天津眾邁農(nóng)村生活污水一體化處理選型

 農(nóng)村生活污水來源與特征

農(nóng)村生活污水主要來源于廚房污水、生活洗滌污水和沖廁水等[6],另外我國大部分農(nóng)村地區(qū)農(nóng)戶家中普遍散養(yǎng)牲畜(豬、羊和禽類等),牲畜的洗滌用水、糞水等含有大量污染物的污水也常被納入農(nóng)村生活污水進行統(tǒng)一收集與處理。農(nóng)村生活污水具有排放點分散、水量小、時段性和季節(jié)性強等特點,污水中氮、磷濃度高且含有大量的營養(yǎng)鹽、細菌和病毒,上述特點均給農(nóng)村生活污水處理帶來挑戰(zhàn)。

農(nóng)村生活污水在處理與排放方面有以下特點[8-9]:1)污水產(chǎn)生量小、分散且成分不同。農(nóng)村地區(qū)總用水量較少且污染物成分單一,極少有有毒有害成分。2)污水排放量時空分布變化大。由于農(nóng)村居民生活作息習慣的特點,用水高峰時段集中,夜間基本不外排水,且用水量與季節(jié)、氣候變化關聯(lián)性高,生活用水呈現(xiàn)冬季少夏季多的特點。3)具有可生化處理性。農(nóng)村生活污水中的氮、磷及有機物的濃度較高,且不含有毒、有害物質(zhì),易生化處理。4)污水分散、難集中?，F(xiàn)階段大部分農(nóng)村生活污水直接排放或經(jīng)化糞池簡單處理后排放,污水處理程度低,對附近流域水質(zhì)以及土壤土質(zhì)具有較大影響[10-11]?？傮w來說,我國不同地區(qū)、不同經(jīng)濟水平的農(nóng)村生活污水成分特征和排放規(guī)律可以概括為:中部地區(qū)的污水中污染物濃度較高,治理方式以設施處理和農(nóng)田排放為主;南部沿海地區(qū)人均生活污水排放量較大,因經(jīng)濟發(fā)達,污水處理率較高;北方地區(qū)污水排放量較少,污染物濃度較低,但污水處理率也相對較低。

因此選擇農(nóng)村生活污水處理工藝、處理設施時,首先應考慮當?shù)厣钗鬯占?、處理及排放情況,確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達標的同時能耗費用低、易管理維護;同時農(nóng)村生活污水處理需遵循生態(tài)化、節(jié)能化、景觀化的原則,以實現(xiàn)污水回用及氮、磷資源化利用,并提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益。

農(nóng)村生活污水一體化處理技術

一體化農(nóng)村污水處理設施概述

相對于傳統(tǒng)的污水處理裝置來說，一體化的污水處理裝置的不同之處是能夠利用一個裝置去完成預處理、沉淀、生物處理及消毒等多個環(huán)節(jié)。一般情況下，一體化污水處理裝置的設計普遍為圓罐型，這樣的設計不但能夠有效提升空間的利用率，此外能夠優(yōu)化污水處理的整體效果，解決傳統(tǒng)處理設施占地面積大的問題。這類裝置的主要特征包括以下幾點。其一是因裝置的體積小、占地小的特性能夠支持設施的就近建設，減少管道安設的成本消耗。其二是預制特征，支持預先完成配件的安裝，運輸?shù)侥康牡兀苯咏M裝，便能夠時間投入應用。其三是在土地資源緊張的情況下，裝置可埋入地下，減少地上空間的耗費。除此之外，一體化水處理裝置的各個單元能夠根據(jù)實際應用需求進行靈活組合，滿足應用需求。可見一體化裝置的應用優(yōu)勢十分明確，對于居住分散、無法進行集中污水處理、管網(wǎng)鋪設難度大的農(nóng)村地區(qū)來說是十分適用的。

一體化活性污泥衍生工藝

 一體化AAO工藝

AAO工藝即為厭氧-缺氧-好氧污水處理工藝,污水經(jīng)厭氧區(qū)釋磷、缺氧區(qū)脫氮以及好氧區(qū)硝化和除磷3個階段,可達到較好的脫氮除磷效果,且總水力停留時間(HRT)少于其他工藝。該工藝設備結構簡單,污水處理工作中的運營成本較低,適合于在大多數(shù)農(nóng)村地區(qū)推廣使用。AAO工藝中,缺氧池體積對污水處理效率影響顯著,當缺氧池體積發(fā)生變化時,化學需氧量(COD)去除率隨缺氧池體積的增加而增大,氨氮(NH3-N)去除率隨缺氧池體積的增大而減小,總氮(TN)與總磷(TP)去除率隨缺氧池體積的增大呈先增大后減小的趨勢[13]。

整合工藝流程、縮小占地面積是一體化AAO工藝亟待解決的問題。肖炘圻等[14]設計了豎流式一體化反應器(圖1)處理農(nóng)村生活污水,該反應器將常規(guī)AAO工藝中單獨設置的厭氧區(qū)、缺氧區(qū)、好氧區(qū)和沉淀區(qū)整合為一體,考察了HRT和好氧區(qū)溶解氧(DO)濃度對處理效果的影響。結果表明,HRT為8 h,DO濃度為2.5 mg/L時,出水COD和NH3-N、TN、TP濃度均可以滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準。針對一體化工藝中污泥處理處置問題,任宏洋等[15]將AAO系統(tǒng)中剩余污泥臭氧化處理,研究了處理后污泥減量效果和污水處理效能,考察了污泥全部回流至厭氧區(qū)、等比例回流至厭氧區(qū)和缺氧區(qū)、全部回流至缺氧區(qū)3種回流方式下累積排泥量,發(fā)現(xiàn)耦合后的AAO系統(tǒng)排泥量分別下降了51.3%、49.8%、47.6%;另外研究發(fā)現(xiàn),臭氧化污泥回流提高了污泥沉降性和系統(tǒng)的脫氮能力,且污泥回流區(qū)域?qū)P的去除率有較大影響,確定等比例回流臭氧化污泥至厭氧區(qū)和缺氧區(qū)為佳回流方式。

一體化SBR工藝

序批式活性污泥(SBR)工藝,即污水在裝置中按時間順序依次反復進行曝氣、反應沉淀、排水閑置等過程。該工藝優(yōu)點為占地面積小、運行方式靈活、脫氮除磷效率高,適用于經(jīng)濟條件好但水資源、土地緊缺的地區(qū)[16]。該工藝也有較多不足,如間歇排水時,需要設置專門的排水設備(潷水器),且易產(chǎn)生浮渣[17]。由于工藝的要求高,需要專業(yè)人員定期維護,運維費用較高,因此不適于在經(jīng)濟落后的農(nóng)村地區(qū)推廣使用,常用于度假區(qū)、高速公路休息區(qū)等的分散式污水處理。

為降低工藝裝置復雜度,張冰等[18]設計了無復雜出水裝置的一體化空氣提升SBR反應器,用于處理低碳氮比(C/N)的農(nóng)村生活污水,在DO濃度為3 mg/L、曝氣3 h、沉淀1.5 h時,可保證出水水質(zhì)指標COD、NH3-N、TN、TP均滿足GB 18918—2002二級標準,且裝置能耗較低、剩余污泥產(chǎn)量少、維護管理方便,具有較強的抗沖擊負荷能力。針對傳統(tǒng)SBR工藝污泥絮體結構松散、沉降速率低問題,薛晨楠等[19]考察了磁粉(微米Fe3O4)對系統(tǒng)活性污泥和污水處理效果的影響,結果表明,磁化污泥SBR系統(tǒng)處理率較高,綜合經(jīng)濟和處理效率因素,確定佳磁粉投加量為0.5 g/L,此時出水COD、NH3-N、TN、TP去除率分別為95.30%、91.48%、70.83%和92.80%,滿足GB 18918—2002一級標準。

一體化生物膜處理工藝

一體化生物接觸氧化工藝

生物接觸氧化工藝由厭氧和好氧2個反應器組成,內(nèi)置附著生物膜的填料,通過生物膜的代謝分解作用去除水體污染物。該工藝在農(nóng)村地區(qū)使用較為普遍,主要特點是出水水質(zhì)穩(wěn)定可靠、占地面積較小、安裝簡便。通過地埋式等簡單保暖措施,可適用于北方寒冷地區(qū)農(nóng)村生活污水的處理。日本凈化槽是以水解+接觸氧化為基礎工藝的分散式生活污水處理一體化工藝,主要通過絮凝沉降、物理沉淀及微生物的降解等作用去除水體中污染物,按用途不同可分為單獨處理凈化槽、合并處理凈化槽、深度處理凈化槽3類[20-21],日本凈化槽是我國眾多一體化裝置設計和借鑒的原型,對推動國內(nèi)一體化技術發(fā)展起到一定作用[22-23]。

填料是生物接觸氧化工藝的核心組件,由于填料在運行過程中易發(fā)生老化、板結等問題,影響系統(tǒng)的處理效率,加大運行維護難度,因此選擇掛膜能力好和可操作性強的填料是重中之重。Xie等[24]采用鐵、活性炭和沸石制作復合過濾器(Fe/C-ZACID),將材料以不同比例混合后將大小不同的2個過濾器分別放入好氧和厭氧反應區(qū)。結果表明,該裝置的生物反硝化過程復雜,脫氮和抗沖擊能力強,在HRT為6 h,DO濃度約3 mg/L,進水C/N為3,硝酸鹽循環(huán)比為98%條件下,NH3-N和TN的去除率可高達95%和85%。沈波等[25]采用一體化生物活性炭中試裝置,以柱狀活性炭為載體進行人工掛膜,發(fā)現(xiàn)4.0 mm的柱狀炭掛膜成功后,氣水體積比為2∶1時,裝置對污染物的去除率高,但活性炭使硝化細菌生長受限,氨氮去除率較低。從成本控制上看,微生物可提高活性炭吸附能力,延長使用周期,降低裝置運行成本[26]。合續(xù)環(huán)境研發(fā)的CHtank污水凈化罐[27]采取分戶/聯(lián)戶處理、自由組合的設計理念,采用固液分離+多級厭氧好氧(A/O)和固液分離+同步硝化反硝化(SND)2種工藝,使用軟性固定填料作為過濾模塊,滿足不同水量的處理要求,該系列產(chǎn)品具有工藝簡單、運行穩(wěn)定、運行成本低及安裝靈活等特點。

一體化生物轉(zhuǎn)盤工藝

生物轉(zhuǎn)盤工藝通過轉(zhuǎn)盤交替與空氣和污水相接觸,使盤片附著生物膜,利用水的自然落差使生物膜連續(xù)吸氧、吸附和氧化分解,以凈化水體。生物轉(zhuǎn)盤工藝是生物膜處理技術的一種[28],該工藝具有污染物處理能力較強,微生物濃度較高,無需泥水分離設備,出水懸浮物(SS)濃度較低[13]等優(yōu)點;其缺點在于盤片的材質(zhì)、形狀、質(zhì)量及有效面積等直接影響轉(zhuǎn)盤的處理效率,但盤片面積過大或材質(zhì)過重會使設備占地面積和運行成本增加。

盤體結構優(yōu)化是生物轉(zhuǎn)盤工藝當下的研究熱點之一。Han等[29]開發(fā)了新型可自動回流旋轉(zhuǎn)的一體化生物轉(zhuǎn)盤裝置(NISRRBC),試驗發(fā)現(xiàn)自動回流硝化液和污泥可提高污染物去除率。在轉(zhuǎn)速為5 r/min,HRT為8 h,浸沒直徑為40%,回流比為200%條件下,出水COD、SS、NH3-N和TN濃度可達(37.41±9.40)、(6.27±1.28)、(4.99±0.95)和(18.67±1.46)mg/L。另外,盤片優(yōu)化升級的新式生物轉(zhuǎn)盤技術,如采用空間立體結構轉(zhuǎn)盤盤片的“3D-RBC立體結構生物轉(zhuǎn)盤技術”[30]、盤片添加碳黑素防止老化的“KEE一體化低碳生物轉(zhuǎn)盤”[31]等改良型一體化生物轉(zhuǎn)盤主體工藝也同樣值得關注[10]。

一體化生物濾池工藝

曝氣生物濾池(BAF)是一種污水固定床生物膜處理技術[32],該工藝將生物氧化和SS截留結合在一起,空氣經(jīng)壓縮曝氣供給掛膜的顆粒狀懸浮填料,通過反沖洗再生實現(xiàn)周期運行[33]。BAF工藝具有占地面積小、有機負荷高、不產(chǎn)生污泥膨脹等優(yōu)點[34-35],但在進水SS濃度較大時,該工藝運行周期縮短,導致反沖洗不*,易出現(xiàn)堵塞、同步生物除磷效果差等問題。

生物濾池的濾速決定BAF的處理能力,同時也決定設備運行參數(shù)和造價。王銘源等[36]考察濾速對一體化復合三級生物濾池污水處理效果的影響,結果表明,一體化復合生物濾池對COD、NH3-N、TN的去除效果整體隨濾速增大而減小,其中TN對濾速變化敏感。吳亞慧等[37]考察了一體化生物濾池中硝化液回流比對污染物的去除效果,發(fā)現(xiàn)增大回流比時,系統(tǒng)對COD、NH3-N和TN的去除增大后降低;回流體積比控制在98%時,一體化生物濾池對COD、NH3-N去除率較高,分別達到86.08%、90.01%。

一體化MBR工藝

一體化MBR工藝是指膜分離與生物膜處理有機結合的新型污水處理技術[38],其通過膜分離的原理提高活性污泥的濃度,從而強化生物反應器的功能并省去二沉池,保證在發(fā)生污泥膨脹時也可穩(wěn)定運行。但該工藝易產(chǎn)生膜污染,出現(xiàn)膜通量下降、膜分離阻力增加、膜分離特性改變等問題;另外膜組件及施工成本投入較高,且運行維護困難,適用于對污水處理質(zhì)量要求較高同時對水體環(huán)境比較敏感的農(nóng)村污水處理項目[39]。根據(jù)膜組件和生物反應器的不同組合方式,可將MBR分為分置式、一體式及復合式,其中分置式MBR較常見[40]。

為減少膜污染、提升膜壽命,王陽等[41]發(fā)明了一種旋轉(zhuǎn)膜生物氣升式循環(huán)反應器,其中膜過濾裝置包括旋轉(zhuǎn)接頭和曝氣管,膜組件可通過旋轉(zhuǎn)接頭驅(qū)動旋轉(zhuǎn),該發(fā)明降低了設備能耗,減少了維護成本。為驗證工藝在北方寒冷地區(qū)的適用性,晁雷等[42]在遼寧省某村生活污水處理中采用兼氧MBR分散式污水處理與回用一體化工藝(圖2),工程試運行發(fā)現(xiàn),采用地下埋置保溫方式,在溫度低的北方冬季該工藝能正常運行,兼性厭氧菌可適應含氧量變化,適用于進水量波動大的農(nóng)村地區(qū)的生活污水處理,出水能穩(wěn)定達到GB 18918—2002一級B標準。

一體化組合工藝

污水處理工藝往往非由單一處理工藝組成,而多采用組合工藝或多級工藝,以提高污水處理能力,使生活污水達標排放。如在我國南方大部分地區(qū),分散式生活污水常采用結構簡單的一體化處理工藝與氧化塘、人工濕地聯(lián)用,利用自然中的微生物和植物的凈化作用,使污水高效達標并降低成本。如付麗霞等[43]設計了水解酸化-接觸氧化-MBR生物反應器,MBR膜采用中空纖維膜,系統(tǒng)運行90 d,出水COD為35 mg/L,NH3-N為3.7 mg/L,TP為0.3 mg/L,去除率較高且設備運行穩(wěn)定可靠;陳永志等[44]考察了AAO-曝氣生物濾池生化系統(tǒng)的脫氮除磷特性,以低C/N生活污水為研究對象,通過縮短AAO的泥齡分離硝化過程,在曝氣生物濾池進行硝化反應,實現(xiàn)硝化菌和聚磷菌的分離,解決了硝化菌和聚磷菌泥齡之間的矛盾。馬來西亞某填海人工島的污水處理廠采用固定化好氧生物膜(BioAX)與嵌入式固定化硝化菌(MBS)載體(圖3)流化床反應器組合的新工藝[45],BioAX為改進型生物膜、活性污泥混合工藝(IFAS)[46],MBS是指用一種包埋固定化菌載體填料取代常規(guī)塑料多孔圓形填料[47],該新型污水處理工藝具有較高的處理效率且節(jié)省占地空間,在節(jié)能減排、污泥減量和維護管理上具有明顯優(yōu)勢,出水可達到GB 18918—2002一級A標準。

農(nóng)村生活污水一體化處理技術發(fā)展趨勢

農(nóng)村分散式生活污水處理技術發(fā)展趨勢是在保證出水水質(zhì)的前提下,大限度地縮短和簡化工藝流程[48]。在全國各地農(nóng)村生活污水處理標準和技術標準不斷出臺、要求不斷提高的背景下,農(nóng)村生活污水處理技術宜采取分散處理與集中收集相結合的模式,不同農(nóng)村地區(qū)采用的處理技術應具有經(jīng)濟性和環(huán)境適應性。

農(nóng)村生活污水一體化處理技術發(fā)展要求

目前一些農(nóng)村地區(qū)采用的污水處理技術設施建設和運行成本高、運營能力不足,尚存在不能達標排放或與農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平不適應的現(xiàn)象,因此建議農(nóng)村生活污水一體化技術的發(fā)展?jié)M足以下要求:1)創(chuàng)新不同規(guī)模型號與模塊化的一體化污水處理設備。分戶處理需考慮設施的需求處理量,以合理確定設計處理規(guī)模;集中污水處理站處理則需考慮管網(wǎng)鋪設難度,根據(jù)不同處理需求,可采用模塊化的處理設備。2)依據(jù)地理地貌及氣候差異、受納水體的環(huán)境污染負荷,因地制宜地選擇和優(yōu)化處理技術。如在北方地區(qū),應選擇適合冬季寒冷氣候的污水處理技術,采取地埋式方法以及保溫措施,考慮生物生長、生活條件與活性對處理效率和出水水質(zhì)的影響。在南方地區(qū),可考慮使用組合技術如一體化設備與人工濕地或氧化塘聯(lián)用,以提高工藝適配度。3)使用智能化污水處理操作系統(tǒng),以可編程控制器(PLC)為控制核心實現(xiàn)自動控制[49]。農(nóng)村生活污水一體化處理缺少專業(yè)人員的維護和管理,可使用互聯(lián)網(wǎng)與在線設備聯(lián)用,以實現(xiàn)遠程控制、無人值守、精準加藥和曝氣、問題診斷功能等,確保水質(zhì)穩(wěn)定達標排放。4)降低制作、安裝、運行和維護成本。針對地方出臺的排放標準,選擇經(jīng)濟適用的污水處理技術,在水質(zhì)達標的前提下,降低工藝復雜度,減少管路和閥門,降低設備投資和運行維護的成本,使一體化處理技術在經(jīng)濟落后的農(nóng)村地區(qū)也能適用。

農(nóng)村生活污水一體化處理技術發(fā)展趨勢

以處理量為5 t/d的小型污水處理一體化設備為基礎指標,綜合小型農(nóng)村生活污水的排放特點,以9~10戶三口之家每日的污水排放量為例,規(guī)定生活污水日平均排污量COD為100~400 mg/L,NH3-N為20~80 mg/L,TP為1.5~6 mg/L,對比幾種一體化技術的污染物去除性能和經(jīng)濟指標,結果如表1所示。由表1可知,一體化AAO工藝、一體化SBR工藝結構簡單,設備建成和運行費用少,適合對出水要求不高的大多數(shù)農(nóng)村地區(qū);一體化生物接觸氧化工藝、一體化生物轉(zhuǎn)盤工藝、一體化生物濾池工藝3種生物膜工藝設備規(guī)模小、耐沖擊的能力強,可在水質(zhì)、水量、氣候環(huán)境變化大,不穩(wěn)定的農(nóng)村地區(qū)使用;一體化MBR工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定、污染物去除率高,但工藝設備復雜、成本高,對運行維護有較高的要求,建議在我國東部經(jīng)濟條件較好的農(nóng)村地區(qū)使用。各地區(qū)可以此為參考,根據(jù)地方經(jīng)濟水平和環(huán)境特征選擇適宜的處理技術加以應用和推廣。

1 )GB 18918—2002中的排放標準。