农村生活污水低耗资源化处理工艺应用

程方奎 巩子傲 汪思宇 温仓祥 吕锡武

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)(无锡太湖水环境工程研究中心, 无锡 214135)

农村生活污水处理率低[1],主要受限于其产生和排放的基本特性,具体体现在水量小[2]、波动大[3]、污染物构成简单[4]、污水来源多[5]、负荷分布不均[6-7]、收集设施不健全[8].农村生活污水产生的上述特点决定了其治理不能复制城市污水的管理模式和处理工艺.从生活污水处理技术发展来看,处理工艺的选择不应仅满足于出水水质的达标排放要求[9],还应结合农村生活污水产生和排放的特点,有针对性地选择收集模式和适宜处理工艺.

传统生活污水收集和处理模式为入户管网统一收集和管网末端集中处理.近年来,基于源头分类收集和初级处理的国内外研究逐渐增多,基于灰水回用的要求提出了灰黑分离的模式,并在城市建筑中被尝试应用[10],但由于城市建筑密度大、土地资源不充裕,分类收集系统和初级处理设施的建设不便而难以推广.污水源头分类收集与初级处理研究结果显示,黑水单独处理可获得更高的处理效率[11],灰水具有较高水资源再利用潜能[12].在农村生活污水治理中,关于灰黑分离初级处理和收集模式的研究和应用报道较少.在我国农村地区住宅密度低,户用化粪池普及率高,可为灰黑分离初级处理与收集模式在农村地区的研究与应用提供条件.

农村生活污水处理设施大多来自直接小型化的城市生活污水处理工程,采用生物脱氮和化学除磷.国外,日本农村生活污水处理最常采用的是净化槽.但日本污水排放控制指标较少,仅有BOD5考核,无氮磷控制指标,容易实现达标排放.澳大利亚等人口密度小、土地资源丰富的国家,一般采用大面积土地处理的生态处理技术.在国内,从较低的处理率可以看出,农村生活污水治理仍处于起步阶段.在太湖流域农村生活污水PPP项目中应用较为典型的技术是MBR技术,考虑除磷达标,需要增加物化处理设备和药剂.农村聚落规模小、水量小,一体化生化处理设备需要集成度高,能耗高和运行维护投入大,性价比低,且产生除磷污泥等副产物.分散的设备处理产生的少量副产物,收集处置困难.农村生活污水单一的生态处理技术中人工湿地[13]及稳定塘[14]均有应用,但这些仍有一定的局限性[15].例如生态工程技术具有占地面积大、受气候影响大、处理稳定性差等缺点.单独的生物处理或生态处理在分散的小规模农村生活污水处理中难以实现低耗高效的应用[16].

通过充分考虑城市和农村的生活污水排水特点和收集条件的不同,课题组前期研究提出了新的村落生活污水收集及处理的理念、原则和模式.本文根据污染净化型农业模式的污水处理新理念,确定生物单元重点处理有机污染物,生态单元资源化利用氮磷营养物的功能定位.提出了灰黑分离初级处理与收集(SSPC)模式,设计并建成采用厌氧滤池(AF)-缺氧滤池(ANF)-水车驱动生物转盘(WDRBC)-蔬菜人工湿地(VCW)工艺的处理工程.通过长期监测该工程沿程水质变化,研究了工艺的应用效果及稳定性.

1 农村生活污水组合处理系统

1.1 系统应用背景

农村地区自然环境和经济水平差异较大,生活污水的收集和处理模式应该因地制宜,本文研究提出了2种收集和处理模式:① 村落的地表径流拦截与处理模式.干旱少雨住户分散且无排水管网的农村地区农户多以无组织形式就近泼洒排放,污水自然下渗干化,不下雨时不形成污水径流,污染物滞留地表,降水时随村落地表径流迁移.在不设排污管网条件下,通过拦截技术,收集村落降雨初期径流,进行生态净化与资源化,是适应少雨农村地区低成本村落生活污水拦截与处理模式.② 基于灰黑分离的村落生活污水初级处理与收集模式.从单户层面进行生活污水源头分离,黑水(冲厕水)与灰水(其他杂用水)区别化初级处理后再进行汇合处理,显著减小后续污水处理污染负荷进而减少处理时间和减小设施体积,达到降低建设和运行成本,是环境要求较高农村地区适应性较好的污水收集与处理新模式,见图1.

图1 农村村落生活污水灰黑分离初级处理与收集模式

工程应用区域降水较多,地下水水位较高,地表水体较多,容易形成富营养化和黑臭问题,位于太湖保护区内,属水环境较为敏感地区.农村生活污水处理要求较高,适宜采用基于灰黑分离的村落生活污水初级处理与收集模式.灰黑分离初级处理的模式设想早期在城市生活污水处理研究中就有提出,但是城市多层住宅小区不具备采用该模式的现实条件,尤其是分类收集管道和户用初级处理设施建设与住宅楼集约化的矛盾.然而在农村地区,村落住宅的布局特点使得灰黑分离模式具有实施的条件.因此,本研究重点阐述了灰黑分离初级处理与收集模式下的典型村落生活污水低耗资源化处理工程设计思路与应用效果.

1.2 低耗资源化的组合处理系统

基于上述村落生活污水收集和处理模式,在村落污水收集管网前端,出户污水采用灰黑分离初级处理与收集(source separation pretreatment and collection,SSPC);在管网末端采用厌氧滤池(anarobic filter,AF)、缺氧滤池(anoxic filter,ANF )、水车驱动生物转盘( waterwheel driving rotating biological contactors,WDRBC)、蔬菜人工湿地(vegetable constructed wetland,VCW)组成的生物生态组合处理系统,工艺流程见图2.

图2 村落生活污水生物生态组合处理工艺流程

2 SSPC-AF-ANF-WDRBC-VCW系统设计与应用

2.1 应用地点概况

工程应用于江苏省常州市武进区雪堰镇新康村鱼池上自然村(119.996 38°E,31.541 52°N),位于太湖西北部太滆运河支浜小桥浜西岸,属平原河网地区,处亚热带季风气候,年平均气温约为16 ℃,全年无霜期约250 d,年降水总量约1 086 mm,年日照总时长2 035 h左右.行政村范围内农业种植经济作物有蔬菜、水果和粮食作物,养殖类有虾蟹鱼鳖鸭,并与水稻共作.区域发达的农业经济为农村生活污水处理与农业结合提供了可行性研究的配套产业环境.该区域自然和社会经济环境均显示适合采用生物生态组合的工艺系统处理村落生活污水.

2.2 工程系统构成

2.2.1 工艺流程与原理

如图1所示,农村家庭污水从产生处进行灰黑分离.黑水(冲厕水)进入收集管网前先进入户用化粪池,由于黑水水量小且浓度高,在较小容积的化粪池中即可具有较长的停留时间,厌氧处理效率可大大提高[17].黑水前期处理以较小的投资获得较高的污染物削减,减轻管网末端处理设施的有机负荷.灰水(盥洗和洗涤等污水)污染物浓度低,可直接进入管网到达末端处理系统,系统布置见图3.经过初级处理后,到达末端污水处理设施的有机负荷可有效降低.在不考虑脱氮除磷的前提下(氮磷作为后续生态单元营养盐),生物处理单元仅设计重点去除部分有机物,其结构将被大大简化.AF、ANF中填充高效生物填料[18],WDRBC[19]单元采用以多级跌水曝气和生物转盘复氧方式替代传统鼓风曝气设备,实现好氧处理,水车驱动代替其他动力设备,系统运转只需要水泵提升和重力跌水驱动,实现节能和工艺简化;VCW生态单元种植前期研究遴选出的具有较高氮磷吸收能力和适宜在人工湿地环境中种植的蔬菜[20]、花卉、禾草等经济型作物.VCW分为前后2段:前段无基质填充,构成水生蔬菜滤床;后段为有基质的水平潜流湿地,湿地基质采用经过试验遴选出的有较强氮磷固持能力的廉价易得材料,VCW采用可调高度的出水设计,调整湿地内浸润线高度,充分考虑湿地经济作物生长需要.

图3 AF-ANF-WDRBC-VCW系统布置(单位:m)

2.2.2 设计背景参数

本工程按照最新颁布的《江苏省村庄生活污水治理水污染物排放标准》(DB32/T 3462—2018)要求设计,设计参数见表1.

表1 工程设计和运行参数

2.2.3 工程设计与建设

1) 污水收集管网布置.村落SSPC管网及末端处理设施布置见图4.根据鱼池上自然村的地势及房屋分布情况,设置4条支管和1条干管收集村落污水.干管采用直径为300 mm的UPVC双壁波纹管,最大输送距离为150 m,坡度为0.5%,最大埋深为1.5 m.为了实现灰黑分离初级处理与收集模式,收集管网铺设时同步改造出户管(管径为110 mm),将家庭黑水单独接入化粪池后再接入收集支管,灰水直接接入收集支管,支管污水汇入干管,按室外排水设计规范设置检查井,并最终进入管网末端的生物生态组合处理系统.考虑污水处理设施环境影响,结合当地风玫瑰图,布置于村落东北角.

图4 生活污水SSPC管网及末端处理设施布置

2) 格栅.采用宽1.0 m、长1.2 m、深2.5 m的格栅,进水深1.5 m,出水深1.5 m.钢筋混凝土结构,渠中设1道格栅,要求栅条间隙为10 mm,75°倾斜安装.

3) 厌氧滤池/缺氧滤池.厌氧滤池和缺氧滤池共壁合建,如图3所示,长宽高分别为4、2.5、3 m,采用推流流态设计.钢混结构,池顶为混凝土浇筑并留有0.8 m×0.6 m检修人孔.厌氧滤池的有效容积为10 m3,水力停留时间约为24 h.缺氧滤池有效容积为5 m3,停留时间12 h.池内均填充自行开发的框架式填料(见图5(a)),体积填充率80%.

4) 水车驱动生物转盘(见图5(b)).钢架支撑、盘片骨架及池体材料为不锈钢,盘片附着毛毡挂膜,共3级跌水生物转盘,每级生物转盘水池尺寸为0.95 m×0.80 m×0.85 m,盘片直径D=0.7 m,盘片间距为30 mm,每级有效停留时间为0.5 h.末端出水分配至湿地及缺氧滤池,冬季至夏季回流比在50%～200%内适时调整.

5) 蔬菜人工湿地.总占地面积为100 m2,长宽分别为25、4 m,水流方向坡度为0.1%,水力负荷为0.1 m3/(m2·d).湿地分为2段:考虑到生物段来水初沉,前段4 m不填基质,构建水生蔬菜滤床,有效水深为0.3 m;后段采用水平潜流湿地,填充加气混凝土基质(粒径为2～5 cm,见图5(c)),厚为0.4 m.覆盖5 mm厚土工布反滤层,覆沙壤土厚0.2 m.湿地末端设置可调高度出水口(见图5(d)),可调空间为0.5 m,以满足湿地作物不同品种和不同生长期的浸润度需要.本工程中滤床和潜流湿地中均种植当地耐寒蔬菜水芹.采用高密度种植50株/m2.文献[20]显示蔬菜作物配置还可选种水芹菜、空心菜、生菜、韭菜、辣椒、番茄等蔬菜,实际种植根据现场条件选择.

(a) 滤池模块填料

(c) 加气混凝土碎块

2.2.4 工程运行效果

AF-ANF-WDRBC-VCW系统采用生物生态组合处理,功能互补,并与农业种植有机结合.既能实现污水处理效能的提升,又能产生资源化蔬菜产品.系统仅需水泵提升,后续全部重力自流,无需其他动力设备,运行和维护简单,故障率低,稳定性好.生物处理部分采用了地上与地下相结合的节地设计,吨水规模占地仅为1 m2,占地面积小.系统建设吨水规模成本约1万元,系统运行成本(仅为水泵运行能耗)少于4 kW·h/d.系统能耗低,折合直接运行费用少于0.22元/m3.其中VCW可生产蔬菜,具有经济效益,可抵消部分运行成本,因而系统综合运行成本低廉.

系统厌氧缺氧段建设于地下,水车驱动生物转盘及蔬菜湿地兼与村落景观相协调,具有景观效益,见图6.村落生活污水被处理的同时,村落人居环境得到极大改善,氮磷作为资源被加以利用,供应水肥生产蔬菜.农村生活污水处理实现了低耗与资源化,产生了显著生态效益.

图6 AF-ANF-WDRBC-VCW系统运行效果

2.3 运行管理与监测

2.3.1 运行管理

工程于2019年11月建成,格栅井渣滓较少,调试运行期间未出现明显渣滓积累,无需清掏.厌氧和缺氧仅填充了自制的框架填料,系统运行时不需操作.好氧处理为多级水车驱动生物转盘,正常运行后设定驱动水流量控制转盘转速为10～15 r/min.好氧处理出水水量配置1/3进入湿地,2/3回流到缺氧滤池(即回流比200%).水泵设有保护液位和工作逻辑,可自动启停和间歇转动,以保护转盘上生物膜的活性.系统进水后生物处理段自动挂膜,在启动39 d后生物段出水水质稳定,认为挂膜成功.生态处理单元,根据冬季种植物水芹菜的水分和保温需要,调节出水口高度保持浸润线为湿地地表以下0.15 m.设施运行设置完成后自动运行.

2.3.2 监测指标与方法

2.4 结果与分析

2.4.1 处理设施沿程净化监测

在SSPC模式下,各住宅生活污水中较高污染物浓度的黑水经过户用初级处理设施(化粪池)后进入收集管网,水量占比大且较低污染物浓度的灰水直接接入收集管网.通过管网收集的村落生活污水最终进入管网末端的生物生态组合处理设施进行处理.启动运行后,处理设施沿程各单元水质监测结果见表2.

表2 生物生态组合处理设施沿程各单元水质监测

根据表2可以看出,重金属Hg 、Pb、Cd、Cr在处理设施进水、出水中均未检出,说明该村落生活污水不存在重金属的源与汇,末端处理设施中采用的材料也不存在相关重金属释放的风险.村落生活污水处理设施中生态单元种植水生蔬菜等经济作物,没有重金属污染风险,污水的原位或异位资源化利用具有可行性,但其他生态学或毒理学指标还需进一步研究.

工程应用区域太湖流域村落生活污染治理目标在于控制地表水体的富营养化和黑臭,主要削减指标为有机物(COD)、氮磷(TN、TP)等.因此,考察了村落污水处理设施中COD、TN、TP的沿程削减情况,见图7.通过COD沿程浓度变化可看出,削减主要分布在AF-ANF-WDRBC-VCW系统前段的生物处理部分,生物段COD去除率可达73%,说明AF、ANF、WDRBC单元均具有一定的有机物去除能力.而系统中TN的削减主要集中在ANF单元,主要通过WDRBC出水回流实现一定程度的反硝化脱氮,生物段TN去除率可达43%.TP的削减主要在VCW单元的潜流湿地单元,这与该单元采用的特殊的碱性加气混凝土基质有关,生态单元TP去除率可达70%.工艺设计的主线是生物单元重点去除有机物,生态单元资源化利用氮磷,在该工程应用中基本实现了生物处理段的功能定位,生态处理段由于水生蔬菜刚刚种植,植物生物量较小,冬季气温较低,资源化利用氮磷的效果还不显著,这也是生态单元处理的局限性.但是,在该工程中,通过灰黑分离处理与收集模式的应用以及采用新型生态单元基质等措施,仍可实现冬季最不利气温条件下的农村生活污水处理达标排放,工艺系统具有较高的适应性.在气温回升后的其他季节,该工程处理效果仍有提升空间.

2.4.2 处理设施长期运行监测

图7 生物生态组合处理设施中污染物沿程变化

表3 生物生态组合处理设施长期运行监测结果

系统各单元采用基于生物膜法的处理原理,产泥量较活性污泥法少,加之较低的进水COD负荷,各单元产泥量较低.系统运行至7月,对各单元污泥积累深度进行测定,AF单元积泥深度约为10 cm,ANF积泥深度为2 cm,WDRBC各级池中积泥深度约为2 cm.相对各单元池体深度,积泥深度较小,为保证各单元功能微生物丰度,建议运行一年后进行排泥.截至7月,收割蔬菜湿地中水芹菜植株地上部分3茬.鲜重产量分别为4.62、3.86、3.56 kg/m2,面积总产量为12.04 kg/m2,折合亩产约 8 000 kg.后续还需进一步统计研究湿地单元全年蔬菜产量.

综上,AF-ANF-WDRBC-VCW系统在长期运行过程中能应对进水水质波动和环境条件变动,保证较好的氮磷去除能力,稳定性较高.系统产泥率低,维护简单,生态单元蔬菜产量可观,效益显著.

3 结论

1) 农村生活污水SSPC模式可实现COD等污染物进入末端处理设施前的有效削减,大幅降低末端处理设施污染负荷.灰黑分离模式可作为农村生活污水初级处理与收集的可选有效新模式.

2) AF-ANF-WDRBC-VCW工艺系统采用生物生态相结合的方法,对工程沿程污染物削减情况分析显示,基本达到了生物单元重点去除有机物,生态单元资源化利用营养盐的定位.通过相关新技术的应用,实现处理单元简单、建设成本低、机电设备少、能耗低,是一种低耗的农村生活污水处理方法.

3) 农村村落生活污水采用SSPC管理模式,经AF-ANF-WDRBC-VCW工艺系统处理,出水污染物浓度可以达到工程实施的地方排放标准,同时通过开发湿地构型和蔬菜植物配置,实现了污水处理原位资源化.长期监测表明,自冬季到夏季系统出水均能稳定达标,且部分污染物处理效果出现了显著提高.工程应用为农村生活污水提供了灰黑分离初级处理与收集模式和低耗高效与资源化的处理技术示范.