农村河道分散式污水处理设计研究*

2022-07-26徐建宇林安川胡一多谢德良潘稷凯

云南冶金 2022年2期

徐建宇，林安川，胡一多，谢德良，黄凌，潘稷凯

（1.昆明工业职业技术学院，云南安宁 650302；2.云南昆钢建设集团有限公司，云南安宁 650302）

我国农村污水主要来源为畜牧养殖污水，将近70%左右的养殖场没有建立污水处理系统；水产养殖污水主要包括水产养殖场中很多鱼类食用剩下的饵料、残留的药物以及鱼的排泄物等污染物；农村生活污水主要包括洗浴、洗衣、厕所污水、厨房污水等；化肥和农药污水及附近的生产企业排放的生产废水。每年有超过2 500万t的农村污水未经任何处理直接排放[1]，造成河流、水塘大面积污染，村民居住环境受到较大的影响，直接威胁到村民的身体健康。农村水污染已迅速上升为我国水环境的第一大污染源[2]。农村污水在收集处理方面具有河道排放点分散面广、排水管网施工难、含氮磷浓度较高、含有大量的营养物质、细菌、病毒等，并且农村基础环保设施薄弱，这些都给农村污水的收集和处理带来很大难度。在党的十九大报告中，我国也提出了乡村振兴的发展战略，提出需要在农村地区创建良好的宜居环境的同时，需要加快农村环境污染治理。因此，农村污水处理系统建设迫切需要一种经济、高效的污水处理集成工艺以适应我国当前农村污水的处理回用。对于农村污水处理技术的研究应用，相关技术人员对此进行了一系列的实践：如王珊珊[3]采用一种新型高效一体化污水处理设备并应用到了安徽黟县农村生活污水的处理中，结合实际处理效果和运行成本提出了自己的见解；付津宇[4]结合目前我国农村生活污水系统处理及运行管理中存在的问题，提出了采用生物滤池—水平潜流人工湿地组合工艺处理农村生活污水，将该工艺应用到了上海某城镇并对处理效果进行评价；王幸智等[5]以豫南地区商城县农村生活污水处理为例，提出了曝气生物净化塘处理农村生活污水新模式；针对农村污水组成的多样性，以上研究者仅仅对农村生活污水的处理进行了研究。本文以昆明市西山区与安宁市交界的老沙河河道各分散式排污口污水排放现状为例，充分借鉴前人的研究成果，针对工程难度、影响性、投资控制等难题，提出优化的设计方案，最终实现区域农村污水处理后达到《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB11/890-2012）一级A排放标准，并为类似分散式农村河道污水集中收集处理提供经验指导。

1 项目排污点及水质调查情况

老沙河属于昆明西山区与安宁的分界河，上段位于西山区碧鸡街道范围内，流经长坡社区止于与安宁交界处全长3 km；河道流经区域面积为11.7 km2，共有居民1 028户，人口2 937人，流动人口4 000余人。支柱产业为草坪、玉米。社区范围内有个体工商户60户左右，小型企业20余家。畜牧养殖户16户，养殖牛10头、羊120头、猪500头，鸡鸭1 200只。有鱼塘13个，面积为16.7 km2左右。社区有农用耕地634 km2，社区供水管网长6 km，用水总量约为1 200 m3/日，社区共有公共厕所6座，垃圾收集池11座。

1.1 村庄生活污水及原有企业生产废水排放情况

经过初步调查及相关资料，长坡社区共6个小组，其中排联小组（含一社、二社）村庄生活污水不排入老沙河河道；里仁小组（含三个社）和下华哨324人已拆迁，已搬迁到长坡回迁安置房，生活污水也不排入老沙河河道；其他三个组（后甸村392人，牛鼻村及崔家店共200人左右，长坡小组636人）的村庄生活污水、企业生产废水（共65个，原有企业）都排入老沙河河道。其中在长坡物流园区内已有建成的污水处理站并投入使用，因此园区中企业所产生的污水不在本方案污水处理系统处理范围之内。

通过勘查调研，老沙河河道排污口共13个，河道沿线周围多为农田及村庄，无污水收集及处理系统，已建较多错综复杂分散的灌溉、排污合用渠，污水采用这些已建合用沟渠直接排入老沙河河道。各排污口及勘察路线如下图1所示。

老沙河河道13个排污口污水量总计约为1 420 m3/d，统计如表1所示。

1.2 水质情况

将老沙河河道沿线划分为三个断面进行水样采集分析化验，各取样点分别为长坡水库-320国道长坡加油站（C点）-后甸抽水坝（B点）-牛鼻村与安宁交界处（A点）具体位置如图2所示。对各个取样点水样采集分析CODcr、总磷、氨氮、总氮指标；通过对数据指标的分析，找到河道内污染物变化趋势；通过对河道沿线踏勘找到主要污染源，为后续采取合理治理措施提供设计依据。本次踏勘以考核断面A点为起点，一路溯游而上，途径B点、C点，对沿线的河道情况及村庄、工厂、市场等污染来源进行了初步考察，总结如下。

A-B段周围多为农田及村庄，无污水收集及处理系统，污水通过沟渠直接排入河道。此处岸旁即为垃圾堆放处，河道内也存在大量丢弃垃圾。B-C段为该段沿线的主要污染来源，后甸村生活污水、小型工厂、活禽市场直接将污水、冲刷废水通过暗渠排入河道。除沿河道村庄污水外，长坡工业园区附近商户产生的生活污水、公厕污水等也直接排入该段河道，使得下段河道呈现黑臭现状。

三个断面COD、总磷和氨氮监测的结果与分析：A、B、C三个点断面在连续监测3 h过程中，每间隔0.5 h取样一次对水样COD、总磷和氨氮进行检测，得出A点断面COD随时间浓度变化情况为（139.4～38.88）mg/L；B点断面COD随时间浓度变化情况为（120～55.64）mg/L；C点断面COD随时间浓度变化情况为（117.32～46.93）mg/L，由图3所示。A点断面总磷含量随时间浓度变化情况为（6.0～17.9）mg/L；B点断面总磷含量随时间浓度变化情况为（6.2～19.5）mg/L；C点断面总磷含量随时间浓度变化情况为（5.9～18.5）mg/L，由图4所示。A点断面氨氮含量随时间浓度变化情况为（6.0～29.93）mg/L；B点断面氨氮含量随时间浓度变化情况为（6.2～23.1）mg/L；C点断面氨氮含量随时间浓度变化情况为（6.2～15.7）mg/L，由图5所示。

图3 河道取样点COD含量变化趋势Fig.3 COD content change trend of sampling point in watercourse

图4 河道取样点总磷含量变化趋势Fig.4 Total phosphorus content change trend of sampling point in watercourse

图5 河道取样点氨氮含量变化趋势Fig.5 Ammonia and nitrogen content change trend of sampling point in watercourse

A、B、C三点断面COD含量随时间的变化而减少，而总磷和氨氮含量随时间的变化而增加，说明河道中的微生物在适宜条件下分解了水中的部分有机物，使得水中的COD含量逐渐降低。由于农田水和水产养殖塘水的外排、农作物处于施肥期，农村许多长期淤塞河段此时开始滞水外泄，使得河道中总磷与氨氮含量随时间变化而升高。排放口污水为流动状态具有一定波动性，可见污水处理系统应具有一定耐冲击负荷性。

2 深度除磷工艺

传统的农村污水处理工艺有人工湿地处理系统、地下土壤渗滤净化系统及传统好氧生物处理系统。人工湿地污水处理技术以自然生态原理作为基础，确保污水处理能够达到实用化、工程化，但是人工湿地污水处理技术容易受到天气影响，占地面积较大，表面径流存在臭味。地下土壤渗滤净化系统相当于污水的慢速渗滤，通过土壤的毛管作用，扩散到土层中去，土壤中存在的大量微生物，作物根系对污水中的污染物质进行吸附、降解，但该系统中污水停留时间较长、负荷低、水质净化效果不明显。传统好氧生物系统工艺与前两类自然处理系统相比，占地面积小，抗天气等外界影响能力强，处理效果虽然比前两者较好，但是基建投资、运行成本及操作难度较大，特别对污水中总磷的去除效果不理想；因此选用处理效果稳定、自动化程度高及成本低的农村污水处理系统至关重要。

老沙河河道农村污水处理系统设计处理规模为1 500 m3/d，根据2019年新颁布的《昆明市河道管理办法》和昆明市西山区河道环境生态管理文件要求，处理后出水中CODcr、TP、NH3-N指标满足表2中出水水质的要求，同时对河道中的其他污染指标，例如SS、色度、浊度、臭味等感官指标具有良好的去除效果，最终出水达到《城镇污水处理厂水污染物排放标准》（DB11/890-2012）一级A排放标准。

表2 处理系统设计进出水水质Tab.2 Influent and effluent water quality designed by treatment system mg/L

污水处理系统场址西侧为乡村主干道路，东、北侧为菜地，南侧为老沙河河道。村内排入河道的污水，经沿河道埋设的环钢度大于8 kN/m2的高密度聚乙烯双壁波纹管及缠绕管截污主干管收集后，排入本污水处理系统。本系统采用“MICBR—双相耦合硝化生物反应器—高效磁混凝深度除磷”工艺，MICBR即内循环连续生物反应器。系统进水经截污主干管进入处理体积为800 m3的调节池，调节池对水量、水质进行调整后进入MICBR系统进行生物预处理，再由新建液压升降坝经提升泵站提升进入双相耦合硝化生物反应器及高效磁混凝深度除磷系统，最终处理后达标出水补入下游河道水体；污水处理系统产生的生化污泥通过污泥提升泵排放至污泥储池进行浓缩处理，市政清运车定期将处理后的污泥外运处理。工艺流程图如图所示。

图6 污水处理系统工艺流程图Fig.3 Process flow chart of sewage treatment system

2.1 MICBR

MICBR（Modern Internalloop Continuous Biological Reactor），是一种集厌氧、缺氧、好氧反应单位及沉淀于一体的连续进出水的生化处理工艺。污水先进入到厌氧区及缺氧区，厌氧区及缺氧区采用回转式池体，通过在厌氧区微生物的作用下，有机污染物质被降解，磷元素被释放，同时回流的硝化液中的硝酸盐被氧化为氮气实现反硝化脱氮。当进水中有机物质特别低时，可以在此处适量投加碳源，强化反硝化脱氮，保障系统脱氮效果。在好氧区中，在可提升微孔曝气作用下，向系统中提供氧气，将污染物质降解，在好氧区通过设置的斜管沉淀区，实现对污泥的分离，剩余的污泥通过自流回至好氧区。本工程中MICBR系统设计处理污水能力为62.5 m3/h，MLSS即混合液悬浮固体浓度为5 000 mg/L，沉淀区表面负荷为1.3 m3/m2·h，硝化液回流比为（4～8）倍，MICBR生化池尺寸为（13×18×5.5）m。生化池池内安装污泥回流泵及硝化液回流泵各一台，用以污泥回流及硝化液的回流。在反应池的缺氧区安装两台搅拌机，好氧区各安装四台搅拌机。经过MICBR系统预处理后出水水质如下表3所示。

表3 MICBR系统预处理后出水水质表Tab.3 Effluent quality after pre-treatment of MICBR system mg/L

2.2 双相耦合硝化生物反应器

双相耦合硝化生物反应器为成套水处理系统，主要通过水力学、工程结构学的优化将复合亲水性生物填料（BEK-BP）与高效脱氮微生物组成的耦合生物相系统对氨氮进行快速降解，保证高效去除氨氮的同时对COD也有大幅削减作用，其中NH3-N相对去除率可达90%以上。复合亲水性生物填料与传统填料相比，可以达到“入水即溶、悬浮于水、不浮不沉”的特点。如反应池采用墙体式结构增大了填料比表面积（如图7所示），又保证了填料微孔通气性能，使微生物更易附着，在填料上面固化一些无机碳源，可以缓慢地释放碳源，有利于初期硝化菌的快速繁殖，并对污水中污染物质波动以及外界环境的变化有一定的缓冲性。

图7 复合亲水性生物填料与传统填料微观结构图Fig.7 Microstructure diagram of compound hydrophilic biological padding and traditional padding

系统硝化速率可达2.0 mgNH3-N/g MLss.d，硝化负荷可提升至1.0 kgNH3-N/m3.d，在温度≤10℃的条件下，硝化负荷仍可以达到0.3 gNH3-N/m3.d。本项目共设三组双相耦合硝化生物反应器，外形尺寸为（3 600×6 500）mm，系统内设进出水布水系统及内回流装置，复合亲水性耦合载体容积填充率为25%～30%。

2.3 高效磁混凝深度除磷

高效磁混凝深度除磷装置处理原理为污水进入系统中的磁加载区后投加混凝剂、磁种和助凝剂，使处理水体中的污染物及TP等与药剂发生混凝反应，生成细小絮体之后，磁种与絮体通过网捕、架桥和吸附电中和等作用紧密结合，在助凝剂的帮助下形成大的矾花，在沉淀区达到快速固液分离，最终达到净化的目的。本装置为成套处理装置，主要由进水系统、混凝絮凝系统、方形沉淀刮泥系统、磁回收系统、加药系统、污泥脱水系统组成，装置尺寸为（7.21×2.35×2.62）m。

3 工程总投资

工程投资概算内容包括：调节池、MICBR系统、液压升降坝、预制提升泵站及输水管线、双向耦合硝化生物反应器、高效磁混凝深度除磷装置、浮渣水箱、中间水箱、中间水泵、过滤器、沉淀池、辅助用房及配电值班室等主要构筑物建设费用、相关设备采购安装的费用、设计费、监理费及其他费用。编制依据为：①建安工程费的计算采用《云南省房屋建筑与装饰工程消耗量（2013版》[6]、《云南省通用安装工程消耗量定额（2013版）》[7]及类似工程设计概算指标；②材料费的计算参照2014年9月云南省价格信息网公布的价格信息进行计价；③设备费采取厂家询价的方式；④工程设计费按照《工程勘察设计收费标准（2002年修订本）》[8]的规定执行；⑤工程建设监理费按照《建设工程监理与相关服务收费标准（[2007]670号文）》[9]进行计算；⑥基本预备费按总造价的8%计取；⑦其他费用参考云南省实际情况计取，其中招投标费、质监费已包含在建设单位管理费中。经计算，项目总投资额为1 277万元。系统运行费用全运行成本包括人工费（本站不设值班人员，巡检人员由综合污水处理厂值班人员负责）、耗电费、药费。综合以上计算，深度水处理站的运行成本单价见下表4。

表4 运行成本单价表Tab.4 Unit price of operation costs 元/m3

4 实施后的效果

4.1 系统运行数据效果分析

经运行调试稳定后，30 d的连续运行监测数据如图8、图9和图10所示。

图8 COD去除效果Fig.8 COD removal results

图9 总磷去除效果Fig.9 Total phosphorus removal results

图10 氨氮去除效果Fig.10 Ammonia nitrogen removal results

图8表明系统对COD实现了有效的去除，进水平均值为303 mg/L，处理后出水平均值为15.41 mg/L，去除率达到95%；图9表明系统对总磷实现了有效的去除，进水平均值为6.9 mg/L，处理后出水平均值为0.21 mg/L，去除率达到96.96%；图10表明系统对氨氮实现了有效的去除，主要得益于MICBR系统中内射流曝气与填料的多重复合强化作用，氨氮得到快速降解，氨氮进水平均值为16.9 mg/L，处理后出水平均值为2.1 mg/L，去除率达到87.57%。

4.2 经济分析

本项目总造价为1 277万元，吨水投资8 513元/m3，水处理直接成本为1.64元/m3，与目前昆明市内世纪城周边沟渠水质提升工程、昆明市第十三污水处理厂项目两个同类型项目进行横向对比（如表5所示），本项目直接处理成本虽比这两个项目偏高，但在合理的范围之内，从昆明市第十三污水处理厂项目与世纪城周边沟渠水质提升工程可看出，两项工程的水处理量远高于本项目，污水生化处理中处理量越少，直接处理成本越高，但是与市场同类型项目相比，本工程水质指标达到国家一级A标准，因此从处理效果来看，本项目投资基本合理，处理后的出水可作为河道补水用于灌溉、美化景观的作用。根据每天产生的排污费单价为 0.91元/t，每年节约49.14万元。