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        村鎮(zhèn)生活污水處理中存在的問題及分類處理方法

        2018-04-13 00:36:57劉秉濤張亞龍
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:村鎮(zhèn)污水處理凈化

        劉秉濤, 張亞龍

        (華北水利水電大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,河南鄭州 450045)

        近年來,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,村鎮(zhèn)地區(qū)生活污水的排放量越來越大,但相應(yīng)的污水處理設(shè)施建設(shè)跟不上經(jīng)濟發(fā)展的速度。據(jù)推算,農(nóng)村每年產(chǎn)生的生活污水總量約90億t,并且在不斷增加,造成了村鎮(zhèn)地區(qū)的河流湖泊和地下水的嚴重污染,水體富營養(yǎng)化等問題越來越嚴重。目前,國家對農(nóng)村污水處理的示范性工程主要集中在北上廣、江浙等經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),中西部地區(qū)雖然也在積極探索適宜的農(nóng)村污水治理工藝,但經(jīng)濟發(fā)展仍然是主要的制約因素[1]?,F(xiàn)行的城市污水處理技術(shù)可以達到出水標準,但污水的處理成本較高,不適合村鎮(zhèn)地區(qū)。因此,當(dāng)前開發(fā)投資少、運行費用低的污水處理技術(shù)成為目前村鎮(zhèn)污水處理發(fā)展的關(guān)鍵[2]。

        村鎮(zhèn)生活污水包含了建制鎮(zhèn)政府所在地的污水和村莊的污水,因此規(guī)模變化幅度大,地區(qū)差異明顯。很多村莊常住人口僅有數(shù)百人,每天生活污水排放量在數(shù)十立方米范圍內(nèi)。村鎮(zhèn)地區(qū)居民分布廣且分散,生活污水的水量、成分、污染物濃度與村鎮(zhèn)地區(qū)的生活水平、生活習(xí)慣等有關(guān)[3]。村鎮(zhèn)地區(qū)的生活污水有機物含量較高,可生化性好,水質(zhì)水量波動大,基本不含重金屬等有毒有害物質(zhì)[4],其水質(zhì)指標為:生化需氧量(BOD5)180~320 mg/L,化學(xué)需氧量(COD)265~520 mg/L,懸浮物(SS)濃度90~225 mg/L,氨態(tài)氮(NH3-N)濃度20~60 mg/L,總氮(TN)濃度25~80 mg/L,總磷(TP)濃度1.5~5.0 mg/L。

        1 村鎮(zhèn)生活污水處理存在的主要問題

        1.1 技術(shù)路線不合理

        雖然都是生活污水,但村鎮(zhèn)與城市不同,村鎮(zhèn)的人口規(guī)模小和居住分散、污水水量小、日變化系數(shù)大、水質(zhì)水量隨地區(qū)差異性大,使得在村鎮(zhèn)生活污水處理項目中不能照搬城市污水處理工程的設(shè)計選型經(jīng)驗。但是在實際工程中,很多設(shè)計單位或設(shè)計人員不考慮現(xiàn)實情況、敷衍了事直接照搬,把村鎮(zhèn)污水當(dāng)成了縮小規(guī)模的城市污水處理工程來做,結(jié)果項目建成后不能運行或長期穩(wěn)定運行。目前,在村鎮(zhèn)污水處理領(lǐng)域尚沒有規(guī)范的技術(shù)規(guī)程,不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間采用的處理工藝相差甚遠,導(dǎo)致同一地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的污水處理工藝各有不同。應(yīng)因地制宜,根據(jù)村鎮(zhèn)的功能、人口、地形地貌、地質(zhì)特點、氣候、排放要求和經(jīng)濟水平等,通過技術(shù)經(jīng)濟分析和比較,選擇簡單、經(jīng)濟、有效的處理技術(shù)。

        1.2 設(shè)計規(guī)模過大

        村鎮(zhèn)地區(qū)居住人口常發(fā)生較大變化,體現(xiàn)在青年人外出務(wù)工現(xiàn)象普遍,使得污水產(chǎn)生量與居住人口不一致,污水流量的季節(jié)性變化特別顯著。大多數(shù)村民使用井水,廚房和衛(wèi)生間沒有完善的水池和下水管道,洗完的水灑在院子路邊,所以收集較為困難?;S池大多數(shù)是無底化糞池,要進行改建,或者糞水用來澆菜,廁所排水很難收集。這些都會影響到污水處理站的設(shè)計規(guī)模,但在實際設(shè)計時,設(shè)計單位或者設(shè)計人員沒有考慮現(xiàn)實情況,導(dǎo)致某些村鎮(zhèn)生活污水處理工程設(shè)計規(guī)模遠超當(dāng)?shù)貙嶋H污水產(chǎn)生量,污水處理廠(站)超低負荷運行甚至間歇性運行,沒有取得良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。在實際工程設(shè)計中,應(yīng)充分結(jié)合村鎮(zhèn)居民的生活習(xí)慣、居住人口的變化特點,合理設(shè)計污水處理廠(站)的規(guī)模。

        1.3 廠網(wǎng)建設(shè)不同步

        村鎮(zhèn)地區(qū)管網(wǎng)建設(shè)落后并且建成后管網(wǎng)的收集率不高,特別是一些自然村居民產(chǎn)生的生活污水因無管道無法外排,使得一部分污水處理設(shè)施建成后無法正常運行,達不到設(shè)計要求的運行條件。雖然目前已有很多村鎮(zhèn)建有農(nóng)村新型社區(qū),但社區(qū)的入住率低,建成的污水處理設(shè)施也無法正常運行。因此,有必要制定村鎮(zhèn)污水收集管網(wǎng)的設(shè)計、施工及運行管理的規(guī)程,以保證污水處理設(shè)施的正常運行。

        1.4 施工質(zhì)量不合格

        大多數(shù)村鎮(zhèn)生活污水處理項目規(guī)模較小,資質(zhì)較高的大型施工企業(yè)參與意愿不高,導(dǎo)致村鎮(zhèn)生活污水項目的實際施工隊伍水平參差不齊,工程質(zhì)量不合格,構(gòu)筑物和設(shè)備跑冒滴漏嚴重,直接影響項目運行。

        1.5 運營監(jiān)管措施不到位

        目前我國農(nóng)村污水處理設(shè)施主要有3種運營模式:(1)建設(shè)單位負責(zé)運營;(2)專業(yè)運營公司負責(zé)運營;(3)村委會負責(zé)運營。實際運行中,由于村委會缺乏專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo),其負責(zé)運營的設(shè)施出水基本不能達標。同時,由建設(shè)單位和專業(yè)運營公司負責(zé)的污水設(shè)施也存在出水水質(zhì)不達標的問題。大多數(shù)農(nóng)村污水處理設(shè)施只是在建成驗收時進行進出水質(zhì)的測量,而對后期的運行維護措施監(jiān)管不到位,使得一些設(shè)施建成后基本無法正常運行,只是在檢查時開啟。因此,處理設(shè)施的維護是非常重要的,應(yīng)盡快制定農(nóng)村污水處理設(shè)施的運營監(jiān)管政策,以使污水處理設(shè)施能正常運營[5]。

        1.6 資金不足導(dǎo)致停用

        市縣級政府負責(zé)工程建設(shè)和設(shè)備購買安裝,運行維護的費用需要當(dāng)?shù)卮彐?zhèn)籌備。而大多數(shù)村鎮(zhèn)財政都比較困難,無法落實運營經(jīng)費,建好的污水處理設(shè)施只好停運或閑置。在城市生活污水和工業(yè)廢水雙重治理的壓力下,國家財政也很難顧及村鎮(zhèn)的污水治理領(lǐng)域[1]。因此,建立村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施運行資金保障機制,是當(dāng)前農(nóng)村污水處理的迫切任務(wù)。

        2 村鎮(zhèn)生活污水分類處理

        2.1 處理方式上“集中處理+分散處理”

        按照是否有管網(wǎng)收集,村鎮(zhèn)生活污水的處理可分為集中處理和分散處理。集中處理與城市生活污水類似,集中處理的服務(wù)范圍廣、處理水量大、需要居民參與的程度低[6];但集中處理需要大量鋪設(shè)污水管道,污水管網(wǎng)的建設(shè)費用一般占工程總費用的50%以上,在村鎮(zhèn)等人口密度較小的地方管網(wǎng)所占的費用將會更高[7]。因此,集中式污水處理模式在村鎮(zhèn)等地區(qū)的應(yīng)用受到很大的限制。分散處理的方式是由于村鎮(zhèn)人口密度小且不集中,污水收集管網(wǎng)建設(shè)費用高,且建成后的污水管道也可能因為水量小產(chǎn)生沉積導(dǎo)致堵塞。所以村鎮(zhèn)生活污水還可以在居民家中或居民點小范圍收集后進行直接處理,呈分散處理狀態(tài)。

        近年來,分散式污水處理模式在發(fā)達國家迅速發(fā)展。日本從1977年開始,實行農(nóng)村生活污水分散處理計劃,對不同形式的小型一體化污水分散處理設(shè)施進行了研究,后來開發(fā)的凈化槽技術(shù)在分散式生活污水處理中得到了廣泛應(yīng)用。1987年,美國國會通過了清潔水法的修正案,增補了非點源污染的控制大綱,同時美國國家環(huán)境保護局還于2002年出版了分散污水處理系統(tǒng)應(yīng)用手冊。目前,美國至少1/4的人口是由分散式污水處理系統(tǒng)提供生活污水處理服務(wù)的[8]。澳大利亞已有12%的居民采用化糞池進行村鎮(zhèn)生活污水處理[9]。德國從2003年起實施“分散市鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)”項目研究,利用膜生物反應(yīng)器凈化偏遠村鎮(zhèn)生活污水[10]。可見,分散式污水處理模式在發(fā)達國家發(fā)展迅速。

        我國于20世紀80年代開始,對分散式污水處理模式同樣進行了探索和實踐,如在太湖流域農(nóng)村生活污水開展了“厭氧水解+跌水充氧接觸氧化+生態(tài)塘+折板潛流式人工濕地組合技術(shù)”,“初沉池+蚯蚓生態(tài)濾池+潛流式人工濕地組合技術(shù)”及“厭氧發(fā)酵+生態(tài)土壤處理系統(tǒng)+蔬菜種植組合技術(shù)”為核心的示范工程建設(shè),并且取得了良好的有機物降解和脫氮除磷效果[11]。

        分散型污水處理模式可以與集中型污水處理模式相結(jié)合,如在廣東省揭陽市近年來大力推動農(nóng)村污水處理,采用“雨污分流”+無動力厭氧處理技術(shù)(圖1)。要求各家各戶都建設(shè)1個三級化糞池,糞渣在此沉淀,之后通過鋪設(shè)排污管網(wǎng)把各家各戶的污水收集到一起進行集中處理,管網(wǎng)采用PVC管材,并且對污水和雨水進行分流,已有678個村建設(shè)了“雨污分流”工程。系統(tǒng)無動力消耗,零成本運營,節(jié)省耕地,并且可以快速改變地下水質(zhì),出水可以達到GB 5084—2005《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準》、GB 18918—2016《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》。農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生得到了進一步的整治。

        2.2 處理技術(shù)上“因地制宜,經(jīng)濟適用”

        具體處理技術(shù)可以分為3種情況:經(jīng)濟較發(fā)達、基礎(chǔ)設(shè)施完善、環(huán)境敏感度高的村鎮(zhèn)生活污水處理技術(shù);村鎮(zhèn)規(guī)模大、環(huán)境敏感度較高的村鎮(zhèn)生活污水處理技術(shù);村鎮(zhèn)規(guī)模較小、環(huán)境敏感度一般的村鎮(zhèn)生活污水處理技術(shù),可以采用組合工藝及集成技術(shù),盡量滿足處理工藝簡短,設(shè)備簡單,維護需求低,出水水質(zhì)穩(wěn)定。

        2.2.1人工濕地人工濕地是在構(gòu)筑物內(nèi)中填充有利于微生物附著和植物生長的介質(zhì)(礫石、沸石、鋼渣等),地表種植蘆葦、美人蕉、菖蒲等水生植物,污水沿一定方向流過人工濕地,在微生物、土壤和植物的聯(lián)合作用下得到凈化。按結(jié)構(gòu)不同可將其分為表面流、潛流和垂直流3種類型,并各具優(yōu)缺點。其中,用于農(nóng)村生活污水處理的主要是表面流和潛流2種形式人工濕地[12]。人工濕地污水處理系統(tǒng)具有建設(shè)成本低、出水水質(zhì)好、維護簡單、幾乎沒有運行費用、生態(tài)環(huán)境良好等優(yōu)點(表1)。我國于1987年在天津首次建成占地6 hm2、處理規(guī)模為1 400 m3/d的蘆葦床濕地工程,其后該技術(shù)在我國得到了快速發(fā)展。目前,國內(nèi)利用該技術(shù)處理小城鎮(zhèn)污水、農(nóng)村污水及面源污水的成功實例頗多,同濟大學(xué)在上海市崇明區(qū)采用強化預(yù)處理一高負荷人工濕地處理生活污水,處理規(guī)模為3 000 m3/d,主要指標達到一級A排放標準。孫亞兵等對自動增氧型潛流人工濕地處理農(nóng)村生活污水的研究表明,COD、NH3-N、TP進水濃度分別在132.4~392.6、21.58~50.26、3.60~13.17 mg/L范圍內(nèi)變化時,COD、NH3-N、TP的去除負荷隨著進水濃度的升高而增大,其最高去除負荷分別為226.38、44.40、10.44 kg/(hm2·d),相應(yīng)的去除率分別為89.45%、88.93%、90.25%,且系統(tǒng)有較強的抗沖擊負荷能力[13]。

        表1 人工濕地的比較

        2.2.2土地處理系統(tǒng)土地處理是將經(jīng)過預(yù)處理的污水投配到地面下一定距離,在滲透性良好的地層中,通過土壤的毛細力、重力的作用下使得污水?dāng)U散運動,通過土壤物理截留、物化吸附、化學(xué)反應(yīng)、生物降解、動植物的作用而被凈化的處理系統(tǒng)。污水土地處理系統(tǒng)根據(jù)污水的投配方式及處理對象的不同,可以分為慢速滲濾(SR)、快速滲濾(RI)、地表漫流(OF)和地下滲濾(UG)系統(tǒng)4種類型(表2)。

        表2 土地處理系統(tǒng)的工藝特征

        土地滲濾系統(tǒng)建設(shè)容易,基建投資少,維護管理簡單,運行費用低,實際應(yīng)用可免提升。該技術(shù)設(shè)在地下,能保證冬季穩(wěn)定運行,不產(chǎn)生臭氣,便于污水就地處理和回用,該技術(shù)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。鄭彥強等對地下滲濾系統(tǒng)處理農(nóng)村生活污水的研究結(jié)果顯示,對COD、總磷、氨態(tài)氮、總氮、懸浮物在正常運行時出水平均濃度均滿足城鎮(zhèn)污水綜合排放標準的一級A標準,并且可以經(jīng)受一定的負荷變化[14]。該技術(shù)在國外也得到了廣泛的應(yīng)用,如日本已建成地下滲濾系統(tǒng) 20 000 余套;俄羅斯制定了工藝流程及相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。澳大利亞發(fā)展了“FILLTER”的高效污水灌溉系統(tǒng)。我國對土壤滲濾處理系統(tǒng)日益重視,在江浙、滇池和太湖等地區(qū)村鎮(zhèn)污水的治理工作中,較為廣泛地應(yīng)用了該技術(shù)[15-17]。但存在堵塞現(xiàn)象,并且對土質(zhì)的要求較高,如土質(zhì)通透性能、活性、水力負荷、處理效率等。因此,應(yīng)開發(fā)更加經(jīng)濟合理的人工濾料來達到更好的處理效果。

        2.2.3穩(wěn)定塘穩(wěn)定塘是一種利用天然凈化能力對污水進行處理的構(gòu)筑物總稱,主要利用菌藻共同作用處理廢水中的有機污染物和營養(yǎng)物質(zhì)。分為好氧塘、兼性塘和厭氧塘(表3)。目前,全世界已經(jīng)有近60個國家在使用穩(wěn)定系統(tǒng),德國和法國分別有各類穩(wěn)定塘3 000、2 000余座,而美國也有各類穩(wěn)定塘上萬座。我國有關(guān)穩(wěn)定塘的研究始于20世紀50年代末,目前該技術(shù)幾乎遍布全國各個地區(qū)(表4)。

        表3 不同穩(wěn)定塘運行結(jié)果比較

        表4 穩(wěn)定塘去除污染物機理

        在對穩(wěn)定塘進行改良的過程中,出現(xiàn)了許多新型塘,包括高效藻類塘、水生植物塘和養(yǎng)殖塘、高效復(fù)合厭氧塘、超深厭氧塘、生物濾塘等塘型。如同濟大學(xué)在太湖考察了高效藻類塘(high rate algae pond,HRAP)處理農(nóng)村污水的效果,水力停留時間為8 d,該系統(tǒng)對CODcr、TN、TP的平均去除率分別為69.4%、41.7%、45.6%,該工藝對NH3-N的處理效果很好,平均去除率達到了90.8%,具有良好的脫氮除磷效果[21-23](圖2)。研究人員還開發(fā)了許多組合塘工藝,與傳統(tǒng)生物法組合的UNITANK工藝+生物穩(wěn)定塘、水解酸化+穩(wěn)定塘工藝和折流式曝氣生物濾池+穩(wěn)定塘工藝等,各類塘型組合的多級串聯(lián)塘、生態(tài)綜合塘、高級綜合塘系統(tǒng)等。

        2.3 小型一體化水處理裝置

        一體化污水處理裝置技術(shù)起源于日本,在日本被稱為凈化槽技術(shù)。日本的凈化槽主要在排水管網(wǎng)不能覆蓋、污水無法納入集中處理設(shè)施進行統(tǒng)一處理的偏遠地區(qū)推廣使用。凈化槽與城市污水管網(wǎng)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)村落排水設(shè)施、社區(qū)污水處理設(shè)施等共同構(gòu)成日本四大污水處理系統(tǒng)。凈化槽技術(shù)在治理日本的分散型生活污水、實現(xiàn)環(huán)境保護目標方面發(fā)揮了重要作用。

        凈化槽的發(fā)展經(jīng)歷了單獨處理凈化槽、合并處理凈化槽、深度處理凈化槽等幾個階段。單獨處理凈化槽為僅處理糞便的凈化裝置,隨著經(jīng)濟的發(fā)展,已經(jīng)禁止生產(chǎn)和安裝[24]。合并處理凈化槽既能處理糞便又能處理生活雜排水,出水BOD5<20 mg/L,TN濃度<20 mg/L以下(圖3),通過安裝合并處理凈化槽可以實現(xiàn)生活污水的就地處理達標排放[25]。

        目前深度處理凈化槽技術(shù)已經(jīng)非常成熟,出水可以達到BOD5<10 mg/L、TN濃度<10 mg/L、TP濃度<1 mg/L的水平(圖4)。采用浸沒式平板膜組件,依靠先進的MBR工藝,

        在1個反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)對COD、BOD5、氨態(tài)氮、總磷和懸浮物的有效去除,處理出水達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》規(guī)定的一級A標準[26]。

        凈化槽等一體化污水處理裝置投資少、見效快,可以實現(xiàn)污水的就地處理和達標排放,在排水管網(wǎng)不能覆蓋的地區(qū)推廣使用,可以減少地表水的污染負荷,是治理分散型生活污水的有效方法。深度處理設(shè)施還可以實現(xiàn)污水的就地處理、就地回用,有利于解決缺水地區(qū)的用水問題。

        3 結(jié)語

        隨著環(huán)境問題的加劇,村鎮(zhèn)地區(qū)的生活污水和工業(yè)廢水已成為環(huán)境的主要污染源,村鎮(zhèn)地區(qū)已成為污水治理的新陣地。由于社會經(jīng)濟發(fā)展水平以及地域的差異,不同類型村鎮(zhèn)的村委會和鎮(zhèn)(鄉(xiāng))政府以及當(dāng)?shù)鼐用駥ι钗鬯幚淼囊庠赋识鄻踊煌饔虻呐欧艠藴?、村?zhèn)周圍的水體環(huán)境敏感度也有差別,因此開發(fā)適合于村鎮(zhèn)地區(qū)污水處理的技術(shù)時,應(yīng)遵循“因地制宜,經(jīng)濟適用,維護簡單”的原則。隨著污水處理進程的推進,村鎮(zhèn)地區(qū)污水處理產(chǎn)生的污泥也日益增多,應(yīng)加快研發(fā)適合村鎮(zhèn)的分散型污泥處理處置方法與技術(shù)政策,避免出現(xiàn)城市污水處理廠的污泥處理處置問題在村鎮(zhèn)污水處理中重復(fù)出現(xiàn)。

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