新型防堵塞高負荷人工土壤濾池處理系統設計

陳 桐，唐 晶，赫英哲，甘 露

(江蘇環保產業股份有限公司，江蘇省環保集團有限公司，江蘇 南京 210019)

1 研究背景

隨著我國社會經濟快速發展，生活污水排放量與日俱增[1]。目前，城市生活污水處理系統逐步完善，然而鄉鎮和農村地區缺乏合理的收集渠道及集中處理設施[2]，鄉鎮和農村生活污水造成的水環境污染嚴重威脅了鄉鎮和農村水源地的水資源安全[3]。同時，鄉鎮和農村地區經濟基礎薄弱，居民環保意識相對較差，在一定程度上制約了農村水環境治理的發展[4]。鄉鎮和農村生活污水具有排放水量和污染物濃度波動大、組分相對簡單、可生化性好、收集困難等特點[5,6]。采用建設大型污水處理設施或利用應急處理設備等，需要配套建設大量污水收集管網、設施規模和占地偏大、運營需投加藥劑、投入大量人員維護等[7]。這種處理方式投資過高、運營費用居高不下，大部分鄉鎮和農村地區難以承受，因此不能很好的適應上述特征，無法廣泛推廣應用[8]。根據鄉鎮和農村的自然環境以及經濟收入等現實條件，研究一種構造簡單、運行費用低、維護保養方便、適應當地污水特征的處理模式是污水處理技術的關鍵[9,10]。在眾多的污水處理技術手段中，土地處理技術在低成本、耐沖擊上具有獨特優勢[11]。

污水土地處理系統可分為6類，即慢速滲濾處理系統、快速滲濾處理系統、地表漫流處理系統、污水濕地處理系統、地下滲濾土地處理系統和人工土層快速滲濾處理系統[12]。其基本方法是將經過化糞池排出的生活污水通過埋在地下的散水管均勻分布于一定面積的土壤中，廢水在土壤上部飽氣帶向下滲透的同時，其中的有機物被好氧及厭氧細菌分解成無害物質[13]。其突出優點是建設成本低、運營管理費用少，系統之上的土地可用作旱地種植蔬菜等作物或作為花圃、草坪等綠化用地，不會影響環境和景觀，也不改變土地的用途，是一種既有經濟效益，又有生態效益的污水處理方法。因此，美國和加拿大在20世紀90年代中期已有1/3以上的生活污水采用該方法處理[14]，并且逐年增加[15]，在歐洲和日本也有較多的應用實例。

然而，由于土壤堵塞和氧氣供應的限制，傳統系統的污水負荷僅1～4 cm/d。余杰等[16]采用該技術設立了一個試驗系統并將系統的水力負荷提高到20 cm/d，卻大大降低了其污水處理效果。另有研究[17]通過高度分散顆粒有機物和保障系統的氧氣供應，以加快顆粒有機物的生物氧化速率、維護土壤的團粒結構和提高污水處理效果，使其污水負荷提高到約20 cm/d。該技術雖然在一定程度上擴大了地下污水處理方法的適用范圍，增加了系統的穩定性，但由于土地面積的限制，在我國的許多農村地區仍然難以使用。要進一步大幅度提高其污水負荷，必須采取有效可行的方法，在污水進入地下滲濾系統之前去除其中的懸浮顆粒物。

在實際應用案例中，由于廢水中顆粒有機物的存在，傳統的土壤生物處理方法往往出現較嚴重的土壤堵塞現象[18]：廢水中的懸浮顆粒有機物土壤濾料界面附近形成富含顆粒有機物的薄層，隨著顆粒有機物的積累，其滲透性降低，沿布水管出現局部積水[19]；土壤濾料堵塞后，氧擴散作用也大大減弱，進一步加重堵塞現象，從而降低系統的廢水處理效率，甚至喪失其廢水處理功能[20]。

為了克服現有技術的不足，本文介紹了在農村污水治理項目實施過程中創新設計的防堵塞高負荷人工土壤污水處理技術，重點對處理系統組成、內部結構和運行流程進行了論述和探討，以期為農村生活污水治理的理論和實踐提供新的思路。

2 防堵塞高負荷污水處理系統主要內容

本研究設計的防堵塞高負荷人工土壤濾池污水處理系統工藝路線如圖1所示。該污水處理系統包括預處理系統、立體多層式濾池系統、出水回用系統和各類輔助模塊。其中，預處理系統、立體多層式濾池系統和出水回用系統通過管路連接。該污水處理系統通過預處理系統，對污水進行固液分離、氧化降解和截流緩沖，通過立體多層濾池系統，進行多層布水、過濾降解，另外結合拔風換氣、曝氣充氧等手段，有效避免了濾池系統的堵塞問題，同時提高了濾池處理污水的單位負荷。

圖1 防堵塞高負荷人工土壤濾池污水處理系統工藝路線

如圖2所示，該系統的內部構造及連接設計如下：

圖2 防堵塞高負荷人工土壤濾池污水處理系統工藝連接

2.1 預處理系統

預處理系統的作用主要為：污水的固液分離、去除污水中油脂類和懸浮顆粒物、大分子、難降解有機物的厭氧及好氧降解，以及出水緩沖。該預處理系統包括用于污水初沉和厭氧消化的進水回用區、用于脫氮除磷的生化處理區、用于污泥沉降的泥水分離區、用于出水緩沖暫存的出水分配區。各功能區之間均設置有隔板，隔板形成S型水流方向。進水回用區連接化糞池出水管，生化處理區的水流方向為上進下出，泥水分離區的水流方向為下進上出，出水分配區通過管道與濾池連接。預處理系統內部的隔板設置，形成了有效的推流形態，抗沖擊負荷能力強，保障進入濾池的水質平穩。

2.2 立體多層式濾池系統

立體多層式濾池系統用于同步進行多層污水的縱向過濾和橫向輸送，對污水中的顆粒性有機物和溶解性有機物進行吸附、降解處理。該系統包括由上至下分布且連通的上層過濾單元、通風層單元、下層過濾單元和排水單元，各結構層均采用沸石、陶粒、卵石、加氣磚碎礫和球形填料中的一種或多種組成。上層過濾單元和下層過濾單元之間填充有通風層，過濾單元與出水分配區管路連接。上層過濾單元由上至下依次為覆土層、上布水層、上濾層，上布水層設置有若干個上層布水管，其上設置有若干個散水孔。上層布水管一側設置有溢流管，溢流管的高度高于上布水管的高度。通風層單元由上至下分別為通風層和中濾層，下層過濾單元包括下布水層和設置在下布水層下方的下濾層，下布水層設置有若干個下層布水管，下層布水管上設置有若干個散水孔。排水單元包括排水層和排水管，排水層設置在下濾層下方，排水管設置在排水層底部。溢流管和排水管均與出水回用系統連接。立體式的過濾方式可吸附處理的污染負荷容量大，可以最大限度的發揮高負荷人工土壤濾池的負荷能力，雙層過濾單元大大提高了濾池系統的過濾能力。另外，頂部覆土層可種植景觀花木或旱地農作物，作為景觀花圃或小菜園使用，場景適應性強。

2.3 出水回用系統

出水回用系統用于系統出水的暫存和排放。出水回用系統包括儲水池、潛水泵和出水管，潛水泵設置在儲水池底部，出水管與潛水泵連接。儲水池中的存水可為農戶種植、沖廁等提供水源，多余的出水通過潛水泵提升排放至環境水體或管網中。

2.4 其它系統設計

該防堵塞高負荷人工土壤濾池處理系統還配套了太陽能發電系統、曝氣充氧系統和拔風換氣系統。

(1)太陽能發電系統，用于給該污水處理系統進行供電。使用風光一體發電設備和PLC控制單元，固定于立桿上。風光一體發電設備由風力發電機、太陽能電池板、蓄電池、逆變器及電源管理裝置組成，通過太陽光能、風能產生電能供整個處理系統使用。

(2)曝氣充氧系統用于給預處理系統、濾池系統進行曝氣充氧。系統包括曝氣管、輸送氣管和氣泵。曝氣管分別設置在懸浮式填料架下方和通風層內，曝氣管與輸送氣管連接，輸送氣管與氣泵連接。

(3)拔風換氣系統用于給預處理系統、濾池系統進行無動力通風換氣。拔風換氣系統包括通風管道和旋流式通風器，通風管道一端分別與預處理系統、通風層連接，旋流式通風器設置在通風管道另一端。拔風換氣系統可以利用自然空氣的流動對預處理系統進行通風換氣，避免有害氣體的聚集，改善預處理系統內部的充氧條件，減少增氧曝氣的阻力，拔風換氣系統可以利用自然空氣的流動對立體多層式濾池系統正壓通風復氧、負壓拔風換氣，有助于進一步消解前期聚集的有機污染物，恢復立體多層式濾池系統污染負荷容量。

3 系統的運行模式和工作原理

來自用戶的生活污水，先經過隔油池、化糞池等前處理設施，然后通過水位差自流，由重力管道收集后接入該處理系統。

3.1 污水在預處理模塊中的污染物去除

污水通過進水管進入預處理模塊，首先在進水回用區內污水中較大顆粒物在池內沉降，污泥斗儲存，擋板將污水中的漂浮物阻攔在上部；污水在該單元中有一定的停留時間，水中溶解氧被逐漸消耗，形成缺氧至厭氧的環境，促進大分子、難降解污染物水解。進入生化處理區的污水通過掛膜填料的吸附、降解作用，進一步去除污染物；氣泵通過底部的曝氣管間歇向該單元補充空氣，形成好氧、缺氧交替的環境增強生化處理效果，有助于硝化和反硝化作用，達到脫氮的目的。污水從底部流入泥水分離區，自下而上通過斜管，污泥在斜管沉淀作用下分離，出水通過堰跌水進入出水分配區。為了改善通風條件、強化微生物降解和污泥的分解作用、避免有害氣體在內部聚集，在模塊上部設置通風管，與拔風動力模塊連接；通過自然拔風作用在氣泵停止期間進行適量的無動力送風，以改善內部環境，減少氣泵使用時間；另外在好氧曝氣時，通風管可作為氣流出口，降低曝氣阻力。

3.2 污水在高負荷人工土壤濾池中的流向和污染物去除

污水通過上層布水管進入濾池的上布水層，一部分在重力作用下滲濾穿過上濾層向下流動，來不及滲濾的污水則在上布水層中橫向流動，其中的污染物被人工土壤濾料攔截吸附，并被表面形成的生物膜吸收降解。污水逐一滲濾穿過各濾層，每層均有吸附攔截和微生物降解作用。其中的顆粒有機物主要被上濾層攔截，殘留的顆粒有機物和溶解性有機物在中濾層和下濾層中進一步去除。污水中經預處理模塊硝化作用形成的硝酸根離子和亞硝酸根離子在濾層中兼性厭氧環境下通過反硝化作用去除，達到脫氮作用；磷則被填料吸附，或被微生物利用去除。當上游短時來水量大，超出上層布水管配水能力時，導致預處理模塊的出水分配區液位不斷上升，達到下層布水管進水口，過量污水通過下層布水管進入下布水層，通過重力作用向下滲透穿過下濾層至排水層，通過排水管收集后排入出水回用池，經潛污泵，提升排放至下游。設置于出水回用系統的潛污泵周期性啟停，使得高負荷人工土壤濾池交替在淹水或落干的狀態下切換，形成類SBR形式的污水處理工藝，有利于污染物降解。

在濾池落干期間，利用氣泵對濾池進行送風充氧，加速污染物分解，同時起到氣體反沖洗作用，有利于濾層過濾能力的恢復。氣泵工作時，由位于通風層的通風管正壓送風，氣流分為兩路通道，一路向上穿過上濾層、上布水層，通過上層布水管的進水口、覆土層散逸至外部；另一路向下穿過中濾層、下布水層，通過下層布水管的進水口、排水層中的排水管散逸至外部，達到濾池整體充氧效果。當上游來水量小、氣泵未啟動期間，通過拔風動力模塊的自然拔風作用，在通風層形成負壓吸風效應[21]，空氣通過上、下層布水管的進水口進入上、下布水層，再通過上濾層、中濾層經通風管排出，達到局部微循環通風效果，維持生物降解效率，保障處理效果。

3.3 復合系統內各單元協同機制

村鎮排水管網相對市政排水系統較為簡單，常見為雨污合流排水體制[22]。廁所用水、廚房用水、淋浴用水、庭院洗衣、沖洗等用水，以及降雨時形成的地表徑流都通過排水管道進入農村污水處理系統，針對上述復雜進水條件，利用復合系統內各單元的協調聯動機制，能夠很好地適應水質水量波動較大的情況，保障系統出水長期穩定達標。

在旱時水量較小時，污水經收集管道排入預處理模塊，經厭氧、好氧、沉淀處理，拔風動力模塊為預處理模塊提供充足的好氧曝氣條件，并進行換氣通風，保障生化處理效果。出水經上層布水管進入人工土壤濾池，此時濾池所承受的污染物負荷很低，拔風動力模塊間歇對濾池進行正壓通風富氧、負壓拔風換氣，有助于進一步消解前期聚集的有機污染物，恢復濾池污染負荷容量。在雨時或來水量較大時，預處理模塊因內部擋板、溢流堰的布置，形成有效的推流形態，抗沖擊負荷的能力強，保障進入濾池的水質平穩。出水經上、下兩層布水管進入濾池，由于上下濾層結構一致，從而使濾池滲濾過水能力提升近1倍，而且中、下濾層日常污染物負荷很低，采用吸附效果更好的球形填料等復合填料，可吸附處理的污染負荷容量大，可以最大限度的發揮人工土壤濾池的負荷能力。

當瞬時雨量大，來水主要為上游匯集的大量雨水、水質較好時，復合系統主要作用由污水處理轉為調蓄和排水。來水經上、下層布水管進入濾池，濾池池體將作為初期雨水調蓄池，隨著濾池儲存滿水，通過與上層布水管連接的溢流管，將來水排至出水回用井中，再由潛污泵提升至下游，保證農戶排水不受影響。

4 處理系統測試效果

該新型人工土壤濾池處理系統已在項目現場實際運行見圖3。系統處理規模為2 m3/d，出水指標穩定達到江蘇省農村生活污水處理設施水污染物排放標準(DB32_3462-2020))中規定的一級A標準(COD≤60 mg/L、SS≤20 mg/L、氨氮≤8(15)mg/L、總氮≤20 mg/L、總磷≤1 mg/L)，對COD、氨氮、總磷、SS的去除效果顯著，部分指標去除率可達90%以上，水樣對比見圖4所示。

圖3 新型人工土壤濾池處理系統現場照片

圖4 處理水樣對比

5 結論

高效防堵塞農村生活污水人工土壤處理系統，是專門針對農村污水特征而研發的一套復合處理體系。系統以土地處理技術為核心，根據進出水標準和處理水量適配生物預處理模塊，適配太陽能、風能等可再生能源對系統設備供電，無須外接電源，使本系統適用性更為廣泛，尤其是接電困難的偏遠地區。系統具有工藝成熟、處理效果穩定、集成度高、投資及運行維護費用低等優點，具有較高的學術研究和應用價值。