寒冷地区农村居民点生活污水处理系统升温保温技术研究

查 磊

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前 言

随着我国水电开发进程的不断深入，水电工程的建设重心逐步向西部地区推进，尤其是金沙江上游、雅砻江上游和大渡河上游等高寒高海拔地区将成为未来一段时期我国开发水能资源的重要区域。移民安置工程作为水电工程重要的项目组成之一，其配套的生活污水处理设施的稳定运行也将面临高寒高海拔气候特征的考验。

目前，我国对高寒高海拔农村地区生活污水处理技术的基础研究较为薄弱，这与西部农村地区的基础设施建设水平相对落后有关。此外，高海拔地区恶劣的气候条件也为传统的污水处理工艺的推广应用带来了技术上的挑战。因此，为促进水电开发和环境保护的和谐发展，针对高海拔地区水电工程农村移民安置区生活污水处理技术的基础研究十分必要。本文在简要介绍农村地区常规生活污水处理工艺特点的基础上，重点分析了温度对生化处理效果的影响。针对高海拔地区的农村生活污水处理系统，初步探讨了保障运行效果的升温保温方式，提出了冬季污水处理系统的运行管理措施。

1 农村地区常规生活污水处理工艺简介

我国农村地区生活污水一般具有污水量少，产生源分散，水质相对稳定等特点［1-2］。常规的污水处理工艺主要有人工湿地污水处理系统［3-5］、人工快渗处理系统［6-8］和活性污泥法等［9-11］。

1.1 人工快渗

人工快速渗滤系统（constructed rapid filtration system），简称CRI系统。该系统的渗滤池内人工填充掺入一定量特殊填料的天然河砂（天然河砂选用一定的颗粒级配），以保证既有较高的水力负荷，又能满足出水水质的处理目标。根据已有的工程经验，景观水体生活污水水力负荷可达1 m3／（m2·d）以上，出水质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。

系统运行过程中，滤料表面附着生物膜。当污水流过时，首先通过吸附和过滤作用截留污水中的悬浮物和部分溶解性污染物。同时，因滤料表面（特别是渗池上部滤料表面）的生物膜具有较大的比表面积，能够对污水进行快速净化。就氮的去除而言，落干时产生铵化和硝化作用，淹水期产生反硝化作用，氮可通过上述转化过程而被去除。

1.2 人工湿地

人工湿地（Constructed wetland）是为处理污水而人为地、在有一定长宽比和底面坡度的洼地上用土壤和填料（如砾石等）混合组成填料床，使污水在床体的填料缝隙中或表面流动；同时在床体表面种植具有吸附性能好、成活率高、抗水性强、生长周期长、美观且具有经济价值的水生植物（如芦苇、蒲草等），形成一个独特的植物生态体系。

人工湿地去除的污染物范围广泛，主要包括N、P、SS、有机物、微量元素和病原体等。有关研究结果表明，进水BOD浓度在70～150 mg／L的条件下，人工湿地对BOD5的去除率可达85%～95%，COD去除率可达80%以上，处理出水中BOD5的浓度在10 mg／L左右，SS小于20 mg／L。污水中大部分有机物作为微生物的有机养分，最终被转化为微生物体及 CO2、H2O。

1.3 活性污泥法

活性污泥法是在人工充氧条件下，对污水和各种微生物群体进行连续混合培养，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机污染物，然后使污泥与水分离，大部分污泥再回流到曝气池，多余部分则排出活性污泥系统。

活性污泥法及其系列变形工艺，如SBR、CASS，A2／O，氧化沟［12］等，是生活污水处理的主要工艺之一。

1.4 沼气化粪池

农村安置点规模小、数量多且布置分散，如集中处理所需收集污水管道长、投资高，显然不切合当地实际。考虑到高原农村地区生活需水量较少，污水主要为人畜粪便污水，从提高土壤肥力的角度看，耕地对这种污水有很大的灌溉需求，当地又有人畜粪便农田综合利用的传统，因此，农村居民点的污水处理目标为收集后综合利用，处理措施采用沼气化粪池，对于分散安置户的生活污水处理选择该处理工艺切实可行且效果好，并能调动广大农户的积极性。

户用沼气化粪池的工艺特点是发酵原料为人、畜、禽粪便有机废水，采用连续发酵工艺维持比较稳定的发酵条件，使沼气微生物区系稳定，保持逐步完善的原料消化速度，提高原料利用率和沼气池负荷能力，达到较高的产气率；工艺自身耗能少，简单方便、容易操作。各居民点的生活污水经各户沼气化粪池预处理后再汇集至集中水池，尾水用于各居民点的农田灌溉。

1.5 工艺特点

人工快渗、人工湿地、活性污泥法及其变形工艺、户用沼气化粪池是目前农村地区常规的生活污水处理工艺，表1反映了各种处理工艺的主要技术经济指标。从表1可以看出，人工快渗投资指标和占地指标都较低，适用于人数较小的农村安置点；人工湿地占地指标较高，但运行成本较低，适用于建设用地较为富余的农村安置点；活性污泥法随处理量的变化投资指标和占地指标变化都较大，适用于集中安置人口较多的农村安置点；沼气化粪池具有单户建设，简化市政管网，每户居民自行运行不专设污水处理运行人员的优点，适用于分散式人数较少农村安置点。

表1 常规污水处理工艺主要技术经济指标

2 温度对生化处理效果的影响

对于常规的生活污水处理工艺来说，无论是人工湿地、人工快渗，还是活性污泥法及其变形工艺，其核心都是通过微生物的生长和繁育达到净化水质的作用，均属于生物降解法的范畴。对于生物处理技术来说，温度是生物生长和繁育最为重要的生境因子，温度对生化处理效果影响很大。

温度是微生物生命活动中的重要环境因子。水温对有机物降解和污泥增殖的影响研究表明，温度对微生物种群组成，内源代谢过程，微生物细胞的增殖［13］，活性污泥的絮状结构以及沉淀性能以及曝气池中的充氧效率都有影响［14］。

根据文献资料［15］显示：在我国北方地区和西部高海拔高寒地区，冬季寒冷漫长，水温偏低，冬季的平均水温一般不超过10℃。这些地区冬季污水温度在6～10℃左右，少数地区4～6℃左右，只有极冷地区的污水温度在4℃以下。同时，污水温度又与最冷的月平均气温有一定的关系。最冷月平均气温在-25～-15℃左右时，城市污水水温大致在5～8℃；最冷月平均气温在-15～-10℃左右时，城市污水水温大致在8～10℃。寒冷的气候条件导致了污水处理系统中微生物的数量和活性急剧下降，严重影响了污水厂的生物处理效果［16］。

根据生产温度特性，微生物大致可以分为三类：高温菌、中温菌和低温菌。根据Morita的定义，低温菌又称为冷适应微生物，这类微生物可以细分为两类，一类是必须生活在低温条件下，在0℃可以生长繁殖，最适合温度不超过15℃，最高温度不超过20℃的微生物，称之为嗜冷菌（Psychrophiles）；另一类是能在低温条件下生长，在0～5℃可以生长繁殖，最高温度可达20℃以上的微生物，称之耐冷菌（Psychrotrophs）［17］。

一般认为，水温在20℃左右时，中温菌有较高的活性。因此，常温下系统有较好的处理效果；当温度下降到10℃以下时，由于酶蛋白对温度是极为敏感的，起主要降解作用的中温菌体内的生物酶的催化作用极度下降，中温菌已经失去了降解有机物的能力，而冷适应微生物由于世代时间较长，并且受自身生理特性和各种生态因子的抑制作用，在数量上不能达到一定的要求，从而导致了生物处理效果的降低［18］。

国内外相关研究表明［19］，当水温温度从20℃下降到15℃时，系统对BOD的去除率基本保持在85%以上；当温度下降到10℃时，BOD去除率有明显地下降；当温度持续下降到5℃时，BOD去除率下降到77.8%。这是由于温度在15℃以上时，中温菌是系统中的优势种群，对水中的有机物的降解起主要作用。在常温下，中温菌的世代时间较短、生化反应速度以及代谢活性高的特点使得系统可以保持较高的BOD去除率。在温度从15℃下降到10℃的过程中，中温菌的优势种属数目逐渐减少，菌体的繁殖速度和生理活性迅速下降。当温度降至10℃以下时，中温菌基本失去了外源代谢的能力，菌体活性降至最低，具体呈休眠状。

温度对反应速度的影响一般采用菲尔普斯（Phelps）公式表示：

式中，K2、K1是在温度 T2、T1时的反应速度常数，该公式引出了温度系数θ，明确地反映了温度对污水处理的反应速度影响。

以SBR反应器为例，根据文献［19］报道，传统SBR系统的温度系数θ为1.045。取T2为常温状态25℃，T1为低温状态5℃，θ取1.045，则有：

也就是说常温状态25℃时的有机物去除效率为低温状态5℃时的2.41倍。以典型生活污水进水水质为例，BOD值为200 mg／L，常温状态25℃时去除率为90%。根据式（2）计算出比例系数，则低温状态5℃时的去除率仅仅为37.34%。所以在高寒高海拔地区，最冷月平均气温低于-10℃或者污水平均水温低于10℃时，应采用必要的升温保温措施。

3 升温保温措施

目前，高寒高海拔地区农村生活污水处理系统常规的升温保温措施主要有大棚保温和热水机组升温两种。

3.1 大棚保温

大棚主要由主体结构和覆盖材料组成，大棚的结构形式决定了其用途，而大棚的覆盖材料是保温效果高低的关键因素。

3.1.1 大棚结构

大棚的结构形式主要有拱圆形和屋脊形两种（见图1）。

图1 典型大棚结构

由于污水处理设施单体以及整体体积均较大，大棚结构宜采用屋脊形大棚。

3.1.2 覆盖材料

不同的覆盖材料，其保温效果不同，成本不同，使用寿命也不同。大棚覆盖材料主要有以下几种。

（1）普通膜：以聚乙烯或聚氯乙烯为原料，膜厚0.1 mm，无色透明，使用寿命约为半年。

（2）多功能长寿膜：是在聚乙烯吹塑过程中加入适量的防老化料和表面活性剂制成。

（3）草被、草苫：用稻草纺织而成，保温性能好，尤其适用于夜间保温。

（4）聚乙烯高发泡软片：为白色多气泡的塑料软片，宽1 m、厚0.4～0.5 cm，质轻能卷起，保温性与草被相近。

（5）无纺布：为一种涤纶长丝，不经织纺的布状物。

（6）遮阳网：一种塑料织丝网。

根据高海拔农村地区的气候特征，应选用宽幅大、厚度薄、使用寿命长、夜间保温效果好且不易破损的膜材料，所以宜选用多功能长寿膜。为了加强防寒保温，提高大棚内夜间的温度，减少夜间的热辐射，可以采用多层薄膜覆盖。

3.1.3 大棚对温度的影响

保温大棚覆盖薄膜后，大棚内的温度将随着外界气温的升高而升高，随着外界气温下降而下降，并存在明显的季节变化和较大的昼夜温差，越是低温期温差越大。一般冬季大棚内日增温可达3～6℃，阴天或夜间增温仅1～2℃。春暖时节棚内和露地的温差逐渐加大，增温可达6～15℃。外界气温升高时，棚内增温相对加大，最高可达20℃以上。因此大棚内存在高温及冰冻危害，需进行人工调整，进行全棚通风，棚外覆盖草帘或搭成“凉棚”，夏季可比外界气温低1～2℃。冬季夜间最低温度可比外界高1～3℃，阴天时几乎与露地相同。

通过保温及通风降温可灵活调节和保持棚内气温，降低外界温度变化对棚内系统的影响。但是在高寒地区，要将棚内气温保持在15～30℃的微生物最适合生长温度，还得引入热水机组进行升温。

3.2 热水机组升温

使用大棚将整个高寒高海拔地区污水处理系统进行全面覆盖，能有效地调节污水处理设施的水温，大大提高处理效果。当大棚保温措施依然不能保持水温在微生物活性较高的范围内运行时，可以考虑采用热水机组对进水进行升温。

3.2.1 生化反应适宜温度及经济性温度的确定

国内外相关研究表明［9］，活性污泥最适增殖温度为20～40℃；低于15℃时，活性污泥的生长繁殖速度较慢，微生物活性较低，污水处理效果较差。

热水机组升温的能耗与目标提升温度成正相关。为了维持微生物的活性，同时兼具节能高效，经济性最适温度宜确定在15～20℃。

3.2.2 热水机组功率的确定

（1）确定污水平均水温T1，并确定经济性最适合温度T2。

（2）确定日进出水水量V。

（3）计算进出水升温热量：

（4）系统需求功率计算，COP（Coefficient of Performance）为热机性能系数：

（5）计算水面散失热量补充功率，可以按暴露水面面积计算。每平方水面面积保温功率P宜取150～250 W／m2。

（6）确定总功率并选取热水机组，宜采用3台以上热水机组串联或并联，且留有1台机组备用。

根据热水机组的功率计算，可以参考厂家设备型号进行选型。

3.2.3 热水机组热交换方式

热水机组热交换方式一般采用热水管道供热，将散热器深入调节池，热水供应管道与散热器连接，在调节池实现升温。

3.3 地覆式保温

当建设地点冬季温度长期低于10℃以下时，污水处理可以考虑将设施整体建设至地面以下，相关污水处理设备和管道敷设完毕之后，整体回填覆盖。

该种方式在一定程度上可以隔离低温空气对生活污水的降温作用。但此方式会提高污水处理设施的建设成本，还会加大污水处理设施的运行难度。此外在污水处理设施与市政管网的竖向布置上也会产生衔接问题。

3.4 升温保温措施的可行性和推荐技术

3.4.1 升温保温措施的可行性

对于高寒高海拔地区，温度低主要是由于海拔高程造成的。虽然温度较低，但日照依旧较为充分。所以，对于冬季日照充分地区，大棚保温技术可行。

对于敷设有市政污水管网，将生活污水集中收集后进行处理，且有稳定充足电源的建设点，热水机组升温技术可行。

对于建设地点较为分散，可进行合理竖向布置的污水处理设施，地覆式保温技术可行。

3.4.2 推荐升温保温技术

对于进行比选的四种工艺中的前三种（人工快渗、人工湿地、活性污泥法及其变形工艺），根据其集中建设污水处理设施的工艺特点，推荐采用热水机组升温和大棚保温相结合的升温保温技术。

对于进行比选的四种工艺中的第四种（户用沼气化粪池），根据其分散建设，每户单独运行的工艺特点，推荐采用地覆式的升温保温技术。

4 高寒高海拔污水处理系统运行管理措施

在高寒高海拔地区，生活污水处理设施的效率除了可以通过保温升温措施保障处理效果外，也可以通过采取针对性的运行管理措施提高处理效果。

为了保障高寒条件下污水处理设施的稳定运行，可以在冬季低温到来前进行提前准备；在进入高寒气候之后，可以针对性地对污水处理设施进行运行管理。

4.1 冬季运行前的准备工作

在冬季高寒季节到来之前，对高海拔地区污水处理设备进行全面地检修和维护，包括更换设备润滑油及注油脂的工作。所有大修项目尽量在10月底冬季到来之前结束。

对厂区下水管线、浮渣井在入冬前作一次彻底地疏通和清理。

对厂区内各种污水、污泥、空气、投药管线和阀门应注意防冻，对于裸露在室外的管线要缠好保温棉、保温毡，对于一些间歇输送液体的管线应在管线外缠绕伴温带，保证管线内液体不上冻结冰。

4.2 冬季运行要求

冬季运行工艺要求：因环境气温低，冬季高寒地区污水水温一般在10℃左右，在系统运行过程中应根据实际情况适当延长曝气时间，适当提高污泥浓度，增加污泥龄，保证处理效果。一般情况下，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。

鼓风机进风阀开度要适当控制在低限位，防止气温过低，造成电流过大出现过载停机。

格栅栅渣、各处理单元浮渣、脱水污泥应及时清运，防止成块结冰。

进入冬季以后，所有的污水处理区和污泥处理区必须保持连续运行，进入冬季后各构筑物不允许放空，避免池体出现含水冻融现象。

5 结 论

（1）高海拔农村地区生活污水常规处理工艺主要为人工湿地污水处理系统、人工快渗处理系统和活性污泥法三种。相对而言，人工湿地建设成本最低，人工快渗运行成本最低，活性污泥法及其变形工艺在占地方面具有优势。

（2）通过动力学计算，在高寒高海拔地区，最冷月平均气温低于-10℃或者污水平均水温低于10℃时，微生物活性降低，出水水质恶化，有必要采取升温保温措施。

（3）高海拔农村地区生活污水处理设施宜采用工程措施以实现升温保温，常规的工程措施主要为大棚保温和配置热水机组。

（4）高海拔农村地区生活污水处理冬季运行前需进行大量准备工作，在工艺运行上应根据实际情况适当延长曝气时间，适当提高污泥浓度，增加污泥龄，保证处理效果。