南方農村生活污水處理目標及工藝模式探討

馬魯銘,王云龍,劉志剛*,王紅武 (.同濟大學城市污染控制國家工程研究中心,上海 0009；.浦東新區環境事務管理中心,上海 005)

近年來,各地十分重視農村生活污水的治理,一大批處理設施投入運轉或正在建設.同我國大多數城鎮污水處理廠一樣,這些處理設施所控制的指標主要有COD、BOD5、SS、NH4+-N、TN、TP等.前4種指標通過常規的生物處理工藝都可以得到相應的削減,但 TN、TP的削減一般要通過特定的“脫氮除磷”工藝.盡管脫氮除磷工藝投資和運行處理成本都大大提高,且運行管理要求相對較高,但隨著排放標準要求的提高,尤其是為了減少富營養化現象,國內對氮磷的排放控制明顯加強,因此氮磷指標仍成為這些處理設施的重點控制指標.這些指標的控制直接決定了當前農村生活污水處理設施所采用的工藝需具有一定的脫氮除磷功能.

從統計數據來看,現有村鎮住宅生活污水處理設施存在一些問題:處理標準不統一,基本套用城鎮污水處理廠標準[1-3];處理設施的投資和運轉費用差異巨大.投資從1000余元到近20000元(以每m3/d計)[4-5];運行費用從0元至超過3元(以每m3計)[5-6].不計土地費用,投資費用也遠超過城市污水處理廠,有研究者認為達 5～10倍.生活污水收集困難,收集系統投資更大[2].產生這些問題的原因,除農村發展差異外,更主要的是農村生活污水處理目標不明確、標準不統一,因此有必要深思農村生活污水處理的目標,并結合農村居住環境和生活污水排放的特點選擇生活污水處理工藝.通過對上海市某區氮磷排放源比重分析以及現有3種不同工藝的分散處理設施特點調研,探討并提出我國南方農村生活污水處理的目標以及工藝模式選擇目的,旨在對科學合理的開展農村生活污水治理規劃和工程實施提供參考和依據,推動社會主義新農村建設.

1 農村生活污水氮磷污染源比重分析

氮磷是農業生產中的營養元素,不僅種植業中使用大量的化肥,而且養殖業(畜牧和水產)中也排放大量的氮磷.為分析農村氮磷污染源比重,以上海市某城郊區的種植業、養殖業和生活污水3個氮磷主要排放源頭為對象進行了調研.該城郊區為城市和鄉村交錯的大行政區,現轄 13個街道、25個鎮及 1個自然保護區,全區面積 1210km2,人口268.6萬人,其中農業人口約105.7萬人.

1.1 種植業氮磷量

據2008年農業普查統計,該區種植業面積為2.974×104hm2,主要為糧食、蔬菜及瓜果作物,分別占47.4%、27.2%和25.1%.該區年化肥使用量為6.584×104t,其中氮肥量約為73.3%、磷肥量約為26.7%.以氮肥含氮量35%、磷肥含磷量8.7%計,則種植業總氮量約為 1.689×104t/a,總磷量約為 1.53×103t/a.

1.2 養殖業氮磷量

據農業普查統計,該區生豬養殖量為57.7萬頭,奶牛688.5萬頭,禽類為258.8萬羽.根據畜禽產污統計(《第一次全國污染源普查畜禽養殖業源產排污系數手冊》)等相關資料,生豬、奶牛和雞的總氮產量系數分別為 12.3、165.8g/(頭·d)和 1.02g/(羽·d),則畜牧業總氮排放量為 4.202×105t/a;生豬、奶牛和雞的總磷產量系數分別為 2.58、11.3g/(頭·d)和0.31g/(羽·d),則畜牧業總磷排放量為 2.923×104t/a.

此外,該區水產 1677hm2,畝均肥料總使用量為 1.55×103kg/hm2.據該區 2010年污染源調查,水產養殖業總氮排放量為 11.58t/a,總磷排放量為2.17t/a.即與畜牧養殖業相比,水產養殖業氮磷污染物排放小得多.

養殖業氮磷總量分別為 4.202×105t/a和2.923×104t/a.

1.3 生活污水氮磷量

以該區在農村生活的居民人口 105.7萬人,污染物總氮、總磷的排放系數分別為 5.0、0.44g/(人·d)計,則農村居民排放的污染物總量為:總氮 1.929×103t/a;總磷 170t/a.

在分析上述數據中尚需幾點說明:3種源頭氮磷排放量沒有扣除一些過程損失以及吸收等,如種植業氮磷污染排放量沒有扣除植物吸收以及其他損失,養殖業以及生活污水排放量也沒有考慮有機肥的土地利用等減少的氮磷量;3種源頭排放量以最大量計算,如畜牧養殖業氮磷排放量以水沖清糞方式所造成的污染物排放量為依據,而畜禽污染物的產生量以生豬的育肥階段、奶牛的產奶階段、雞的產蛋階段取值.

根據以上數據,可確定農村生活污水氮磷產生量的比重:農村居民生活污水氮磷產生量與種植業產生量的比例分別為 11.4%和 11.1%;農村居民生活污水氮磷產生量與種植業和養殖業產生量之和的比例為0.44%和0.55%.

由上述分析可知,農村生活污染排放的營養元素所占比例很小,特別是在養殖業發達的農村村,幾乎可以忽略不計,這與陳敏鵬等[7]的結論一致.盡管上述數據均是從“產生”的角度分析的,并不代表對水體環境的污染負荷,但這并不影響對氮磷排放源比重的考察.

2 現有村鎮住宅污水處理設施特點

為推進社會主義新農村建設,各地農村、特別是經濟發達地區,如華東、華北農村,建設了大量的農村生活污水處理設施,積累了大量的經驗.上海市也出臺了《上海市農村生活污水處理技術指南》(以下簡稱《指南》),其處理技術的目標非常明確:“防止農村生活污水直接排放引起環境污染,切實改善農村居民生活條件,改變農村村容、村貌.”

《指南》中提出了明確的導向:

(1) 采用嚴格的“分流制”.規定糞便污水需先經化糞池或沼氣池處理后,才可農用或進入污水收集與處理系統.從實際上看農村居民較為重視糞便污水的污染,收集率高,南方發達地區農村基本上建有化糞池,對降低懸浮固體濃度、緩沖水量起到了較好的作用,便于處理設施的運行.

(2) 將上海市農村污水處理技術方案分為四大類:庭院處理、小型分散處理、分散處理和集中處理系統,并推薦了10種工藝技術.其中“集中處理系統＂工藝接近城鎮污水處理廠,本文不加以詳述;推薦工藝技術中”庭院式人工濕地、自然穩定塘、地埋式污水滲濾＂基本屬于自然生態處理,涉及裝置和人工構筑物甚少,可因地制宜采用這些技術.而分散處理推薦的 3種處理技術為“復合厭氧-人工濕地、復合生物濾池-人工濕地,污水凈化沼氣池-人工濕地”,應是農村生活污水處理的主要工藝選擇.由此可見,人工濕地在農村生活污水處理中扮演重要角色,它本身就是準生態系統,其中的微生物對有機物有較好的降解作用,過濾作用可截留懸浮物.但這3種工藝并不能保證很好的脫氮除磷效果,《指南》都沒有要求這些工藝達到“城鎮污水廠一級標準”,也就是說對氮磷的去除沒有過高的要求,這種規定符合農村污水處理目標.

從調研情況看,接近《指南》推薦的分散處理系統工藝技術,對氮磷的去除效率都不是太好.如:上海崇明某村,示范項目采用了“三格化糞池+生物濾池”技術,設計排放標準城鎮污水處理廠一級B標準,實際出水質指標基本達到二級標準,建設費用高達 13300 元/(m3·d)[6];作為對比案例,上海市松江區某村使用“復合生物濾池-人工濕地工藝”,氨氮的去除率約50%～60%,運行費用年36元/戶;而石湖蕩某村使用“組合型生物濾池工藝”,氨氮的去除率可達 95%,但運行費用高達6500元/(戶·a),實際上該工藝已非推薦的農村分散式處理系統.

關于分散式處理系統,復合厭氧生物池是農村分散式處理系統普遍采用的水處理工藝,該工藝特點是運行能耗省,甚至可以“無動力”運行,調研發現:厭氧狀態下微生物與污水兩相的傳質條件是重要的影響因素,當有一定的微生物量和足夠的時間條件下,出水可以達到城鎮污水處理廠二級排放標準.但若厭氧池工況條件不好(主要是傳質不良、泥水混合不勻),也會影響對COD的去除效果.另外,復合厭氧生物池對氨氮的去除率極差,做成生物濾池的形式造價高[8].生物濾池若運行在好氧狀態,曝氣方式有射流充氧、跌流充氧等,好氧狀態對污水的 COD 去除有保證,且能同化去除部分氨氮.

2010年對上海市某區運行的農村分散式處理系統各種工藝運行情況進行調研,并選取了其中常用的3種工藝跟蹤運行測試.這3種工藝具體情況如下:

工藝 A:污水→化糞池→提升井→厭氧系統→人工濕地→排放

該工藝處理量 100m3/d,其中厭氧系統水力停留時間(HRT)為60h,濕地面積為735m2,水力負荷為 0.14m3/(m2·d).工程總投資為 80萬元左右,主要包括地基處理和構筑物建造及設備等.

工藝 B:污水→化糞池→一體化生物集成反應器→天然濕地→排放

該工藝處理污水量 31.5m3/d,其中一體化生物集成(含兼氧、好氧處理單元)反應器HRT=36h,天然濕地面積約為 150m2,水力負荷為 0.21m3/(m2·d).工程總投資為20萬元左右,主要包括地基處理和構筑物建造及設備等.

工藝 C:污水→化糞池→一體化生物集成反應器→人工濕地→排放

該工藝處理污水量 16m3/d,其中一體化生物集成反應器 HRT=75h,人工濕地面積約為 30m2,水力負荷為0.53m3/(m2·d).工程總投資為11萬元左右,主要包括地基處理和構筑物建造及設備等.

通過半個月的跟蹤檢測,3種工藝對不同污染物的平均去除效果如圖1所示.

跟蹤調研結果表明:一體化生物集成因有好氧段出水水質相對穩定,并可為后續濕地去除COD創造條件;而厭氧段去除的COD絕對量少,且水質波動大,特別明顯的是后續人工濕地COD值反而升高,原因在于充氧不足影響濕地的降解吸收功能(表1).

圖1 3種工藝對村鎮生活污水處理效果對比Fig.1 Comparisons of effects between three processes treating rural domestic wastewater

表1 3種工藝不同處理單元的DO平均值變化Table 1 Changes of DO mean value in different treatment units for three processes

厭氧段最終出水氨氮很高,去除率很低,而一體化集成與濕地處理單元去除氨氮的效果直接與系統內的溶解氧有直接關系(表1),當溶解氧高時,系統對氨氮效果處理好,反之則很差.

比較發現,工藝 A和 C總氮去除率都不高,但工藝A氨氮的去除率很低、沒有發生硝化,而工藝C氨氮去除率高,已發生硝化.工藝B盡管沒有發生硝化,但大量氮被去除,這表明在夏季天然濕地可以通過植物作用以及稀釋去除總氮(天然濕地雨季有雨水匯入).

總磷和正磷的去除情況類似于總氮的去除,工藝A在厭氧段和濕地去除磷的量均較少,特別是后繼濕地沒有去除效果;低負荷一體化段具有較好的磷去除效果,高負荷效果差.人工濕地對磷的去除效果也較差,而天然濕地因為稀釋作用,表觀去除率較高.

就最終出水指標而言,工藝A可達到城鎮污水處理廠二級排放標準,除TP外,工藝B由于天然濕地的作用可以達到一級B標準,工藝C除TN指標外也可以達到一級B標準,但總體效果要優于工藝C.

由此可見,農村生活污水人工分散處理設置對 COD指標去除效果明顯,可以達到城鎮污水處理廠排放二級標準,實現消除水體黑臭、保護農村居住環境的目的.分散處理工藝中有好氧單元,對整個工藝的運行有益,可提高后續濕地的效果.現有的多數村鎮生活污水人工分散處理設置,難以實現脫氮除磷的目的.

3 結語

目前農村生活污水處理已形成不同于城市污水處理的工藝模式雛形,常規分散處理工藝COD出水均低于 60mg/L,且運行成本較低,能夠實現消除黑臭的目的,但工藝原理和實踐均證明這些工藝難以達到脫氮除磷的效果.農村生活污水中營養元素氮磷,只占種植業的10%左右,遠小于發達畜牧業產生量.因此,農村生活污水處理目標應定義為:消除污水排放對水體產生的黑臭,改善農村居住環境.并據此處理目標,結合農村現實情況,選擇簡單、易行、經濟有效的,且有別于城市污水處理的處理工藝.

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