劉曉永,吳啟堂,曹姝文
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué),廣東 廣州 510642;2.廣州市環(huán)境保護(hù)工程設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510115)
粵北區(qū)域受制于崇山峻嶺,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平稍落后于珠三角地區(qū),而近年來(lái)粵北東源縣經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,人民生活水平不斷提高,農(nóng)村人居生態(tài)環(huán)境惡化,其中農(nóng)村生活污水問(wèn)題成為農(nóng)村環(huán)境問(wèn)題的核心,民眾迫切要求改變農(nóng)村環(huán)境,改變農(nóng)村環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重滯后、生活污水污染嚴(yán)重等問(wèn)題。為響應(yīng)黨的十九大“鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略”的要求[1],落實(shí)廣東省環(huán)境保護(hù)“十三五”規(guī)劃的要求[2],本著早治理早受益的原則,推進(jìn)粵北農(nóng)村污水綜合整治是一件迫在眉睫的大事。
選擇適當(dāng)?shù)奈鬯幚砑夹g(shù)是農(nóng)村生活污水處理的關(guān)鍵。針對(duì)農(nóng)村生活污水排放分散、來(lái)源廣、總量巨大,逐年增加且水質(zhì)水量波動(dòng)大的特點(diǎn)[3- 5],以及農(nóng)村地區(qū)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱、從業(yè)人員水平和管理水平較低的現(xiàn)狀,需選擇能夠滿足達(dá)標(biāo)排放且經(jīng)濟(jì)適用、運(yùn)行簡(jiǎn)便、維護(hù)管理簡(jiǎn)單的處理工藝[6]。與傳統(tǒng)污水處理工藝相比,人工濕地技術(shù)因其基建投資費(fèi)及運(yùn)行費(fèi)低,運(yùn)行操作簡(jiǎn)便,耐沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),去除能力強(qiáng)等特點(diǎn),近年來(lái)在華南農(nóng)村地區(qū)倍受歡迎[7]。一些學(xué)者采用人工濕地工藝結(jié)合厭氧水解等多種方式來(lái)進(jìn)行農(nóng)村生活污水的處理[8- 10]?;跂|源縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村實(shí)際情況,筆者認(rèn)為“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動(dòng)力”組合工藝較為適合于粵北農(nóng)村污水處理,方法實(shí)用有效。
東源縣整縣推進(jìn)城鄉(xiāng)環(huán)境綜合整治項(xiàng)目,總投資規(guī)模約5.1億,項(xiàng)目位于東源縣轄區(qū)范圍內(nèi),包括ST鎮(zhèn)在內(nèi)的21個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),服務(wù)人口約43萬(wàn)。
通過(guò)調(diào)研,綜合考慮當(dāng)?shù)氐匦螚l件、人口聚居情況等,結(jié)合項(xiàng)目可行性報(bào)告以及當(dāng)?shù)丨h(huán)保局針對(duì)項(xiàng)目的批文要求,選取以行政村為基本單位進(jìn)行“村組級(jí)”[11]“分散式”[5,12- 13]處理模式。以DY村為例,DY村是東源縣ST鎮(zhèn)下轄的行政村,戶籍人口為2210人,服務(wù)范圍的常住人口數(shù)約為450人。
根據(jù)實(shí)際情況,依據(jù)GB50282—2016《城市給水工程規(guī)劃規(guī)范》及GB50318—2017《城市排水工程規(guī)劃規(guī)范》,本項(xiàng)目宜采用分類用水指標(biāo)法及單位人口綜合用水量指標(biāo)法,對(duì)東源縣村組級(jí)生活污水處理設(shè)施處理規(guī)模進(jìn)行預(yù)測(cè)。
1.2.1分類水量預(yù)測(cè)法
根據(jù)《廣東省用水定額》規(guī)定,珠三角以外地區(qū)的農(nóng)村居民用水定額為140L/(人·d),根據(jù)《東南地區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)指南(試行)》(中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布)中規(guī)定,DY村所屬類型農(nóng)村居民日用水量為90~130L/(人·d),考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和用水量現(xiàn)狀,對(duì)水量預(yù)測(cè)指標(biāo)選為120L/(人·d)。
根據(jù)《農(nóng)村生活污水處理項(xiàng)目建設(shè)與投資指南》(環(huán)境保護(hù)部發(fā)布)規(guī)定,農(nóng)村生活污水排放量應(yīng)按生活用水量的80%~90%計(jì)算,根據(jù)東源縣ST鎮(zhèn)DY村的實(shí)際情況,生活污水排放量按生活污水用量的85%計(jì)算。
根據(jù)項(xiàng)目要求,污水收集率需達(dá)到80%以上。
DY村污水處理站服務(wù)范圍的常住人口為450人,因此污水處理設(shè)施規(guī)模至少應(yīng)達(dá)到:
Q=0.120×450×85%×80%=36.8m3/d
1.2.2單位人口綜合用水量指標(biāo)法
根據(jù)項(xiàng)目可行性報(bào)告引用的《廣東省農(nóng)村環(huán)境綜合整治技術(shù)指引》(廣東省環(huán)境保護(hù)廳,2016年4月)以下簡(jiǎn)稱《指引技術(shù)》,農(nóng)村生活污水常采用“人均綜合用水量”法。
計(jì)算公式如下:
污水處理量=人均綜合用水量×人口數(shù)×綜合排放系數(shù)×(1+地下水滲入系數(shù))
(1)
(1)人均綜合用水量指標(biāo)
根據(jù)《指引技術(shù)》,對(duì)于經(jīng)濟(jì)條件一般,有簡(jiǎn)單的室內(nèi)衛(wèi)生設(shè)施地區(qū):平均日人均用水量指標(biāo)為80~100L/(人·d),根據(jù)東源縣實(shí)際情況,參考廣東省相近地區(qū)農(nóng)村的用水情況,東源縣農(nóng)村平均日人均綜合用水量指標(biāo)取值90L/(人·d)。
(2)污水排放系數(shù)
根據(jù)GB50014—2016《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定,居民生活污水定額和綜合生活污水定額應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)夭捎玫挠盟~,結(jié)合建筑內(nèi)部給排水設(shè)施水平和排水系統(tǒng)普及程度等因素確定,可按當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)用水定額的80%~90%確定。
根據(jù)《指引技術(shù)》相關(guān)規(guī)定,居住較為集中、衛(wèi)生設(shè)施與排水管網(wǎng)相對(duì)完善的村莊,生活污水排放量一般為總用水量的70%~80%。
根據(jù)GB50318—2017相關(guān)規(guī)定,當(dāng)規(guī)劃城市供水量、排水量統(tǒng)計(jì)分析資料缺乏時(shí),城市分類污水排放系數(shù)可根據(jù)城市居住、公共設(shè)施和分類工業(yè)用地的布局,綜合考慮該項(xiàng)目實(shí)地情況,確定污水排放系數(shù)取值0.8。
公式(1)中人口數(shù)目可行性報(bào)告注明原則上按常住人口考慮,東源縣農(nóng)村平均日人均綜合用水量指標(biāo)取值100L/(人·d)。根據(jù)政府提供人口統(tǒng)計(jì)可知ST鎮(zhèn)DY村污水處理站服務(wù)范圍常住人口數(shù)為450人。
污水量=0.10×450×0.8×(1+0.1)=35.6m3/d
根據(jù)上述兩種方法預(yù)測(cè)污水量的結(jié)果相近,根據(jù)項(xiàng)目可行性報(bào)告,結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況,并考慮到經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和用水量現(xiàn)狀,最終確定ST鎮(zhèn)DY村污水處理設(shè)計(jì)污水量取40m3/d。
根據(jù)調(diào)查,目前在廣東農(nóng)村生活污水處理項(xiàng)目常用的處理單元主要有調(diào)節(jié)水解池、人工濕地、穩(wěn)定塘等[14- 15],常用的村鎮(zhèn)生活污水處理技術(shù)有生物濾池法、人工濕地法、土地處理法等[16]。但是,單一處理單元往往無(wú)法滿足實(shí)際需求,為適應(yīng)廣東省農(nóng)村生活污水處理實(shí)際情況,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和分析總結(jié),選取以下污水處理技術(shù)作為工藝比選。
1.4.1調(diào)節(jié)水解+人工濕地[17]
工藝流程如下:
1.4.2調(diào)節(jié)水解+穩(wěn)定塘
工藝流程如下:
工程位于廣州增城市中新鎮(zhèn)坑貝村,該村設(shè)兩個(gè)污水處理站點(diǎn),服務(wù)總?cè)丝?00人,設(shè)計(jì)處理水量120m3/d。
污水均采用管道收集,建設(shè)主管長(zhǎng)約1518m,支管長(zhǎng)約500m,污水處理后排入鄰近水渠或水塘,占地面積約520m2。
污水處理后主要污染物達(dá)到一級(jí)排放濃度,進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表1。
表1 中新鎮(zhèn)坑貝村生活污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)
1.4.3調(diào)節(jié)水解+人工濕地+穩(wěn)定塘[18]
工藝流程如下:
該技術(shù)優(yōu)點(diǎn):投資費(fèi)用省,運(yùn)行費(fèi)用低,維護(hù)管理簡(jiǎn)便,出水水質(zhì)較好,植物可以美化環(huán)境。缺點(diǎn):污染負(fù)荷較低,占地面積較大。
工程位于花東鎮(zhèn)李溪村,服務(wù)人口約5770人,設(shè)計(jì)處理規(guī)模為700m3/d,人工濕地3個(gè),占地面積共1500m2。
污水處理后出水主要污染物指標(biāo)達(dá)到一級(jí)排放濃度,進(jìn)出水水質(zhì)見(jiàn)表2。
表2 花都區(qū)花東鎮(zhèn)李溪村生活污水處理廠進(jìn)出水水質(zhì)
1.4.4一體化污水處理設(shè)備
一體化成套技術(shù)是近年來(lái)比較新興的技術(shù),其具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、占地小、低能耗、出水水質(zhì)穩(wěn)定、便于完成自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn),對(duì)農(nóng)村生活污水的處理起到重要作用[19- 20]。
工藝流程如下:
該技術(shù)具有占地極少、效率高、有機(jī)剩余污泥排放極少的特點(diǎn),目前已經(jīng)在多個(gè)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)、村污水處理項(xiàng)目中運(yùn)用,并取得良好效果。該技術(shù)在2013年獲得中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)和廣東省環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)的推薦,適用于生活污水處理領(lǐng)域。
工程為惠來(lái)縣溪西鎮(zhèn)溪南村生活污水處理項(xiàng)目。
1.4.5復(fù)合生物濾池+活性生物濾床
工藝流程如下:
該工藝采用自然通風(fēng),不需曝氣,僅需一次水力提升,噸水能耗低。
1.4.6調(diào)節(jié)水解+人工濕地沉箱式生物處理系統(tǒng)+組合式人工濕地
該技術(shù)可廣泛適用于水量較小、變化較大的農(nóng)村典型生活污水處理以及黑臭河道原位治理等方面。
優(yōu)點(diǎn):①具有非常好的高效微生物再生、孵化和緩釋、擴(kuò)散功能,可以起到長(zhǎng)期的除黑、除臭和水質(zhì)清潔效果。一次添加和固定高效微生物后,一般不需要再次或多次添加。②管理和維護(hù)方便,不需要反沖洗。③投資省、運(yùn)行費(fèi)用低,應(yīng)用范圍廣。
1.4.7調(diào)節(jié)水解+人工濕地
工藝流程如下:
該技術(shù)在保留了常規(guī)地下滲濾技術(shù)環(huán)境和景觀效果好、運(yùn)行和管理費(fèi)用很低、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),日處理1m3生活污水的地下滲濾面積僅需1.2m2,并且提高了其脫氮除磷效果和氣候(低溫)適應(yīng)性,是一項(xiàng)建得起、用得起、效果好、可持續(xù)的村鎮(zhèn)和各種生活園區(qū)污水處理新技術(shù)。
高負(fù)荷地下滲濾污水處理復(fù)合技術(shù)工藝包括預(yù)處理(格柵槽、沉淀池、厭氧池和調(diào)節(jié)池)、高負(fù)荷地下滲濾和深度處理三個(gè)單元,其工藝流程如上圖所示,其中的深度處理單元可以單獨(dú)建設(shè),也可置于高負(fù)荷地下滲濾系統(tǒng)的下方。
根據(jù)實(shí)地調(diào)研情況,ST鎮(zhèn)DY村布局分散、人口規(guī)模較小、地形條件復(fù)雜、污水不易集中收集,采用造價(jià)低,地形要求低,后期維護(hù)費(fèi)用低的“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動(dòng)力”工藝。該工藝能滿足處理的要求,投資費(fèi)用省,運(yùn)行費(fèi)用低,維護(hù)管理簡(jiǎn)便,出水水質(zhì)較好的優(yōu)點(diǎn)[20]。污水處理工藝流程如圖1所示。
圖1 污水處理工藝流程圖
污水經(jīng)管網(wǎng)收集,流經(jīng)格柵去除污水中較大尺寸的漂浮物及大顆粒固體,污水自流進(jìn)入調(diào)節(jié)池中均勻水質(zhì)水量,通過(guò)提升泵進(jìn)入沉砂池去除污水中的顆粒物泥砂。人工格柵可人工提出地面上,柵渣及泥砂均由人工定期清運(yùn)處理。
污水經(jīng)過(guò)沉砂池進(jìn)入?yún)捬醭剡M(jìn)行厭氧發(fā)酵,增加污水的可生化性;厭氧池出水進(jìn)入“水平潛流+垂直流”兩級(jí)人工濕地,人工濕地經(jīng)適當(dāng)?shù)膱?chǎng)地布置和植物搭配,建設(shè)成為濕地公園的形式,利用濕地植物、濕地基質(zhì)以及濕地布?xì)夤艿墓餐饔?,去除污水中的如氮、磷、COD等,同時(shí)可以達(dá)到美化環(huán)境的功能,該工藝已有郁南縣的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),技術(shù)成熟可靠。
人工濕地出水采用現(xiàn)場(chǎng)投加固體氯片進(jìn)行接觸溶解消毒,消毒后排入受納水體。
厭氧池多余的污泥定期抽吸外運(yùn)至附近鎮(zhèn)區(qū)有污泥處理能力的污水處理廠進(jìn)行處理。
1.6.1進(jìn)水水質(zhì)
根據(jù)項(xiàng)目可行性報(bào)告中引用的《技術(shù)指引》,農(nóng)村生活污水水質(zhì)最好以實(shí)測(cè)值為基礎(chǔ)分析確定,在無(wú)實(shí)測(cè)資料時(shí),可參考見(jiàn)表3。
表3 廣東省農(nóng)村地區(qū)生活污水進(jìn)水水質(zhì)參考值
根據(jù)粵東西北其他農(nóng)村監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合東源縣地區(qū)特點(diǎn),確定本項(xiàng)目各村污水處理站進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表4。
表4 東源縣村級(jí)污水處理站進(jìn)水水質(zhì)
1.6.2出水水質(zhì)
根據(jù)項(xiàng)目可行性報(bào)告,對(duì)于農(nóng)村生活污水處理設(shè)施出水水質(zhì),污水排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)因地制宜,根據(jù)受納水體功能和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境容量確認(rèn)排放標(biāo)準(zhǔn)。出水標(biāo)準(zhǔn)參照廣東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳等部門(mén)印發(fā)的《加快推進(jìn)粵東西北地區(qū)新一輪生活垃圾和污水處理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)施方案》(粵建城[2015]242號(hào))相關(guān)指引,村級(jí)污水站出水執(zhí)行GB18918《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)根據(jù)不同的用途,參考GB5084《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》。具體的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表5。
表5 東源縣村級(jí)污水處理站出水水質(zhì)
注:pH無(wú)量綱。
DY村建1個(gè)農(nóng)村污水處理工程,總設(shè)計(jì)處理能力約40m3/d,設(shè)計(jì)污水干管DN300,管長(zhǎng)約505m;設(shè)計(jì)污水接戶干管De200,管長(zhǎng)約481m;新增接戶支管De110接入新建入戶小方井有效處理,按每戶9m進(jìn)行預(yù)留(共298戶),管長(zhǎng)約2682m。對(duì)于管網(wǎng)收集不到的居住片區(qū),就近排水到渠、排水到塘,增加化糞池等形式進(jìn)行有效處理。
DY村生活污水處理工程量匯總見(jiàn)表6。
表6 DY村生活污水處理工程量匯總表
圖2 DY村生活污水處理工藝高程圖
根據(jù)HJ2005—2010《人工濕地污水處理工程技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合實(shí)地調(diào)研情況,進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)DY村污水處理站(40m3/d)管網(wǎng)設(shè)計(jì),確定進(jìn)水標(biāo)高定為-1.50m(以國(guó)家高程117.5m為±0.00m)。DY村生活污水處理工藝高程圖如圖2所示。
格柵池。1座,鋼砼結(jié)構(gòu),半地埋,尺寸為3.0m×0.8m×2.2m。同時(shí)設(shè)置人工格柵1套(柵間間距5目,寬600mm)。
調(diào)節(jié)池。1座,鋼砼結(jié)構(gòu),半地埋,尺寸為3.0m×4.5m×3.2m,有效水深1.4m,停留時(shí)間9.0h。同時(shí)設(shè)置潛水泵2臺(tái)(一用一備),流量3m3/h,揚(yáng)程5m,功率0.18kW;浮球式液位計(jì)1套,測(cè)量范圍0~4m;轉(zhuǎn)子流量計(jì)1套,塑料材質(zhì),測(cè)量范圍0.6~6m3/h;格柵網(wǎng)1套(柵間間距5目,寬800mm)。
沉砂池。1座,鋼砼結(jié)構(gòu),地上,尺寸為3.0m×0.8m×1.4m。
厭氧池。1座,鋼砼結(jié)構(gòu),半地埋,尺寸為3.0m×2.3m×4.0m,有效水深3.5m,有效容積19.1m3,停留時(shí)間11.5h。同時(shí)設(shè)置:組合填料1套(Φ150mm,7.6m3)填料支架1套。
人工濕地。1座,鋼砼結(jié)構(gòu),半地埋,尺寸為6.8m×15.1m×1.4m,水力負(fù)荷0.50m3/m2/d,有效面積79.4m2,種植植物選擇當(dāng)?shù)爻R?jiàn)物種:菖蒲(9~12株/m2)、紅、黃花美人蕉(9~12株/m2)、千屈菜(16~25株/m2)、風(fēng)車草(25~35株/m2)、金魚(yú)藻(3~9株/m2)。同時(shí)設(shè)置:布水集水系統(tǒng)1套(PVC-U排水材質(zhì)),通氣系統(tǒng)1套(PVC-U排水材質(zhì))。
排水口。1座,鋼砼結(jié)構(gòu),半地埋,尺寸為6.8m×0.9m×1.7m。同時(shí)設(shè)置:巴歇爾計(jì)量槽1套(喉寬25mm,流量0.3~19.4m3/h),超聲波明渠流量計(jì)1套,與巴歇爾計(jì)量槽配套。
工程完工后進(jìn)行清水實(shí)驗(yàn),按照要求開(kāi)啟相應(yīng)運(yùn)行設(shè)備,進(jìn)行調(diào)試。待濕地植物根系扎穩(wěn),再將農(nóng)村污水引入,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)試,出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)時(shí),此農(nóng)污站即處于動(dòng)態(tài)平衡,調(diào)試結(jié)束,可以正常運(yùn)行。
定期對(duì)柵渣、沉砂進(jìn)行外運(yùn)清理,定期對(duì)厭氧池污泥抽吸外運(yùn)清理,人工濕地的植物定期進(jìn)行殺蟲(chóng)、修剪、清理等,根據(jù)需要在排放口添加氯片進(jìn)行消毒處理。
(1)生態(tài)效益?!皡捬?人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動(dòng)力”工藝已有郁南縣的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),技術(shù)成熟可靠,在有效處理農(nóng)污的同時(shí)達(dá)到美化環(huán)境的目的。
(2)環(huán)境效益。人工濕地(水平潛流+垂直流)穩(wěn)定運(yùn)行后,對(duì)DY村農(nóng)污消減量為2014.9~3117.1kg/a,其中對(duì)COD、BOD5、SS、氨氮和TP的消減量分別為1022、730、1168、73~175.2、21.9kg/a。
(3)示范效應(yīng)。隨著DY村農(nóng)污站的建立,能夠有效輻射周邊鄉(xiāng)村、鎮(zhèn),勢(shì)必對(duì)當(dāng)?shù)赜绊懏a(chǎn)生積極影響,進(jìn)一步在華南地區(qū)推廣“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動(dòng)力”處理村組級(jí)農(nóng)污經(jīng)驗(yàn)。
(1)采用“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動(dòng)力”的組合工藝處理粵北地區(qū)東源縣農(nóng)村污水,選取村組級(jí)分散式處理模式,設(shè)計(jì)村組級(jí)農(nóng)村污水處理能力40m3/d,出水水質(zhì)略優(yōu)于GB18918中的一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn),對(duì)BOD5、COD、氨氮、TN、TP和SS的去除率分別為53.8%、71.4%、80%、25%~60%、60%。
(2)采用“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動(dòng)力”的組合工藝既能達(dá)到水質(zhì)處理要求,又具有能耗低、維護(hù)和管理方便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),是一種適宜于粵北農(nóng)村生活污水的處理工藝。