城鎮糞便污水處理的設計與工程實踐

李 清，趙衛兵，張 勇，朱小明，張 倫，馬星辰

（中機十院國際工程有限公司，北京 100086）

1 引言

我國城鎮水廁的使用率較高，糞便通常進入化糞池后被定時清掏外運至糞便處理廠。目前我國關注點多在糞渣的處理，而糞水則一般簡單處理達下水道排放標準后排入城市生活污水處理廠，這無疑會對污水處理廠造成一定的負荷沖擊。

隨著我國提標治理污染政策的出臺及人們對生活環境要求的不斷提高，城鎮的糞便污水處理已經成為城鄉環境治理的重要部分。本研究將結合實際工程項目，進行糞便污水處理方案的設計分析，并以實際運行效果驗證設計，以期為類似工程設計提供參考。

2 糞便污水的特點及處理難點

1） 雜物多、SS 高。糞便污水因來源于城鄉公廁、公寓以及企業等化糞池，雜物較多，充滿了衛生用品、纖維絲團、化纖織物、塑料、玻璃、木頭等各種碎屑雜物。如果采用格柵機械清除雜物，容易產生纏繞和透過的問題，需要人工協助清理和高壓水沖洗，不能完全采取全封閉設施，臭氣污染嚴重［1］。

2） 有機物及氮含量高［2］。糞水含水量大，COD 含量較高，通常在30 000～40 000 mg/L［3］，通過本研究實際測定，氨氮及總氮含量通常在400～600 mg/L，水處理負荷較高，如采用生物處理常需考慮氨氮毒性問題，脫氮除磷將成為糞水處理的關鍵點。

3） 含砂較多。由于吸糞車吸取的糞水主要來自化糞池第一格底部，沉積泥沙濃度非常高，需考慮除砂及污泥處理設施［4-6］。

3 工程設計方案

本工程為河北省某縣級市的糞便處理項目，處理收集縣級市內的清掏糞便，設計處理含水率98%的糞便100 t/d，實際收集能力為50 t/d。

3.1 設計進出水水質

本工程處理介質為城鎮人類糞便，不含油脂、重金屬等物質。糞便預處理工段“固液分離+絮凝脫水”的處理效果對污水處理系統的進水水質有較大影響。基于本工程的預處理運行情況，本次設計進水水質見表1，出水水質指標執行GB 8978—1996 污水綜合排放標準中的三級標準及當地生活污水處理廠的進水水質要求，見表1。

3.2 工藝設計

本工程糞便污水處理流程見圖1。

圖1 某廠糞便污水處理工藝流程示意

1） 預處理工藝段。

糞便污水通過快速卸糞裝置進入固液分離機，在固液分離機中去除糞便中的大塊沉淀物、大于20 mm 的漂浮懸浮物以及90%以上的粒徑大于0.5 mm 的砂礫，固液分離一體機設置1 臺，處理量為100 m3/h。沉砂池停留時間10 min，人工清掏。實際運行過程中發現：①來糞負荷沖擊較大，即使設備選型偏大，仍然會出現淤堵現象，故應設來料緩存池；②固液分離后，糞水含砂量較大，應設沉砂裝置；③固液分離后仍有大量的漂浮物進入后端處理，固液分離格柵間隙偏大，建議兩級過濾，增加一級6～10 mm 柵隙。

固液分離出水進入調節池，均質均量，調節池設計停留時間為36 h，建議水力攪拌與機械攪拌結合破除表面結痂，設置參數為8～15 W/t，且該方法實際運行效果良好。

調節池出水通過螺桿泵抽入脫水車間，并在管道內投加高分子量絮凝劑PAM 后進入螺壓脫水機脫水，濾液進入污水處理系統，濾渣運至好氧發酵車間資源化回用。螺壓脫水機參數為8～12 m3/h，P=3.05 kW，配高壓沖洗。三腔一體機溶解配藥投加能力為2 000 L/h，P=5.50 kW，變頻調控，投藥量為100～250 mg/L。

2） 濾液池。

接受重力流入的脫水濾液。該池分為兩個功能區，進料池停留時間為1.2 h，其中該池內設置進料泵2 臺，1 用1 備，參數為Q=5 m3/h，H=8 m，P=0.55 kW；緩存池停留時間為3.56 h，該池內設有2 臺可調潛水攪拌器，對角設置，單臺功率為0.37 kW。濾液池設計需注意水面嚴重結垢的問題，應設置攪拌等破垢措施。

3） 缺氧池。

主要發揮反硝化作用，去除硝態氮。該池停留時間為6.90 h，池內設置2 臺潛水攪拌器，單臺功率為0.55 kW。

4） 好氧池。

缺氧池污水通過不銹鋼集水槽溢流至好氧池，在池內完成有機物降解、硝化及聚磷菌吸磷的過程，降低污水中COD、氨氮含量。在較大曝氣量的1#好氧池內好養微生物大量繁殖，在2#、3#好氧池內，為硝化液回流及出水沉淀，降低曝氣量。該池停留時間為14.27 h，池內設置管式曝氣系統，呈“豐”字布置，羅茨鼓風機參數為：Q=1.92 m3/min，P=0.05 MPa，N=4 kW，可調。硝化液回流泵參數為：Q=10 m3/h，H=12 m，N=2.2 kW，變頻。

5） 斜管沉淀池。

鑒于可利用占地較小，絮凝污泥沉淀性能較好，斜管設備采用表面光滑的乙丙共聚材料斜管，每日定期排泥，運行良好，未見堵塞現象。該池的表面水力負荷為0.60 m3/（m2·h），停留時間為1.50 h，斜管設備φ×l 為100 mm×1 500 mm。

污泥采用多點回流方式，大小泵匹配分別可切換至好氧池、缺氧池及緩存池。1#污泥回流泵參數為：Q=5 m3/h，H=5 m，P=0.55 kW。2# 污泥回流泵參數為：Q=12.6 m3/h，H=5 m，P=1.1 kW。

剩余污泥排至調節池。

6） MBR 膜池。

若斜管沉淀池出水不達標，則開啟膜池，使得好氧池出水進入MBR 膜池繼續反應去除污染物，而后將達標污水外排。膜過濾面積為448 m2，配套膜清洗系統。

7） 糞水加藥。

糞便污水中含磷量較高，需投加化學藥劑進行去除，投加藥劑為某公司特制除磷液體藥劑，投加量為800～900 mg/L，投加點為好氧池，經充分攪拌，進入斜管沉淀池進行沉淀。

3.3 運行效果分析

該項目于2018 年7 月調試運行。經過調試監測數據顯示，該項目各項指標達到出水水質要求，甚至遠遠優于各限值。污水處理各階段工藝水質變化情況見表2。本研究主要分析糞便污水處理出水的CODCr、NH3-N、TN、TP 指標。

表2 污水處理各階段處理效果

3.3.1 CODCr

根據調試情況，調試前30 d，為增大污泥量，好氧池DO 為6～8 mg/L，第30～60 天，好氧池DO為4～6 mg/L，其他水池攪拌器24 h 開啟。糞便處理廠CODCr去除效果見圖2。

圖2 糞便處理廠CODCr 去除效果

根據圖2 可知，CODCr數據在每次池體排空維修后波動較大，個別值超過當地污水廠進水水質要求（＞400 mg/L），出水CODCr在150～500 mg/L變化，去除率在80%～95%變化，處理效果良好。這可能是：①接種污泥來自當地污水處理廠，啟動時間較短，污泥活性高；②調試時天氣溫度較高，利于微生物的生長繁殖；③糞便污水可生化性有機質含量較高，有利于微生物的生長。

9 月初，出水CODCr為150～250mg/L；11月初，在增加冬季保溫措施后，出水CODCr低于100 mg/L，去除率可達97%，達到GB 18918—2002 城鎮污水處理廠污染物排放標準中的二級標準（≤100 mg/L），部分時段甚至達到一級A 標準（≤50 mg/L）。

3.3.2 NH3-N 和TN

糞便處理廠NH3-N 去除效果見圖3。

圖3 糞便處理廠NH3-N 去除效果

根據圖3 可知，調試前30 d，出水NH3-N 在5～200 mg/L 變化，去除率在40%～99%變化，波動較大，這可能是：①據現場反饋收運方式出現問題，清掏周期及方式不同會影響糞便的性質；②預處理段的脫水工藝仍處于調試當中，絮凝劑投加量100～250 mg/L，絮凝效果對于濾液的性質產生了影響。

經歷約60 d 的調試后，NH3-N 的去除效果基本穩定，11 月初，NH3-N 低于1 mg/L，可達到GB 18918—2002 一級A 的限值標準（≤5 mg/L）。這說明好氧池的培養條件（DO 為4～6 mg/L） 利于硝化細菌的生長繁殖，硝化效果優良［7］。

糞便處理廠TN 去除效果見圖4。根據圖4 可知，前60 d 的出水TN 在40～230 mg/L 變化，去除率在10%～90%波動，TN 的去除成為調試運行的難點，為應對當地入冬溫度變化，增加缺氧池保溫措施，通過調整反硝化菌的生長條件，溫度15℃左右，降低硝化液回流比為0.5∶1～1.5∶1［7-8］，40～70 d 的TN 基本維持在50～100 mg/L，變化幅度減小。

圖4 糞便處理廠TN 去除效果

為進一步降解TN，增加缺氧池停留時間，故將一級好氧池的曝氣量降低，控制氧含量為0.8～1.50 mg/L［9］，這樣一級好氧池形成好氧兼具缺氧的條件，從而使缺氧池停留時間增加至約10 h，經過1 個月的調試后，TN 的去除效果基本穩定，數值低于45 mg/L，去除率達到85%，達到GB 8978—1996 三級標準排放要求。

進料池NH3-N 與TN 數據對比見表3。

表3 進料池NH3-N 與TN 數據對比 mg/L

經過多次測試結果表示，進料池的NH3-N 與TN 的測試數據基本相等，相差不超過50 mg/L，故說明糞便混合物經過一定時間和預處理（固液分離+絮凝脫水） 后，糞尿中的尿素分解，氮元素主要存在形式轉為NH3-N［10］，進入污水生化處理系統，在硝化菌的作用下轉為NO3-N，故在水處理系統中氮的主要存在形式為NH3-N、NO3-N 或者NO2-N。

3.3.3 TP

糞便處理廠TP 去除效果見圖5。

圖5 糞便處理廠TP 去除效果

根據圖5 可知，前15d 的出水TP 在80～140mg/L變化，波動較大，這說明生物處理基本未發揮除磷作用，可能原因為：①系統調試初期，緩存池內聚磷菌并未優勢生長；②系統負荷波動，為增加污泥量，不曾排泥。

由于糞水中的磷主要以無機磷形式存在［8］，為盡快降低磷含量，采用化學除磷方式。在20 d后，根據小試結果，投加除磷藥劑400～650 mg/L，數據顯示TP 含量基本在40 mg/L 左右，說明絮凝劑對于污水中磷的去除具有較好的效果，且在系統排泥后，去除率未明顯提高。考慮實際工程的絮凝效果與小試相差較大，增加除磷藥劑濃度至800～900 mg/L，效果較為顯著，TP 含量低于5 mg/L，滿足出水水質要求。在該投加濃度下，沉淀池每日排泥量為1～2 m3。

3.4 運營成本

本糞便廠的污水處理運營成本見表4。按照設計收運規模100 t/d 計算，處理1 t 糞便污水需要約26 元，糞渣處理未計入本次成本。

表4 污水處理運行費用

3.5 問題與建議

糞便廢水的提標排放將成為未來治理趨勢。目前糞便處理主要存在以下問題：①由于目前城鎮的收運模式不完善，進料負荷波動大，固液分離機選型參數偏大也無法預估來料情況，為設備選型合理合適，減少電耗及設備投資，建議設置進料緩存池；②懸浮物含量大，易造成結痂情況，水下常規攪拌均無法擾動液面，故在液面處須采取水力攪拌與機械攪拌的方式；③糞便污水自化糞池抽出，含砂量較大，建議調節池前設置沉砂及排砂裝置；④有機質與氮磷含量較高，為減輕糞便污水的生化處理壓力，提高前段預處理效率，盡量降低脫水濾液的含固率；⑤強化水處理的生物脫氮除磷設計，增加缺氧池停留時間、化學除磷等措施。

4 結論

根據調試運行數據發現，在MBR 膜池不開啟情況下，糞便廠污水出水CODCr、NH3-N 指標已經達到了GB 18918—2002 的二級標準，部分時段甚至達到一級A 標準。

糞便污水氮磷及SS 含量高，通過糞便污水處理廠的處理工藝設計及關鍵設備選型，TN 去除率大幅提升，污水中磷含量快速降低，出水水質達到GB 8978—1996 中的三級標準及當地污水廠進廠標準，為今后糞便處理設計起到一定的指導意義。

與此同時，本項目設計參數下的糞水處理站運行良好，達標污水經下水道進入當地市政污水處理廠，不僅不會增加受納污水廠的運行負荷，還可以為市政污水處理增加有效碳源，減輕市政污水廠的運行成本，實現了糞便污水“變廢為寶”的資源化出路。