分散式農村生活污水處理工程實踐

徐玉璐, 周 凱, 吳為旭

(安徽舜禹水務股份有限公司, 安徽 合肥 231131)

我國農村生活污水主要來源為廚房污水、洗滌污水和沖廁水,污水量一天中波動較大,春夏季節雨水多,農村生活污水中BOD5、COD、總磷、總氮、氨氮等污染物濃度較低,而秋冬季節雨水少,污染物含量相對偏高。 農村生活污水的處理方法主要有生態處理法(人工濕地、生態濾池、生態塘、土壤滲濾)、生物法(活性污泥法、生物膜法)和一體化污水處理裝置(凈化槽、MBR 膜生物反應器),不同工藝技術在不同農村地區污水處理均有應用與實踐。 呼永鋒[1]將AO+MBR 工藝用于分散式農村污水處理,對水中主要污染物去除效果明顯,可用于出水水質要求高或有回用需求的地區。 周凱[2]的研究表明人工濕地對農村污水中氮、磷的去除效果顯著。 郭壹[3]采用AO+石英砂濾池的工藝處理農村生活污水,出水COD、氨氮、總氮和總磷可達到GB 18918—2002 的一級B 標準。

農村污水處理技術不能照搬城市污水處理廠,要結合實際情況,差異化定制[4]。 針對小型污水處理場站水量小,點位分散,波動大的特點,采用智慧化運維方式,可大幅提高運維及管理效率[5-6]。 安徽省某農村地區污水處理站點,設計總規模為50 m3/d,主要處理該區域內村民生活污水,污水站主要采用生物處理+生態強化的技術路線。

1 生物+生態工藝技術研究

1.1 設計進出水水質

場站進水為當地居民生活污水,設計出水達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A 標準,場站設計進出水水質見表1。

表1 場站設計進出水水質Tab.1 Station design inlet and outlet water quality

1.2 工藝技術

場站采用“生物處理+生態強化”,污水處理工藝為格柵調節池+一體化污水處理設備(改良型AAO)+人工濕地+紫外消毒渠及出水井,污泥處理工藝為將污泥自然風干后用于園林綠化或土壤改良。 具體工藝流程見圖1。

圖1 污水處理站工藝流程Fig.1 Process flow of sewage treatment station

生活污水經管道匯至格柵渠,去除較大顆粒性雜物及漂浮物,隨后污水進入調節池,調節污水水質、水量,調節池污水提升至一體化污水處理設備進行生化反應及物理過濾,實現有機物、懸浮物、N、P等污染物去除,出水進入人工濕地進一步生態強化處理,濕地出水進入紫外消毒渠消毒后排放至附近水體或管網。 場站產生的污泥經污泥干化池自然風干后可用于園林綠化或土壤改良。

1.3 主要設計參數

1.3.1 格柵調節池

格柵是用來去除可能堵塞水泵機組及管道閥門的較粗大懸浮物,并保證后續處理設施能正常運行。設計采用不銹鋼格柵網,柵條間隙8 mm。

污水生物處理對水質、水量和沖擊負荷較為敏感,需設計適當尺寸的調節池。 格柵渠與調節池合建,采用地下式鋼筋混凝土結構,尺寸4.6 m×2.6 m×4.5 m,有效水深3 m,停留時間12.6 h。

1.3.2 一體化污水處理設備

一體化污水處理設備采用模塊化結構,智能化控制程度高,可根據來水量及工程現場條件“量身定做”,功能包括多重高效生物凈化池、高效沉淀池、氣動循環區、排空排泥裝置等,可應用高效復合生物菌群去除COD、N、P 等污染物,并利用富余的氣體實現硝化液回流,設備工藝流程見圖2。

圖2 一體化污水處理設備工藝流程Fig.2 Integrated wastewater treatment equipment process flow

該系統本身含設備間,配備完整自控系統、加藥系統等,無需其他輔助用房,可最大限度減少土建設施。 設備生化區采用接觸氧化法,容積負荷高、耐負荷沖擊能力強,同時強化了有限池容及低溫季節的硝化能力。 生化區投加彈性填料,前置缺氧區、前置好氧區、后置缺氧區、后置好氧區設有曝氣裝置,采用管式曝氣。 一體化污水處理設備采用地上設施,具體參數見表2。

表2 一體化設備設計參數Tab.2 Integrated equipment design parameters

本工程采用的一體化設備主要特點有：

① 穩定高效：系統采用的工藝是在傳統AAO基礎上,增加后置缺氧和后置好氧區,形成了AAOAO 的工藝技術,強化脫氮的同時,大大提高了系統的抗沖擊能力和運行穩定性。

② 多模式運行：前置缺氧區、前置好氧區、后置缺氧區、后置好氧區均設有曝氣裝置,可根據實際需求,調整曝氣閥門,實現多模式、多工藝運行,工藝調整靈活。 例如,在初期調試階段,可以全曝氣模式,在后期可根據實際進水水質情況,對工藝進行調整,如AO、AAO、AOAO 等。

③ 經濟節能：模塊化污水處理系統內只配有電磁曝氣設備,即可實現所有動能的供給。 充分利用風機供氧時產生的富余氣體,通過氣提回流裝置可實現硝化液回流,減少了整套系統對機械設備的過度依賴,運行經濟節能。

④ 模塊化設計：系統采用模塊化方式,復制性強,可根據不同的進水水質及出水要求,填充不同工藝模塊。

⑤ 智能裝配：將設備間內置在系統內,通過智能化裝配,實現系統一鍵式的聯動,設備操作簡便。

⑥ 水質提升便捷：系統預留空白模塊,如有水質提升需求,可直接在設備內增設深度提升模塊,相較于混凝土池體,避免重復投資,也可大大縮短施工周期。

1.3.3 人工濕地

人工濕地對有機物、N、P、懸浮物均有一定去除效果。 按照污水流動方式,人工濕地分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。三種濕地對污染物的去除效果見表3。 從上表可以看出,垂直潛流人工濕地對污染物的去除效率最好,因此本工程采用垂直潛流人工濕地。

表3 人工濕地系統對污染物去除效率Tab.3 Efficiency of pollutant removal in constructed wetland systems

本方案選用不同粒徑的礫石作為人工濕地的填料,填料共分為兩層,下層為粒徑50～80 mm 的級配礫石,厚度為0.35 m,上層為粒徑30 ～60 mm 的級配礫石,厚度為0.35 m。 為防止濾料堵塞,濕地內設置排泥清淤通道、復氧通道及沖洗通道,根據濕地運行情況定期對濕地進行沖洗。 本工程選擇去污能力強、適應性強、經濟和觀賞性好,適應本地區氣候條件的香蒲、黃菖蒲、美人蕉、金錢草等植物,同時根據植物生長情況定期修整,保證濕地的整體運行效果。人工濕地采用半地下式鋼砼結構,尺寸為9.9 m×6.6 m×1.2 m,有效水深0.9 m,停留時間24.6 h。

1.3.4 紫外消毒渠及出水井

本工程中紫外消毒渠與出水井合建,出水井可用于污水排放、收集取樣檢測以及方便運維人員的定期檢查、清理雜物和后期養護。 紫外消毒渠及出水井采用半地下式磚砌結構,總尺寸為4.26 m×1.48 m×1 m。

1.3.5 污泥干化池

一體化污水處理設備采用的工藝屬生物膜法范疇的具有高效生物脫氮除磷的(改良型AAO)工藝,該工藝污泥產生量小,根據實際處理水量、水質等情況進行定期排泥,同時污泥性質較為穩定,可不進行消化。 本工程采用污泥干化池進行污泥干化處理,污泥干化池中上部填充砂石濾料,泥水混合液經過該濾層后,上層污泥經自然風干后可用于園林綠化或土壤改良,過濾后的池內上清液回流至調節池繼續進行污水處理。 污泥干化處置方式流程簡單、投資低、后期管理方便,更適合分散型農村污水處理工程中的污泥處置。

污泥干化池采用半地下式鋼砼結構,尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m。 干化池采用上中下三層結構設計,下層為濾液層,高度為0.5 m,中層為濾料層,濾料層分兩層設計,濾料層下層為粒徑30 ～50 mm的鵝卵石,厚度為0.5 m,上層為粒徑5 ～10 mm 的砂石層,厚度為0.2 m,上層為污泥干化層,高度為0.3 m。 設備排出的污泥含水率約99.2%,污泥產量約0.53 m3/d,干化后的污泥含水量約80%,污泥產量約0.021 m3/d。 根據污泥干化池過濾、干化情況,運維人員定期進行清除、翻整,保證干化池的過濾干化效果。

1.4 運維方式

為杜絕“曬太陽”工程的出現,農村污水處理場站的運維需遵循三分建、七分管的原則。 本工程改變以往區縣主管部門監管、專業運維團隊運管的兩點式模式,結合《合肥市農村生活污水治理設施運行維護管理辦法(試行)》,提出“四管一體”模式,即區縣政府“監管”、鄉鎮政府“主管”、村級組織“協管”、專業運維單位“專管”,村民作為最終的受益主體。 此模式充分發揮各級組織能動性,實現上下聯動,有效保障農村污水項目的順暢實施。 其中,設置“村級協管員”是其中非常重要的環節,也是對農村污水處理項目運維管理模式的積極探索和實踐。

農村污水處理場站點多面廣,同時存在交通不便、專業人員緊缺、運維成本高等問題,本工程采用智慧化運營管理結合人工巡檢的方式,采用“線上+線下”雙管齊下的運營方式,保障污水處理場站的長效穩定運行。 智慧運維管理平臺依托云計算、大數據、移動互聯網、物聯網,深度結合AI、GIS、AR/VR 等技術,實現全員軌跡安全跟蹤,全程設備智能控制,全面資源統籌調度,全方位安防保障的“四全”體系,同時采用多方式、多級別智能通知,達到問題發現及時、跟進及時、解決及時的“三及時”效果。 系統通過三維仿真、圖形曲線、多維數表等直觀數據表達方式,讓管理人員足不出戶掌控污水處理場站的運行情況,為管理決策提供科學依據。 運行維護便捷化、無人化、透明化,有效降低運營成本,減輕工作負荷,減少人員數量,提升管理水平。 智慧運維平臺可實現的主要功能有遠程監視、遠程控制、掌上巡檢、故障報警、統計報表、人車軌跡等。

2 運行結果及討論

該座污水處理場站自2020 年5 月進入運維期以來,運行狀態良好,場站進出水水質指標見表4。生物處理+生態強化污水處理場站對污水中CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP、SS 等污染物具有較好地去除效果,去除率分別為83.5%、95%、83.3%、54.6%、80.2%、96.4%。 場站出水水質有波動,但整體運行效果較為穩定,出水可達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A 標準。

表4 場站進出水水質Tab.4 Water quality of station inlet and outlet

3 工程效益分析

3.1 經濟效益

污水處理系統充分利用曝氣泵供氧時產生的富余氣體,通過氣提回流裝置實現硝化液回流,系統經濟節能,按照當地電價0.7 元/kWh,折合噸水處理費用僅為0.33 元。 同時,場站出水可用于綠化、灌溉,場站產生的少量污泥可用于園林綠化或土壤改良,響應國家政策,充分進行資源化利用,具有良好的經濟效益。

3.2 環境效益

污水處理工程建成后,將大大降低農村污水對環境的污染,明顯改善水質感官效果,每年消減COD 3.02 t、BOD52.37 t、NH3-N 0.25 t、TN 0.25 t、TP 0.03 t、SS 2.96 t,環境效益明顯。

3.3 社會效益

污水處理工程建成運行后,有利于改善水體的環境質量,減小對周邊地區居民的影響,提高居民的健康水平。

4 結論

① 針對農村分散式污水處理,運用生物處理+生態強化的技術路線,采用一體化污水處理場站+人工濕地的建設形式,對污水中的污染物質具有良好去除效果。 出水可穩定達到GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》的一級A 標準。

② 針對農村污水處理場站運維管理,改變以往“兩點式”管理模式,提出“四管一體”的管理方式,同時針對農村污水站點多面廣的特點,建設智慧化運維平臺,采用線上智慧運維+線下人工巡檢的方式,可實現區域內污水設施的遠程管理,解決了設施管理需求不斷增長和管理資源有限之間的矛盾,同時保障污水處理設施長久穩定運行。

③ 本工程工藝技術與運維管理方式可為分散式污水處理提供參考,尤其適用于管網難以鋪設的高速公路、美麗鄉村、居民小區、旅游風景區、農家樂、別墅小區等的污水處理及中水回用工程,場站建成運行后產生的經濟效益、環境效益和社會效益顯著。