西北某農村生活污水處理工藝設計分析

宋承明，王晨雯

(1.上海市政工程設計研究總院<集團>有限公司，上海 200092；2.甘肅省綠洲資源環境與可持續發展重點實驗室，甘肅蘭州730000；3.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅蘭州 730000)

隨著我國農村經濟的迅速發展，居民生活水平不斷提高，農村污水量也日益增加。然而，西北農村基礎設施不完善，污水處理系統匱乏，導致大量污水難以得到有效處置，農村水環境急劇惡化，嚴重威脅水源地水質和村民身體健康[1-3]。十八大以來，我國將加強農村基礎設施建設、改善農村人居環境作為重要任務，把“鄉村振興”提升到國家戰略高度。農村污水治理問題作為加快“美麗鄉村建設”的重要環節，已成為當前環境污染治理工作亟待推進的重點[3-6]。

近年來，我國農村生活污水處理率逐年上升[6]，主要污水治理方式分為生物處理和生態處理兩種。常見生物處理技術[3-6]有AO法、AO+膜生物反應器(MBR)、曝氣生物濾池、厭氧生物濾池和厭氧沼氣等；生態處理技術[3-4,7-9]包括人工濕地、穩定塘、蚯蚓生態濾池和土地滲濾等方式。同時，農村污水處理應因地制宜，盡可能采用簡單實用、投資少、效率高、易維護、無二次污染的處理工藝。因此，本文根據西北某村污水特點，通過對比分析確定了AO+MBR工藝，建立了一套適合農村污水處理的智能一體化污水凈化系統，運行后效果良好，對西北農村污水處理具有一定借鑒意義。

1 污水現狀分析

西北某農村污水主要來自村民家中的廚房污水、洗衣廢水等生活污水和家庭式畜禽養殖廢水，水中N、P含量高，重金屬和有毒有害物質含量極少。然而，由于缺乏污水收集管道和處理設施，污水只能沿道路、水溝直接排放至附近河流，鎮區污水橫溢，夏季蚊蟲滋生、臭味彌漫，大大影響鄉村環境和周邊人民群眾正常的生產生活。

污水中污染物(如N、P、病菌等)隨地表徑流輸移，嚴重威脅地下水水質，同時影響當地河流和水源地水質，從而誘發全流域水環境生態危機[3,6-7]。該村地處西北干旱內陸，地表水和地下水作為該地區有限的可利用水資源，對今后的可持續發展起著決定作用，堅決不容污染。因此，從保護水資源、減少地下水污染和建設和諧社會等多角度出發，該村污水處理勢在必行。

2 水質和水量分析

污水水質和水量決定污水處理站的處理工藝和負荷，是污水處理站設計最重要的基礎數據。然而，本項目無水質監測報告，用戶單一，污水全部為社區生活污水，因此，只能參考相關設計規范及同類污水處理站參數設計。

2.1 水質分析

本項目通過對比參考以往工程經驗、給排水手冊和周邊地區已建污水處理廠站的實際進水水質情況，預測污水處理站的進水水質。其中，給排水手冊典型生活污水的水質分為高、中、低3種，主要污染物指標如表1所示。

表1 典型生活污水水質指標Tab.1 Water Quality Indices of Typical Domestic Sewage

由于地域、氣候和生活習俗等因素類似，我國西北城鎮污水處理廠的水質參數更有參考意義，同時考慮周邊污水處理廠進水水質，周邊部分城市污水處理廠設計進水水質參數如表2所示。

表2 西北部分城市污水處理廠設計進水水質Tab.2 Designed Influent Quality of Some WWTPs in Northwest China

綜合比較上述參數，同時結合該地區經濟發展水平現狀，污水處理站處理負荷能力設計時留有適當余地，確定該農村生活污水處理站設計進水水質如表3所示。

2.2 水量分析

常用的污水量預測方法包括數據統計法、建設用地分類用水指標法和城市單位人口及建設用地綜合排水量指標法。本項目由于服務區域較小，采用單位人口綜合用水量指標法對項目區用水量進行預測，并結合當地實際情況進行修正。根據《室外給水設計規范》(GB 50013—2018)要求，并結合《西北地區農村生活污水處理技術指南》的農村人均排水量、當地自來水用水量核定定額及該地區農村生活習慣，確定本項目社區人均生活污水排放量按60 L/d計算，普通學校人均用水標準為30 L/d，政府等機關單位人均用水標準為60 L/d，排水量按用水量的80%計算。

表3 設計污水進水水質Tab.3 Designed Influent Water Quality

通過調查該村居民的生活習慣和生產周期，發現該村人口中年輕人夏、秋季大多外出打工。同時，該村生活污水排放量呈季節性變化，即冬、春季相比夏、秋季人均污水排放量大大降低。經過綜合分析，該村夏、秋季居住人口較少，人均污水排放量較高；冬、春季居住人口較高，人均污水排放量較少。根據計算，冬、春季污水排放量大于夏、秋季污水排放量，所以本項目設計污水排放量按預測污水排放量的90%計算，最終確定該村污水量如表4所示。

表4 項目區人口統計及污水量預測Tab.4 Demography and Wastewater Quantity Forecast in the Project Area

3 污水處理工藝比選分析

3.1 出水水質標準

污水處理站出水水質的確定取決于污水處理站處理后出水的最終出路、收納水體自凈功能及國家頒布的不同水域的污水排放標準。本項目出水均用于綠化、灑水降塵等生態用水，應充分考慮提高出水水質，防止儲存水質惡化和對地下水的污染，根據《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)，當出水用作城鎮景觀用水和一般回用水時執行一級A標準，具體出水水質指標如表5所示。

表5 本項目設計出水水質Tab.5 Designed Effluent Quality in the Project

根據中水的回用用途，中水回用的水質執行《城市污水再生利用 城市雜用水水質》(GB/T 18920—2020)，相應的回用水水質標準為BOD5≤20 mg/L、SS≤20 mg/L、氨氮≤10 mg/L、PH值=6～9。污水處理站出水均能滿足中水回用的要求，所以中水回用前不另設處理設備。

3.2 污水處理工藝比選

與城市污水相比，農村生活污水水量小、波動大且分散度高。再者，不同地區鄉村污水的排放特征相差較大，排放標準也不盡相同。因此，農村污水處理工藝應根據其污水的特點和自身條件決定[3,8-10]，工藝選擇應考慮以下幾點：(1)污水變化系數大，需要抗沖擊負荷能力強；(2)應選一次投資低、運行費用少的處理工藝，降低經濟成本；(3)產泥量要低，降低污泥處理費用；(4)要操作簡單、維護管理方便。根據以上特點，結合國內外工程實例，選取以下3種工藝路線進行比選(表6)。

由表6可知，方案一占地面積較少、工藝流程較短、土建費用較低、運行穩定、出水可靠、自動化程度高，但設備投資較高；方案二占地面積較小、土建費用較低，但總投資和運行費用較高、運行管理復雜；方案三工程投資及運行費用較省，但工藝流程較長、運行管理較復雜。本工程污水處理工藝路線要求出水穩定、運行管理簡單，因此，最終采用方案一處理工藝。

表6 污水處理工藝方案比選Tab.6 Schemes Comparison of Sewage Treatment Processes

3.3 處理工藝論證

近年來，農村水源地水體富營養化加劇，對污水N、P等指標的控制尤顯重要，脫氮除磷效果已成為確定污水處理工藝的重要指標。本項目對“AO生物處理+MBR”工藝和“AO生物處理+曝氣生物濾池+CMF膜過濾”工藝進行比選。由于工藝方案的不同，其機械設備、電氣設備和自控系統的配套不盡相同，總體歸納兩種工藝的技術特性如表7所示。

表7 兩種工藝的技術性能比較Tab.7 Technical Performance Comparison of Two Processes

綜上所述，本工程根據進水水質和回用要求，最終采用AO+MBR工藝。

3.4 一體化污水處理系統

本項目污水處理工藝主要采用一套處理能力為150 m3/d的智能一體化污水處理系統，該系統結合了生物技術與膜技術的優點，采用APP智能遠程控制，無需人工值守，同時具有設備集成化、結構模塊化、運輸方便、安裝便捷等特點，能夠適用于各種中、小規模的分散性生活污水和與之類似的工業有機廢水處理。通過污水管道收集的污水首先通過格柵攔截進行預處理，目的是初步降低無機顆粒物質的含量，提高污水的同一性和可生化性；接著進入調節池進行水質水量的調節，經調節后的污水進入智能一體化污水凈化系統，依次通過集成化的缺氧池、好氧池及膜池后直接出水。具體工藝流程及一體化智能系統如圖1～圖2所示。

圖1 污水處理工藝流程Fig.1 Flow Chart of Watewater Treatment Process

圖2 一體化污水凈化系統模塊單元Fig.2 Module Units of Integrated Watewater Purification System

4 運行效果

該項目現已建成通水，經監測，運行期間各項進出水水質如表8所示。各項水質指標能夠滿足《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準，并具備很好的脫氮除磷能力。然而，由于本次設計未考慮除油措施，污水中的油脂易吸附在MBR膜片上，可能導致膜堵塞，降低膜使用壽命。

智能一體化污水處理系統機械化、自動化程度高，每3～5座污水處理站配備1名管理人員，定期進行水質化驗分析和污泥清理等工作，即可滿足正常運行。該系統運行管理簡單、操作方便、自動化程度高，同時可以美化鄉村環境，為當地居民提供良好的生活環境。

5 結語

(1)農村污水水質水量波動較大，居住人口分散，需選擇抗沖擊負荷能力強的處理工藝，并且宜采用小規模一體化污水處理系統。

表8 污水處理系統實測進出水水質Tab.8 Actual Influent and Effluent Quality of WWTP

(2)綜合考慮經濟水平、操作運維和村容村貌等因素，該村采用“AO+MBR”工藝智能一體化污水處理工藝是可行的。

(3)工藝設計時應考慮增加除油設施，避免造成MBR膜堵塞。

(4)該一體化污水處理工藝處理農村污水出水水質能穩定達到一級A標準，對西北地區農村生活污水處理具有一定借鑒意義。