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農村分散式污水處理的技術前景

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01   我國農村水污染的現狀與特征

1.1點源污染

近年來,隨著國家產業政策的調整和升級,許多污染嚴重的小企業從城市轉移到郊區和村鎮,加之原有的眾多小造紙廠、電鍍廠、印染廠、化工廠等鄉鎮企業粗放經營,布局分散,其生產過程中產生的工業廢水未經處理就近排入河溝、水庫和農田,對水體造成了嚴重的污染,使鄉鎮企業成為農村水體點源污染的最大來源;據有關部門調查,51%農民家庭將生活垃圾直接倒入溝渠,18%村民直接倒入農田,這些生活垃圾又對地表水、地下水產生了二次污染。

1.2面源污染

一方面,我國是農業大國,全國化肥的施用量從1990年的2590t增加到2007年的5108t,平均用量已接近400kg/(h˙m2),遠遠超過國際上為防止水體污染而設置的化肥安全使用上限225kg/(h˙m2);在近10多年來農藥的年使用量基本穩定在23t左右(有效成分),各種制劑(實物量,包括有效成分和各種輔劑)162t。然而化肥的平均利用率僅為35%左右,農藥的利用率低于30%,剩余化肥、農藥中的大量營養元素進入土壤,通過各種途徑流失到水體中,NP等營養成分在水體中的聚集造成水體的富營養化。

另一方面,由于農民居住較分散且人口數量較多,其生活污水基本未經任何處理直接排放;另外,隨著城市需求量的增大,農村的水產養殖與畜禽養殖發展迅速,其產生的大量糞尿超過土地處理能力而隨意堆放,或經沼氣池發酵后沼液直接排放,這些又成為水體的一大污染源。因此,對農村生活污水和養殖廢水進行有效處理,從源頭上控制面源污染是從根本上解決水體水質富營養化的重要措施之一。

1.3農村水污染特征

基于我國農村分布較廣、農戶居住分散的特點,我國農村水體污染呈現出污水排放量小、排放分散、NP等營養成分含量高、污水排放流量和有機負荷波動性大等特點。由于農村的基礎設施建設嚴重不足,幾乎沒有系統的收集和輸送生活污水的管道,同時知識文化水平普遍不高,操作管理能力較弱。因此,適宜于農村的分散式污水處理技術應該是一種低投資、能耗少、操作管理要求低且具有穩定高效的污染物去除效率的污水處理技術。

02   農村分散式污水處理技術

分散式生活污水處理是以技術先進的小型污水處理設施實現生活污水的就近處理與利用。近年來,各式各樣的分散式污水處理設施應運而生。我國幅員遼闊,南北方農村差異較大,對于不同地理環境應因地制宜地選擇適宜的處理設施。

2.1源頭分離技術

農村生活污水的水質狀況如下:5日生物需氧量(BOD5)180320mg/L,化學需氧量(COD)265510mg/L,固體懸浮物量(SS)90255mg/L,氨態氮(NH4+-N)含量為2060mg/L,總氮含量為2580mg/L,總磷含量為1.55.0mg/L

正常成年人每人每年產生的污水量為25000100000L,排尿量為400500L,排便量為50L,其中含N45kgP0.75kgK1.8kg,這些營養物質在尿中的含量分別為87%50%54%,即平均每人每年所排尿液中含N3.484.35kgP0.38kgK0.97kg

由此可見,在生活污水中,尿液所貢獻的NP值非常大。如果采用源頭分離技術,如糞尿分集式生態衛生廁所(新型旱廁)、沼氣池衛生廁所等,將尿液單獨分離并輸送以用于農業生產,這將是向營養物質回用和高效水體保護邁出的最大一步。

同樣,現階段我國農村養殖業快速發展,其產生的畜禽糞尿及沖洗水構成了高濃度有機廢水,處理較為困難,不達標排放造成周邊水體富營養化。例如,在養豬場的3種清糞工藝中,采用干清糞分離不僅節約用水,其水質負荷也較水沖糞、水泡糞低得多。

同時,由于沖洗是在短時間內完成的,即與尿液相比,沖洗水量集中且水量大,可考慮采用源頭分離技術,進一步分離尿液和沖洗水。最終沖洗水中的污染物濃度較低,易于處理。分離后的豬糞比較干燥、肥效高,易于堆肥,尿液中NP濃度高,有利于P的回收,適宜于在農村推廣應用。一旦大部分尿液不進入水環境中,農村養殖廢水所帶來的面源污染如氨氮超標問題就變得容易解決。

2.2蚯蚓生態濾池

蚯蚓生態濾池是一種利用微生物、蚯蚓和基質等組成的人工生態系統處理生活污水的新技術。目前,其填料主要采用陶粒、土壤、鋸末、稻殼、谷殼、泥炭、鋼渣、煤渣、石英砂、細砂等。蚯蚓對污水及污泥具有分解、吸收的作用,其來回蠕動,不僅清掃濾床,防止其堵塞,而且增加了濾床層的通氣性,增大了氧的供給量,促進濾層中CN的轉化;另外,蚯蚓可以清除蚊蠅滋生,改善濾池的衛生條件,同時在濾池中增殖的蚯蚓又可作為家禽飼料。

蚯蚓糞便中的微生物能促使有機N的氨化和NH4+-N的硝化作用,其內部的厭氧層和生物膜內的厭氧層會發生反硝化作用而楊健等在曲陽污水廠的中型試驗表明,蚯蚓生態濾池對城鎮污水的產生N2N2O氣體,降低出水的TN值。CODCr去除率達83%88%BOD5去除率達91%96%SS去除率達85%92%,氨氮去除率達55%65%

由于蚯蚓生態濾池具有池容小、節能、易操作、維護管理方便等特點,適宜于我國南方農村生活污水處理,但由于蚯蚓有冬眠和夏眠的習性,會造成階段性出水不穩定,使用時應考慮其應對措施,在濾池出水加后續強化處理工藝。

2.3人工濕地處理系統

與自然濕地相比,人工濕地主要是利用土壤、人工介質、植物、微生物的物理、化學、生物三重協同作用,對污水、污泥進行處理的一種綜合生態系統。它應用生態系統中物種共生、物質循環再生原理以及結構與功能協調原則,在促進廢水中污染物質良性循環的前提下,充分發揮資源的生產潛力,防止環境的再污染,獲得污水處理與資源化的最佳效益。

人工濕地系統可分為表面流濕地(SFW)、潛流濕地(SS-FW)、立式流濕地(VFW)。表面流濕地和立式流濕地因環境條件差(易孳生蚊蟲),處理效果受氣溫影響較大以及對基建要求較高,現多不再采用。故人工濕地大部分采用潛流式濕地系統。在人工濕地系統中,可利用植物吸收和基質的吸附去除污染物。目前常用的挺水植物有:蘆葦、蒲草、荸薺、蓮水芹、水蔥、茭白、香蒲、千屈菜、菖蒲、水麥冬、風車草、燈芯草等。李瑋峰等研究表明蘆葦和香蒲植物吸收TNTP的量在濕地去除量中的比例分別為13.5%41.2%17.3%24.4%

由表1可知,不同濕地植物對NP的吸附去除率不同,其與進水水質、濕地基質、溫度等多種因素有關,對比分析后可以看出,蘆葦、香蒲以及茭白對NP的去除率均較高。人工濕地基質主要采用土壤、沙、石、煤渣、鋼渣等。基質一方面為微生物的生長提供穩定的依附表面,同時也為水生植物提供了載體和營養物質。當污水流經人工濕地時,基質通過沉淀、過濾、吸附和離子交換等一些物理和化學的途徑來凈化除去污水中的污染物。濕地基質氧化還原能力的大小決定了系統去除N的效果。

紅壤廣泛分布于我國低山丘陵地區,價格低廉,易于取用,是一種較好的人工濕地基質。黃中子等研究發現,紅壤是一種優良的磷素吸附材料,當溫度為30℃時,紅壤對P的飽和吸附量高達1.61mg/g。紅壤中P的含量非常低,但是含有大量的無定型氧化鐵、氧化鋁及高嶺石等成分,有利于P的吸附和固定。因此,當溶液中P的濃度較低時,對P的吸附去除效果較好。當紅壤除磷吸附飽和時,可作為農田肥料使用。

在進水污染物濃度較低的條件下,人工濕地對COD的去除率可達80%以上,對BOD5的去除率可達80%95%,對TNTP的去除率均可達85%以上。國外利用人工濕地處理生活污水及各種廢水,均取得很好的處理效果。人工濕地具有結構簡單、投資少、易于維護和運行費用低等特點,易于在我國農村推廣使用。

2.4地下滲濾系統

地下滲濾系統是一種人工強化的污水生態處理系統,污水經化糞池預處理后,去除大的懸浮物后有控制地投配到滲濾裝置中,然后在重力和土壤毛細管力的作用下擴散運動,污水在此遷移過程中通過物理截留、物化吸附、化學沉淀、微生物降解、動植物作用等被凈化。

地下滲濾系統的類型包括滲濾坑式地下滲濾系統、滲濾溝式地下滲濾系統、滲濾管式或滲濾腔式地下滲濾系統、尼米槽式地下滲濾系統及其他改進型地下滲濾系統。地下滲濾系統對有機物及TP均有較好的去除效果,但對TN的去除效果不佳。張建等在地下滲濾系統內摻加10%草炭,結果表明對氨氮和總氮的去除率明顯提高,從未摻加草炭時的83%69%分別提高到95%80%

當采用紅壤+25%煤渣的地下滲濾系統處理生活污水時,其對COD的去除率達82.7%,對TP的去除率高達98.0%,對NH4+-N的去除率達70.0%,對TN的去除率達77.7%。地下滲濾系統具有投資少、運行費用低、易于維護管理、不影響地面景觀等特點,適合于土質滲透性能高、農戶分布散、人口少、經濟較落后的農村污水處理。

2.5滴濾池

生物滴濾池是生物過濾法中的一種。由于此類型的生物處理裝置中生物膜一般都很厚,而溶解氧(DO)通過擴散作用通常只能進入生物膜表層的100200μm深度,因此生物膜上就有可能同時存在好氧區和厭氧區,使整個系統具有生物脫氮的功能。

這種反應器具有水力負荷和抗沖擊負荷能力強、結構簡單、安裝快捷、控制容易、運行成本低等優點。白永剛等采用滴濾池中式處理農村生活污水,在穩定運行狀態下滴濾池對CODNH4+-NTNTP去除的貢獻率分別為74.5%79.2%33.8%47.5%。滴濾池能有效完成對有機物的降解和硝化作用。因其操作管理方便,處理效果高,適合于土質滲透性能高、農戶分布散、人口少、經濟較落后的農村污水處理。

2.6小型一體化污水處理設備

小型一體化污水處理設備通過有效地整合各種水處理工藝來實現分散式污水的凈化達標。目前,日本有超過20%人口仍在使用小型一體化污水處理設備———凈化槽,美國則有1/4的人口和1/3新建的社區在使用這種處理設備。HEISTADA等研究的一種適用于單戶家庭的緊湊污水處理系統,是由化糞池、好氧生物過濾器及上流式飽和過濾器組成。好氧生物過濾器主要用于去除有機物及實現硝化作用,上流式飽和過濾器進一步處理污水,去除微生物和P

經過3年的運行實踐表明,該系統具有穩定且較高的出水水質,對BOD5NPSS的去除率分別為97%30%99.4%70.8%。該系統維護簡單,上流式飽和過濾器可持續5年吸附去除P,當其吸附飽和時可作為農田肥料。LIANGHW等對三階段進水的廢水處理系統研究表明,當進水的SSCODNH4+-N的濃度分別低于10508mg/L時,其去除率分別為90%80%90%

03   小結

鑒于農村土地的劃分較為分散,農村污水處理應改變傳統的集中收集處理觀念,轉為采用高效、可靠的分散式污水處理系統,就地處理。以上所述的幾種處理系統,均適用于我國農村的生活污水處理,同時應注重源頭分離處理技術的應用,即優先采用源頭控制污染物,降低污水中污染物的含量;然后因地制宜,可采用厭氧處理與上述方式相結合,或者采用蚯蚓生態濾池與人工濕地串聯處理、蚯蚓生態濾池與地下滲濾系統串聯處理、滴濾池與人工濕地串聯處理或者人工濕地與地下滲濾系統等的組合工藝來處理,從而達到更好的出水水質,進一步改善我國農村水環境污染嚴重的現狀。


2018年12月7日
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