華北地區(qū)傍水村落生活污水處理研究

范正銳 韓文書(shū)

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038)

0 前言

我國(guó)華北地區(qū)屬于嚴(yán)重缺水地區(qū)，人均水資源占有量不到200 m3，約占全國(guó)的1/10[1]，而華北地區(qū)也是我國(guó)水污染形勢(shì)較為嚴(yán)峻的地區(qū)，水污染和水資源浪費(fèi)問(wèn)題加劇了水資源的缺乏。農(nóng)村生活污水的亂排放影響周圍水環(huán)境，進(jìn)而影響整個(gè)農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境。2018年2月，中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《農(nóng)村人居環(huán)境整治三年行動(dòng)方案》再次提出梯次推進(jìn)農(nóng)村生活污水治理的重點(diǎn)任務(wù)[2]。加強(qiáng)農(nóng)村污水治理、提高污水處理效率對(duì)改善農(nóng)村人居環(huán)境、建設(shè)美麗鄉(xiāng)村具有重要的意義。尤其是傍水村落，由于其臨近地表水體，其生活污水治理可顯著改善流域水環(huán)境。

本文以華北某地區(qū)傍水村落污水處理實(shí)際工程為對(duì)象，介紹農(nóng)村生活污水排放特征，重點(diǎn)分析了不同生活污水處理技術(shù)和方法的原理及優(yōu)勢(shì)，同時(shí)，針對(duì)不斷提高的流域排放要求，提出適用的深度處理技術(shù)，以期為其他同類項(xiàng)目提供借鑒和參考。

1 華北地區(qū)傍水村落生活污水特征

1.1 村落特征

華北地區(qū)村落相對(duì)較為分散，絕大部分農(nóng)村缺乏完善的排水系統(tǒng)和處理設(shè)施，污水處理率遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平。有些村莊村內(nèi)污水橫流，對(duì)村容環(huán)境造成很大影響，同時(shí)嚴(yán)重污染地表或地下水體。農(nóng)村污水排放現(xiàn)狀主要包括三種情況：1)靠近流域水體的村莊，污水直接排入流域水體；2)距離水體相對(duì)較遠(yuǎn)的村落，污水通過(guò)支渠河溝間接排入流域水體；3)對(duì)于一些地勢(shì)較低、距離較遠(yuǎn)、不能連通流域水體的村莊，污水就近排入附近坑塘、自行消納或漫流蒸發(fā)。

1.2 污水排放高峰期

華北地區(qū)農(nóng)村生活污水日排放主要集中在早上和晚上，季節(jié)性排放最高集中在6—9月份和春節(jié)所在月份，最低集中在12月份和1月份，這符合北方農(nóng)民夏季用水多、冬季用水少的生活習(xí)慣[3]。華北地區(qū)農(nóng)村污水人均日產(chǎn)生量和污染物濃度均小于南方發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)村，主要是由于北方農(nóng)村仍然保持著自然村落的特征，外來(lái)人員以及工業(yè)企業(yè)等產(chǎn)生的生活污水相對(duì)較少。

1.3 污水水量特征

農(nóng)村居民由于沒(méi)有形成規(guī)模化的小區(qū)，組成較為分散，因此其生活用水量受單個(gè)家庭單元影響較大，同時(shí)受用水方式、污水排放形式、生活習(xí)慣等因素直接影響，存在較大的差異性，一般可按表1中的數(shù)據(jù)對(duì)華北地區(qū)的農(nóng)村居民用水量進(jìn)行估算，也可以采用調(diào)查問(wèn)卷的形式，設(shè)置不同的條件調(diào)查不同情景下的用水量。

表1 華北地區(qū)農(nóng)村居民生活用水量參考取值

1.4 污水水質(zhì)特征

華北地區(qū)農(nóng)村生活污水具有排水規(guī)律性不強(qiáng)、排水量和污染濃度低等特點(diǎn)，因此一般是結(jié)合國(guó)家對(duì)新農(nóng)村建設(shè)的發(fā)展規(guī)劃，設(shè)計(jì)預(yù)留一定的富余系數(shù)。華北某地區(qū)的生活污水參考水質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 華北某地區(qū)農(nóng)村生活污水水質(zhì) mg/L

1.5 處理要求

由于我國(guó)農(nóng)村地區(qū)污水排放特征差異顯著，目前尚無(wú)統(tǒng)一的國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，許多農(nóng)村地區(qū)的污水處理設(shè)施均參照?qǐng)?zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)。隨著2018年9月《關(guān)于加快制定地方農(nóng)村生活污水處理排放標(biāo)準(zhǔn)的通知》的出臺(tái)，我國(guó)目前已公布農(nóng)村污水處理設(shè)施、水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)正式稿及征求意見(jiàn)稿的省份共29個(gè)。本文所述工程屬地為河北省，農(nóng)村生活污水排放執(zhí)行河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 13/2171—2015)中的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)見(jiàn)表3，同時(shí)滿足《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5084—2005)要求自行消納或灌溉。

表3 河北省農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn) mg/L

1.6 污水收集方法

華北地區(qū)農(nóng)村人口密度低、分布分散，生活污水排放面廣，因此農(nóng)村生活污水的收集一般都是結(jié)合村落的實(shí)際情況，如村落常駐人口、地理位置、是否有規(guī)?；髽I(yè)、人員是否集中等，采用不同的生活污水收集輸送方法，如有些以村落為單位建立收集系統(tǒng)，有些幾戶共建分散收集系統(tǒng)，有些甚至獨(dú)戶建立。不同收集方式適用性見(jiàn)表4。

表4中的三種收集方式主要采用傳統(tǒng)重力排水方式，在管網(wǎng)局部埋深較深的地方，通過(guò)增加壓力提升的方式來(lái)解決埋深、投資和管理等問(wèn)題。

表4 不同污水收集方式比較

2 污水治理措施

國(guó)家對(duì)于農(nóng)村污水治理的指導(dǎo)原則為：因地制宜，堅(jiān)持污染治理與資源利用相結(jié)合、工程措施與生態(tài)措施相結(jié)合、集中處理與分散治理相結(jié)合。根據(jù)這些原則，以及華北某地區(qū)的傍水村落生活污水排放特征，結(jié)合污水對(duì)流域水體的污染和潛在污染情況，采用因地制宜、分類施治的系統(tǒng)治理措施，對(duì)該地區(qū)的農(nóng)村污水進(jìn)行處理。主要治理措施如下：

1)污水直排的村莊，一般自建有集中或分散的排污管網(wǎng)，污水直排水體，對(duì)流域水體的污染危害很大。針對(duì)這種情況，可采用集中鋪設(shè)管網(wǎng)、建設(shè)分散式污水處理設(shè)施和污水處理站的方式進(jìn)行系統(tǒng)治理。

2)污水間接排放的村莊，一般自建有部分排污管網(wǎng)，污水間接排放水體，對(duì)流域水體危害較大。針對(duì)這種情況，可通過(guò)對(duì)現(xiàn)有排污口進(jìn)行截污的方式進(jìn)行末端治理。

3)污水散排自行消納的村莊，基本無(wú)自建排污管網(wǎng)，外排污水較少。針對(duì)這種情況，有條件的可建設(shè)污水處理站或分散處理設(shè)施，無(wú)條件的改善廁所等衛(wèi)生措施，通過(guò)分散處理的方式解決外排污水的問(wèn)題，污水經(jīng)過(guò)處理后就近排入附近坑塘或農(nóng)灌回用。

在分類治理的基礎(chǔ)上，盡量采用地上可移動(dòng)式、可重復(fù)利用的處理設(shè)備，最大限度地降低農(nóng)村污水治理重復(fù)投資的問(wèn)題，與規(guī)劃沖突時(shí)可直接移動(dòng)再次利用設(shè)備。同時(shí)響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，可利用5G網(wǎng)絡(luò)等建立云平臺(tái)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)手機(jī)/電腦端遠(yuǎn)程監(jiān)控，提高農(nóng)村污水運(yùn)維管理水平，為政府管理部門(mén)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、管理、決策提供強(qiáng)有力的支撐。

3 傍水村落污水處理適用技術(shù)

除了傳統(tǒng)的人工強(qiáng)化處理技術(shù)外，農(nóng)村生活污水的處理技術(shù)選擇，更多要考慮如何根據(jù)農(nóng)村特點(diǎn)和人口居住形式收集農(nóng)村污水，以及考慮當(dāng)?shù)氐呢?cái)政和項(xiàng)目資金投入、項(xiàng)目工程的后期維護(hù)和運(yùn)行等情況，以有限的財(cái)政資源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的廢水處理。因此，根據(jù)華北地區(qū)傍水村落的綜合情況，可選擇生化處理技術(shù)和生態(tài)處理技術(shù)進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水處理的可持續(xù)運(yùn)行和穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3.1 生化處理技術(shù)

生化處理技術(shù)是一種傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)，主要通過(guò)一定的方式使排放的廢水與微生物充分接觸，利用微生物異養(yǎng)特征來(lái)消化和分解水體中的COD，同時(shí)利用微生物的硝化和反硝化作用以及噬磷作用等去除水體中的氨氮和磷。在這個(gè)過(guò)程中，某些無(wú)機(jī)毒物(如氰化物、硫化物等)也可以被微生物轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的無(wú)機(jī)物。因此，生化處理工藝常用于生活污水這類容易被降解的廢水處理，一般分為好氧、厭氧和兼氧生物處理。常用生化處理技術(shù)主要有生物接觸氧化、膜生物反應(yīng)器、生物轉(zhuǎn)盤(pán)技術(shù)和MBBR技術(shù)，其處理工藝特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表5。

從表5對(duì)比可以看出，MBBR具有工藝能耗低、運(yùn)維簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，非常適用于農(nóng)村污水處理。MBBR移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器是一個(gè)集生物接觸氧化和傳統(tǒng)流化床特點(diǎn)于一體的移動(dòng)式反應(yīng)器，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適用于不同的農(nóng)村生活污水，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，是一種經(jīng)濟(jì)高效的污水處理工藝。此外，為了強(qiáng)化脫氮除磷的效果，可采用A3/O+MBBR工藝，增加預(yù)脫硝區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)，其工藝流程如圖1所示。

表5 常用農(nóng)村污水生化處理工藝比較

圖1 MBBR技術(shù)工藝流程圖

A3/O是對(duì)傳統(tǒng)A/A/O(即A2/O)工藝的高效升級(jí)，增加了生化反應(yīng)鏈條，同時(shí)還更加明晰地區(qū)分了預(yù)脫硝區(qū)、厭氧區(qū)、缺氧區(qū)和好氧區(qū)。尤其是在最前端增設(shè)的預(yù)脫硝區(qū)，能夠大量去除回流混合液中攜帶的硝酸鹽，確保后續(xù)反應(yīng)厭氧聚磷菌的優(yōu)良環(huán)境，更好地實(shí)現(xiàn)同步硝化和反硝化，大大縮短了后續(xù)的停留時(shí)間，也減少反應(yīng)器的容積設(shè)計(jì)，提高反應(yīng)系統(tǒng)的生物處理能效，強(qiáng)化脫氮除磷的效果。由于設(shè)置不同反應(yīng)區(qū)去除硝酸鹽，MBBR工藝在處理污水的同時(shí)，大幅度降低了有機(jī)污泥的產(chǎn)量，減少了后續(xù)含有機(jī)碳污泥的處理難題，實(shí)現(xiàn)了減污降碳協(xié)同增效。

A3/O+MBBR工藝由于區(qū)分了更多的功能單元，具有以下特點(diǎn)：1)各個(gè)單元獨(dú)立設(shè)計(jì)，可相互組合，占地面積??；2)因地制宜，集中與分散處理相結(jié)合，減少管網(wǎng)建設(shè)；3)各個(gè)單元可獨(dú)立設(shè)置監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)功能區(qū)的數(shù)字化管理；4)模塊化組裝設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際情況選擇功能，獨(dú)立運(yùn)輸和安裝，方便快捷；5)可全封閉式運(yùn)行，防止處理過(guò)程中的惡臭等大氣污染物溢散；6)個(gè)性化外觀設(shè)計(jì)，可與周圍環(huán)境整體協(xié)調(diào)。

華北地區(qū)某傍水村落生活污水治理項(xiàng)目采用的MBBR工藝主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 MBBR主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表7 不同規(guī)模曝氣量及裝機(jī)功率

3.2 生態(tài)治理技術(shù)

傳統(tǒng)意義上的污水生態(tài)處理技術(shù)是指根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，運(yùn)用生態(tài)學(xué)、景觀學(xué)和水文動(dòng)力學(xué)等原理對(duì)污水進(jìn)行生態(tài)化處理，處理后的水還可循環(huán)利用。通常是設(shè)計(jì)一個(gè)生態(tài)環(huán)境(如人工濕地等)，利用人工生態(tài)環(huán)境中的土壤、植被、微生物等復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，通過(guò)物理吸附、化學(xué)反應(yīng)、生物降解和生物吸收利用等作用，對(duì)污水中的污染物進(jìn)行去除。傳統(tǒng)的污水生態(tài)處理技術(shù)有土壤滲濾系統(tǒng)、人工濕地、穩(wěn)定塘系統(tǒng)和生物強(qiáng)化濾床等，其工藝特點(diǎn)見(jiàn)表8。

表8 常用生態(tài)處理技術(shù)比較

從表8對(duì)比可以看出，人工濕地具有良好的運(yùn)行效果和較高的處理效率。尤其在新農(nóng)村建設(shè)中，人工濕地兼具景觀和休閑游玩效果，因此得到很好的推廣。人工濕地污水處理技術(shù)通過(guò)模擬天然濕地的結(jié)構(gòu)與功能，可以根據(jù)實(shí)際地形進(jìn)行多樣化的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，又可以根據(jù)進(jìn)水特點(diǎn)針對(duì)性地處理污染物，比起自然濕地有著更好的污染物處理效果。人工濕地系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 人工濕地系統(tǒng)示意圖

人工濕地處理技術(shù)是利用了天然土壤和砂石的過(guò)濾和吸附作用、各種植物和微生物的化學(xué)反應(yīng)和生物作用等協(xié)同效果，對(duì)污水進(jìn)行高效凈化處理[4]。除了對(duì)污水中的COD和BOD有較好的去除效果外，通過(guò)土壤中的微生物和濕地植被，人工濕地也有很好的脫氮除磷效果。此外，還有研究表明濕地植被如蘆葦、香蒲和燈心草等對(duì)病原體有很好的去除效果。人工濕地有潛流濕地和表面流濕地兩種，由于潛流濕地具有更好的處理效果和更大的設(shè)計(jì)空間，因此我國(guó)主要以潛流濕地為主。人工濕地技術(shù)適用于資金短缺、土地面積相對(duì)豐富的農(nóng)村地區(qū)，不僅可以治理農(nóng)村水污染、保護(hù)水環(huán)境，而且可以美化環(huán)境，節(jié)約水資源。

3.3 提標(biāo)改造技術(shù)

隨著流域污染物排放要求的提高，現(xiàn)有工藝技術(shù)無(wú)法滿足更高處理要求，例如流域污染物排放要求COD限值為30 mg/L，這就要求對(duì)現(xiàn)有的污水處理工藝技術(shù)進(jìn)行提升改造。對(duì)新建的污水處理設(shè)施，直接選用更高標(biāo)準(zhǔn)的處理工藝或設(shè)置工藝組合。對(duì)已建成的污水處理設(shè)施，需要對(duì)原有工藝技術(shù)進(jìn)行提標(biāo)改造，可以通過(guò)在后端增加深度處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)?？晒┻x擇的提標(biāo)改造技術(shù)主要有MABR膜曝氣生物膜反應(yīng)器技術(shù)、催化臭氧氧化技術(shù)等。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)華北地區(qū)傍水村落污水排放特征，結(jié)合項(xiàng)目綜合情況，考慮當(dāng)?shù)氐呢?cái)政和項(xiàng)目資金投入、項(xiàng)目工程的后期維護(hù)和運(yùn)行等情況，以有限的財(cái)政資源實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的處理效果，選擇生化處理技術(shù)和生態(tài)處理技術(shù)進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活污水處理的可持續(xù)運(yùn)行和穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

農(nóng)村污水治理不僅僅涉及污水，還涉及糞便的資源化，更是整個(gè)社會(huì)環(huán)境治理、資源循環(huán)的一部分，關(guān)乎整個(gè)農(nóng)村人居環(huán)境的改善。污水治理不僅要治，更要管，如何做好后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)管理，更是要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。