分散式农村生活污水处理工程实践

徐玉璐, 周 凯, 吴为旭

(安徽舜禹水务股份有限公司, 安徽 合肥 231131)

我国农村生活污水主要来源为厨房污水、洗涤污水和冲厕水,污水量一天中波动较大,春夏季节雨水多,农村生活污水中BOD5、COD、总磷、总氮、氨氮等污染物浓度较低,而秋冬季节雨水少,污染物含量相对偏高。 农村生活污水的处理方法主要有生态处理法(人工湿地、生态滤池、生态塘、土壤渗滤)、生物法(活性污泥法、生物膜法)和一体化污水处理装置(净化槽、MBR 膜生物反应器),不同工艺技术在不同农村地区污水处理均有应用与实践。 呼永锋[1]将AO+MBR 工艺用于分散式农村污水处理,对水中主要污染物去除效果明显,可用于出水水质要求高或有回用需求的地区。 周凯[2]的研究表明人工湿地对农村污水中氮、磷的去除效果显著。 郭壹[3]采用AO+石英砂滤池的工艺处理农村生活污水,出水COD、氨氮、总氮和总磷可达到GB 18918—2002 的一级B 标准。

农村污水处理技术不能照搬城市污水处理厂,要结合实际情况,差异化定制[4]。 针对小型污水处理场站水量小,点位分散,波动大的特点,采用智慧化运维方式,可大幅提高运维及管理效率[5-6]。 安徽省某农村地区污水处理站点,设计总规模为50 m3/d,主要处理该区域内村民生活污水,污水站主要采用生物处理+生态强化的技术路线。

1 生物+生态工艺技术研究

1.1 设计进出水水质

场站进水为当地居民生活污水,设计出水达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A 标准,场站设计进出水水质见表1。

表1 场站设计进出水水质Tab.1 Station design inlet and outlet water quality

1.2 工艺技术

场站采用“生物处理+生态强化”,污水处理工艺为格栅调节池+一体化污水处理设备(改良型AAO)+人工湿地+紫外消毒渠及出水井,污泥处理工艺为将污泥自然风干后用于园林绿化或土壤改良。 具体工艺流程见图1。

图1 污水处理站工艺流程Fig.1 Process flow of sewage treatment station

生活污水经管道汇至格栅渠,去除较大颗粒性杂物及漂浮物,随后污水进入调节池,调节污水水质、水量,调节池污水提升至一体化污水处理设备进行生化反应及物理过滤,实现有机物、悬浮物、N、P等污染物去除,出水进入人工湿地进一步生态强化处理,湿地出水进入紫外消毒渠消毒后排放至附近水体或管网。 场站产生的污泥经污泥干化池自然风干后可用于园林绿化或土壤改良。

1.3 主要设计参数

1.3.1 格栅调节池

格栅是用来去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大悬浮物,并保证后续处理设施能正常运行。设计采用不锈钢格栅网,栅条间隙8 mm。

污水生物处理对水质、水量和冲击负荷较为敏感,需设计适当尺寸的调节池。 格栅渠与调节池合建,采用地下式钢筋混凝土结构,尺寸4.6 m×2.6 m×4.5 m,有效水深3 m,停留时间12.6 h。

1.3.2 一体化污水处理设备

一体化污水处理设备采用模块化结构,智能化控制程度高,可根据来水量及工程现场条件“量身定做”,功能包括多重高效生物净化池、高效沉淀池、气动循环区、排空排泥装置等,可应用高效复合生物菌群去除COD、N、P 等污染物,并利用富余的气体实现硝化液回流,设备工艺流程见图2。

图2 一体化污水处理设备工艺流程Fig.2 Integrated wastewater treatment equipment process flow

该系统本身含设备间,配备完整自控系统、加药系统等,无需其他辅助用房,可最大限度减少土建设施。 设备生化区采用接触氧化法,容积负荷高、耐负荷冲击能力强,同时强化了有限池容及低温季节的硝化能力。 生化区投加弹性填料,前置缺氧区、前置好氧区、后置缺氧区、后置好氧区设有曝气装置,采用管式曝气。 一体化污水处理设备采用地上设施,具体参数见表2。

表2 一体化设备设计参数Tab.2 Integrated equipment design parameters

本工程采用的一体化设备主要特点有：

① 稳定高效：系统采用的工艺是在传统AAO基础上,增加后置缺氧和后置好氧区,形成了AAOAO 的工艺技术,强化脱氮的同时,大大提高了系统的抗冲击能力和运行稳定性。

② 多模式运行：前置缺氧区、前置好氧区、后置缺氧区、后置好氧区均设有曝气装置,可根据实际需求,调整曝气阀门,实现多模式、多工艺运行,工艺调整灵活。 例如,在初期调试阶段,可以全曝气模式,在后期可根据实际进水水质情况,对工艺进行调整,如AO、AAO、AOAO 等。

③ 经济节能：模块化污水处理系统内只配有电磁曝气设备,即可实现所有动能的供给。 充分利用风机供氧时产生的富余气体,通过气提回流装置可实现硝化液回流,减少了整套系统对机械设备的过度依赖,运行经济节能。

④ 模块化设计：系统采用模块化方式,复制性强,可根据不同的进水水质及出水要求,填充不同工艺模块。

⑤ 智能装配：将设备间内置在系统内,通过智能化装配,实现系统一键式的联动,设备操作简便。

⑥ 水质提升便捷：系统预留空白模块,如有水质提升需求,可直接在设备内增设深度提升模块,相较于混凝土池体,避免重复投资,也可大大缩短施工周期。

1.3.3 人工湿地

人工湿地对有机物、N、P、悬浮物均有一定去除效果。 按照污水流动方式,人工湿地分为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿地。三种湿地对污染物的去除效果见表3。 从上表可以看出,垂直潜流人工湿地对污染物的去除效率最好,因此本工程采用垂直潜流人工湿地。

表3 人工湿地系统对污染物去除效率Tab.3 Efficiency of pollutant removal in constructed wetland systems

本方案选用不同粒径的砾石作为人工湿地的填料,填料共分为两层,下层为粒径50～80 mm 的级配砾石,厚度为0.35 m,上层为粒径30 ～60 mm 的级配砾石,厚度为0.35 m。 为防止滤料堵塞,湿地内设置排泥清淤通道、复氧通道及冲洗通道,根据湿地运行情况定期对湿地进行冲洗。 本工程选择去污能力强、适应性强、经济和观赏性好,适应本地区气候条件的香蒲、黄菖蒲、美人蕉、金钱草等植物,同时根据植物生长情况定期修整,保证湿地的整体运行效果。人工湿地采用半地下式钢砼结构,尺寸为9.9 m×6.6 m×1.2 m,有效水深0.9 m,停留时间24.6 h。

1.3.4 紫外消毒渠及出水井

本工程中紫外消毒渠与出水井合建,出水井可用于污水排放、收集取样检测以及方便运维人员的定期检查、清理杂物和后期养护。 紫外消毒渠及出水井采用半地下式砖砌结构,总尺寸为4.26 m×1.48 m×1 m。

1.3.5 污泥干化池

一体化污水处理设备采用的工艺属生物膜法范畴的具有高效生物脱氮除磷的(改良型AAO)工艺,该工艺污泥产生量小,根据实际处理水量、水质等情况进行定期排泥,同时污泥性质较为稳定,可不进行消化。 本工程采用污泥干化池进行污泥干化处理,污泥干化池中上部填充砂石滤料,泥水混合液经过该滤层后,上层污泥经自然风干后可用于园林绿化或土壤改良,过滤后的池内上清液回流至调节池继续进行污水处理。 污泥干化处置方式流程简单、投资低、后期管理方便,更适合分散型农村污水处理工程中的污泥处置。

污泥干化池采用半地下式钢砼结构,尺寸为1.5 m×1.5 m×1.5 m。 干化池采用上中下三层结构设计,下层为滤液层,高度为0.5 m,中层为滤料层,滤料层分两层设计,滤料层下层为粒径30 ～50 mm的鹅卵石,厚度为0.5 m,上层为粒径5 ～10 mm 的砂石层,厚度为0.2 m,上层为污泥干化层,高度为0.3 m。 设备排出的污泥含水率约99.2%,污泥产量约0.53 m3/d,干化后的污泥含水量约80%,污泥产量约0.021 m3/d。 根据污泥干化池过滤、干化情况,运维人员定期进行清除、翻整,保证干化池的过滤干化效果。

1.4 运维方式

为杜绝“晒太阳”工程的出现,农村污水处理场站的运维需遵循三分建、七分管的原则。 本工程改变以往区县主管部门监管、专业运维团队运管的两点式模式,结合《合肥市农村生活污水治理设施运行维护管理办法(试行)》,提出“四管一体”模式,即区县政府“监管”、乡镇政府“主管”、村级组织“协管”、专业运维单位“专管”,村民作为最终的受益主体。 此模式充分发挥各级组织能动性,实现上下联动,有效保障农村污水项目的顺畅实施。 其中,设置“村级协管员”是其中非常重要的环节,也是对农村污水处理项目运维管理模式的积极探索和实践。

农村污水处理场站点多面广,同时存在交通不便、专业人员紧缺、运维成本高等问题,本工程采用智慧化运营管理结合人工巡检的方式,采用“线上+线下”双管齐下的运营方式,保障污水处理场站的长效稳定运行。 智慧运维管理平台依托云计算、大数据、移动互联网、物联网,深度结合AI、GIS、AR/VR 等技术,实现全员轨迹安全跟踪,全程设备智能控制,全面资源统筹调度,全方位安防保障的“四全”体系,同时采用多方式、多级别智能通知,达到问题发现及时、跟进及时、解决及时的“三及时”效果。 系统通过三维仿真、图形曲线、多维数表等直观数据表达方式,让管理人员足不出户掌控污水处理场站的运行情况,为管理决策提供科学依据。 运行维护便捷化、无人化、透明化,有效降低运营成本,减轻工作负荷,减少人员数量,提升管理水平。 智慧运维平台可实现的主要功能有远程监视、远程控制、掌上巡检、故障报警、统计报表、人车轨迹等。

2 运行结果及讨论

该座污水处理场站自2020 年5 月进入运维期以来,运行状态良好,场站进出水水质指标见表4。生物处理+生态强化污水处理场站对污水中CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP、SS 等污染物具有较好地去除效果,去除率分别为83.5%、95%、83.3%、54.6%、80.2%、96.4%。 场站出水水质有波动,但整体运行效果较为稳定,出水可达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A 标准。

表4 场站进出水水质Tab.4 Water quality of station inlet and outlet

3 工程效益分析

3.1 经济效益

污水处理系统充分利用曝气泵供氧时产生的富余气体,通过气提回流装置实现硝化液回流,系统经济节能,按照当地电价0.7 元/kWh,折合吨水处理费用仅为0.33 元。 同时,场站出水可用于绿化、灌溉,场站产生的少量污泥可用于园林绿化或土壤改良,响应国家政策,充分进行资源化利用,具有良好的经济效益。

3.2 环境效益

污水处理工程建成后,将大大降低农村污水对环境的污染,明显改善水质感官效果,每年消减COD 3.02 t、BOD52.37 t、NH3-N 0.25 t、TN 0.25 t、TP 0.03 t、SS 2.96 t,环境效益明显。

3.3 社会效益

污水处理工程建成运行后,有利于改善水体的环境质量,减小对周边地区居民的影响,提高居民的健康水平。

4 结论

① 针对农村分散式污水处理,运用生物处理+生态强化的技术路线,采用一体化污水处理场站+人工湿地的建设形式,对污水中的污染物质具有良好去除效果。 出水可稳定达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A 标准。

② 针对农村污水处理场站运维管理,改变以往“两点式”管理模式,提出“四管一体”的管理方式,同时针对农村污水站点多面广的特点,建设智慧化运维平台,采用线上智慧运维+线下人工巡检的方式,可实现区域内污水设施的远程管理,解决了设施管理需求不断增长和管理资源有限之间的矛盾,同时保障污水处理设施长久稳定运行。

③ 本工程工艺技术与运维管理方式可为分散式污水处理提供参考,尤其适用于管网难以铺设的高速公路、美丽乡村、居民小区、旅游风景区、农家乐、别墅小区等的污水处理及中水回用工程,场站建成运行后产生的经济效益、环境效益和社会效益显著。