農村河道分散式污水處理設計研究*

徐建宇，林安川，胡一多，謝德良，黃 凌，潘稷凱

（1.昆明工業職業技術學院，云南 安寧 650302；2.云南昆鋼建設集團有限公司，云南 安寧 650302）

我國農村污水主要來源為畜牧養殖污水，將近70%左右的養殖場沒有建立污水處理系統；水產養殖污水主要包括水產養殖場中很多魚類食用剩下的餌料、殘留的藥物以及魚的排泄物等污染物；農村生活污水主要包括洗浴、洗衣、廁所污水、廚房污水等；化肥和農藥污水及附近的生產企業排放的生產廢水。每年有超過2 500萬t的農村污水未經任何處理直接排放[1]，造成河流、水塘大面積污染，村民居住環境受到較大的影響，直接威脅到村民的身體健康。農村水污染已迅速上升為我國水環境的第一大污染源[2]。農村污水在收集處理方面具有河道排放點分散面廣、排水管網施工難、含氮磷濃度較高、含有大量的營養物質、細菌、病毒等，并且農村基礎環保設施薄弱，這些都給農村污水的收集和處理帶來很大難度。在黨的十九大報告中，我國也提出了鄉村振興的發展戰略，提出需要在農村地區創建良好的宜居環境的同時，需要加快農村環境污染治理。因此，農村污水處理系統建設迫切需要一種經濟、高效的污水處理集成工藝以適應我國當前農村污水的處理回用。對于農村污水處理技術的研究應用，相關技術人員對此進行了一系列的實踐：如王珊珊[3]采用一種新型高效一體化污水處理設備并應用到了安徽黟縣農村生活污水的處理中，結合實際處理效果和運行成本提出了自己的見解；付津宇[4]結合目前我國農村生活污水系統處理及運行管理中存在的問題，提出了采用生物濾池—水平潛流人工濕地組合工藝處理農村生活污水，將該工藝應用到了上海某城鎮并對處理效果進行評價；王幸智等[5]以豫南地區商城縣農村生活污水處理為例，提出了曝氣生物凈化塘處理農村生活污水新模式；針對農村污水組成的多樣性，以上研究者僅僅對農村生活污水的處理進行了研究。本文以昆明市西山區與安寧市交界的老沙河河道各分散式排污口污水排放現狀為例，充分借鑒前人的研究成果，針對工程難度、影響性、投資控制等難題，提出優化的設計方案，最終實現區域農村污水處理后達到《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》（DB11/890-2012）一級A排放標準，并為類似分散式農村河道污水集中收集處理提供經驗指導。

1 項目排污點及水質調查情況

老沙河屬于昆明西山區與安寧的分界河，上段位于西山區碧雞街道范圍內，流經長坡社區止于與安寧交界處全長3 km；河道流經區域面積為11.7 km2，共有居民1 028戶，人口2 937人，流動人口4 000余人。支柱產業為草坪、玉米。社區范圍內有個體工商戶60戶左右，小型企業20余家。畜牧養殖戶16戶，養殖牛10頭、羊120頭、豬500頭，雞鴨1 200只。有魚塘13個，面積為16.7 km2左右。社區有農用耕地634 km2，社區供水管網長6 km，用水總量約為1 200 m3/日，社區共有公共廁所6座，垃圾收集池11座。

1.1 村莊生活污水及原有企業生產廢水排放情況

經過初步調查及相關資料，長坡社區共6個小組，其中排聯小組（含一社、二社）村莊生活污水不排入老沙河河道；里仁小組（含三個社）和下華哨324人已拆遷，已搬遷到長坡回遷安置房，生活污水也不排入老沙河河道；其他三個組（后甸村392人，牛鼻村及崔家店共200人左右，長坡小組636人）的村莊生活污水、企業生產廢水（共65個，原有企業）都排入老沙河河道。其中在長坡物流園區內已有建成的污水處理站并投入使用，因此園區中企業所產生的污水不在本方案污水處理系統處理范圍之內。

通過勘查調研，老沙河河道排污口共13個，河道沿線周圍多為農田及村莊，無污水收集及處理系統，已建較多錯綜復雜分散的灌溉、排污合用渠，污水采用這些已建合用溝渠直接排入老沙河河道。各排污口及勘察路線如下圖1所示。

老沙河河道13個排污口污水量總計約為1 420 m3/d，統計如表1所示。

1.2 水質情況

將老沙河河道沿線劃分為三個斷面進行水樣采集分析化驗，各取樣點分別為長坡水庫-320國道長坡加油站（C點）-后甸抽水壩（B點）-牛鼻村與安寧交界處（A點）具體位置如圖2所示。對各個取樣點水樣采集分析CODcr、總磷、氨氮、總氮指標；通過對數據指標的分析，找到河道內污染物變化趨勢；通過對河道沿線踏勘找到主要污染源，為后續采取合理治理措施提供設計依據。本次踏勘以考核斷面A點為起點，一路溯游而上，途徑B點、C點，對沿線的河道情況及村莊、工廠、市場等污染來源進行了初步考察，總結如下。

A-B段周圍多為農田及村莊，無污水收集及處理系統，污水通過溝渠直接排入河道。此處岸旁即為垃圾堆放處，河道內也存在大量丟棄垃圾。B-C段為該段沿線的主要污染來源，后甸村生活污水、小型工廠、活禽市場直接將污水、沖刷廢水通過暗渠排入河道。除沿河道村莊污水外，長坡工業園區附近商戶產生的生活污水、公廁污水等也直接排入該段河道，使得下段河道呈現黑臭現狀。

三個斷面COD、總磷和氨氮監測的結果與分析：A、B、C三個點斷面在連續監測3 h過程中，每間隔0.5 h取樣一次對水樣COD、總磷和氨氮進行檢測，得出A點斷面COD隨時間濃度變化情況為（139.4～38.88）mg/L；B點斷面COD隨時間濃度變化情況為（120～55.64）mg/L；C點斷面COD隨時間濃度變化情況為（117.32～46.93）mg/L，由圖3所示。A點斷面總磷含量隨時間濃度變化情況為（6.0～17.9）mg/L；B點斷面總磷含量隨時間濃度變化情況為（6.2～19.5）mg/L；C點斷面總磷含量隨時間濃度變化情況為（5.9～18.5）mg/L，由圖4所示。A點斷面氨氮含量隨時間濃度變化情況為（6.0～29.93）mg/L；B點斷面氨氮含量隨時間濃度變化情況為（6.2～23.1）mg/L；C點斷面氨氮含量隨時間濃度變化情況為（6.2～15.7）mg/L，由圖5所示。

圖3 河道取樣點COD含量變化趨勢Fig.3 COD content change trend of sampling point in watercourse

圖4 河道取樣點總磷含量變化趨勢Fig.4 Total phosphorus content change trend of sampling point in watercourse

圖5 河道取樣點氨氮含量變化趨勢Fig.5 Ammonia and nitrogen content change trend of sampling point in watercourse

A、B、C三點斷面COD含量隨時間的變化而減少，而總磷和氨氮含量隨時間的變化而增加，說明河道中的微生物在適宜條件下分解了水中的部分有機物，使得水中的COD含量逐漸降低。由于農田水和水產養殖塘水的外排、農作物處于施肥期，農村許多長期淤塞河段此時開始滯水外泄，使得河道中總磷與氨氮含量隨時間變化而升高。排放口污水為流動狀態具有一定波動性，可見污水處理系統應具有一定耐沖擊負荷性。

2 深度除磷工藝

傳統的農村污水處理工藝有人工濕地處理系統、地下土壤滲濾凈化系統及傳統好氧生物處理系統。人工濕地污水處理技術以自然生態原理作為基礎，確保污水處理能夠達到實用化、工程化，但是人工濕地污水處理技術容易受到天氣影響，占地面積較大，表面徑流存在臭味。地下土壤滲濾凈化系統相當于污水的慢速滲濾，通過土壤的毛管作用，擴散到土層中去，土壤中存在的大量微生物，作物根系對污水中的污染物質進行吸附、降解，但該系統中污水停留時間較長、負荷低、水質凈化效果不明顯。傳統好氧生物系統工藝與前兩類自然處理系統相比，占地面積小，抗天氣等外界影響能力強，處理效果雖然比前兩者較好，但是基建投資、運行成本及操作難度較大，特別對污水中總磷的去除效果不理想；因此選用處理效果穩定、自動化程度高及成本低的農村污水處理系統至關重要。

老沙河河道農村污水處理系統設計處理規模為1 500 m3/d，根據2019年新頒布的《昆明市河道管理辦法》和昆明市西山區河道環境生態管理文件要求，處理后出水中CODcr、TP、NH3-N指標滿足表2中出水水質的要求，同時對河道中的其他污染指標，例如SS、色度、濁度、臭味等感官指標具有良好的去除效果，最終出水達到《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》（DB11/890-2012）一級A排放標準。

表2 處理系統設計進出水水質Tab.2 Influent and effluent water quality designed by treatment system mg/L

污水處理系統場址西側為鄉村主干道路，東、北側為菜地，南側為老沙河河道。村內排入河道的污水，經沿河道埋設的環鋼度大于8 kN/m2的高密度聚乙烯雙壁波紋管及纏繞管截污主干管收集后，排入本污水處理系統。本系統采用“MICBR—雙相耦合硝化生物反應器—高效磁混凝深度除磷”工藝，MICBR即內循環連續生物反應器。系統進水經截污主干管進入處理體積為800 m3的調節池，調節池對水量、水質進行調整后進入MICBR系統進行生物預處理，再由新建液壓升降壩經提升泵站提升進入雙相耦合硝化生物反應器及高效磁混凝深度除磷系統，最終處理后達標出水補入下游河道水體；污水處理系統產生的生化污泥通過污泥提升泵排放至污泥儲池進行濃縮處理，市政清運車定期將處理后的污泥外運處理。工藝流程圖如圖所示。

圖6 污水處理系統工藝流程圖Fig.3 Process flow chart of sewage treatment system

2.1 MICBR

MICBR（Modern Internalloop Continuous Biological Reactor），是一種集厭氧、缺氧、好氧反應單位及沉淀于一體的連續進出水的生化處理工藝。污水先進入到厭氧區及缺氧區，厭氧區及缺氧區采用回轉式池體，通過在厭氧區微生物的作用下，有機污染物質被降解，磷元素被釋放，同時回流的硝化液中的硝酸鹽被氧化為氮氣實現反硝化脫氮。當進水中有機物質特別低時，可以在此處適量投加碳源，強化反硝化脫氮，保障系統脫氮效果。在好氧區中，在可提升微孔曝氣作用下，向系統中提供氧氣，將污染物質降解，在好氧區通過設置的斜管沉淀區，實現對污泥的分離，剩余的污泥通過自流回至好氧區。本工程中MICBR系統設計處理污水能力為62.5 m3/h，MLSS即混合液懸浮固體濃度為5 000 mg/L，沉淀區表面負荷為1.3 m3/m2·h，硝化液回流比為 （4～8）倍，MICBR生化池尺寸為（13×18×5.5）m。生化池池內安裝污泥回流泵及硝化液回流泵各一臺，用以污泥回流及硝化液的回流。在反應池的缺氧區安裝兩臺攪拌機，好氧區各安裝四臺攪拌機。經過MICBR系統預處理后出水水質如下表3所示。

表3 MICBR系統預處理后出水水質表Tab.3 Effluent quality after pre-treatment of MICBR system mg/L

2.2 雙相耦合硝化生物反應器

雙相耦合硝化生物反應器為成套水處理系統，主要通過水力學、工程結構學的優化將復合親水性生物填料（BEK-BP）與高效脫氮微生物組成的耦合生物相系統對氨氮進行快速降解，保證高效去除氨氮的同時對COD也有大幅削減作用，其中NH3-N相對去除率可達90%以上。復合親水性生物填料與傳統填料相比，可以達到“入水即溶、懸浮于水、不浮不沉”的特點。如反應池采用墻體式結構增大了填料比表面積（如圖7所示），又保證了填料微孔通氣性能，使微生物更易附著，在填料上面固化一些無機碳源，可以緩慢地釋放碳源，有利于初期硝化菌的快速繁殖，并對污水中污染物質波動以及外界環境的變化有一定的緩沖性。

圖7 復合親水性生物填料與傳統填料微觀結構圖Fig.7 Microstructure diagram of compound hydrophilic biological padding and traditional padding

系統硝化速率可達2.0 mgNH3-N/g MLss.d，硝化負荷可提升至1.0 kgNH3-N/m3.d，在溫度≤10℃的條件下，硝化負荷仍可以達到0.3 gNH3-N/m3.d。本項目共設三組雙相耦合硝化生物反應器，外形尺寸為（3 600×6 500）mm，系統內設進出水布水系統及內回流裝置，復合親水性耦合載體容積填充率為25%～30%。

2.3 高效磁混凝深度除磷

高效磁混凝深度除磷裝置處理原理為污水進入系統中的磁加載區后投加混凝劑、磁種和助凝劑，使處理水體中的污染物及TP等與藥劑發生混凝反應，生成細小絮體之后，磁種與絮體通過網捕、架橋和吸附電中和等作用緊密結合，在助凝劑的幫助下形成大的礬花，在沉淀區達到快速固液分離，最終達到凈化的目的。本裝置為成套處理裝置，主要由進水系統、混凝絮凝系統、方形沉淀刮泥系統、磁回收系統、加藥系統、污泥脫水系統組成，裝置尺寸為（7.21×2.35×2.62）m。

3 工程總投資

工程投資概算內容包括：調節池、MICBR系統、液壓升降壩、預制提升泵站及輸水管線、雙向耦合硝化生物反應器、高效磁混凝深度除磷裝置、浮渣水箱、中間水箱、中間水泵、過濾器、沉淀池、輔助用房及配電值班室等主要構筑物建設費用、相關設備采購安裝的費用、設計費、監理費及其他費用。編制依據為：①建安工程費的計算采用《云南省房屋建筑與裝飾工程消耗量（2013版》[6]、《云南省通用安裝工程消耗量定額（2013版）》[7]及類似工程設計概算指標；②材料費的計算參照2014年9月云南省價格信息網公布的價格信息進行計價；③設備費采取廠家詢價的方式；④工程設計費按照《工程勘察設計收費標準（2002年修訂本）》[8]的規定執行；⑤工程建設監理費按照《建設工程監理與相關服務收費標準（[2007]670號文）》[9]進行計算；⑥基本預備費按總造價的8%計?。虎咂渌M用參考云南省實際情況計取，其中招投標費、質監費已包含在建設單位管理費中。經計算，項目總投資額為1 277萬元。系統運行費用全運行成本包括人工費（本站不設值班人員，巡檢人員由綜合污水處理廠值班人員負責）、耗電費、藥費。綜合以上計算，深度水處理站的運行成本單價見下表4。

表4 運行成本單價表Tab.4 Unit price of operation costs 元/m3

4 實施后的效果

4.1 系統運行數據效果分析

經運行調試穩定后，30 d的連續運行監測數據如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 COD去除效果Fig.8 COD removal results

圖9 總磷去除效果Fig.9 Total phosphorus removal results

圖10 氨氮去除效果Fig.10 Ammonia nitrogen removal results

圖8表明系統對COD實現了有效的去除，進水平均值為303 mg/L，處理后出水平均值為15.41 mg/L，去除率達到95%；圖9表明系統對總磷實現了有效的去除，進水平均值為6.9 mg/L，處理后出水平均值為0.21 mg/L，去除率達到96.96%；圖10表明系統對氨氮實現了有效的去除，主要得益于MICBR系統中內射流曝氣與填料的多重復合強化作用，氨氮得到快速降解，氨氮進水平均值為16.9 mg/L，處理后出水平均值為2.1 mg/L，去除率達到87.57%。

4.2 經濟分析

本項目總造價為1 277萬元，噸水投資8 513元/m3，水處理直接成本為1.64元/m3，與目前昆明市內世紀城周邊溝渠水質提升工程、昆明市第十三污水處理廠項目兩個同類型項目進行橫向對比（如表5所示），本項目直接處理成本雖比這兩個項目偏高，但在合理的范圍之內，從昆明市第十三污水處理廠項目與世紀城周邊溝渠水質提升工程可看出，兩項工程的水處理量遠高于本項目，污水生化處理中處理量越少，直接處理成本越高，但是與市場同類型項目相比，本工程水質指標達到國家一級A標準，因此從處理效果來看，本項目投資基本合理，處理后的出水可作為河道補水用于灌溉、美化景觀的作用。根據每天產生的排污費單價為 0.91元/t，每年節約49.14萬元。

表5 與同類型項目對比Tab.5 Comparison with the same items

5 結語

1）農村分散式污水的收集、處理管網的全覆蓋對改善當地環境、推動生態建設等方面具有極強現實意義。因此，應積極開展農村地區污水處理的查漏補齊工作，完善污水處理管網體系，提高其收集、處理率，從而推動生態文明的發展；

2）老沙河河道排放口中農村污水中污染物指標CODCr、NH3-N和 TP存在較大的濃度波動性，由于MICBR系統具有強大的調節能力和一定的抗沖擊負荷能力，使處理后的出水濃度低且較為穩定；

3）MICBR—雙相耦合硝化生物反應器—高效磁混凝深度除磷工藝對CODCr、NH3-N和TP的去除率分別為95%、96.96%和87.57%，最終出水達到《城鎮污水處理廠水污染物排放標準》 （DB11/890-2012）一級A排放標準；

4）本項目投資基本合理，處理后的出水可作為河道補水用于灌溉、美化景觀的作用。系統水處理單價為1.64元/t，根據每天產生的排污費單價為0.91元/t，每年節約49.14萬元。