新型防堵塞高負(fù)荷人工土壤濾池處理系統(tǒng)設(shè)計

陳 桐，唐 晶，赫英哲，甘 露

(江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)股份有限公司，江蘇省環(huán)保集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210019)

1 研究背景

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，生活污水排放量與日俱增[1]。目前，城市生活污水處理系統(tǒng)逐步完善，然而鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)缺乏合理的收集渠道及集中處理設(shè)施[2]，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水造成的水環(huán)境污染嚴(yán)重威脅了鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村水源地的水資源安全[3]。同時，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，居民環(huán)保意識相對較差，在一定程度上制約了農(nóng)村水環(huán)境治理的發(fā)展[4]。鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村生活污水具有排放水量和污染物濃度波動大、組分相對簡單、可生化性好、收集困難等特點(diǎn)[5,6]。采用建設(shè)大型污水處理設(shè)施或利用應(yīng)急處理設(shè)備等，需要配套建設(shè)大量污水收集管網(wǎng)、設(shè)施規(guī)模和占地偏大、運(yùn)營需投加藥劑、投入大量人員維護(hù)等[7]。這種處理方式投資過高、運(yùn)營費(fèi)用居高不下，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村地區(qū)難以承受，因此不能很好的適應(yīng)上述特征，無法廣泛推廣應(yīng)用[8]。根據(jù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村的自然環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)收入等現(xiàn)實條件，研究一種構(gòu)造簡單、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)保養(yǎng)方便、適應(yīng)當(dāng)?shù)匚鬯卣鞯奶幚砟Ｊ绞俏鬯幚砑夹g(shù)的關(guān)鍵[9,10]。在眾多的污水處理技術(shù)手段中，土地處理技術(shù)在低成本、耐沖擊上具有獨(dú)特優(yōu)勢[11]。

污水土地處理系統(tǒng)可分為6類，即慢速滲濾處理系統(tǒng)、快速滲濾處理系統(tǒng)、地表漫流處理系統(tǒng)、污水濕地處理系統(tǒng)、地下滲濾土地處理系統(tǒng)和人工土層快速滲濾處理系統(tǒng)[12]。其基本方法是將經(jīng)過化糞池排出的生活污水通過埋在地下的散水管均勻分布于一定面積的土壤中，廢水在土壤上部飽氣帶向下滲透的同時，其中的有機(jī)物被好氧及厭氧細(xì)菌分解成無害物質(zhì)[13]。其突出優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)成本低、運(yùn)營管理費(fèi)用少，系統(tǒng)之上的土地可用作旱地種植蔬菜等作物或作為花圃、草坪等綠化用地，不會影響環(huán)境和景觀，也不改變土地的用途，是一種既有經(jīng)濟(jì)效益，又有生態(tài)效益的污水處理方法。因此，美國和加拿大在20世紀(jì)90年代中期已有1/3以上的生活污水采用該方法處理[14]，并且逐年增加[15]，在歐洲和日本也有較多的應(yīng)用實例。

然而，由于土壤堵塞和氧氣供應(yīng)的限制，傳統(tǒng)系統(tǒng)的污水負(fù)荷僅1～4 cm/d。余杰等[16]采用該技術(shù)設(shè)立了一個試驗系統(tǒng)并將系統(tǒng)的水力負(fù)荷提高到20 cm/d，卻大大降低了其污水處理效果。另有研究[17]通過高度分散顆粒有機(jī)物和保障系統(tǒng)的氧氣供應(yīng)，以加快顆粒有機(jī)物的生物氧化速率、維護(hù)土壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)和提高污水處理效果，使其污水負(fù)荷提高到約20 cm/d。該技術(shù)雖然在一定程度上擴(kuò)大了地下污水處理方法的適用范圍，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但由于土地面積的限制，在我國的許多農(nóng)村地區(qū)仍然難以使用。要進(jìn)一步大幅度提高其污水負(fù)荷，必須采取有效可行的方法，在污水進(jìn)入地下滲濾系統(tǒng)之前去除其中的懸浮顆粒物。

在實際應(yīng)用案例中，由于廢水中顆粒有機(jī)物的存在，傳統(tǒng)的土壤生物處理方法往往出現(xiàn)較嚴(yán)重的土壤堵塞現(xiàn)象[18]：廢水中的懸浮顆粒有機(jī)物土壤濾料界面附近形成富含顆粒有機(jī)物的薄層，隨著顆粒有機(jī)物的積累，其滲透性降低，沿布水管出現(xiàn)局部積水[19]；土壤濾料堵塞后，氧擴(kuò)散作用也大大減弱，進(jìn)一步加重堵塞現(xiàn)象，從而降低系統(tǒng)的廢水處理效率，甚至喪失其廢水處理功能[20]。

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本文介紹了在農(nóng)村污水治理項目實施過程中創(chuàng)新設(shè)計的防堵塞高負(fù)荷人工土壤污水處理技術(shù)，重點(diǎn)對處理系統(tǒng)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行流程進(jìn)行了論述和探討，以期為農(nóng)村生活污水治理的理論和實踐提供新的思路。

2 防堵塞高負(fù)荷污水處理系統(tǒng)主要內(nèi)容

本研究設(shè)計的防堵塞高負(fù)荷人工土壤濾池污水處理系統(tǒng)工藝路線如圖1所示。該污水處理系統(tǒng)包括預(yù)處理系統(tǒng)、立體多層式濾池系統(tǒng)、出水回用系統(tǒng)和各類輔助模塊。其中，預(yù)處理系統(tǒng)、立體多層式濾池系統(tǒng)和出水回用系統(tǒng)通過管路連接。該污水處理系統(tǒng)通過預(yù)處理系統(tǒng)，對污水進(jìn)行固液分離、氧化降解和截流緩沖，通過立體多層濾池系統(tǒng)，進(jìn)行多層布水、過濾降解，另外結(jié)合拔風(fēng)換氣、曝氣充氧等手段，有效避免了濾池系統(tǒng)的堵塞問題，同時提高了濾池處理污水的單位負(fù)荷。

圖1 防堵塞高負(fù)荷人工土壤濾池污水處理系統(tǒng)工藝路線

如圖2所示，該系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造及連接設(shè)計如下：

圖2 防堵塞高負(fù)荷人工土壤濾池污水處理系統(tǒng)工藝連接

2.1 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)的作用主要為：污水的固液分離、去除污水中油脂類和懸浮顆粒物、大分子、難降解有機(jī)物的厭氧及好氧降解，以及出水緩沖。該預(yù)處理系統(tǒng)包括用于污水初沉和厭氧消化的進(jìn)水回用區(qū)、用于脫氮除磷的生化處理區(qū)、用于污泥沉降的泥水分離區(qū)、用于出水緩沖暫存的出水分配區(qū)。各功能區(qū)之間均設(shè)置有隔板，隔板形成S型水流方向。進(jìn)水回用區(qū)連接化糞池出水管，生化處理區(qū)的水流方向為上進(jìn)下出，泥水分離區(qū)的水流方向為下進(jìn)上出，出水分配區(qū)通過管道與濾池連接。預(yù)處理系統(tǒng)內(nèi)部的隔板設(shè)置，形成了有效的推流形態(tài)，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，保障進(jìn)入濾池的水質(zhì)平穩(wěn)。

2.2 立體多層式濾池系統(tǒng)

立體多層式濾池系統(tǒng)用于同步進(jìn)行多層污水的縱向過濾和橫向輸送，對污水中的顆粒性有機(jī)物和溶解性有機(jī)物進(jìn)行吸附、降解處理。該系統(tǒng)包括由上至下分布且連通的上層過濾單元、通風(fēng)層單元、下層過濾單元和排水單元，各結(jié)構(gòu)層均采用沸石、陶粒、卵石、加氣磚碎礫和球形填料中的一種或多種組成。上層過濾單元和下層過濾單元之間填充有通風(fēng)層，過濾單元與出水分配區(qū)管路連接。上層過濾單元由上至下依次為覆土層、上布水層、上濾層，上布水層設(shè)置有若干個上層布水管，其上設(shè)置有若干個散水孔。上層布水管一側(cè)設(shè)置有溢流管，溢流管的高度高于上布水管的高度。通風(fēng)層單元由上至下分別為通風(fēng)層和中濾層，下層過濾單元包括下布水層和設(shè)置在下布水層下方的下濾層，下布水層設(shè)置有若干個下層布水管，下層布水管上設(shè)置有若干個散水孔。排水單元包括排水層和排水管，排水層設(shè)置在下濾層下方，排水管設(shè)置在排水層底部。溢流管和排水管均與出水回用系統(tǒng)連接。立體式的過濾方式可吸附處理的污染負(fù)荷容量大，可以最大限度的發(fā)揮高負(fù)荷人工土壤濾池的負(fù)荷能力，雙層過濾單元大大提高了濾池系統(tǒng)的過濾能力。另外，頂部覆土層可種植景觀花木或旱地農(nóng)作物，作為景觀花圃或小菜園使用，場景適應(yīng)性強(qiáng)。

2.3 出水回用系統(tǒng)

出水回用系統(tǒng)用于系統(tǒng)出水的暫存和排放。出水回用系統(tǒng)包括儲水池、潛水泵和出水管，潛水泵設(shè)置在儲水池底部，出水管與潛水泵連接。儲水池中的存水可為農(nóng)戶種植、沖廁等提供水源，多余的出水通過潛水泵提升排放至環(huán)境水體或管網(wǎng)中。

2.4 其它系統(tǒng)設(shè)計

該防堵塞高負(fù)荷人工土壤濾池處理系統(tǒng)還配套了太陽能發(fā)電系統(tǒng)、曝氣充氧系統(tǒng)和拔風(fēng)換氣系統(tǒng)。

(1)太陽能發(fā)電系統(tǒng)，用于給該污水處理系統(tǒng)進(jìn)行供電。使用風(fēng)光一體發(fā)電設(shè)備和PLC控制單元，固定于立桿上。風(fēng)光一體發(fā)電設(shè)備由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池板、蓄電池、逆變器及電源管理裝置組成，通過太陽光能、風(fēng)能產(chǎn)生電能供整個處理系統(tǒng)使用。

(2)曝氣充氧系統(tǒng)用于給預(yù)處理系統(tǒng)、濾池系統(tǒng)進(jìn)行曝氣充氧。系統(tǒng)包括曝氣管、輸送氣管和氣泵。曝氣管分別設(shè)置在懸浮式填料架下方和通風(fēng)層內(nèi)，曝氣管與輸送氣管連接，輸送氣管與氣泵連接。

(3)拔風(fēng)換氣系統(tǒng)用于給預(yù)處理系統(tǒng)、濾池系統(tǒng)進(jìn)行無動力通風(fēng)換氣。拔風(fēng)換氣系統(tǒng)包括通風(fēng)管道和旋流式通風(fēng)器，通風(fēng)管道一端分別與預(yù)處理系統(tǒng)、通風(fēng)層連接，旋流式通風(fēng)器設(shè)置在通風(fēng)管道另一端。拔風(fēng)換氣系統(tǒng)可以利用自然空氣的流動對預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)換氣，避免有害氣體的聚集，改善預(yù)處理系統(tǒng)內(nèi)部的充氧條件，減少增氧曝氣的阻力，拔風(fēng)換氣系統(tǒng)可以利用自然空氣的流動對立體多層式濾池系統(tǒng)正壓通風(fēng)復(fù)氧、負(fù)壓拔風(fēng)換氣，有助于進(jìn)一步消解前期聚集的有機(jī)污染物，恢復(fù)立體多層式濾池系統(tǒng)污染負(fù)荷容量。

3 系統(tǒng)的運(yùn)行模式和工作原理

來自用戶的生活污水，先經(jīng)過隔油池、化糞池等前處理設(shè)施，然后通過水位差自流，由重力管道收集后接入該處理系統(tǒng)。

3.1 污水在預(yù)處理模塊中的污染物去除

污水通過進(jìn)水管進(jìn)入預(yù)處理模塊，首先在進(jìn)水回用區(qū)內(nèi)污水中較大顆粒物在池內(nèi)沉降，污泥斗儲存，擋板將污水中的漂浮物阻攔在上部；污水在該單元中有一定的停留時間，水中溶解氧被逐漸消耗，形成缺氧至厭氧的環(huán)境，促進(jìn)大分子、難降解污染物水解。進(jìn)入生化處理區(qū)的污水通過掛膜填料的吸附、降解作用，進(jìn)一步去除污染物；氣泵通過底部的曝氣管間歇向該單元補(bǔ)充空氣，形成好氧、缺氧交替的環(huán)境增強(qiáng)生化處理效果，有助于硝化和反硝化作用，達(dá)到脫氮的目的。污水從底部流入泥水分離區(qū)，自下而上通過斜管，污泥在斜管沉淀作用下分離，出水通過堰跌水進(jìn)入出水分配區(qū)。為了改善通風(fēng)條件、強(qiáng)化微生物降解和污泥的分解作用、避免有害氣體在內(nèi)部聚集，在模塊上部設(shè)置通風(fēng)管，與拔風(fēng)動力模塊連接；通過自然拔風(fēng)作用在氣泵停止期間進(jìn)行適量的無動力送風(fēng)，以改善內(nèi)部環(huán)境，減少氣泵使用時間；另外在好氧曝氣時，通風(fēng)管可作為氣流出口，降低曝氣阻力。

3.2 污水在高負(fù)荷人工土壤濾池中的流向和污染物去除

污水通過上層布水管進(jìn)入濾池的上布水層，一部分在重力作用下滲濾穿過上濾層向下流動，來不及滲濾的污水則在上布水層中橫向流動，其中的污染物被人工土壤濾料攔截吸附，并被表面形成的生物膜吸收降解。污水逐一滲濾穿過各濾層，每層均有吸附攔截和微生物降解作用。其中的顆粒有機(jī)物主要被上濾層攔截，殘留的顆粒有機(jī)物和溶解性有機(jī)物在中濾層和下濾層中進(jìn)一步去除。污水中經(jīng)預(yù)處理模塊硝化作用形成的硝酸根離子和亞硝酸根離子在濾層中兼性厭氧環(huán)境下通過反硝化作用去除，達(dá)到脫氮作用；磷則被填料吸附，或被微生物利用去除。當(dāng)上游短時來水量大，超出上層布水管配水能力時，導(dǎo)致預(yù)處理模塊的出水分配區(qū)液位不斷上升，達(dá)到下層布水管進(jìn)水口，過量污水通過下層布水管進(jìn)入下布水層，通過重力作用向下滲透穿過下濾層至排水層，通過排水管收集后排入出水回用池，經(jīng)潛污泵，提升排放至下游。設(shè)置于出水回用系統(tǒng)的潛污泵周期性啟停，使得高負(fù)荷人工土壤濾池交替在淹水或落干的狀態(tài)下切換，形成類SBR形式的污水處理工藝，有利于污染物降解。

在濾池落干期間，利用氣泵對濾池進(jìn)行送風(fēng)充氧，加速污染物分解，同時起到氣體反沖洗作用，有利于濾層過濾能力的恢復(fù)。氣泵工作時，由位于通風(fēng)層的通風(fēng)管正壓送風(fēng)，氣流分為兩路通道，一路向上穿過上濾層、上布水層，通過上層布水管的進(jìn)水口、覆土層散逸至外部；另一路向下穿過中濾層、下布水層，通過下層布水管的進(jìn)水口、排水層中的排水管散逸至外部，達(dá)到濾池整體充氧效果。當(dāng)上游來水量小、氣泵未啟動期間，通過拔風(fēng)動力模塊的自然拔風(fēng)作用，在通風(fēng)層形成負(fù)壓吸風(fēng)效應(yīng)[21]，空氣通過上、下層布水管的進(jìn)水口進(jìn)入上、下布水層，再通過上濾層、中濾層經(jīng)通風(fēng)管排出，達(dá)到局部微循環(huán)通風(fēng)效果，維持生物降解效率，保障處理效果。

3.3 復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)各單元協(xié)同機(jī)制

村鎮(zhèn)排水管網(wǎng)相對市政排水系統(tǒng)較為簡單，常見為雨污合流排水體制[22]。廁所用水、廚房用水、淋浴用水、庭院洗衣、沖洗等用水，以及降雨時形成的地表徑流都通過排水管道進(jìn)入農(nóng)村污水處理系統(tǒng)，針對上述復(fù)雜進(jìn)水條件，利用復(fù)合系統(tǒng)內(nèi)各單元的協(xié)調(diào)聯(lián)動機(jī)制，能夠很好地適應(yīng)水質(zhì)水量波動較大的情況，保障系統(tǒng)出水長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

在旱時水量較小時，污水經(jīng)收集管道排入預(yù)處理模塊，經(jīng)厭氧、好氧、沉淀處理，拔風(fēng)動力模塊為預(yù)處理模塊提供充足的好氧曝氣條件，并進(jìn)行換氣通風(fēng)，保障生化處理效果。出水經(jīng)上層布水管進(jìn)入人工土壤濾池，此時濾池所承受的污染物負(fù)荷很低，拔風(fēng)動力模塊間歇對濾池進(jìn)行正壓通風(fēng)富氧、負(fù)壓拔風(fēng)換氣，有助于進(jìn)一步消解前期聚集的有機(jī)污染物，恢復(fù)濾池污染負(fù)荷容量。在雨時或來水量較大時，預(yù)處理模塊因內(nèi)部擋板、溢流堰的布置，形成有效的推流形態(tài)，抗沖擊負(fù)荷的能力強(qiáng)，保障進(jìn)入濾池的水質(zhì)平穩(wěn)。出水經(jīng)上、下兩層布水管進(jìn)入濾池，由于上下濾層結(jié)構(gòu)一致，從而使濾池滲濾過水能力提升近1倍，而且中、下濾層日常污染物負(fù)荷很低，采用吸附效果更好的球形填料等復(fù)合填料，可吸附處理的污染負(fù)荷容量大，可以最大限度的發(fā)揮人工土壤濾池的負(fù)荷能力。

當(dāng)瞬時雨量大，來水主要為上游匯集的大量雨水、水質(zhì)較好時，復(fù)合系統(tǒng)主要作用由污水處理轉(zhuǎn)為調(diào)蓄和排水。來水經(jīng)上、下層布水管進(jìn)入濾池，濾池池體將作為初期雨水調(diào)蓄池，隨著濾池儲存滿水，通過與上層布水管連接的溢流管，將來水排至出水回用井中，再由潛污泵提升至下游，保證農(nóng)戶排水不受影響。

4 處理系統(tǒng)測試效果

該新型人工土壤濾池處理系統(tǒng)已在項目現(xiàn)場實際運(yùn)行見圖3。系統(tǒng)處理規(guī)模為2 m3/d，出水指標(biāo)穩(wěn)定達(dá)到江蘇省農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(DB32_3462-2020))中規(guī)定的一級A標(biāo)準(zhǔn)(COD≤60 mg/L、SS≤20 mg/L、氨氮≤8(15)mg/L、總氮≤20 mg/L、總磷≤1 mg/L)，對COD、氨氮、總磷、SS的去除效果顯著，部分指標(biāo)去除率可達(dá)90%以上，水樣對比見圖4所示。

圖3 新型人工土壤濾池處理系統(tǒng)現(xiàn)場照片

圖4 處理水樣對比

5 結(jié)論

高效防堵塞農(nóng)村生活污水人工土壤處理系統(tǒng)，是專門針對農(nóng)村污水特征而研發(fā)的一套復(fù)合處理體系。系統(tǒng)以土地處理技術(shù)為核心，根據(jù)進(jìn)出水標(biāo)準(zhǔn)和處理水量適配生物預(yù)處理模塊，適配太陽能、風(fēng)能等可再生能源對系統(tǒng)設(shè)備供電，無須外接電源，使本系統(tǒng)適用性更為廣泛，尤其是接電困難的偏遠(yuǎn)地區(qū)。系統(tǒng)具有工藝成熟、處理效果穩(wěn)定、集成度高、投資及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的學(xué)術(shù)研究和應(yīng)用價值。