處理成本8 000元，單位基建成本1.8 元/t，單位經(jīng)營(yíng)成本0.8 元/t，差額由政府財(cái)政補(bǔ)貼。

6 結(jié)論及建議

筆者設(shè)計(jì)污水處理站采用AAO+MBBR 工藝，占地指標(biāo)為3.37 m2/（m3/d）短管型PE 填料，填充率為30%，運(yùn)行效果良好，出水主要水質(zhì)指標(biāo)均穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)。改良AAO 工藝運(yùn)行方式，將MBBR 反應(yīng)池至于缺氧池后，AAO 中好氧池接MBBR 反應(yīng)池。通過MBBR 反應(yīng)池的設(shè)計(jì)池內(nèi)污泥齡和污泥濃度均高于AAO 好氧池，反應(yīng)池抗沖擊負(fù)荷優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對(duì)西南地區(qū)丘陵地帶廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理站有重大參考意義。