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(xí)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(guān)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(shè)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(shè)施時,首先應(yīng)考慮當(dāng)?shù)厣钗鬯占⑻幚砑芭欧徘闆r,確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)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(shù)

一體化農(nóng)村污水處理設(shè)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(yù)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(shè)計普遍為圓罐型，這樣的設(shè)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(shè)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(shè)施的就近建設(shè)，減少管道安設(shè)的成本消耗。其二是預(yù)制特征，支持預(yù)先完成配件的安裝，運輸?shù)侥康牡?，直接組裝，便能夠時間投入應(yīng)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(yīng)用需求進行靈活組合，滿足應(yīng)用需求?？梢娨惑w化裝置的應(yīng)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(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(dāng)缺氧池體積發(fā)生變化時,化學(xué)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(shè)計了豎流式一體化反應(yīng)器(圖1)處理農(nóng)村生活污水,該反應(yīng)器將常規(guī)AAO工藝中單獨設(shè)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。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(fù)進行曝氣、反應(yīng)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(shè)置專門的排水設(shè)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(fù)雜度,張冰等[18]設(shè)計了無復(fù)雜出水裝置的一體化空氣提升SBR反應(yīng)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(biāo)COD、NH3-N、TN、TP均滿足GB 18918—2002二級標(biāo)準(zhǔn),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(jié)構(gòu)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(jié)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(biāo)準(zhǔn)。

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(yīng)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(chǔ)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(shè)計和借鑒的原型,對推動國內(nèi)一體化技術(shù)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(jié)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(fù)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(yīng)區(qū)。結(jié)果表明,該裝置的生物反硝化過程復(fù)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(shè)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(shù)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(shè)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(shè)備占地面積和運行成本增加。

盤體結(jié)構(gòu)優(yōu)化是生物轉(zhuǎn)盤工藝當(dāng)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(shù),如采用空間立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤盤片的“3D-RBC立體結(jié)構(gòu)生物轉(zhuǎn)盤技術(shù)”[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(guān)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(shù)[32],該工藝將生物氧化和SS截留結(jié)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(dǎo)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(shè)備運行參數(shù)和造價。王銘源等[36]考察濾速對一體化復(fù)合三級生物濾池污水處理效果的影響,結(jié)果表明,一體化復(fù)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(jié)合的新型污水處理技術(shù)[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(yīng)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(yīng)器的不同組合方式,可將MBR分為分置式、一體式及復(fù)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。

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(biāo)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(jié)構(gòu)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(biāo)并降低成本。如付麗霞等[43]設(shè)計了水解酸化-接觸氧化-MBR生物反應(yīng)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(shè)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(yīng),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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)。

農(nóng)村生活污水一體化處理技術(shù)發(fā)展趨勢

農(nóng)村分散式生活污水處理技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)宜采取分散處理與集中收集相結(jié)合的模式,不同農(nóng)村地區(qū)采用的處理技術(shù)應(yīng)具有經(jīng)濟性和環(huán)境適應(yīng)性。

農(nóng)村生活污水一體化處理技術(shù)發(fā)展要求

目前一些農(nóng)村地區(qū)采用的污水處理技術(shù)設(shè)施建設(shè)和運行成本高、運營能力不足,尚存在不能達標(biāo)排放或與農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平不適應(yīng)的現(xiàn)象,因此建議農(nóng)村生活污水一體化技術(shù)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(shè)備。分戶處理需考慮設(shè)施的需求處理量,以合理確定設(shè)計處理規(guī)模;集中污水處理站處理則需考慮管網(wǎng)鋪設(shè)難度,根據(jù)不同處理需求,可采用模塊化的處理設(shè)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(shù)。如在北方地區(qū),應(yīng)選擇適合冬季寒冷氣候的污水處理技術(shù),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(shù)如一體化設(shè)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(shè)備聯(lián)用,以實現(xiàn)遠程控制、無人值守、精準(zhǔn)加藥和曝氣、問題診斷功能等,確保水質(zhì)穩(wěn)定達標(biāo)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(biāo)準(zhǔn),選擇經(jīng)濟適用的污水處理技術(shù),在水質(zhì)達標(biāo)的前提下,降低工藝復(fù)雜度,減少管路和閥門,降低設(shè)備投資和運行維護的成本,使一體化處理技術(shù)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(shù)發(fā)展趨勢

以處理量為5 t/d的小型污水處理一體化設(shè)備為基礎(chǔ)指標(biāo),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(shù)的污染物去除性能和經(jīng)濟指標(biāo),結(jié)果如表1所示。由表1可知,一體化AAO工藝、一體化SBR工藝結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)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(shè)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(shè)備復(fù)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(shù)加以應(yīng)用和推廣。

1 )GB 18918—2002中的排放標(biāo)準(zhǔn)。