水力空化技術在農村污水處理中的應用研究

馮中營 王子榮 王烽宇 劉美琴 柴立臣 馬淼 寧健 趙婷婷

1、太原工業學院理學系 2、山西衛安環保科技股份有限公司

引言

隨著社會和經濟的發展，城市和農村的污水產出量越來越多，江河湖泊也遭遇到富營養化等問題，水資源的污染是不可忽視的問題。之前的農村水體基本可以通過自然凈化，而現代農村也越來越需要引入污水處理設備，以便使農村污水在排放前得到有效的處理，保護農村優美的環境。空化是一種復雜的物理現象，空化產生的瞬間高溫、高壓可以有效地促進污水處理，水力空化作為一種低能耗的空化方式已經得到越來越廣泛的推廣應用。本文主要探討水力空化技術在農村污水處理中的應用。

1 水力空化

空化為液體內發生的一種復雜的物理現象，當液體內某一局部的壓強降低時，在液體內部將出現空化氣泡的形成、發展和潰滅的過程。利用空化處理污水為現代興起的一種污水處理方案，產生空化的方法有超聲空化、水力空化、光空化、粒子空化等，其中研究最為廣泛的為超聲空化，但超聲空化的能耗高、處理量少，極大地限制了超聲空化的應用與發展。水力空化具有處理量大，能耗低的特點，因此在實際污水處理過程中具有很大的優勢及應用前景[1,2]。

當液體中的壓強分布不均勻，具有高壓區與低壓區時，便會產生水力空化的空化泡，當空化泡潰滅時在其周圍會產生異常的超高溫度和超高壓強，高能量能夠破壞物質的化學鍵從而使得水分子產生高活性的羥自由基和氫自由基，這些自由基具有極強的化學活性；伴隨空化效應的沖擊流作用和微射流作用在液體中產生巨大的擾動，有利于化學反應充分進行；瞬間高溫效應也能破壞分子的化學鍵[3-7]。這些都有利于水力空化在污水處理中的應用[8-13]。

2 農村污水處理

各個城市的污水基本全部經過污水處理廠，而農村污水一直缺乏有效的處理，農村也很難建立類似于城市中的污水處理廠。因此，農村污水處理具有“沒人處理、沒錢處理、沒技術處理”三大特點，此外農村村民對農村污水設施的不認同感也是待解決的難題，因此選擇合適的污水處理工藝和運營管理模式是有效解決農村污水處理問題的關鍵。

污水處理企業必須緊跟國家發展戰略和環保形勢的變化，調整自身研究目標和發展方向，明確適應農村環境和方便農村運營的農村污水處理方案。根據北方農村污水特點，開發“農村污水處理方案及第三方運營技術”和“農村引用水保護技術”。其中孝義市農村污水綜合利用項目作為全國示范項目得到了住建部、環境生態部等部門的高度認可。

3 農村污水處理一體化設備

為適應農村污水處理，研制了基于水力空化技術的農村污水處理一體化設備，此裝置融合了多項水力空化相關的污水處理技術，將傳統厭氧-缺氧-好氧法污水處理工藝的效率提升數倍的同時，該設備總運行功率不到900W，為以太陽能、風能等清潔能源作為發電技術提供可能，后續污水深度處理與農村景觀的結合，在為村莊建立“村級活動中心”解決村民對污水設備認同感問題的同時，還為農民朋友提供了休閑場所。污水處理運營采用互聯網模式，將單站運行費用降至最低1萬元/年，因此在人均收入水平偏低的農村也可以得到有效的利用和推廣。

3.1 工藝特點

農村在規模、區域、管理等方面的水污染治理特殊性，決定了適合其進行污水處理的方式、方法必須適應農村的要求。

（1）設備模塊化。因地制宜，水力空化污水處理一體化設備是一種具有較廣泛應用的污水處理設備。既節省投資，又便于管理。將厭氧、缺氧、好氧三個污水處理池整合在一個整體裝置中，便于搬運、安裝與移動。

（2）運行費用低。采用“風光互補”“利用太陽能的曝氣裝置”等節能工藝，降低運行費用。利用太陽能電池板產生電能，可以在無電源的地方無需專門布置電源線便可以利用該水力空化污水處理一體化設備，太陽能電池板產生的電能驅動永磁直流電機，進而使高壓風機工作，最終促使水力空化裝置產生空化效應，空化產生的瞬間超高溫、瞬間超高壓強能夠極大的促進污水處理。

（3）剩余污泥量少。采用“水力空化協同微堿處理生化污泥的一體化減泥機處理系統”來減少污泥。污泥為污水處理過程最后的剩余產物，大量的污泥無法處理最終造成對環境的污染，因此在污水處理過程中，要盡量減少污泥的產出量。傳統的污泥減量技術有機械法、化學法及生物法等，但這些傳統方法的效果并不令人滿意。通過水力空化效應與污水污泥處理過程中加入微量堿進行聯合處理，可以使污泥的產出量大為減少。

為檢驗水力空化與微堿聯合處理污水在減少污泥中的作用，進行了以下實驗項目。在某市政污水處理廠取樣新鮮污泥1m3，將采取的污泥樣品置于一圓柱形反應容器中，在該反應器中安裝水力空化反應裝置。處理前，對污泥樣品進行采樣檢測，測得其pH值為6.8，總固體（TS）含量為6800 mg/L，總化學需氧量（TCOD）為5300 mg/L，溶解性化學需氧量（SCOD）小于100 mg/L，溶解度小于2%。選取帶動水力空化裝置運轉的電機功率為0.2 kW。控制污泥樣品的pH值初始數值為9，電機持續運轉0.5 h，耗電能0.1 kWh（按每kWh 0.5元估算，電能消耗費用為0.05元）；此時，對污泥樣品進行采樣檢測，測得其pH值為9，SCOD為898.1 mg/L，溶解度為16.94%。電機持續運轉3小時，耗電能0.6 kWh（按每kWh 0.5元估算，電能消耗費用為0.3元）；此時，對污泥樣品進行采樣檢測，測得其pH值為7.6，SCOD為1938.3 mg/L，溶解度為36.57%。由該實驗可以看到水力空化與微量堿聯合處理污泥起到了非常好的效果，而且能耗非常低。

為進一步驗證水力空化與微量堿聯合在實際污水處理廠中的應用，在某一個處理能力達20000 m3的污水處理廠，安裝水力空化裝置并在該廠污水處理池中投入微量堿來控制pH值。由于污水處理量很大，因此我們用了兩臺水力空化設備同時工作，每臺設備的功率為1.5 kW，水力空化設備每天工作時間為16 h，每天耗電能24 kWh（按每kWh 0.5元估算，每天電能消耗費用為12元）。為控制pH值，每天需在污水處理池內投入NaOH 50公斤。水力空化設備運行3個月后，該污水處理廠的污泥日排量由之前的16噸減少為3噸，使得該污水處理廠污泥由之前的每天往外運輸減為一周僅需往外運輸一次污泥。在每月水力空化的電能消耗僅為360元的情況下，水力空化為該污水處理廠帶來了巨大的經濟效益。同時污泥產量大為減少也帶來了巨大的社會效益。

（4）管理簡單方便。運用在線監控模式管理污水處理站，使其一年四季維持在最佳運行狀態。

3.2 處理模式

我國農村分布總體呈三種分布特點：單戶分散、鄉鎮村落集中分布、臨近城區分布，在這樣的社會環境下，農村生活污水處理模式也就分為兩種類型：多戶分散處理模式和多村集中處理模式。

（1）多戶分散處理模式。此種農村生活污水處理模式適用于單戶或者幾家幾戶采用小型生活污水處理設備或自然處理的形式，這類模式主要用于人口密度稀少、地形條件復雜、污水不易集中收集的村莊進行生活污水處理。例如：庭院式分散處理、街道式局部集中就地處理等。

（2）多村集中處理模式。此種農村生活污水處理模式適用于污水排放量較大、人口密度大、遠離城鎮的地區。該處理模式與城市污水處理站類似，通常采用水力空化與生物生態組合處理等工藝形式。例如：C村人口較多，適宜建設污水處理站，A村、B村人口較少，所以將A村、B村的污水分別收集后運輸到C村污水處理站進行處理。

3.3 運行模式

物聯網和遠程監控運營管理模式。農村鄉鎮片區一體化治污設施的運行監管尤其重要，只有充分利用自動化信息技術實現無人值守，節省人力資源及運營成本，對運行過程無縫監管才能保證污水站實現穩定運行。水力空化污水處理一體化智能管理系統適合農村各種生活污水處理應用場合。

優勢特點：（1）水力空化污水處理一體化設備采用物聯網技術遠程監控，可實現對分散的處理設施的區域管理。（2）實時顯示工藝運行情況與主要水力空化設備的運行狀態，對設備進行遠程開關操作或運行參數設置，由現場專業運營人員值守變為無人值守模式。（3）水力空化設備的運行狀態及所發生故障的時間與類型等信息會以及時發送報警信號的形式呈現給相關管理人員及機構。