徐玉璐, 周 凱, 吳為旭

(安徽舜禹水務(wù)股份有限公司, 安徽 合肥 231131)

我國農(nóng)村生活污水主要來源為廚房污水、洗滌污水和沖廁水,污水量一天中波動較大,春夏季節(jié)雨水多,農(nóng)村生活污水中BOD5、COD、總磷、總氮、氨氮等污染物濃度較低,而秋冬季節(jié)雨水少,污染物含量相對偏高。 農(nóng)村生活污水的處理方法主要有生態(tài)處理法(人工濕地、生態(tài)濾池、生態(tài)塘、土壤滲濾)、生物法(活性污泥法、生物膜法)和一體化污水處理裝置(凈化槽、MBR 膜生物反應(yīng)器),不同工藝技術(shù)在不同農(nóng)村地區(qū)污水處理均有應(yīng)用與實踐。 呼永鋒[1]將AO+MBR 工藝用于分散式農(nóng)村污水處理,對水中主要污染物去除效果明顯,可用于出水水質(zhì)要求高或有回用需求的地區(qū)。 周凱[2]的研究表明人工濕地對農(nóng)村污水中氮、磷的去除效果顯著。 郭壹[3]采用AO+石英砂濾池的工藝處理農(nóng)村生活污水,出水COD、氨氮、總氮和總磷可達(dá)到GB 18918—2002 的一級B 標(biāo)準(zhǔn)。

農(nóng)村污水處理技術(shù)不能照搬城市污水處理廠,要結(jié)合實際情況,差異化定制[4]。 針對小型污水處理場站水量小,點位分散,波動大的特點,采用智慧化運維方式,可大幅提高運維及管理效率[5-6]。 安徽省某農(nóng)村地區(qū)污水處理站點,設(shè)計總規(guī)模為50 m3/d,主要處理該區(qū)域內(nèi)村民生活污水,污水站主要采用生物處理+生態(tài)強(qiáng)化的技術(shù)路線。

1 生物+生態(tài)工藝技術(shù)研究

1.1 設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)

場站進(jìn)水為當(dāng)?shù)鼐用裆钗鬯?設(shè)計出水達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A 標(biāo)準(zhǔn),場站設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)見表1。

表1 場站設(shè)計進(jìn)出水水質(zhì)Tab.1 Station design inlet and outlet water quality

1.2 工藝技術(shù)

場站采用“生物處理+生態(tài)強(qiáng)化”,污水處理工藝為格柵調(diào)節(jié)池+一體化污水處理設(shè)備(改良型AAO)+人工濕地+紫外消毒渠及出水井,污泥處理工藝為將污泥自然風(fēng)干后用于園林綠化或土壤改良。 具體工藝流程見圖1。

圖1 污水處理站工藝流程Fig.1 Process flow of sewage treatment station

生活污水經(jīng)管道匯至格柵渠,去除較大顆粒性雜物及漂浮物,隨后污水進(jìn)入調(diào)節(jié)池,調(diào)節(jié)污水水質(zhì)、水量,調(diào)節(jié)池污水提升至一體化污水處理設(shè)備進(jìn)行生化反應(yīng)及物理過濾,實現(xiàn)有機(jī)物、懸浮物、N、P等污染物去除,出水進(jìn)入人工濕地進(jìn)一步生態(tài)強(qiáng)化處理,濕地出水進(jìn)入紫外消毒渠消毒后排放至附近水體或管網(wǎng)。 場站產(chǎn)生的污泥經(jīng)污泥干化池自然風(fēng)干后可用于園林綠化或土壤改良。

1.3 主要設(shè)計參數(shù)

1.3.1 格柵調(diào)節(jié)池

格柵是用來去除可能堵塞水泵機(jī)組及管道閥門的較粗大懸浮物,并保證后續(xù)處理設(shè)施能正常運行。設(shè)計采用不銹鋼格柵網(wǎng),柵條間隙8 mm。

污水生物處理對水質(zhì)、水量和沖擊負(fù)荷較為敏感,需設(shè)計適當(dāng)尺寸的調(diào)節(jié)池。 格柵渠與調(diào)節(jié)池合建,采用地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),尺寸4.6 m×2.6 m×4.5 m,有效水深3 m,停留時間12.6 h。

1.3.2 一體化污水處理設(shè)備

一體化污水處理設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu),智能化控制程度高,可根據(jù)來水量及工程現(xiàn)場條件“量身定做”,功能包括多重高效生物凈化池、高效沉淀池、氣動循環(huán)區(qū)、排空排泥裝置等,可應(yīng)用高效復(fù)合生物菌群去除COD、N、P 等污染物,并利用富余的氣體實現(xiàn)硝化液回流,設(shè)備工藝流程見圖2。

圖2 一體化污水處理設(shè)備工藝流程Fig.2 Integrated wastewater treatment equipment process flow

該系統(tǒng)本身含設(shè)備間,配備完整自控系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)等,無需其他輔助用房,可最大限度減少土建設(shè)施。 設(shè)備生化區(qū)采用接觸氧化法,容積負(fù)荷高、耐負(fù)荷沖擊能力強(qiáng),同時強(qiáng)化了有限池容及低溫季節(jié)的硝化能力。 生化區(qū)投加彈性填料,前置缺氧區(qū)、前置好氧區(qū)、后置缺氧區(qū)、后置好氧區(qū)設(shè)有曝氣裝置,采用管式曝氣。 一體化污水處理設(shè)備采用地上設(shè)施,具體參數(shù)見表2。

表2 一體化設(shè)備設(shè)計參數(shù)Tab.2 Integrated equipment design parameters

本工程采用的一體化設(shè)備主要特點有：

① 穩(wěn)定高效：系統(tǒng)采用的工藝是在傳統(tǒng)AAO基礎(chǔ)上,增加后置缺氧和后置好氧區(qū),形成了AAOAO 的工藝技術(shù),強(qiáng)化脫氮的同時,大大提高了系統(tǒng)的抗沖擊能力和運行穩(wěn)定性。

② 多模式運行：前置缺氧區(qū)、前置好氧區(qū)、后置缺氧區(qū)、后置好氧區(qū)均設(shè)有曝氣裝置,可根據(jù)實際需求,調(diào)整曝氣閥門,實現(xiàn)多模式、多工藝運行,工藝調(diào)整靈活。 例如,在初期調(diào)試階段,可以全曝氣模式,在后期可根據(jù)實際進(jìn)水水質(zhì)情況,對工藝進(jìn)行調(diào)整,如AO、AAO、AOAO 等。

③ 經(jīng)濟(jì)節(jié)能：模塊化污水處理系統(tǒng)內(nèi)只配有電磁曝氣設(shè)備,即可實現(xiàn)所有動能的供給。 充分利用風(fēng)機(jī)供氧時產(chǎn)生的富余氣體,通過氣提回流裝置可實現(xiàn)硝化液回流,減少了整套系統(tǒng)對機(jī)械設(shè)備的過度依賴,運行經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

④ 模塊化設(shè)計：系統(tǒng)采用模塊化方式,復(fù)制性強(qiáng),可根據(jù)不同的進(jìn)水水質(zhì)及出水要求,填充不同工藝模塊。

⑤ 智能裝配：將設(shè)備間內(nèi)置在系統(tǒng)內(nèi),通過智能化裝配,實現(xiàn)系統(tǒng)一鍵式的聯(lián)動,設(shè)備操作簡便。

⑥ 水質(zhì)提升便捷：系統(tǒng)預(yù)留空白模塊,如有水質(zhì)提升需求,可直接在設(shè)備內(nèi)增設(shè)深度提升模塊,相較于混凝土池體,避免重復(fù)投資,也可大大縮短施工周期。

1.3.3 人工濕地

人工濕地對有機(jī)物、N、P、懸浮物均有一定去除效果。 按照污水流動方式,人工濕地分為表面流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直潛流人工濕地。三種濕地對污染物的去除效果見表3。 從上表可以看出,垂直潛流人工濕地對污染物的去除效率最好,因此本工程采用垂直潛流人工濕地。

表3 人工濕地系統(tǒng)對污染物去除效率Tab.3 Efficiency of pollutant removal in constructed wetland systems

本方案選用不同粒徑的礫石作為人工濕地的填料,填料共分為兩層,下層為粒徑50～80 mm 的級配礫石,厚度為0.35 m,上層為粒徑30 ～60 mm 的級配礫石,厚度為0.35 m。 為防止濾料堵塞,濕地內(nèi)設(shè)置排泥清淤通道、復(fù)氧通道及沖洗通道,根據(jù)濕地運行情況定期對濕地進(jìn)行沖洗。 本工程選擇去污能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)和觀賞性好,適應(yīng)本地區(qū)氣候條件的香蒲、黃菖蒲、美人蕉、金錢草等植物,同時根據(jù)植物生長情況定期修整,保證濕地的整體運行效果。人工濕地采用半地下式鋼砼結(jié)構(gòu),尺寸為9.9 m×6.6 m×1.2 m,有效水深0.9 m,停留時間24.6 h。

1.3.4 紫外消毒渠及出水井

本工程中紫外消毒渠與出水井合建,出水井可用于污水排放、收集取樣檢測以及方便運維人員的定期檢查、清理雜物和后期養(yǎng)護(hù)。 紫外消毒渠及出水井采用半地下式磚砌結(jié)構(gòu),總尺寸為4.26 m×1.48 m×1 m。

1.3.5 污泥干化池

一體化污水處理設(shè)備采用的工藝屬生物膜法范疇的具有高效生物脫氮除磷的(改良型AAO)工藝,該工藝污泥產(chǎn)生量小,根據(jù)實際處理水量、水質(zhì)等情況進(jìn)行定期排泥,同時污泥性質(zhì)較為穩(wěn)定,可不進(jìn)行消化。 本工程采用污泥干化池進(jìn)行污泥干化處理,污泥干化池中上部填充砂石濾料,泥水混合液經(jīng)過該濾層后,上層污泥經(jīng)自然風(fēng)干后可用于園林綠化或土壤改良,過濾后的池內(nèi)上清液回流至調(diào)節(jié)池繼續(xù)進(jìn)行污水處理。 污泥干化處置方式流程簡單、投資低、后期管理方便,更適合分散型農(nóng)村污水處理工程中的污泥處置。

污泥干化池采用半地下式鋼砼結(jié)構(gòu),尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m。 干化池采用上中下三層結(jié)構(gòu)設(shè)計,下層為濾液層,高度為0.5 m,中層為濾料層,濾料層分兩層設(shè)計,濾料層下層為粒徑30 ～50 mm的鵝卵石,厚度為0.5 m,上層為粒徑5 ～10 mm 的砂石層,厚度為0.2 m,上層為污泥干化層,高度為0.3 m。 設(shè)備排出的污泥含水率約99.2%,污泥產(chǎn)量約0.53 m3/d,干化后的污泥含水量約80%,污泥產(chǎn)量約0.021 m3/d。 根據(jù)污泥干化池過濾、干化情況,運維人員定期進(jìn)行清除、翻整,保證干化池的過濾干化效果。

1.4 運維方式

為杜絕“曬太陽”工程的出現(xiàn),農(nóng)村污水處理場站的運維需遵循三分建、七分管的原則。 本工程改變以往區(qū)縣主管部門監(jiān)管、專業(yè)運維團(tuán)隊運管的兩點式模式,結(jié)合《合肥市農(nóng)村生活污水治理設(shè)施運行維護(hù)管理辦法(試行)》,提出“四管一體”模式,即區(qū)縣政府“監(jiān)管”、鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府“主管”、村級組織“協(xié)管”、專業(yè)運維單位“專管”,村民作為最終的受益主體。 此模式充分發(fā)揮各級組織能動性,實現(xiàn)上下聯(lián)動,有效保障農(nóng)村污水項目的順暢實施。 其中,設(shè)置“村級協(xié)管員”是其中非常重要的環(huán)節(jié),也是對農(nóng)村污水處理項目運維管理模式的積極探索和實踐。

農(nóng)村污水處理場站點多面廣,同時存在交通不便、專業(yè)人員緊缺、運維成本高等問題,本工程采用智慧化運營管理結(jié)合人工巡檢的方式,采用“線上+線下”雙管齊下的運營方式,保障污水處理場站的長效穩(wěn)定運行。 智慧運維管理平臺依托云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng),深度結(jié)合AI、GIS、AR/VR 等技術(shù),實現(xiàn)全員軌跡安全跟蹤,全程設(shè)備智能控制,全面資源統(tǒng)籌調(diào)度,全方位安防保障的“四全”體系,同時采用多方式、多級別智能通知,達(dá)到問題發(fā)現(xiàn)及時、跟進(jìn)及時、解決及時的“三及時”效果。 系統(tǒng)通過三維仿真、圖形曲線、多維數(shù)表等直觀數(shù)據(jù)表達(dá)方式,讓管理人員足不出戶掌控污水處理場站的運行情況,為管理決策提供科學(xué)依據(jù)。 運行維護(hù)便捷化、無人化、透明化,有效降低運營成本,減輕工作負(fù)荷,減少人員數(shù)量,提升管理水平。 智慧運維平臺可實現(xiàn)的主要功能有遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、掌上巡檢、故障報警、統(tǒng)計報表、人車軌跡等。

2 運行結(jié)果及討論

該座污水處理場站自2020 年5 月進(jìn)入運維期以來,運行狀態(tài)良好,場站進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)見表4。生物處理+生態(tài)強(qiáng)化污水處理場站對污水中CODCr、BOD5、NH3-N、TN、TP、SS 等污染物具有較好地去除效果,去除率分別為83.5%、95%、83.3%、54.6%、80.2%、96.4%。 場站出水水質(zhì)有波動,但整體運行效果較為穩(wěn)定,出水可達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A 標(biāo)準(zhǔn)。

表4 場站進(jìn)出水水質(zhì)Tab.4 Water quality of station inlet and outlet

3 工程效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

污水處理系統(tǒng)充分利用曝氣泵供氧時產(chǎn)生的富余氣體,通過氣提回流裝置實現(xiàn)硝化液回流,系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)節(jié)能,按照當(dāng)?shù)仉妰r0.7 元/kWh,折合噸水處理費用僅為0.33 元。 同時,場站出水可用于綠化、灌溉,場站產(chǎn)生的少量污泥可用于園林綠化或土壤改良,響應(yīng)國家政策,充分進(jìn)行資源化利用,具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 環(huán)境效益

污水處理工程建成后,將大大降低農(nóng)村污水對環(huán)境的污染,明顯改善水質(zhì)感官效果,每年消減COD 3.02 t、BOD52.37 t、NH3-N 0.25 t、TN 0.25 t、TP 0.03 t、SS 2.96 t,環(huán)境效益明顯。

3.3 社會效益

污水處理工程建成運行后,有利于改善水體的環(huán)境質(zhì)量,減小對周邊地區(qū)居民的影響,提高居民的健康水平。

4 結(jié)論

① 針對農(nóng)村分散式污水處理,運用生物處理+生態(tài)強(qiáng)化的技術(shù)路線,采用一體化污水處理場站+人工濕地的建設(shè)形式,對污水中的污染物質(zhì)具有良好去除效果。 出水可穩(wěn)定達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的一級A 標(biāo)準(zhǔn)。

② 針對農(nóng)村污水處理場站運維管理,改變以往“兩點式”管理模式,提出“四管一體”的管理方式,同時針對農(nóng)村污水站點多面廣的特點,建設(shè)智慧化運維平臺,采用線上智慧運維+線下人工巡檢的方式,可實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)污水設(shè)施的遠(yuǎn)程管理,解決了設(shè)施管理需求不斷增長和管理資源有限之間的矛盾,同時保障污水處理設(shè)施長久穩(wěn)定運行。

③ 本工程工藝技術(shù)與運維管理方式可為分散式污水處理提供參考,尤其適用于管網(wǎng)難以鋪設(shè)的高速公路、美麗鄉(xiāng)村、居民小區(qū)、旅游風(fēng)景區(qū)、農(nóng)家樂、別墅小區(qū)等的污水處理及中水回用工程,場站建成運行后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益顯著。