馮中營(yíng) 王子榮 王烽宇 劉美琴 柴立臣 馬淼 寧健 趙婷婷

1、太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系 2、山西衛(wèi)安環(huán)保科技股份有限公司

引言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市和農(nóng)村的污水產(chǎn)出量越來(lái)越多，江河湖泊也遭遇到富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題，水資源的污染是不可忽視的問(wèn)題。之前的農(nóng)村水體基本可以通過(guò)自然凈化，而現(xiàn)代農(nóng)村也越來(lái)越需要引入污水處理設(shè)備，以便使農(nóng)村污水在排放前得到有效的處理，保護(hù)農(nóng)村優(yōu)美的環(huán)境?？栈且环N復(fù)雜的物理現(xiàn)象，空化產(chǎn)生的瞬間高溫、高壓可以有效地促進(jìn)污水處理，水力空化作為一種低能耗的空化方式已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的推廣應(yīng)用。本文主要探討水力空化技術(shù)在農(nóng)村污水處理中的應(yīng)用。

1 水力空化

空化為液體內(nèi)發(fā)生的一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，當(dāng)液體內(nèi)某一局部的壓強(qiáng)降低時(shí)，在液體內(nèi)部將出現(xiàn)空化氣泡的形成、發(fā)展和潰滅的過(guò)程。利用空化處理污水為現(xiàn)代興起的一種污水處理方案，產(chǎn)生空化的方法有超聲空化、水力空化、光空化、粒子空化等，其中研究最為廣泛的為超聲空化，但超聲空化的能耗高、處理量少，極大地限制了超聲空化的應(yīng)用與發(fā)展。水力空化具有處理量大，能耗低的特點(diǎn)，因此在實(shí)際污水處理過(guò)程中具有很大的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景[1,2]。

當(dāng)液體中的壓強(qiáng)分布不均勻，具有高壓區(qū)與低壓區(qū)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生水力空化的空化泡，當(dāng)空化泡潰滅時(shí)在其周圍會(huì)產(chǎn)生異常的超高溫度和超高壓強(qiáng)，高能量能夠破壞物質(zhì)的化學(xué)鍵從而使得水分子產(chǎn)生高活性的羥自由基和氫自由基，這些自由基具有極強(qiáng)的化學(xué)活性；伴隨空化效應(yīng)的沖擊流作用和微射流作用在液體中產(chǎn)生巨大的擾動(dòng)，有利于化學(xué)反應(yīng)充分進(jìn)行；瞬間高溫效應(yīng)也能破壞分子的化學(xué)鍵[3-7]。這些都有利于水力空化在污水處理中的應(yīng)用[8-13]。

2 農(nóng)村污水處理

各個(gè)城市的污水基本全部經(jīng)過(guò)污水處理廠，而農(nóng)村污水一直缺乏有效的處理，農(nóng)村也很難建立類似于城市中的污水處理廠。因此，農(nóng)村污水處理具有“沒(méi)人處理、沒(méi)錢處理、沒(méi)技術(shù)處理”三大特點(diǎn)，此外農(nóng)村村民對(duì)農(nóng)村污水設(shè)施的不認(rèn)同感也是待解決的難題，因此選擇合適的污水處理工藝和運(yùn)營(yíng)管理模式是有效解決農(nóng)村污水處理問(wèn)題的關(guān)鍵。

污水處理企業(yè)必須緊跟國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)保形勢(shì)的變化，調(diào)整自身研究目標(biāo)和發(fā)展方向，明確適應(yīng)農(nóng)村環(huán)境和方便農(nóng)村運(yùn)營(yíng)的農(nóng)村污水處理方案。根據(jù)北方農(nóng)村污水特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)“農(nóng)村污水處理方案及第三方運(yùn)營(yíng)技術(shù)”和“農(nóng)村引用水保護(hù)技術(shù)”。其中孝義市農(nóng)村污水綜合利用項(xiàng)目作為全國(guó)示范項(xiàng)目得到了住建部、環(huán)境生態(tài)部等部門(mén)的高度認(rèn)可。

3 農(nóng)村污水處理一體化設(shè)備

為適應(yīng)農(nóng)村污水處理，研制了基于水力空化技術(shù)的農(nóng)村污水處理一體化設(shè)備，此裝置融合了多項(xiàng)水力空化相關(guān)的污水處理技術(shù)，將傳統(tǒng)厭氧-缺氧-好氧法污水處理工藝的效率提升數(shù)倍的同時(shí)，該設(shè)備總運(yùn)行功率不到900W，為以太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源作為發(fā)電技術(shù)提供可能，后續(xù)污水深度處理與農(nóng)村景觀的結(jié)合，在為村莊建立“村級(jí)活動(dòng)中心”解決村民對(duì)污水設(shè)備認(rèn)同感問(wèn)題的同時(shí)，還為農(nóng)民朋友提供了休閑場(chǎng)所。污水處理運(yùn)營(yíng)采用互聯(lián)網(wǎng)模式，將單站運(yùn)行費(fèi)用降至最低1萬(wàn)元/年，因此在人均收入水平偏低的農(nóng)村也可以得到有效的利用和推廣。

3.1 工藝特點(diǎn)

農(nóng)村在規(guī)模、區(qū)域、管理等方面的水污染治理特殊性，決定了適合其進(jìn)行污水處理的方式、方法必須適應(yīng)農(nóng)村的要求。

（1）設(shè)備模塊化。因地制宜，水力空化污水處理一體化設(shè)備是一種具有較廣泛應(yīng)用的污水處理設(shè)備。既節(jié)省投資，又便于管理。將厭氧、缺氧、好氧三個(gè)污水處理池整合在一個(gè)整體裝置中，便于搬運(yùn)、安裝與移動(dòng)。

（2）運(yùn)行費(fèi)用低。采用“風(fēng)光互補(bǔ)”“利用太陽(yáng)能的曝氣裝置”等節(jié)能工藝，降低運(yùn)行費(fèi)用。利用太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生電能，可以在無(wú)電源的地方無(wú)需專門(mén)布置電源線便可以利用該水力空化污水處理一體化設(shè)備，太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能驅(qū)動(dòng)永磁直流電機(jī)，進(jìn)而使高壓風(fēng)機(jī)工作，最終促使水力空化裝置產(chǎn)生空化效應(yīng)，空化產(chǎn)生的瞬間超高溫、瞬間超高壓強(qiáng)能夠極大的促進(jìn)污水處理。

（3）剩余污泥量少。采用“水力空化協(xié)同微堿處理生化污泥的一體化減泥機(jī)處理系統(tǒng)”來(lái)減少污泥。污泥為污水處理過(guò)程最后的剩余產(chǎn)物，大量的污泥無(wú)法處理最終造成對(duì)環(huán)境的污染，因此在污水處理過(guò)程中，要盡量減少污泥的產(chǎn)出量。傳統(tǒng)的污泥減量技術(shù)有機(jī)械法、化學(xué)法及生物法等，但這些傳統(tǒng)方法的效果并不令人滿意。通過(guò)水力空化效應(yīng)與污水污泥處理過(guò)程中加入微量堿進(jìn)行聯(lián)合處理，可以使污泥的產(chǎn)出量大為減少。

為檢驗(yàn)水力空化與微堿聯(lián)合處理污水在減少污泥中的作用，進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在某市政污水處理廠取樣新鮮污泥1m3，將采取的污泥樣品置于一圓柱形反應(yīng)容器中，在該反應(yīng)器中安裝水力空化反應(yīng)裝置。處理前，對(duì)污泥樣品進(jìn)行采樣檢測(cè)，測(cè)得其pH值為6.8，總固體（TS）含量為6800 mg/L，總化學(xué)需氧量（TCOD）為5300 mg/L，溶解性化學(xué)需氧量（SCOD）小于100 mg/L，溶解度小于2%。選取帶動(dòng)水力空化裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)功率為0.2 kW。控制污泥樣品的pH值初始數(shù)值為9，電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)0.5 h，耗電能0.1 kWh（按每kWh 0.5元估算，電能消耗費(fèi)用為0.05元）；此時(shí)，對(duì)污泥樣品進(jìn)行采樣檢測(cè)，測(cè)得其pH值為9，SCOD為898.1 mg/L，溶解度為16.94%。電機(jī)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3小時(shí)，耗電能0.6 kWh（按每kWh 0.5元估算，電能消耗費(fèi)用為0.3元）；此時(shí)，對(duì)污泥樣品進(jìn)行采樣檢測(cè)，測(cè)得其pH值為7.6，SCOD為1938.3 mg/L，溶解度為36.57%。由該實(shí)驗(yàn)可以看到水力空化與微量堿聯(lián)合處理污泥起到了非常好的效果，而且能耗非常低。

為進(jìn)一步驗(yàn)證水力空化與微量堿聯(lián)合在實(shí)際污水處理廠中的應(yīng)用，在某一個(gè)處理能力達(dá)20000 m3的污水處理廠，安裝水力空化裝置并在該廠污水處理池中投入微量堿來(lái)控制pH值。由于污水處理量很大，因此我們用了兩臺(tái)水力空化設(shè)備同時(shí)工作，每臺(tái)設(shè)備的功率為1.5 kW，水力空化設(shè)備每天工作時(shí)間為16 h，每天耗電能24 kWh（按每kWh 0.5元估算，每天電能消耗費(fèi)用為12元）。為控制pH值，每天需在污水處理池內(nèi)投入NaOH 50公斤。水力空化設(shè)備運(yùn)行3個(gè)月后，該污水處理廠的污泥日排量由之前的16噸減少為3噸，使得該污水處理廠污泥由之前的每天往外運(yùn)輸減為一周僅需往外運(yùn)輸一次污泥。在每月水力空化的電能消耗僅為360元的情況下，水力空化為該污水處理廠帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)污泥產(chǎn)量大為減少也帶來(lái)了巨大的社會(huì)效益。

（4）管理簡(jiǎn)單方便。運(yùn)用在線監(jiān)控模式管理污水處理站，使其一年四季維持在最佳運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 處理模式

我國(guó)農(nóng)村分布總體呈三種分布特點(diǎn)：?jiǎn)螒舴稚?、鄉(xiāng)鎮(zhèn)村落集中分布、臨近城區(qū)分布，在這樣的社會(huì)環(huán)境下，農(nóng)村生活污水處理模式也就分為兩種類型：多戶分散處理模式和多村集中處理模式。

（1）多戶分散處理模式。此種農(nóng)村生活污水處理模式適用于單戶或者幾家?guī)讘舨捎眯⌒蜕钗鬯幚碓O(shè)備或自然處理的形式，這類模式主要用于人口密度稀少、地形條件復(fù)雜、污水不易集中收集的村莊進(jìn)行生活污水處理。例如：庭院式分散處理、街道式局部集中就地處理等。

（2）多村集中處理模式。此種農(nóng)村生活污水處理模式適用于污水排放量較大、人口密度大、遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的地區(qū)。該處理模式與城市污水處理站類似，通常采用水力空化與生物生態(tài)組合處理等工藝形式。例如：C村人口較多，適宜建設(shè)污水處理站，A村、B村人口較少，所以將A村、B村的污水分別收集后運(yùn)輸?shù)紺村污水處理站進(jìn)行處理。

3.3 運(yùn)行模式

物聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)營(yíng)管理模式。農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)片區(qū)一體化治污設(shè)施的運(yùn)行監(jiān)管尤其重要，只有充分利用自動(dòng)化信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，節(jié)省人力資源及運(yùn)營(yíng)成本，對(duì)運(yùn)行過(guò)程無(wú)縫監(jiān)管才能保證污水站實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。水力空化污水處理一體化智能管理系統(tǒng)適合農(nóng)村各種生活污水處理應(yīng)用場(chǎng)合。

優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)：（1）水力空化污水處理一體化設(shè)備采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)對(duì)分散的處理設(shè)施的區(qū)域管理。（2）實(shí)時(shí)顯示工藝運(yùn)行情況與主要水力空化設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)操作或運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，由現(xiàn)場(chǎng)專業(yè)運(yùn)營(yíng)人員值守變?yōu)闊o(wú)人值守模式。（3）水力空化設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及所發(fā)生故障的時(shí)間與類型等信息會(huì)以及時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)的形式呈現(xiàn)給相關(guān)管理人員及機(jī)構(gòu)。