格柵沉砂井取代傳統化糞池的可行性探究

羅成明，王 彤

(三峽基地發展有限公司烏東德分公司，云南昆明 651500)

1 背景趨勢

近年來，隨著我國工業化、城鎮化進程不斷推進，社會經濟得到飛速發展，但隨之而來的污染也成為亟待解決的重要問題，污水處理已日漸成為經濟發展和水資源保護不可或缺的組成部分。因此，大力發展污水處理技術和產業化水平，是防止水體污染、緩解水資源短缺的重要途徑。今后一段時間，依據“十三五”規劃綱要等文件，與生態環境質量密切相關的污水處理行業還將得到進一步的發展。目前，無論是大城市還是小城鎮，新城還是舊城，南方還是北方，鋪設城市下水道截污、集中興建市政污水處理廠處理城市污水已成趨勢[1]。環境保護部副部長趙英民2016年11月21日表示，過去5年，全國化學需氧量、氨氮排放總量累計下降了12.9%和13.0%，全國新增城鎮污水日處理能力5 700萬t，現在全國城鎮污水處理能力達到了1.82億t，已經成為全世界污水處理能力最大的國家之一。但與國外相比，污水處理率和達標率仍存在較大差距。這是因為我國人口基數巨大，區域不平衡不充分發展問題突出。另外，集中式污水處理廠改造升級不能一概地照搬照抄國外經驗，而應結合國情穩步發展。

2 化糞池現狀

2.1 化糞池現狀及問題

建設化糞池是城市排污系統不完善情況下的一種必要選擇，化糞池作為環境保護的基本措施之一。雖然在消除病原體、減少污染等方面曾發揮了重要作用，但是，目前化糞池運行管理薄弱，清理不及時，帶來了一系列問題[2]。

(1)營區管理混亂，定期清掏形同虛設，有的甚至從不清掏，糞便溢漏不經任何處理就排入下水道。

(2)厭氧過程產生惡臭氣體，造成周圍空氣質量惡化，影響周圍居民舒適性。

(3)運輸過程中產生二次污染。吸糞車保養不當，滴灑泄漏現象存在。司機素質不高，沒有環保意識，若糞渣無出路，會發生清掏者隨意傾倒，污染環境。

(4)糞便在消化處理過程中，產生有毒有害氣體。在清理化糞池時有可能發生中毒、爆炸等安全事故。

(5)經化糞池發酵的污水出水呈酸性，會對鋼制污水管道造成腐蝕。

2.2 化糞池對脫氮除磷的影響

化糞池對污水的簡易處理主要是發揮截留、沉淀、厭氧分解等物理與生化作用。正常情況下，固體懸浮物去除率約60%～70%；BOD5去除率約20%～30%；對氮、磷的去除則微不足道。集中式污水處理廠采用二級或三級深度處理工藝；二級處理的污水處理廠對有機物(BOD5)的去除率高達90%以上；三級處理的污水處理廠對氮、磷的去除亦可高達95%以上。相較而言，化糞池凈化污水的作用則顯得微不足道。在興建集中式城市污水處理廠的情況下再設置化糞池對脫氮除磷反而起了副作用，造成污水處理廠脫氮除磷所需的碳源不足[3]。碳是微生物生長需求量最大的營養元素，在脫氮除磷系統中，碳源大致上消耗于釋磷、反硝化和異養菌正常代謝等方面，其中，釋磷和反硝化的反應速率與進水碳源中的易降解部分，尤其是揮發性有機脂肪酸(VFA)的數量關系很大[4]。

3 格柵沉砂池替代化糞池

3.1 化糞池的使用情況

化糞池的使用情況主要分兩種：a.該服務區未建立集中式污水處理廠；b.該服務區集中式污水處理廠正在興建但周邊小區已形成，化糞池作為過渡階段。

對于有集中式污水處理廠的，取消化糞池是大勢所趨，但為了保護集中式污水處理廠的設備、管道不受固體雜物影響，應該在收集口設置格柵沉砂井。四川的排水主管部門要求即便在市政污水處理廠的服務范圍內，小區污水也不能直接排入市政污水管網，需用格柵沉砂池代替化糞池，在污水接入市政管網之前起到清除大的雜物、防止堵塞的預處理作用，而污水的可生化性并不受到影響。以烏東德實際運行為例，污水排放主要包括宿舍生活污水排放：淋浴排水、衛生間排水、洗臉/洗衣盆排水；食堂排水：洗碗池排水、洗菜池排水、地面沖洗排水等；化驗室排水：廢酸、廢堿排水。在考慮設置格柵沉砂井的前端時，應結合實際，設置油水分離器、酸堿中和池，流程如圖1所示。

圖1 污水收集流程示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Sewage Collection Process

為避免食堂含油脂、動物碎骨、植物根莖等雜質的生活廢水直接進入收集管網，需對食堂廢水進行隔油除渣預處理。目前，烏東德水電站食堂分散，水量較小時常采用隔油池。隔油池是對食堂產生的餐飲廢水進行預處理的設施，主要作用是分離污水中的油脂[5]。為避免化驗室的酸性、堿性或其他腐蝕性廢液直接排放對環境造成污染，實驗室后設置酸堿中和池，洗滌后，廢水經酸堿中和池后排放。

隔油池和酸堿中和池均有成熟的經驗，并在不斷的優化。目前，未出臺格柵沉砂井布置要求，尺寸也存在爭議，給后續推進格柵尺寸選型造成了一定的難度，本文對其展開討論。

3.2 案例數據對比

烏東德水電站樞紐建筑物規模宏大，根據施工總體布置，施工期退水為魚類增殖放流站生產生活廢水、施工營地生活污水，運行期及施工期污廢水均經處理達到《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)一級標準后排入金沙江干流。結合現場實際需求，設置7個污水處理站，本文通過對比金坪子1#污水處理廠、新村污水處理廠2017年4月、2018年6月的進出水數據，分析格柵沉砂井代替化糞池的可行性。

表1 化驗室檢測數據Tab.1 Test Data of Laboratory

由表1化驗室檢測數據可知，營區內住宅小區均設有化糞池的新村污水廠碳源含量低于采用格柵沉砂井的金坪子1#廠，金坪子1#廠的COD、BOD5的去除率明顯高于新村污水廠。根據污水運維班組反應的情況，春節期間該情況更加明顯。

3.3 格柵沉砂井構造及布置

格柵沉砂井根據其功能分為兩部分：沉砂部及格柵部，設置在居民小區污水出口處，并由池壁、進水管、出水管、沉砂部、格柵部組成。為實現沉砂與雜物攔擋功能，進水管、沉砂部、格柵部、出水管依次設置。進水管應采用高進，沉砂部有足夠的沉砂空間，格柵板則應充分考慮介質屬性及過渣尺寸設置。

格柵沉砂井尺寸應根據處理量、來水水質確定，常規施工項目外部尺寸可參照國標圖集的化糞池尺寸。井底應充分夯實，密實度95%以上，鋪設10 cm碎石或c15墊層，提高基礎承載力。不同管材分別采用不同的連接處防水處理，水泥管應鑿毛、1∶2膨脹砂漿等處理工藝進行防水。進水管道應略高于出水管道1倍管徑以上，避免污水回流。當地形坡度不允許時，根據現場情況進行調整。圖2中沉砂格柵井共用一室，但分區明顯。污水在遷移、流動和匯集過程中不可避免地混入泥砂。

污水中的砂如果不預先沉降分離去除，則會影響后續處理設備的運行。最主要的是磨損機泵、堵塞管網，干擾甚至破壞生化處理工藝過程。沉砂池主要用于去除污水中粒徑大于0.2 mm、密度大于2.65 t/m3的砂粒，以保護管道、閥門等設施免受磨損和阻塞。其工作原理是以重力分離為基礎，故在統一設計沉砂池尺寸時，應適當考慮過流速度，使比重大的無機顆粒下沉，而有機懸浮顆粒能夠隨水流去除。圖2右半部分為沉砂部分，主要是去除水中砂礫、固體廢棄物、可自然沉降的固體有機物。

格柵室處理的對象則主要是可能堵塞水泵葉輪和管道閥門及增加后續處理單元負荷的雜物，格柵是污水泵站中最主要的輔助設備。本次格柵沉砂池中的格柵板由一組平行的柵條組成，斜置于井室出口，傾斜角度建議采用60°～80°。 其中，污水的腐蝕性是影響格柵壽命的主要原因，腐蝕是由氫的去極化反應和硫化物引起的。在格柵材料選型中應選擇耐腐蝕、抗壓強度高、質量小的材質。目前，用于污水格柵的輕便復合材料制造工藝標準不一、質量參差不齊，建議使用耐腐蝕、強度高的不銹鋼片。格柵應可拆卸，在修建格柵沉砂井時可制作滑軌，便于拆卸清洗。

圖2 格柵沉砂井圖示Fig.2 Schematic Diagram with Grille and Grit Chamber

3.4 管道堵塞原因分析及格柵沉砂井的運行管理

管道堵塞可分為慢性阻塞和異物阻塞。慢性阻塞：管道內流體物質經年累月因管道自身和別的物質發生化學反應嗎，漸漸地附著在管道壁上，使管道通量逐步變小，最后導致管路阻塞；異物阻塞：雜物掉入污水排放口、檢查井等敞口，導致污水管網堵塞。在生活污水管網施工時，有的施工隊不夠資質、不按操作規程施工；管道枕基不實而塌陷、坡度不均甚至反坡、管道材質低劣；掉在檢查井和管道里的雜物未清理；渣土木棍、鋼筋、工具等，如房頂施工掉進管口的木棍，卡在地下橫管彎處，就會給排水造成終身隱患，而施工人員并未向領導匯報等多種施工管理不善也會造成污水管網堵塞。管道阻塞的緣由還有許多，且往往是多種要素相互作用的結果，因而其修理辦法不盡相同。

本文探究的格柵沉沙井運行管理模式為無人值守，其可以完全取代傳統化糞池的沉砂功能。設置在居民小區污水出口處的粗格柵可以有效去除污水中粒徑大于0.2 mm且密度大于2.65 t/m3的砂粒和水中砂礫、固體廢棄物、可自然沉降的固體有機物。與傳統化糞池相比，由于格柵沉砂井無需承擔厭氧分解等物理與生化作用，大大降低了清理工作量。運行管理的主要工作內容是及時清除沉砂和固體廢棄物，其清理量遠小于傳統化糞池。傳統化糞池清理周期一般在化糞池設計時確定，通常設計為分3個月、半年、1年這3種不同的清理周期。在格柵沉砂井的設計過程中，同容積情況下可以結合實際較傳統化糞池適當增加清理周期，減少清掏頻次。清掏出來的沉砂及雜物宜打包處理，宜利用電動升降設備升井，然后密封，外運有資質的垃圾填埋場或無害化處理。

3.5 格柵沉砂井布置形式

集中式污水處理廠運行過程中，污泥提升泵、曝氣孔、回流泵、中間水池提升泵、過濾器等過水設備受污水影響較大。烏東德水電站7座污水處理站歷年檢修原因表明，施工雜物、運行過程中的雜物是污水處理設備損壞的主要原因。水泵在運行過程中吸入雜物會導致葉片受損，過流面積變小，軸功率增加，振動變大，產生異響等，輕則葉片受損，重則電機燒毀。在后續污水處理站收集管網設置中，應合理設置格柵沉沙井、格柵機等布置形式，為后續設備提供良好的作業環境。在針對烏東德水電站新村污水處理站收集管網的布置中，18號樓收集口布置一個格柵沉沙井，其格柵孔徑為100～200 mm，主要是為了攔擋大的雜物，如礦泉水瓶、塑料袋等大型生活垃圾。如圖3所示，在相距3～5個井段后，再設置一個格柵沉沙井，其格柵孔徑為50～100 mm，去除較小的固體垃圾，其功能主要是分擔一級格柵沉砂池負荷、解決占地面積受限等問題。

圖3 格柵沉砂井布置圖示例Fig.3 Schematic Diagram of Layout Drawings with Grille and Grit Chamber

3.6 化糞池與格柵沉砂井經濟性對比分析

由國標圖集03s702可知，6#～13#化糞池內部結構分3格。第一格是糞便池，主要用作儲糞和一級厭氧；第二格是糞便過濾池，主要用作過濾沉淀和二級厭氧；第三格是清水池，主要用作排污。格柵沉砂井格柵沉砂池的主要作用是去除雜物，沒有儲糞及厭氧酸化的功能，同等污水處理量下，其容積比化糞池小得多，中間無需設置隔斷，占地面積較化糞池小，建設費用也小得多。

傳統化糞池的運行管理費主要發生在化糞池清掏過程中。污泥清掏必須是在污水中有機物分解并酸性發酵成為消化污泥后方能清掏，清掏周期受到污水溫度、當地氣候條件及建筑物使用要求的影響較大，這就使得有效容積要足夠大。在同樣條件下，格柵沉砂井不受水溫、氣候條件等的影響，有效容積只根據污水含渣量確定。研究表明，生活污水排放無機質含量與含砂率大約在20%～30%，與地理環境以及進水性質有關。故相同容積的格柵沉沙井清掏量只占傳統化糞池的20%～30%，運行周期更長，清掏頻率下降，運行管理成本不到傳統化糞池的30%。在烏東德工程區域使用上述格柵沉沙井，其管理簡單，操作簡易，取得了不錯的效果。值得注意的是，井室應按規范加裝帶鎖蓋板，防止人員誤入和雜物墜入。在城鎮污水處理廠服務范圍外的區域，不能用格柵沉砂井取代化糞池。

3.7 配套格柵機

在烏東德水電站污水處理站管網堵塞情況嚴重的情況下，結合新村營地污水處理站、金坪子1#污水處理站運行情況，每日對格柵井清掏。兩座污水處理站來水量較大，雜物較多，格柵易堵塞，格柵井溢流情況頻發。經討論，在電站運行期人口較多的3個營區污水處理站，即金坪子1#污水處理站、新村污水處理站、海子尾巴污水處理站加裝格柵機，保障水流通暢，避免出現溢流。方案擬采用回轉式機械格柵，其優點是自動化程度高、分離效率高、動力消耗小、無噪音、耐腐蝕性能好，在無人看管的情況下可保證連續工作，符合烏東德現場實際。格柵機選用HF300-3600型，安裝角度為75°，掉渣高度為1.5 m。統一采用內寬0.5 m、深1.5 m的溝槽，溝槽底部使用C10素混凝土墊層10 cm、底部0.053 m的磚砌體，側壁使用0.024 m的磚砌體，溝槽內做20 mm防水砂漿。配置長100 m、10 m2的3芯電纜線，在操作間就近取電。格柵機安裝后取得了較好的效果，保障了污水處理站的設備安全。

4 結論

為了防治氮磷污染及水體富營養化問題，《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)及《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)均對污水處理廠出水的氮磷指標提出了較嚴格的要求。在今后的規劃設計中，集中式污水處理廠均需合理布置脫氮除磷工藝，目前較為成熟的生物脫氮除磷受碳源影響大，故在設有集中式污水處理廠的地區取消化糞池是大勢所趨，也是科學發展的必然。污水處理是民生工程，規范污水處理，做到“污水全收集，收集全處理，處理全達標”是山水林田湖生態保護修復工程的重中之重。統一清理排查化糞池現狀，在設有集中污水處理廠的服務區內廢除糞池合理布置格柵沉砂井，對推進污水處理工作有積極的意義。另外，脫氮除磷還存在大量尚待研究的領域，進一步挖掘并做到穩定經濟的脫氮除磷是必要的。