西北某農(nóng)村生活污水處理工藝設(shè)計(jì)分析

宋承明，王晨雯

(1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院<集團(tuán)>有限公司，上海 200092；2.甘肅省綠洲資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000；3.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州 730000)

隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，居民生活水平不斷提高，農(nóng)村污水量也日益增加。然而，西北農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施不完善，污水處理系統(tǒng)匱乏，導(dǎo)致大量污水難以得到有效處置，農(nóng)村水環(huán)境急劇惡化，嚴(yán)重威脅水源地水質(zhì)和村民身體健康[1-3]。十八大以來，我國將加強(qiáng)農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、改善農(nóng)村人居環(huán)境作為重要任務(wù)，把“鄉(xiāng)村振興”提升到國家戰(zhàn)略高度。農(nóng)村污水治理問題作為加快“美麗鄉(xiāng)村建設(shè)”的重要環(huán)節(jié)，已成為當(dāng)前環(huán)境污染治理工作亟待推進(jìn)的重點(diǎn)[3-6]。

近年來，我國農(nóng)村生活污水處理率逐年上升[6]，主要污水治理方式分為生物處理和生態(tài)處理兩種。常見生物處理技術(shù)[3-6]有AO法、AO+膜生物反應(yīng)器(MBR)、曝氣生物濾池、厭氧生物濾池和厭氧沼氣等；生態(tài)處理技術(shù)[3-4,7-9]包括人工濕地、穩(wěn)定塘、蚯蚓生態(tài)濾池和土地滲濾等方式。同時(shí)，農(nóng)村污水處理應(yīng)因地制宜，盡可能采用簡單實(shí)用、投資少、效率高、易維護(hù)、無二次污染的處理工藝。因此，本文根據(jù)西北某村污水特點(diǎn)，通過對比分析確定了AO+MBR工藝，建立了一套適合農(nóng)村污水處理的智能一體化污水凈化系統(tǒng)，運(yùn)行后效果良好，對西北農(nóng)村污水處理具有一定借鑒意義。

1 污水現(xiàn)狀分析

西北某農(nóng)村污水主要來自村民家中的廚房污水、洗衣廢水等生活污水和家庭式畜禽養(yǎng)殖廢水，水中N、P含量高，重金屬和有毒有害物質(zhì)含量極少。然而，由于缺乏污水收集管道和處理設(shè)施，污水只能沿道路、水溝直接排放至附近河流，鎮(zhèn)區(qū)污水橫溢，夏季蚊蟲滋生、臭味彌漫，大大影響鄉(xiāng)村環(huán)境和周邊人民群眾正常的生產(chǎn)生活。

污水中污染物(如N、P、病菌等)隨地表徑流輸移，嚴(yán)重威脅地下水水質(zhì)，同時(shí)影響當(dāng)?shù)睾恿骱退吹厮|(zhì)，從而誘發(fā)全流域水環(huán)境生態(tài)危機(jī)[3,6-7]。該村地處西北干旱內(nèi)陸，地表水和地下水作為該地區(qū)有限的可利用水資源，對今后的可持續(xù)發(fā)展起著決定作用，堅(jiān)決不容污染。因此，從保護(hù)水資源、減少地下水污染和建設(shè)和諧社會等多角度出發(fā)，該村污水處理勢在必行。

2 水質(zhì)和水量分析

污水水質(zhì)和水量決定污水處理站的處理工藝和負(fù)荷，是污水處理站設(shè)計(jì)最重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。然而，本項(xiàng)目無水質(zhì)監(jiān)測報(bào)告，用戶單一，污水全部為社區(qū)生活污水，因此，只能參考相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及同類污水處理站參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.1 水質(zhì)分析

本項(xiàng)目通過對比參考以往工程經(jīng)驗(yàn)、給排水手冊和周邊地區(qū)已建污水處理廠站的實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)情況，預(yù)測污水處理站的進(jìn)水水質(zhì)。其中，給排水手冊典型生活污水的水質(zhì)分為高、中、低3種，主要污染物指標(biāo)如表1所示。

表1 典型生活污水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Water Quality Indices of Typical Domestic Sewage

由于地域、氣候和生活習(xí)俗等因素類似，我國西北城鎮(zhèn)污水處理廠的水質(zhì)參數(shù)更有參考意義，同時(shí)考慮周邊污水處理廠進(jìn)水水質(zhì)，周邊部分城市污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)如表2所示。

表2 西北部分城市污水處理廠設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)Tab.2 Designed Influent Quality of Some WWTPs in Northwest China

綜合比較上述參數(shù)，同時(shí)結(jié)合該地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平現(xiàn)狀，污水處理站處理負(fù)荷能力設(shè)計(jì)時(shí)留有適當(dāng)余地，確定該農(nóng)村生活污水處理站設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)如表3所示。

2.2 水量分析

常用的污水量預(yù)測方法包括數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法、建設(shè)用地分類用水指標(biāo)法和城市單位人口及建設(shè)用地綜合排水量指標(biāo)法。本項(xiàng)目由于服務(wù)區(qū)域較小，采用單位人口綜合用水量指標(biāo)法對項(xiàng)目區(qū)用水量進(jìn)行預(yù)測，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行修正。根據(jù)《室外給水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50013—2018)要求，并結(jié)合《西北地區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)指南》的農(nóng)村人均排水量、當(dāng)?shù)刈詠硭盟亢硕ǘ~及該地區(qū)農(nóng)村生活習(xí)慣，確定本項(xiàng)目社區(qū)人均生活污水排放量按60 L/d計(jì)算，普通學(xué)校人均用水標(biāo)準(zhǔn)為30 L/d，政府等機(jī)關(guān)單位人均用水標(biāo)準(zhǔn)為60 L/d，排水量按用水量的80%計(jì)算。

表3 設(shè)計(jì)污水進(jìn)水水質(zhì)Tab.3 Designed Influent Water Quality

通過調(diào)查該村居民的生活習(xí)慣和生產(chǎn)周期，發(fā)現(xiàn)該村人口中年輕人夏、秋季大多外出打工。同時(shí)，該村生活污水排放量呈季節(jié)性變化，即冬、春季相比夏、秋季人均污水排放量大大降低。經(jīng)過綜合分析，該村夏、秋季居住人口較少，人均污水排放量較高；冬、春季居住人口較高，人均污水排放量較少。根據(jù)計(jì)算，冬、春季污水排放量大于夏、秋季污水排放量，所以本項(xiàng)目設(shè)計(jì)污水排放量按預(yù)測污水排放量的90%計(jì)算，最終確定該村污水量如表4所示。

表4 項(xiàng)目區(qū)人口統(tǒng)計(jì)及污水量預(yù)測Tab.4 Demography and Wastewater Quantity Forecast in the Project Area

3 污水處理工藝比選分析

3.1 出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

污水處理站出水水質(zhì)的確定取決于污水處理站處理后出水的最終出路、收納水體自凈功能及國家頒布的不同水域的污水排放標(biāo)準(zhǔn)。本項(xiàng)目出水均用于綠化、灑水降塵等生態(tài)用水，應(yīng)充分考慮提高出水水質(zhì)，防止儲存水質(zhì)惡化和對地下水的污染，根據(jù)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)，當(dāng)出水用作城鎮(zhèn)景觀用水和一般回用水時(shí)執(zhí)行一級A標(biāo)準(zhǔn)，具體出水水質(zhì)指標(biāo)如表5所示。

表5 本項(xiàng)目設(shè)計(jì)出水水質(zhì)Tab.5 Designed Effluent Quality in the Project

根據(jù)中水的回用用途，中水回用的水質(zhì)執(zhí)行《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)》(GB/T 18920—2020)，相應(yīng)的回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為BOD5≤20 mg/L、SS≤20 mg/L、氨氮≤10 mg/L、PH值=6～9。污水處理站出水均能滿足中水回用的要求，所以中水回用前不另設(shè)處理設(shè)備。

3.2 污水處理工藝比選

與城市污水相比，農(nóng)村生活污水水量小、波動大且分散度高。再者，不同地區(qū)鄉(xiāng)村污水的排放特征相差較大，排放標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。因此，農(nóng)村污水處理工藝應(yīng)根據(jù)其污水的特點(diǎn)和自身?xiàng)l件決定[3,8-10]，工藝選擇應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：(1)污水變化系數(shù)大，需要抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；(2)應(yīng)選一次投資低、運(yùn)行費(fèi)用少的處理工藝，降低經(jīng)濟(jì)成本；(3)產(chǎn)泥量要低，降低污泥處理費(fèi)用；(4)要操作簡單、維護(hù)管理方便。根據(jù)以上特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外工程實(shí)例，選取以下3種工藝路線進(jìn)行比選(表6)。

由表6可知，方案一占地面積較少、工藝流程較短、土建費(fèi)用較低、運(yùn)行穩(wěn)定、出水可靠、自動化程度高，但設(shè)備投資較高；方案二占地面積較小、土建費(fèi)用較低，但總投資和運(yùn)行費(fèi)用較高、運(yùn)行管理復(fù)雜；方案三工程投資及運(yùn)行費(fèi)用較省，但工藝流程較長、運(yùn)行管理較復(fù)雜。本工程污水處理工藝路線要求出水穩(wěn)定、運(yùn)行管理簡單，因此，最終采用方案一處理工藝。

表6 污水處理工藝方案比選Tab.6 Schemes Comparison of Sewage Treatment Processes

3.3 處理工藝論證

近年來，農(nóng)村水源地水體富營養(yǎng)化加劇，對污水N、P等指標(biāo)的控制尤顯重要，脫氮除磷效果已成為確定污水處理工藝的重要指標(biāo)。本項(xiàng)目對“AO生物處理+MBR”工藝和“AO生物處理+曝氣生物濾池+CMF膜過濾”工藝進(jìn)行比選。由于工藝方案的不同，其機(jī)械設(shè)備、電氣設(shè)備和自控系統(tǒng)的配套不盡相同，總體歸納兩種工藝的技術(shù)特性如表7所示。

表7 兩種工藝的技術(shù)性能比較Tab.7 Technical Performance Comparison of Two Processes

綜上所述，本工程根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)和回用要求，最終采用AO+MBR工藝。

3.4 一體化污水處理系統(tǒng)

本項(xiàng)目污水處理工藝主要采用一套處理能力為150 m3/d的智能一體化污水處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了生物技術(shù)與膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，采用APP智能遠(yuǎn)程控制，無需人工值守，同時(shí)具有設(shè)備集成化、結(jié)構(gòu)模塊化、運(yùn)輸方便、安裝便捷等特點(diǎn)，能夠適用于各種中、小規(guī)模的分散性生活污水和與之類似的工業(yè)有機(jī)廢水處理。通過污水管道收集的污水首先通過格柵攔截進(jìn)行預(yù)處理，目的是初步降低無機(jī)顆粒物質(zhì)的含量，提高污水的同一性和可生化性；接著進(jìn)入調(diào)節(jié)池進(jìn)行水質(zhì)水量的調(diào)節(jié)，經(jīng)調(diào)節(jié)后的污水進(jìn)入智能一體化污水凈化系統(tǒng)，依次通過集成化的缺氧池、好氧池及膜池后直接出水。具體工藝流程及一體化智能系統(tǒng)如圖1～圖2所示。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Flow Chart of Watewater Treatment Process

圖2 一體化污水凈化系統(tǒng)模塊單元Fig.2 Module Units of Integrated Watewater Purification System

4 運(yùn)行效果

該項(xiàng)目現(xiàn)已建成通水，經(jīng)監(jiān)測，運(yùn)行期間各項(xiàng)進(jìn)出水水質(zhì)如表8所示。各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)能夠滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，并具備很好的脫氮除磷能力。然而，由于本次設(shè)計(jì)未考慮除油措施，污水中的油脂易吸附在MBR膜片上，可能導(dǎo)致膜堵塞，降低膜使用壽命。

智能一體化污水處理系統(tǒng)機(jī)械化、自動化程度高，每3～5座污水處理站配備1名管理人員，定期進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)分析和污泥清理等工作，即可滿足正常運(yùn)行。該系統(tǒng)運(yùn)行管理簡單、操作方便、自動化程度高，同時(shí)可以美化鄉(xiāng)村環(huán)境，為當(dāng)?shù)鼐用裉峁┝己玫纳瞽h(huán)境。

5 結(jié)語

(1)農(nóng)村污水水質(zhì)水量波動較大，居住人口分散，需選擇抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)的處理工藝，并且宜采用小規(guī)模一體化污水處理系統(tǒng)。

表8 污水處理系統(tǒng)實(shí)測進(jìn)出水水質(zhì)Tab.8 Actual Influent and Effluent Quality of WWTP

(2)綜合考慮經(jīng)濟(jì)水平、操作運(yùn)維和村容村貌等因素，該村采用“AO+MBR”工藝智能一體化污水處理工藝是可行的。

(3)工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮增加除油設(shè)施，避免造成MBR膜堵塞。

(4)該一體化污水處理工藝處理農(nóng)村污水出水水質(zhì)能穩(wěn)定達(dá)到一級A標(biāo)準(zhǔn)，對西北地區(qū)農(nóng)村生活污水處理具有一定借鑒意義。