太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備在農(nóng)村地區(qū)的應用

高素坤,齊 磊,呂明亮,王鶯鶯,姚久星,徐學東,2*

1.山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院,山東 泰安 271000

2.山東省村鎮(zhèn)住宅工程技術(shù)研究中心,山東 泰安 271000

太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備在農(nóng)村地區(qū)的應用

高素坤1,齊 磊1,呂明亮1,王鶯鶯1,姚久星1,徐學東1,2*

1.山東農(nóng)業(yè)大學水利土木工程學院,山東 泰安 271000

2.山東省村鎮(zhèn)住宅工程技術(shù)研究中心,山東 泰安 271000

針對目前農(nóng)村生活污水日均排放量小、水質(zhì)比較穩(wěn)定、排放相對分散等特點，研發(fā)了太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備，可有效解決農(nóng)村生活污水污染問題，極大的改善農(nóng)村的人居環(huán)境。該設(shè)備占地面積小、處理效率高、安裝布置靈活、操作管理方便、適用范圍廣、節(jié)能環(huán)保，并通過在示范點的安裝示范，證明該設(shè)備具有較好的推廣和利用價值。

太陽能;組合式;一體化;污水處理設(shè)備;應用

1 農(nóng)村生活污水特點

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)的大力推進，我國農(nóng)村居民的生活水平大大提高，人們對水的依賴越來越大，隨之而來的污水排放量也越來越多。不少農(nóng)村地區(qū)污水到處亂排，使得生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞，不僅污染著當?shù)氐叵滤?，而且威脅著老百姓的居住環(huán)境和身心健康[1]。

我國農(nóng)村污水的主要特點有：（1）日均排放量小。農(nóng)村大部分相對都比較獨立，缺乏比較完善的污水收集系統(tǒng)，一般農(nóng)村的生活污水量都比較小[2]；（2）水質(zhì)比較穩(wěn)定。農(nóng)村生活污水的性質(zhì)相差不大，水質(zhì)相對穩(wěn)定，氮、磷及COD等營養(yǎng)物含量較高；（3）排放相對分散。我國農(nóng)村人口數(shù)量眾多，居住比較分散，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)嚴重不足，污水隨意排放，大部分農(nóng)村地區(qū)均未采取污水的收集和處理措施，生活污水難于收集處理[3]。

2 設(shè)備基本性能

2.1 組成

太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備是以生化反應為基礎(chǔ)，依次經(jīng)過調(diào)節(jié)池、水解池（厭氧池）、好氧池（曝氣泵供氧或自然通風）、沉淀池、污泥回流管、消毒室，通過多個污水處理桶的組合連接將廁所污水、淋浴污水、洗衣污水、廚房污水一并處理使其達標排放的污水處理裝置（圖1）。該裝置是在充分考察學習國內(nèi)外最先進的污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)的污水處理最新設(shè)備，主要是由太陽能曝氣系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、污水管道系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)組成（圖2實物圖），其中污水處理系統(tǒng)包括主體外殼、隔板、濾料及其他設(shè)備內(nèi)部件、曝氣鼓風機、人孔蓋及框架、管道連接處部件等。

圖1 空間布置圖Fig.1 Spatial arrangement

圖2 實物圖Fig.2 Physical map

2.2 工藝流程

太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備主要工藝為A／O（厭氧－好氧活性污泥法），所有的廁所污水、淋浴污水、洗衣污水、廚房污水一并經(jīng)進水口流入該設(shè)備，先后經(jīng)過沉淀分離池、厭氧過濾池、好氧曝氣池、沉淀池、污泥回流管和消毒池處理（圖3），最后處理達標的水可以直接排放或流入排水管網(wǎng)。

圖3 工藝流程圖Fig.3 Process flow diagram

2.3 工作原理

家庭中所有的污水經(jīng)進水口首先進入沉淀分離池，然后進入?yún)捬踹^濾池，污水有機物濃度很高，通過吸附在彈性填料上的兼氧細菌的吸附水解，將大分子的有機物水解為小分子有機物，減少了污泥總量及固體懸浮物，并將污水中的有機氮轉(zhuǎn)化分解成NH3-N，最終將NO2-N、NO3-N轉(zhuǎn)換成N2，同時依靠活性污泥中的聚磷菌將污水中的BOD大幅度降低。經(jīng)過厭氧池進入好氧池后，有機物中的磷依靠微生物和不斷地回流反硝化作用慢慢被分解。然后污水進入沉淀池，底部沒有被分解完的有機沉淀物經(jīng)曝氣回流管流回沉淀分離池，在厭氧過濾池與回流的泥水混合液混合并進行反硝化之后再進入好氧區(qū)，處理完的污水經(jīng)消毒池直接達標排放[4]。

2.4 處理能力

農(nóng)村各個家庭中人口數(shù)量都不一樣，每人每日廁所沖水量與生活污水量之和按200L/cap.d計算，每戶人數(shù)不足2人的按2人計算。污水處理設(shè)施可以單獨使用，也可以幾戶共用，多戶共用時其有效容積按照服務總?cè)藬?shù)確定，通過不同個數(shù)的污水處理桶組合處理不同家庭人口數(shù)的污水量（表1）。

表1 人口及處理能力對照表Table 1 Table of population and processing power

2.5 設(shè)備優(yōu)勢

2.5.1 占地面積小 太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備采用樹脂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，適應各種敷設(shè)要求，適用農(nóng)村多變情況。安裝可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用地埋處理，基本不占用地表面積，大幅度減少農(nóng)村用地面積，緩解當前用地緊張的矛盾[2]。

2.5.2 處理效率高 太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備采用生物處理方法，有較強的耐沖擊負荷能力，處理效率高，出水水質(zhì)比較穩(wěn)定，且能滿足農(nóng)村污水的處理要求，對環(huán)境無任何傷害[5]。同時經(jīng)該設(shè)備處理過的污水可以經(jīng)過回流管重新利用，有效實現(xiàn)中水回用，節(jié)約水資源。

2.5.3 安裝布置靈活 太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備安裝可以一戶一套或多戶一套，安裝布置靈活，處理后的污水就近回用或者直接排入雨水管道，而不需經(jīng)排水管網(wǎng)收集進行集中處理，既沒有污染環(huán)境，也不會增加污水管道[6]。

2.5.4 操作管理方便 太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備操作和管理方便，整個裝置運行過程都處在監(jiān)控之下，實現(xiàn)了信息化自動控制，同時還有探測裝置和自動報警裝置，提高了系統(tǒng)運行的可靠性，減輕了勞動強度[7]，不需對操作人員進行專門培訓，只需適時維護和保養(yǎng)設(shè)備[8]，運行費用大大降低。

2.5.5 適用范圍廣 農(nóng)村每個家庭人口數(shù)各不相同，每天的污水排放量也不一樣，如果采用同等處理量的污水處理設(shè)備勢必會造成資源浪費或處理不達標，而太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備可以依據(jù)家庭人口數(shù)的不同確定污水處理桶的個數(shù)，自由組合方便靈活。同時污水處理桶上口專門設(shè)計了套圈，可以通過增加套圈的個數(shù)將污水處理桶深埋，徹底解決北方地區(qū)的防凍問題。

2.5.6 節(jié)能環(huán)保 太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備所需的電能均來自太陽能，不需要外接電源，符合節(jié)能環(huán)保的理念。（圖4、5）

圖4 安裝成品圖Fig.4 Installation finished picture

圖5 安裝成品圖Fig.5 Installation finished picture

3 設(shè)備基本要求

3.1 設(shè)備的進水水質(zhì)

以表1的進水水質(zhì)為基準來設(shè)計、制造設(shè)備。

表2 原水水質(zhì)（日平均值）Table 2 Raw water quality(daily average)

3.2 設(shè)備的出水水質(zhì)

經(jīng)一體化污水處理設(shè)備（設(shè)施）處理后的出水水質(zhì)，應符合表2水污染物最高允許排放濃度要求。

表3 水污染物最高允許排放濃度（單位:mg/L）Table3 Maximum allowable concentration of water pollutants(Unit:mg/L)

位于重要水系源頭、水庫集水區(qū)、重要飲用水水源地等水環(huán)境功能重要地區(qū)和人口密度較高、水環(huán)境容量較小的平原地區(qū)的新建設(shè)施執(zhí)行一級標準；位于其它地區(qū)的執(zhí)行二級標準；執(zhí)行一級標準的地域范圍由縣級人民政府確定。

4.3 設(shè)備的基本要求

（1）設(shè)備設(shè)有進水及出水管道的接口，以及進氣口。設(shè)備頂部設(shè)有直徑大于450 mm、用于清掏和巡檢用的人孔及蓋板；污水處理設(shè)施進水管道、出水管道應根據(jù)設(shè)計確定，管徑應不小于100 mm。

（2）設(shè)備處理流程中應具備沉淀分離、厭氧濾床、填料流動、固液分離、消毒的功能。

（3）用耐水材料制造，不會發(fā)生漏水。在有可能發(fā)生腐蝕、變形等部位，應使用不易發(fā)生腐蝕、變形等問題的材料，或使用已經(jīng)采取有效的防腐蝕措施、性能增強措施等的材料。

（4）在通常的安裝及使用條件下，設(shè)備構(gòu)造要足夠安全，足以承受相關(guān)土壓、水壓、自重及其他載重。

（5）鼓風機在通常的設(shè)置及使用條件下，應能夠長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)、不易發(fā)生故障、結(jié)構(gòu)牢固，并且其構(gòu)造不會因振動和噪音引發(fā)問題，噪音不應高于45 dB(A)。

（6）用于設(shè)備中的下述材料應具備耐水性、耐腐蝕性以及使用耐久性，或者材料通過包覆、電鍍或其他處理后具備這些性能。

1）設(shè)備主體的外殼部分

2）隔板、濾料、人孔蓋及其框架等需要足夠強度的部件

3）增強材料、管材、濾料及管道支架部件

4）曝氣鼓風機

（7）禁止雨水流入一體化污水處理設(shè)備。當廚房污水動植物油含量＞50 mg/L時，進入處理設(shè)施前應設(shè)除油裝置，不得直接進入一體化污水處理設(shè)備。

（8）設(shè)備出廠時應具有詳細的使用說明書、施工指導書和運行及維管理說明書。

4 應用案例

4.1 改造原則

結(jié)合當?shù)刈匀粭l件及對環(huán)境保護的要求，提出衛(wèi)生標準高，高效節(jié)能環(huán)保，管理維護方便，全面系統(tǒng)的農(nóng)村廁所改造解決方案，實現(xiàn)糞便的無害化處理，基本消除農(nóng)村廁所的環(huán)境污染問題，體現(xiàn)有機廢棄物處理減量化、無害化的現(xiàn)代科學理念。

4.2 改造方案

依托國家科技支撐計劃課題“低成本村鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境建設(shè)技術(shù)研究與示范”，我們選取了四個不同地區(qū)的示范點對污水處理設(shè)備進行了示范，分別是山東省泰安市，河北省石家莊市，吉林省通化市及山東省萊蕪市。

針對各個地區(qū)的地形和污水排放特點，采用太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備對其進行改造，每家每戶單獨設(shè)一個污水處理設(shè)備，根據(jù)人口數(shù)的多少確定污水處理桶的組合個數(shù)，將家庭中所有的廁所污水、淋浴污水、洗衣污水、廚房污水全部排放到該設(shè)備，處理達標的水經(jīng)排水管網(wǎng)流出。

4.3 設(shè)備安裝

農(nóng)戶需要提前將自家?guī)鶅?nèi)部清理干凈，內(nèi)部設(shè)施自己選擇（圖6、7），可以考慮蹲便式和坐便器，由技術(shù)人員指導提前埋好管道，并按照圖紙挖好坑。

圖6 蹲便器Fig.6 Squatting pan

圖7 坐便器Fig.7 Toilet seat

1）土方開挖（圖8）

按照污水處理設(shè)備尺寸將坑先挖好，周邊留出100～200 mm,方便放入設(shè)備。

開挖長度=桶子長度*個數(shù)+200 mm

開挖寬度=桶子寬度+200 mm

開挖深度=桶內(nèi)最高水面+當?shù)刈畲髢鐾翆雍穸?/p>

2）整平（圖9）

將坑底必須整平。

圖8 挖土方Fig.8 Digging

圖9 整平Fig.9 Leveling

3）基礎(chǔ)墊層（圖10）

為防止設(shè)備不均勻沉降導致設(shè)備不正常運行，在坑底必須做好基礎(chǔ)墊層。

4）安裝設(shè)備（圖11）

待墊層具有一定強度，即可將污水處理桶放入事先挖好的坑內(nèi)。

圖10 打墊層Fig.10 Cushion layer

圖11 設(shè)備安裝Fig.11 Safety equipment

5）回填

待設(shè)備放好后，邊回填土邊往污水處理桶內(nèi)加水。

4.4 示范點改造

4.4.1 山東省泰安市 泰安市位于山東省中部，氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L氣候，雨熱同季,寒暑適宜，四季分明，多年平均氣溫13.2℃，平均降雨量803.7 mm。泰安市最大凍土層深度為400 mm，為使污水處理設(shè)備內(nèi)最高水位位于凍土層以下，設(shè)備頂部高出地面，我們設(shè)計的在污水處理設(shè)備上增設(shè)一個套圈（圖11、12）。

圖11 平面布置圖Fig.11 Layout plan

圖12 安裝圖Fig.12 Instructions

4.4.2 河北省石家莊市 石家莊市地處華北平原腹地，位于中緯度歐亞大陸東緣，氣候為暖溫帶大陸性季風氣候。四季分明，雨量集中，寒暑懸殊，干濕期明顯。石家莊市最大凍土層深度為540 mm，為使污水處理設(shè)備內(nèi)最高水位位于凍土層以下，設(shè)備頂部高出地面，我們設(shè)計的在污水處理設(shè)備上增設(shè)一個400 mm高的雙壁波紋管或增設(shè)兩到三個套圈（圖13）。

圖13 安裝圖Fig.13 Instructions

4.4.3 吉林省通化市 通化市位于吉林省東南部，屬中溫帶濕潤氣候，多年平均降水量是870 mm，年平均氣溫為5.5℃，極端最低氣溫達-33℃。通化市最大凍土層深度為1330 mm，為使污水處理設(shè)備內(nèi)最高水位位于凍土層以下，設(shè)備頂部高出地面，方便后期的管理與運行，我們設(shè)計的在污水處理設(shè)備上增設(shè)一個套脖。由于埋深較大，處理達標后的污水沒法自然排放至下水道或排水管網(wǎng)，我們設(shè)計的是采用滲坑自然下滲（圖14-16）。

圖14 平面布置圖Fig.14 Layout plan

圖15 滲坑施工圖Fig.15 Construction of the pit

圖16 安裝圖Fig.16 Instructions

4.4.4 山東省萊蕪市 萊蕪市位于泰山東麓，屬于暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，春季溫暖多風，夏季炎熱多雨，秋季涼爽晴朗，冬季寒冷干燥。萊蕪市最大凍土層深度為400 mm，為使污水處理設(shè)備內(nèi)最高水位位于凍土層以下，設(shè)備頂部高出地面，方便后期的管理與運行，我們設(shè)計的在污水處理設(shè)備上增設(shè)一個套脖。在萊蕪市我們試點的是農(nóng)家樂污水處理，采用先加沉淀隔油池，然后污水再通入設(shè)備。

圖17 安裝圖Fig.17 Instructions

4.5 效果分析

通過在試點建設(shè)區(qū)對太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備進行的試點建設(shè)，獲得了很好的社會評價，老百姓對此設(shè)備提出一致好評。不僅能將廁所的糞便處理干凈，同時也解決了家庭中所有的生活污水污染及排放問題，更重要的是具有很好的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益，政府部門對此也是連連稱贊。

4.5.1 經(jīng)濟效益 雖然太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備前期成本稍高，但從長遠角度來看，太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備才是真正意義的低成本，其全生命周期成本最低。全生命周期的費用主要包括設(shè)備費、安裝費（人工費、管道費、土建材料費）、運行管理費（管理人員工資、機械設(shè)備工具費、動力費用、輔助材料費、維修費用、廢棄物處理與轉(zhuǎn)化）和環(huán)境修復費，太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備大大省去了管道材料費及后期的運行管理費和環(huán)境修復費，一次性投資改造，終生受益。

4.5.2 環(huán)境效益 太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備能夠?qū)⒓彝ブ械膸鬯?、淋浴污水、洗衣污水、廚房污水全部處理達標，可以直接排放，不會對環(huán)境造成任何污染和破壞。而普通的改造中家庭生活污水沒有任何處理，隨機排放，污染著當?shù)刈匀凰w及土壤大氣環(huán)境，威脅著地下水的安全；廁所的糞便需要定期抽取，抽走的糞便大部分都是直接排放到環(huán)境中，對環(huán)境造成極大的破壞。

4.5.3 社會效益 太陽能微動力組合式一體化污水處理設(shè)備有效的解決了農(nóng)村污水的污染問題，徹底攻克了農(nóng)村污水處理難、冬天設(shè)備不能用的難題，具有很好的社會效益。

5 結(jié)語

農(nóng)村污水處理是美麗鄉(xiāng)村建設(shè)中亟待解決的問題，農(nóng)村生活污水已經(jīng)成為目前農(nóng)村環(huán)境污染的首要污染源，生活污水隨意排放，不僅危及當?shù)氐叵滤蜕鷳B(tài)湖泊的水質(zhì)安全，更威脅著農(nóng)村居民的健康。因此，加強對污水處理設(shè)備的研發(fā)與推廣，結(jié)合農(nóng)村當?shù)氐膶嶋H情況，走出一條符合我國特色的農(nóng)村污水治理之路，對我國水環(huán)境整體的持久改善有著極其重要的意義[9]。

[1]白曉龍,顧衛(wèi)兵,沃 飛.農(nóng)村生活污水處理技術(shù)與展望[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境與發(fā)展,2008(6):59-62

[2]曾觀華.農(nóng)村污水處理工藝淺析[J].江西建材,2016(11):126-128

[3]何新生,耿 穎,徐洪斌.我國農(nóng)村生活污水處理技術(shù)評析[J].廣東農(nóng)業(yè)科學,2010(10):169-171

[4]姜進峰,李翠梅,張 燕.農(nóng)村一體化生活污水處理設(shè)備評析與研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2012,40(13):7872-7874,7878

[5]袁定浩,孔一江.村鎮(zhèn)建設(shè)中農(nóng)村污水處理設(shè)施的選擇[J].環(huán)境科學與管理,2010,35(2):93-95

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[7]張耀邦,王春成.淺議一體化污水處理裝置調(diào)試及日常維護保養(yǎng)[J].價值工程,2015(3):34-36

[8]董 景,翟宇超,周湘杰.一體化污水處理設(shè)備的研究現(xiàn)狀[J].四川化工,2012,15(6):38-42

[9]孫興旺,馬友華,王桂苓.中國重點流域農(nóng)村生活污水處理現(xiàn)狀及其技術(shù)研究[J].中國農(nóng)學通報,2010,26(18):384-388

Application of Solar Micro Power Modular Integrated Sewage Water Treatment Equipment in Rural Areas

GAO Su-kun1,QI Lei1,LV Ming-liang1,WANG Ying-ying1,YAO Jiu-xing1,XU Xue-dong1,2*
1.College of Water Conservancy and Civil Engineering/Shandong Agricultural University,Tai’an271018,China
2.Shandong Province Engineering Technology Research Center of Rural Housing,Tai’an271018,China

At present,the average daily discharge of rural sewage is small,the water quality is relatively stable,and the emission is relatively dispersed,solar micro power modular integrated sewage treatment equipment was researched and developed,it can effectively solve the problem of sewage pollution in rural areas and greatly improve the living environment in rural areas.The equipment has the advantages of small floor space,high efficiency,flexible installation and arrangement,convenient operation and management,wide application range and environmental protection,it is proved that the equipment has better popularization and utilization value through the demonstration.

Solar energy;combined type;integration;sewage treatment

U664.9+2

A

1000-2324(2017)05-0678-07

2017-02-28

2017-03-12

“十二五”國家科技支撐計劃課題:低成本村鎮(zhèn)基礎(chǔ)設(shè)施與環(huán)境建設(shè)技術(shù)研究與示范(2014BAL04B05)

高素坤(1990-),男,在讀碩士,研究方向為村鎮(zhèn)建設(shè)技術(shù)及農(nóng)村廁所改造.E-mail:1146779662@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:xdxu2007@163.com