寒冷地區農村居民點生活污水處理系統升溫保溫技術研究

查 磊

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

隨著我國水電開發進程的不斷深入，水電工程的建設重心逐步向西部地區推進，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將成為未來一段時期我國開發水能資源的重要區域。移民安置工程作為水電工程重要的項目組成之一，其配套的生活污水處理設施的穩定運行也將面臨高寒高海拔氣候特征的考驗。

目前，我國對高寒高海拔農村地區生活污水處理技術的基礎研究較為薄弱，這與西部農村地區的基礎設施建設水平相對落后有關。此外，高海拔地區惡劣的氣候條件也為傳統的污水處理工藝的推廣應用帶來了技術上的挑戰。因此，為促進水電開發和環境保護的和諧發展，針對高海拔地區水電工程農村移民安置區生活污水處理技術的基礎研究十分必要。本文在簡要介紹農村地區常規生活污水處理工藝特點的基礎上，重點分析了溫度對生化處理效果的影響。針對高海拔地區的農村生活污水處理系統，初步探討了保障運行效果的升溫保溫方式，提出了冬季污水處理系統的運行管理措施。

1 農村地區常規生活污水處理工藝簡介

我國農村地區生活污水一般具有污水量少，產生源分散，水質相對穩定等特點［1-2］。常規的污水處理工藝主要有人工濕地污水處理系統［3-5］、人工快滲處理系統［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（constructed rapid filtration system），簡稱CRI系統。該系統的滲濾池內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荷，又能滿足出水水質的處理目標。根據已有的工程經驗，景觀水體生活污水水力負荷可達1 m3／（m2·d）以上，出水質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。

系統運行過程中，濾料表面附著生物膜。當污水流過時，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，因濾料表面（特別是滲池上部濾料表面）的生物膜具有較大的比表面積，能夠對污水進行快速凈化。就氮的去除而言，落干時產生銨化和硝化作用，淹水期產生反硝化作用，氮可通過上述轉化過程而被去除。

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；同時在床體表面種植具有吸附性能好、成活率高、抗水性強、生長周期長、美觀且具有經濟價值的水生植物（如蘆葦、蒲草等），形成一個獨特的植物生態體系。

人工濕地去除的污染物范圍廣泛，主要包括N、P、SS、有機物、微量元素和病原體等。有關研究結果表明，進水BOD濃度在70～150 mg／L的條件下，人工濕地對BOD5的去除率可達85%～95%，COD去除率可達80%以上，處理出水中BOD5的濃度在10 mg／L左右，SS小于20 mg／L。污水中大部分有機物作為微生物的有機養分，最終被轉化為微生物體及 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行連續混合培養，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。

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

農村安置點規模小、數量多且布置分散，如集中處理所需收集污水管道長、投資高，顯然不切合當地實際。考慮到高原農村地區生活需水量較少，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，當地又有人畜糞便農田綜合利用的傳統，因此，農村居民點的污水處理目標為收集后綜合利用，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可行且效果好，并能調動廣大農戶的積極性。

戶用沼氣化糞池的工藝特點是發酵原料為人、畜、禽糞便有機廢水，采用連續發酵工藝維持比較穩定的發酵條件，使沼氣微生物區系穩定，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荷能力，達到較高的產氣率；工藝自身耗能少，簡單方便、容易操作。各居民點的生活污水經各戶沼氣化糞池預處理后再匯集至集中水池，尾水用于各居民點的農田灌溉。

1.5 工藝特點

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村地區常規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經濟指標。從表1可以看出，人工快滲投資指標和占地指標都較低，適用于人數較小的農村安置點；人工濕地占地指標較高，但運行成本較低，適用于建設用地較為富余的農村安置點；活性污泥法隨處理量的變化投資指標和占地指標變化都較大，適用于集中安置人口較多的農村安置點；沼氣化糞池具有單戶建設，簡化市政管網，每戶居民自行運行不專設污水處理運行人員的優點，適用于分散式人數較少農村安置點。

表1 常規污水處理工藝主要技術經濟指標

2 溫度對生化處理效果的影響

對于常規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到凈化水質的作用，均屬于生物降解法的范疇。對于生物處理技術來說，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中的重要環境因子。水溫對有機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，內源代謝過程，微生物細胞的增殖［13］，活性污泥的絮狀結構以及沉淀性能以及曝氣池中的充氧效率都有影響［14］。

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

根據生產溫度特性，微生物大致可以分為三類：高溫菌、中溫菌和低溫菌。根據Morita的定義，低溫菌又稱為冷適應微生物，這類微生物可以細分為兩類，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20℃以上的微生物，稱之耐冷菌（Psychrotrophs）［17］。

一般認為，水溫在20℃左右時，中溫菌有較高的活性。因此，常溫下系統有較好的處理效果；當溫度下降到10℃以下時，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的生物酶的催化作用極度下降，中溫菌已經失去了降解有機物的能力，而冷適應微生物由于世代時間較長，并且受自身生理特性和各種生態因子的抑制作用，在數量上不能達到一定的要求，從而導致了生物處理效果的降低［18］。

國內外相關研究表明［19］，當水溫溫度從20℃下降到15℃時，系統對BOD的去除率基本保持在85%以上；當溫度下降到10℃時，BOD去除率有明顯地下降；當溫度持續下降到5℃時，BOD去除率下降到77.8%。這是由于溫度在15℃以上時，中溫菌是系統中的優勢種群，對水中的有機物的降解起主要作用。在常溫下，中溫菌的世代時間較短、生化反應速度以及代謝活性高的特點使得系統可以保持較高的BOD去除率。在溫度從15℃下降到10℃的過程中，中溫菌的優勢種屬數目逐漸減少，菌體的繁殖速度和生理活性迅速下降。當溫度降至10℃以下時，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時的反應速度常數，該公式引出了溫度系數θ，明確地反映了溫度對污水處理的反應速度影響。

以SBR反應器為例，根據文獻［19］報道，傳統SBR系統的溫度系數θ為1.045。取T2為常溫狀態25℃，T1為低溫狀態5℃，θ取1.045，則有：

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

3 升溫保溫措施

目前，高寒高海拔地區農村生活污水處理系統常規的升溫保溫措施主要有大棚保溫和熱水機組升溫兩種。

3.1 大棚保溫

大棚主要由主體結構和覆蓋材料組成，大棚的結構形式決定了其用途，而大棚的覆蓋材料是保溫效果高低的關鍵因素。

3.1.1 大棚結構

大棚的結構形式主要有拱圓形和屋脊形兩種（見圖1）。

圖1 典型大棚結構

由于污水處理設施單體以及整體體積均較大，大棚結構宜采用屋脊形大棚。

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

（5）無紡布：為一種滌綸長絲，不經織紡的布狀物。

（6）遮陽網：一種塑料織絲網。

根據高海拔農村地區的氣候特征，應選用寬幅大、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。為了加強防寒保溫，提高大棚內夜間的溫度，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。一般冬季大棚內日增溫可達3～6℃，陰天或夜間增溫僅1～2℃。春暖時節棚內和露地的溫差逐漸加大，增溫可達6～15℃。外界氣溫升高時，棚內增溫相對加大，最高可達20℃以上。因此大棚內存在高溫及冰凍危害，需進行人工調整，進行全棚通風，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℃，陰天時幾乎與露地相同。

通過保溫及通風降溫可靈活調節和保持棚內氣溫，降低外界溫度變化對棚內系統的影響。但是在高寒地區，要將棚內氣溫保持在15～30℃的微生物最適合生長溫度，還得引入熱水機組進行升溫。

3.2 熱水機組升溫

使用大棚將整個高寒高海拔地區污水處理系統進行全面覆蓋，能有效地調節污水處理設施的水溫，大大提高處理效果。當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運行時，可以考慮采用熱水機組對進水進行升溫。

3.2.1 生化反應適宜溫度及經濟性溫度的確定

國內外相關研究表明［9］，活性污泥最適增殖溫度為20～40℃；低于15℃時，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。

熱水機組升溫的能耗與目標提升溫度成正相關。為了維持微生物的活性，同時兼具節能高效，經濟性最適溫度宜確定在15～20℃。

3.2.2 熱水機組功率的確定

（1）確定污水平均水溫T1，并確定經濟性最適合溫度T2。

（2）確定日進出水水量V。

（3）計算進出水升溫熱量：

（4）系統需求功率計算，COP（Coefficient of Performance）為熱機性能系數：

（5）計算水面散失熱量補充功率，可以按暴露水面面積計算。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組，宜采用3臺以上熱水機組串聯或并聯，且留有1臺機組備用。

根據熱水機組的功率計算，可以參考廠家設備型號進行選型。

3.2.3 熱水機組熱交換方式

熱水機組熱交換方式一般采用熱水管道供熱，將散熱器深入調節池，熱水供應管道與散熱器連接，在調節池實現升溫。

3.3 地覆式保溫

當建設地點冬季溫度長期低于10℃以下時，污水處理可以考慮將設施整體建設至地面以下，相關污水處理設備和管道敷設完畢之后，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施的建設成本，還會加大污水處理設施的運行難度。此外在污水處理設施與市政管網的豎向布置上也會產生銜接問題。

3.4 升溫保溫措施的可行性和推薦技術

3.4.1 升溫保溫措施的可行性

對于高寒高海拔地區，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，大棚保溫技術可行。

對于敷設有市政污水管網，將生活污水集中收集后進行處理，且有穩定充足電源的建設點，熱水機組升溫技術可行。

對于建設地點較為分散，可進行合理豎向布置的污水處理設施，地覆式保溫技術可行。

3.4.2 推薦升溫保溫技術

對于進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），根據其集中建設污水處理設施的工藝特點，推薦采用熱水機組升溫和大棚保溫相結合的升溫保溫技術。

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

4 高寒高海拔污水處理系統運行管理措施

在高寒高海拔地區，生活污水處理設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施的穩定運行，可以在冬季低溫到來前進行提前準備；在進入高寒氣候之后，可以針對性地對污水處理設施進行運行管理。

4.1 冬季運行前的準備工作

在冬季高寒季節到來之前，對高海拔地區污水處理設備進行全面地檢修和維護，包括更換設備潤滑油及注油脂的工作。所有大修項目盡量在10月底冬季到來之前結束。

對廠區下水管線、浮渣井在入冬前作一次徹底地疏通和清理。

對廠區內各種污水、污泥、空氣、投藥管線和閥門應注意防凍，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在管線外纏繞伴溫帶，保證管線內液體不上凍結冰。

4.2 冬季運行要求

冬季運行工藝要求：因環境氣溫低，冬季高寒地區污水水溫一般在10℃左右，在系統運行過程中應根據實際情況適當延長曝氣時間，適當提高污泥濃度，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。

鼓風機進風閥開度要適當控制在低限位，防止氣溫過低，造成電流過大出現過載停機。

格柵柵渣、各處理單元浮渣、脫水污泥應及時清運，防止成塊結冰。

進入冬季以后，所有的污水處理區和污泥處理區必須保持連續運行，進入冬季后各構筑物不允許放空，避免池體出現含水凍融現象。

5 結 論

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

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

（3）高海拔農村地區生活污水處理設施宜采用工程措施以實現升溫保溫，常規的工程措施主要為大棚保溫和配置熱水機組。

（4）高海拔農村地區生活污水處理冬季運行前需進行大量準備工作，在工藝運行上應根據實際情況適當延長曝氣時間，適當提高污泥濃度，增加污泥齡，保證處理效果。