南方农村生活污水处理目标及工艺模式探讨

马鲁铭,王云龙,刘志刚*,王红武 (.同济大学城市污染控制国家工程研究中心,上海 0009；.浦东新区环境事务管理中心,上海 005)

近年来,各地十分重视农村生活污水的治理,一大批处理设施投入运转或正在建设.同我国大多数城镇污水处理厂一样,这些处理设施所控制的指标主要有COD、BOD5、SS、NH4+-N、TN、TP等.前4种指标通过常规的生物处理工艺都可以得到相应的削减,但 TN、TP的削减一般要通过特定的“脱氮除磷”工艺.尽管脱氮除磷工艺投资和运行处理成本都大大提高,且运行管理要求相对较高,但随着排放标准要求的提高,尤其是为了减少富营养化现象,国内对氮磷的排放控制明显加强,因此氮磷指标仍成为这些处理设施的重点控制指标.这些指标的控制直接决定了当前农村生活污水处理设施所采用的工艺需具有一定的脱氮除磷功能.

从统计数据来看,现有村镇住宅生活污水处理设施存在一些问题:处理标准不统一,基本套用城镇污水处理厂标准[1-3];处理设施的投资和运转费用差异巨大.投资从1000余元到近20000元(以每m3/d计)[4-5];运行费用从0元至超过3元(以每m3计)[5-6].不计土地费用,投资费用也远超过城市污水处理厂,有研究者认为达 5～10倍.生活污水收集困难,收集系统投资更大[2].产生这些问题的原因,除农村发展差异外,更主要的是农村生活污水处理目标不明确、标准不统一,因此有必要深思农村生活污水处理的目标,并结合农村居住环境和生活污水排放的特点选择生活污水处理工艺.通过对上海市某区氮磷排放源比重分析以及现有3种不同工艺的分散处理设施特点调研,探讨并提出我国南方农村生活污水处理的目标以及工艺模式选择目的,旨在对科学合理的开展农村生活污水治理规划和工程实施提供参考和依据,推动社会主义新农村建设.

1 农村生活污水氮磷污染源比重分析

氮磷是农业生产中的营养元素,不仅种植业中使用大量的化肥,而且养殖业(畜牧和水产)中也排放大量的氮磷.为分析农村氮磷污染源比重,以上海市某城郊区的种植业、养殖业和生活污水3个氮磷主要排放源头为对象进行了调研.该城郊区为城市和乡村交错的大行政区,现辖 13个街道、25个镇及 1个自然保护区,全区面积 1210km2,人口268.6万人,其中农业人口约105.7万人.

1.1 种植业氮磷量

据2008年农业普查统计,该区种植业面积为2.974×104hm2,主要为粮食、蔬菜及瓜果作物,分别占47.4%、27.2%和25.1%.该区年化肥使用量为6.584×104t,其中氮肥量约为73.3%、磷肥量约为26.7%.以氮肥含氮量35%、磷肥含磷量8.7%计,则种植业总氮量约为 1.689×104t/a,总磷量约为 1.53×103t/a.

1.2 养殖业氮磷量

据农业普查统计,该区生猪养殖量为57.7万头,奶牛688.5万头,禽类为258.8万羽.根据畜禽产污统计(《第一次全国污染源普查畜禽养殖业源产排污系数手册》)等相关资料,生猪、奶牛和鸡的总氮产量系数分别为 12.3、165.8g/(头·d)和 1.02g/(羽·d),则畜牧业总氮排放量为 4.202×105t/a;生猪、奶牛和鸡的总磷产量系数分别为 2.58、11.3g/(头·d)和0.31g/(羽·d),则畜牧业总磷排放量为 2.923×104t/a.

此外,该区水产 1677hm2,亩均肥料总使用量为 1.55×103kg/hm2.据该区 2010年污染源调查,水产养殖业总氮排放量为 11.58t/a,总磷排放量为2.17t/a.即与畜牧养殖业相比,水产养殖业氮磷污染物排放小得多.

养殖业氮磷总量分别为 4.202×105t/a和2.923×104t/a.

1.3 生活污水氮磷量

以该区在农村生活的居民人口 105.7万人,污染物总氮、总磷的排放系数分别为 5.0、0.44g/(人·d)计,则农村居民排放的污染物总量为:总氮 1.929×103t/a;总磷 170t/a.

在分析上述数据中尚需几点说明:3种源头氮磷排放量没有扣除一些过程损失以及吸收等,如种植业氮磷污染排放量没有扣除植物吸收以及其他损失,养殖业以及生活污水排放量也没有考虑有机肥的土地利用等减少的氮磷量;3种源头排放量以最大量计算,如畜牧养殖业氮磷排放量以水冲清粪方式所造成的污染物排放量为依据,而畜禽污染物的产生量以生猪的育肥阶段、奶牛的产奶阶段、鸡的产蛋阶段取值.

根据以上数据,可确定农村生活污水氮磷产生量的比重:农村居民生活污水氮磷产生量与种植业产生量的比例分别为 11.4%和 11.1%;农村居民生活污水氮磷产生量与种植业和养殖业产生量之和的比例为0.44%和0.55%.

由上述分析可知,农村生活污染排放的营养元素所占比例很小,特别是在养殖业发达的农村村,几乎可以忽略不计,这与陈敏鹏等[7]的结论一致.尽管上述数据均是从“产生”的角度分析的,并不代表对水体环境的污染负荷,但这并不影响对氮磷排放源比重的考察.

2 现有村镇住宅污水处理设施特点

为推进社会主义新农村建设,各地农村、特别是经济发达地区,如华东、华北农村,建设了大量的农村生活污水处理设施,积累了大量的经验.上海市也出台了《上海市农村生活污水处理技术指南》(以下简称《指南》),其处理技术的目标非常明确:“防止农村生活污水直接排放引起环境污染,切实改善农村居民生活条件,改变农村村容、村貌.”

《指南》中提出了明确的导向:

(1) 采用严格的“分流制”.规定粪便污水需先经化粪池或沼气池处理后,才可农用或进入污水收集与处理系统.从实际上看农村居民较为重视粪便污水的污染,收集率高,南方发达地区农村基本上建有化粪池,对降低悬浮固体浓度、缓冲水量起到了较好的作用,便于处理设施的运行.

(2) 将上海市农村污水处理技术方案分为四大类:庭院处理、小型分散处理、分散处理和集中处理系统,并推荐了10种工艺技术.其中“集中处理系统＂工艺接近城镇污水处理厂,本文不加以详述;推荐工艺技术中”庭院式人工湿地、自然稳定塘、地埋式污水渗滤＂基本属于自然生态处理,涉及装置和人工构筑物甚少,可因地制宜采用这些技术.而分散处理推荐的 3种处理技术为“复合厌氧-人工湿地、复合生物滤池-人工湿地,污水净化沼气池-人工湿地”,应是农村生活污水处理的主要工艺选择.由此可见,人工湿地在农村生活污水处理中扮演重要角色,它本身就是准生态系统,其中的微生物对有机物有较好的降解作用,过滤作用可截留悬浮物.但这3种工艺并不能保证很好的脱氮除磷效果,《指南》都没有要求这些工艺达到“城镇污水厂一级标准”,也就是说对氮磷的去除没有过高的要求,这种规定符合农村污水处理目标.

从调研情况看,接近《指南》推荐的分散处理系统工艺技术,对氮磷的去除效率都不是太好.如:上海崇明某村,示范项目采用了“三格化粪池+生物滤池”技术,设计排放标准城镇污水处理厂一级B标准,实际出水质指标基本达到二级标准,建设费用高达 13300 元/(m3·d)[6];作为对比案例,上海市松江区某村使用“复合生物滤池-人工湿地工艺”,氨氮的去除率约50%～60%,运行费用年36元/户;而石湖荡某村使用“组合型生物滤池工艺”,氨氮的去除率可达 95%,但运行费用高达6500元/(户·a),实际上该工艺已非推荐的农村分散式处理系统.

关于分散式处理系统,复合厌氧生物池是农村分散式处理系统普遍采用的水处理工艺,该工艺特点是运行能耗省,甚至可以“无动力”运行,调研发现:厌氧状态下微生物与污水两相的传质条件是重要的影响因素,当有一定的微生物量和足够的时间条件下,出水可以达到城镇污水处理厂二级排放标准.但若厌氧池工况条件不好(主要是传质不良、泥水混合不匀),也会影响对COD的去除效果.另外,复合厌氧生物池对氨氮的去除率极差,做成生物滤池的形式造价高[8].生物滤池若运行在好氧状态,曝气方式有射流充氧、跌流充氧等,好氧状态对污水的 COD 去除有保证,且能同化去除部分氨氮.

2010年对上海市某区运行的农村分散式处理系统各种工艺运行情况进行调研,并选取了其中常用的3种工艺跟踪运行测试.这3种工艺具体情况如下:

工艺 A:污水→化粪池→提升井→厌氧系统→人工湿地→排放

该工艺处理量 100m3/d,其中厌氧系统水力停留时间(HRT)为60h,湿地面积为735m2,水力负荷为 0.14m3/(m2·d).工程总投资为 80万元左右,主要包括地基处理和构筑物建造及设备等.

工艺 B:污水→化粪池→一体化生物集成反应器→天然湿地→排放

该工艺处理污水量 31.5m3/d,其中一体化生物集成(含兼氧、好氧处理单元)反应器HRT=36h,天然湿地面积约为 150m2,水力负荷为 0.21m3/(m2·d).工程总投资为20万元左右,主要包括地基处理和构筑物建造及设备等.

工艺 C:污水→化粪池→一体化生物集成反应器→人工湿地→排放

该工艺处理污水量 16m3/d,其中一体化生物集成反应器 HRT=75h,人工湿地面积约为 30m2,水力负荷为0.53m3/(m2·d).工程总投资为11万元左右,主要包括地基处理和构筑物建造及设备等.

通过半个月的跟踪检测,3种工艺对不同污染物的平均去除效果如图1所示.

跟踪调研结果表明:一体化生物集成因有好氧段出水水质相对稳定,并可为后续湿地去除COD创造条件;而厌氧段去除的COD绝对量少,且水质波动大,特别明显的是后续人工湿地COD值反而升高,原因在于充氧不足影响湿地的降解吸收功能(表1).

图1 3种工艺对村镇生活污水处理效果对比Fig.1 Comparisons of effects between three processes treating rural domestic wastewater

表1 3种工艺不同处理单元的DO平均值变化Table 1 Changes of DO mean value in different treatment units for three processes

厌氧段最终出水氨氮很高,去除率很低,而一体化集成与湿地处理单元去除氨氮的效果直接与系统内的溶解氧有直接关系(表1),当溶解氧高时,系统对氨氮效果处理好,反之则很差.

比较发现,工艺 A和 C总氮去除率都不高,但工艺A氨氮的去除率很低、没有发生硝化,而工艺C氨氮去除率高,已发生硝化.工艺B尽管没有发生硝化,但大量氮被去除,这表明在夏季天然湿地可以通过植物作用以及稀释去除总氮(天然湿地雨季有雨水汇入).

总磷和正磷的去除情况类似于总氮的去除,工艺A在厌氧段和湿地去除磷的量均较少,特别是后继湿地没有去除效果;低负荷一体化段具有较好的磷去除效果,高负荷效果差.人工湿地对磷的去除效果也较差,而天然湿地因为稀释作用,表观去除率较高.

就最终出水指标而言,工艺A可达到城镇污水处理厂二级排放标准,除TP外,工艺B由于天然湿地的作用可以达到一级B标准,工艺C除TN指标外也可以达到一级B标准,但总体效果要优于工艺C.

由此可见,农村生活污水人工分散处理设置对 COD指标去除效果明显,可以达到城镇污水处理厂排放二级标准,实现消除水体黑臭、保护农村居住环境的目的.分散处理工艺中有好氧单元,对整个工艺的运行有益,可提高后续湿地的效果.现有的多数村镇生活污水人工分散处理设置,难以实现脱氮除磷的目的.

3 结语

目前农村生活污水处理已形成不同于城市污水处理的工艺模式雏形,常规分散处理工艺COD出水均低于 60mg/L,且运行成本较低,能够实现消除黑臭的目的,但工艺原理和实践均证明这些工艺难以达到脱氮除磷的效果.农村生活污水中营养元素氮磷,只占种植业的10%左右,远小于发达畜牧业产生量.因此,农村生活污水处理目标应定义为:消除污水排放对水体产生的黑臭,改善农村居住环境.并据此处理目标,结合农村现实情况,选择简单、易行、经济有效的,且有别于城市污水处理的处理工艺.

[1]丁 峰.农村分散型的生活污水处理工程实例 [J]. 污染防治技术, 2010,23(2):92-94.

[2]王鹏飞,张 翔,徐 伟.上海松江地区农村生活污水处理模式的选择 [J]. 广东农业科学, 2010,(8):217-219.

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[6]郝前进,郭 思,张 苹.农村生活污水土地处理示范项目的可推广性研究—以上海为例 [J]. 环境科学与管理, 2010,35(5):80-82.

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[8]徐 尧,俞 丰,沈万岳.萧山新农村污水处理模式研究 [J]. 浙江建筑, 2010,27(6):56-58.