杭嘉湖農(nóng)村污水處理設(shè)施運(yùn)行效果調(diào)查

葉芳芳，袁子琦，徐穎峰，康穎

(1.浙江工商大學(xué)，浙江 杭州 310012；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 杭州 310012)

杭嘉湖地區(qū)位于太湖流域南部，面積約15 023 km2，總?cè)丝? 036.26萬(wàn)人，其中，農(nóng)村人口占62%，年排放生活污水達(dá)8 000萬(wàn)t[1-3]。第一次全國(guó)污染普查結(jié)果顯示，面源污染對(duì)太湖的總氮貢獻(xiàn)率達(dá)77%，總磷(TP)貢獻(xiàn)率達(dá)66%[4]。而農(nóng)村污水又是面源污染氮磷的主要貢獻(xiàn)者，總氮、TP貢獻(xiàn)率分別為30%和70%[5-6]。為保護(hù)太湖流域水環(huán)境，杭嘉湖地區(qū)積極建設(shè)農(nóng)村污水處理設(shè)施，至2018年治理行政村覆蓋率達(dá)90%以上[7]，但由于其數(shù)量龐大、點(diǎn)位分散，部分設(shè)施長(zhǎng)期缺乏有效運(yùn)行、維護(hù)及監(jiān)管[8-9]。為此，以杭嘉湖農(nóng)村生活污水處理設(shè)施為調(diào)查對(duì)象，研究其運(yùn)行情況，為規(guī)范化杭嘉湖地區(qū)污水處理設(shè)施的運(yùn)行和監(jiān)管提供基本數(shù)據(jù)及管理依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查范圍

區(qū)域范圍。杭嘉湖地區(qū)13個(gè)區(qū)縣，包括杭州本級(jí)(江干區(qū)和西湖區(qū))、臨安區(qū)、余杭區(qū)、湖州本級(jí)(南潯區(qū)和吳興區(qū))、德清縣、長(zhǎng)興縣、安吉縣、嘉興本級(jí)(秀洲區(qū)和南湖區(qū))、嘉善縣、海寧市、海鹽縣、平湖市、桐鄉(xiāng)市。

工藝范圍。根據(jù)杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水處理設(shè)施主要工藝占比，選取典型工藝5個(gè)：厭氧-缺氧-好氧生物脫氮除磷(A2/O)工藝、厭氧-好氧(A/O)工藝、膜生物反應(yīng)器(MBR)工藝、厭氧生物工藝、人工濕地工藝。

監(jiān)測(cè)時(shí)間。2018年11月至2019年10月，監(jiān)測(cè)頻次為每月1次。

1.2 采樣方法

在杭嘉湖地區(qū)隨機(jī)抽取80座農(nóng)村污水處理終端設(shè)施。在設(shè)施的進(jìn)水位置和出水位置分別采集水樣，采集樣品數(shù)量不少于3個(gè)，混合后測(cè)定均值。為避免地表徑流影響，取樣期間避開(kāi)中雨及以上降雨期。取樣過(guò)程中進(jìn)出水處于不斷流動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，樣品混合后用1 L的白色塑料封口瓶密封保存，12 h內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)分析。

1.3 測(cè)樣方法及排放標(biāo)準(zhǔn)

采集水樣于4 ℃環(huán)境保存，檢測(cè)項(xiàng)目為化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)和TP。COD采用快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007)測(cè)定，NH3-N采用水楊酸分光光度法測(cè)定(HJ 536—2009)，TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定(GB 11893—1989)。

排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《浙江省農(nóng)村生活污水處理地點(diǎn)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB 33/973—2015)規(guī)定的污染物排放限值[10]，位于重要水系源頭、重要湖庫(kù)集水區(qū)等水環(huán)境功能重要地區(qū)和水環(huán)境容量較小平原河網(wǎng)地區(qū)的新建設(shè)施執(zhí)行一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其他地區(qū)執(zhí)行二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)，置信區(qū)間為95%，計(jì)算達(dá)標(biāo)率和去除率，數(shù)據(jù)圖繪制采用Origin 2018軟件。達(dá)標(biāo)率季節(jié)變異系數(shù)用以下公式計(jì)算：

C=σ/μ。

式中：C為達(dá)標(biāo)率季節(jié)變異系數(shù)，無(wú)量綱；σ為四季達(dá)標(biāo)率標(biāo)準(zhǔn)差；μ為四季達(dá)標(biāo)率均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 處理概況

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2018年11月至2019年10月杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水產(chǎn)生總量達(dá)8 323萬(wàn)t。其中：湖州本級(jí)最高，達(dá)1 397萬(wàn)t；余杭區(qū)、嘉興本級(jí)處第二和第三，分別為903萬(wàn)t和811萬(wàn)t；杭州本級(jí)因農(nóng)村區(qū)域范圍較小，農(nóng)村污水產(chǎn)生量最少，僅為34萬(wàn)t。

杭嘉湖地區(qū)已進(jìn)行處理的農(nóng)村污水總量達(dá)6 573萬(wàn)t，處理率達(dá)79.0%。其中：長(zhǎng)興縣農(nóng)村污水處理率最高，達(dá)100%；其后是海寧市與臨安區(qū)，處理率分別為98.0%與97.0%；嘉興地區(qū)處理率普遍較低，尤以平湖市為最低，僅為29.0%，而桐鄉(xiāng)市、嘉善縣、海鹽縣和嘉興本級(jí)處理率也均未超過(guò)60.0%。

海寧市雖處理率較高，但設(shè)施運(yùn)行效果不佳，達(dá)標(biāo)率最低，僅為58.0%；桐鄉(xiāng)市和嘉善縣稍好，達(dá)標(biāo)率也僅有73.0%和76.0%；其余10個(gè)區(qū)縣達(dá)標(biāo)率均高于90.0%。

綜上，杭州和湖州各地區(qū)的農(nóng)村污水處理率及達(dá)標(biāo)率總體較高，但嘉興各地區(qū)(平湖市、海寧市、桐鄉(xiāng)市、嘉善縣、海鹽區(qū)、嘉興本級(jí))農(nóng)村污水處理率及達(dá)標(biāo)率均明顯低于杭州地區(qū)和湖州地區(qū)，急需進(jìn)行系統(tǒng)提升改造(圖1)。

圖1 杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水處理的狀況

通過(guò)對(duì)杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水處理設(shè)施調(diào)查發(fā)現(xiàn)，A2/O工藝、A/O工藝、厭氧生物工藝、人工濕地工藝及MBR工藝是杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水處理設(shè)施采用的主要工藝。其中：A2/O工藝以規(guī)模靈活、功能齊全等特點(diǎn)[11]，使用率最高，占總處理設(shè)施的58.1%；A/O工藝通過(guò)與化學(xué)除磷/電解除磷等工藝聯(lián)用[12]，具有操作簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)村污水治理中也被廣泛應(yīng)用，使用率達(dá)17.1%；厭氧生物工藝及人工濕地工藝兩種無(wú)動(dòng)力工藝能耗低、易管理[13]，適用于低排放標(biāo)準(zhǔn)地區(qū)，使用率達(dá)18.2%；MBR工藝是一種結(jié)合膜處理與生物處理的新型工藝，占地面積小，處理效率高，出水能達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A以上[14]，近幾年開(kāi)始在農(nóng)村污水處理中被推廣應(yīng)用，但由于該工藝投資成本高、維護(hù)難度大[15]，在杭嘉湖地區(qū)使用比例較低，僅為0.8%。綜上，A2/O工藝、A/O工藝是杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水處理中最主要的兩種工藝(圖2)。

杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水處理設(shè)施處理規(guī)模主要集中在<30 t·d-1，占設(shè)施總數(shù)的88.3%，單個(gè)設(shè)施的服務(wù)人口<400人，>100 t·d-1規(guī)模設(shè)施僅占1.5%。由此可見(jiàn)，杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水治理以小規(guī)模分散式處理為主，可有效降低農(nóng)村污水治理管網(wǎng)建設(shè)的工程量，但設(shè)施數(shù)量過(guò)多，也極大地增加了分散式農(nóng)污處理設(shè)施的運(yùn)行、維護(hù)管理難度。

對(duì)杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水處理設(shè)施進(jìn)水水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3)，生活污水中COD、NH3-N、TP平均濃度分別為196、41.6和4.62 mg·L-1。污水濃度分布呈現(xiàn)地區(qū)差異，杭州本級(jí)農(nóng)村污水中COD和NH3-N濃度明顯高于其他區(qū)域，分別達(dá)250～400和40.0～70.0 mg·L-1；湖州本級(jí)、嘉興本級(jí)農(nóng)村污水中COD為150～250 mg·L-1，NH3-N為10.0～50.0 mg·L-1；其他區(qū)縣略低于湖州本級(jí)和嘉興本級(jí)。TP濃度整體波動(dòng)大，杭州本級(jí)濃度相對(duì)較高，其他區(qū)縣則無(wú)顯著性差異。此外，從不同季節(jié)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，杭嘉湖農(nóng)村污水水質(zhì)隨季節(jié)的波動(dòng)差異不顯著。

2.2 設(shè)施運(yùn)行現(xiàn)狀

2.2.1 工藝

不同工藝污水處理設(shè)施的運(yùn)行效果及穩(wěn)定性差異顯著。圖4顯示，A2/O工藝、A/O工藝、MBR工藝和人工濕地工藝總達(dá)標(biāo)率相近，在94.3%～96.7%。但各工藝達(dá)到不同標(biāo)準(zhǔn)的比例差異顯著，A2/O工藝和A/O工藝一級(jí)達(dá)標(biāo)率較高，分別達(dá)到51.0%和47.7%，而MBR工藝僅有37.1%的設(shè)施達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，人工濕地工藝的一級(jí)達(dá)標(biāo)率最低，僅為6.9%。此外，厭氧生物工藝總達(dá)標(biāo)率顯著低于其他工藝，僅為53.3%，其中二級(jí)達(dá)標(biāo)率為45.8%，一級(jí)達(dá)標(biāo)率為7.5%，處理能力在各工藝中最差。

圖4 不同農(nóng)村污水處理工藝污染物去除率差異

從單污染物因素分析，MBR工藝對(duì)于COD、NH3-N、TP的去除率最佳，分別為80.0%、70.0%、71.0%，但由于MBR工藝高負(fù)荷、高效率的特性，其往往應(yīng)用于管網(wǎng)較為完善、進(jìn)水濃度較高的區(qū)域，且MBR膜組件和化學(xué)除磷加藥系統(tǒng)需要經(jīng)常維護(hù)，出水水質(zhì)并不穩(wěn)定，因此，MBR工藝由于除磷效果不穩(wěn)定，導(dǎo)致整體一級(jí)達(dá)標(biāo)率相對(duì)較低。A/O與A2/O工藝對(duì)于COD、NH3-N、TP的去除率僅次于MBR工藝，但由于A2/O工藝和A/O工藝達(dá)標(biāo)率均受到TP去除低的限制，導(dǎo)致這兩種工藝總達(dá)標(biāo)率及一級(jí)達(dá)標(biāo)率差異不顯著。

人工濕地工藝對(duì)COD、NH3-N、TP的去除效果最差，去除率均未超過(guò)30.0%。厭氧生物工藝對(duì)COD、NH3-N及TP的處理效果也不佳，去除率僅為30.0%～40.0%。但調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，人工濕地設(shè)施的進(jìn)水污水濃度往往較低，因此，其出水達(dá)標(biāo)率反而高于厭氧生物工藝，這可能與管網(wǎng)健康度有關(guān)。在管網(wǎng)設(shè)施較為落后的地區(qū)偏向于采用人工濕地工藝等運(yùn)行、維護(hù)要求低的處理工藝。

綜上所述，目前在農(nóng)村廣泛使用的工藝均有一定的缺陷，其中MBR、A2/O和A/O工藝相對(duì)效果較好，但必須輔以有效的運(yùn)行和維護(hù)，特別是要重視除磷工藝的入場(chǎng)管護(hù)；厭氧生物工藝及人工濕地工藝對(duì)于污染物的去除效果不佳，不適用于高排放要求和高進(jìn)水濃度區(qū)域。

2.2.2 規(guī)模

選取使用頻率最高的A2/O工藝，研究處理規(guī)模對(duì)于污水處理效果及穩(wěn)定性的影響。圖5顯示，小規(guī)模(<10 t·d-1)、大規(guī)模(>100 t·d-1)處理設(shè)施污染物的去除率顯著高于中間規(guī)模。其中：小規(guī)模處理設(shè)施對(duì)COD、NH3-N、TP的去除率最高，分別達(dá)78.0%、79.0%和81.0%，大規(guī)模設(shè)施的去除率分別為81.0%、66.0%和62.0%。小規(guī)模處理設(shè)施主要用于小規(guī)模集散地，一般為數(shù)十戶家庭集中處理廢水，廢水來(lái)源中沒(méi)有集中餐飲、公廁、小作坊等污水，進(jìn)水水質(zhì)濃度相對(duì)較低，易處理；而大規(guī)模處理設(shè)施由于場(chǎng)站規(guī)模較大，運(yùn)行和維護(hù)人員管理較為集中，處理效果較好。

圖5 不同處理規(guī)模設(shè)施污染物去除率的差異

2.2.3 季節(jié)

在2018年11月至2019年12月期間，本研究對(duì)杭嘉湖地區(qū)污水處理設(shè)施進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，考察其達(dá)標(biāo)率與季節(jié)影響的關(guān)系。圖6顯示，A/O工藝與A2/O工藝季節(jié)變異系數(shù)分別為3.6%和5.7%，表明該兩種工藝受季節(jié)變化影響不顯著；MBR工藝和人工濕地工藝運(yùn)行效果較穩(wěn)定，受季節(jié)影響較小，變異系數(shù)分別為11.0%和11.2%；厭氧生物工藝運(yùn)行效果受季節(jié)影響最大，變異系數(shù)為20.7%。5種工藝達(dá)標(biāo)率季節(jié)變化趨勢(shì)一致，夏季達(dá)標(biāo)率最高，冬季顯著下降，與已有報(bào)道一致[16-18]。由于夏季水溫升高，硝化細(xì)菌活性增加，從而提高了NH3-N去除率，達(dá)標(biāo)率上升。綜上所述，A/O工藝、A2/O工藝、MBR工藝和人工濕地工藝總達(dá)標(biāo)率相近，但A/O工藝運(yùn)行效果最穩(wěn)定。

圖6 農(nóng)村污水處理工藝達(dá)標(biāo)率的季節(jié)變化

3 小結(jié)

杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村污水整體處理率達(dá)79.0%，污水處理設(shè)施出水平均達(dá)標(biāo)率為86.0%(地方標(biāo)準(zhǔn)二級(jí))。

杭嘉湖地區(qū)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施規(guī)模主要集中在<30 t·d-1，占比88.3%；處理工藝以A2/O工藝為主，占比58.1%。

污染物去除性能最優(yōu)的是MBR工藝，去除性能最差的是人工濕地工藝，受季節(jié)影響波動(dòng)最大的是厭氧生物工藝，最穩(wěn)定的是A/O工藝。