水力空化技术在农村污水处理中的应用研究

冯中营 王子荣 王烽宇 刘美琴 柴立臣 马淼 宁健 赵婷婷

1、太原工业学院理学系 2、山西卫安环保科技股份有限公司

引言

随着社会和经济的发展，城市和农村的污水产出量越来越多，江河湖泊也遭遇到富营养化等问题，水资源的污染是不可忽视的问题。之前的农村水体基本可以通过自然净化，而现代农村也越来越需要引入污水处理设备，以便使农村污水在排放前得到有效的处理，保护农村优美的环境。空化是一种复杂的物理现象，空化产生的瞬间高温、高压可以有效地促进污水处理，水力空化作为一种低能耗的空化方式已经得到越来越广泛的推广应用。本文主要探讨水力空化技术在农村污水处理中的应用。

1 水力空化

空化为液体内发生的一种复杂的物理现象，当液体内某一局部的压强降低时，在液体内部将出现空化气泡的形成、发展和溃灭的过程。利用空化处理污水为现代兴起的一种污水处理方案，产生空化的方法有超声空化、水力空化、光空化、粒子空化等，其中研究最为广泛的为超声空化，但超声空化的能耗高、处理量少，极大地限制了超声空化的应用与发展。水力空化具有处理量大，能耗低的特点，因此在实际污水处理过程中具有很大的优势及应用前景[1,2]。

当液体中的压强分布不均匀，具有高压区与低压区时，便会产生水力空化的空化泡，当空化泡溃灭时在其周围会产生异常的超高温度和超高压强，高能量能够破坏物质的化学键从而使得水分子产生高活性的羟自由基和氢自由基，这些自由基具有极强的化学活性；伴随空化效应的冲击流作用和微射流作用在液体中产生巨大的扰动，有利于化学反应充分进行；瞬间高温效应也能破坏分子的化学键[3-7]。这些都有利于水力空化在污水处理中的应用[8-13]。

2 农村污水处理

各个城市的污水基本全部经过污水处理厂，而农村污水一直缺乏有效的处理，农村也很难建立类似于城市中的污水处理厂。因此，农村污水处理具有“没人处理、没钱处理、没技术处理”三大特点，此外农村村民对农村污水设施的不认同感也是待解决的难题，因此选择合适的污水处理工艺和运营管理模式是有效解决农村污水处理问题的关键。

污水处理企业必须紧跟国家发展战略和环保形势的变化，调整自身研究目标和发展方向，明确适应农村环境和方便农村运营的农村污水处理方案。根据北方农村污水特点，开发“农村污水处理方案及第三方运营技术”和“农村引用水保护技术”。其中孝义市农村污水综合利用项目作为全国示范项目得到了住建部、环境生态部等部门的高度认可。

3 农村污水处理一体化设备

为适应农村污水处理，研制了基于水力空化技术的农村污水处理一体化设备，此装置融合了多项水力空化相关的污水处理技术，将传统厌氧-缺氧-好氧法污水处理工艺的效率提升数倍的同时，该设备总运行功率不到900W，为以太阳能、风能等清洁能源作为发电技术提供可能，后续污水深度处理与农村景观的结合，在为村庄建立“村级活动中心”解决村民对污水设备认同感问题的同时，还为农民朋友提供了休闲场所。污水处理运营采用互联网模式，将单站运行费用降至最低1万元/年，因此在人均收入水平偏低的农村也可以得到有效的利用和推广。

3.1 工艺特点

农村在规模、区域、管理等方面的水污染治理特殊性，决定了适合其进行污水处理的方式、方法必须适应农村的要求。

（1）设备模块化。因地制宜，水力空化污水处理一体化设备是一种具有较广泛应用的污水处理设备。既节省投资，又便于管理。将厌氧、缺氧、好氧三个污水处理池整合在一个整体装置中，便于搬运、安装与移动。

（2）运行费用低。采用“风光互补”“利用太阳能的曝气装置”等节能工艺，降低运行费用。利用太阳能电池板产生电能，可以在无电源的地方无需专门布置电源线便可以利用该水力空化污水处理一体化设备，太阳能电池板产生的电能驱动永磁直流电机，进而使高压风机工作，最终促使水力空化装置产生空化效应，空化产生的瞬间超高温、瞬间超高压强能够极大的促进污水处理。

（3）剩余污泥量少。采用“水力空化协同微碱处理生化污泥的一体化减泥机处理系统”来减少污泥。污泥为污水处理过程最后的剩余产物，大量的污泥无法处理最终造成对环境的污染，因此在污水处理过程中，要尽量减少污泥的产出量。传统的污泥减量技术有机械法、化学法及生物法等，但这些传统方法的效果并不令人满意。通过水力空化效应与污水污泥处理过程中加入微量碱进行联合处理，可以使污泥的产出量大为减少。

为检验水力空化与微碱联合处理污水在减少污泥中的作用，进行了以下实验项目。在某市政污水处理厂取样新鲜污泥1m3，将采取的污泥样品置于一圆柱形反应容器中，在该反应器中安装水力空化反应装置。处理前，对污泥样品进行采样检测，测得其pH值为6.8，总固体（TS）含量为6800 mg/L，总化学需氧量（TCOD）为5300 mg/L，溶解性化学需氧量（SCOD）小于100 mg/L，溶解度小于2%。选取带动水力空化装置运转的电机功率为0.2 kW。控制污泥样品的pH值初始数值为9，电机持续运转0.5 h，耗电能0.1 kWh（按每kWh 0.5元估算，电能消耗费用为0.05元）；此时，对污泥样品进行采样检测，测得其pH值为9，SCOD为898.1 mg/L，溶解度为16.94%。电机持续运转3小时，耗电能0.6 kWh（按每kWh 0.5元估算，电能消耗费用为0.3元）；此时，对污泥样品进行采样检测，测得其pH值为7.6，SCOD为1938.3 mg/L，溶解度为36.57%。由该实验可以看到水力空化与微量碱联合处理污泥起到了非常好的效果，而且能耗非常低。

为进一步验证水力空化与微量碱联合在实际污水处理厂中的应用，在某一个处理能力达20000 m3的污水处理厂，安装水力空化装置并在该厂污水处理池中投入微量碱来控制pH值。由于污水处理量很大，因此我们用了两台水力空化设备同时工作，每台设备的功率为1.5 kW，水力空化设备每天工作时间为16 h，每天耗电能24 kWh（按每kWh 0.5元估算，每天电能消耗费用为12元）。为控制pH值，每天需在污水处理池内投入NaOH 50公斤。水力空化设备运行3个月后，该污水处理厂的污泥日排量由之前的16吨减少为3吨，使得该污水处理厂污泥由之前的每天往外运输减为一周仅需往外运输一次污泥。在每月水力空化的电能消耗仅为360元的情况下，水力空化为该污水处理厂带来了巨大的经济效益。同时污泥产量大为减少也带来了巨大的社会效益。

（4）管理简单方便。运用在线监控模式管理污水处理站，使其一年四季维持在最佳运行状态。

3.2 处理模式

我国农村分布总体呈三种分布特点：单户分散、乡镇村落集中分布、临近城区分布，在这样的社会环境下，农村生活污水处理模式也就分为两种类型：多户分散处理模式和多村集中处理模式。

（1）多户分散处理模式。此种农村生活污水处理模式适用于单户或者几家几户采用小型生活污水处理设备或自然处理的形式，这类模式主要用于人口密度稀少、地形条件复杂、污水不易集中收集的村庄进行生活污水处理。例如：庭院式分散处理、街道式局部集中就地处理等。

（2）多村集中处理模式。此种农村生活污水处理模式适用于污水排放量较大、人口密度大、远离城镇的地区。该处理模式与城市污水处理站类似，通常采用水力空化与生物生态组合处理等工艺形式。例如：C村人口较多，适宜建设污水处理站，A村、B村人口较少，所以将A村、B村的污水分别收集后运输到C村污水处理站进行处理。

3.3 运行模式

物联网和远程监控运营管理模式。农村乡镇片区一体化治污设施的运行监管尤其重要，只有充分利用自动化信息技术实现无人值守，节省人力资源及运营成本，对运行过程无缝监管才能保证污水站实现稳定运行。水力空化污水处理一体化智能管理系统适合农村各种生活污水处理应用场合。

优势特点：（1）水力空化污水处理一体化设备采用物联网技术远程监控，可实现对分散的处理设施的区域管理。（2）实时显示工艺运行情况与主要水力空化设备的运行状态，对设备进行远程开关操作或运行参数设置，由现场专业运营人员值守变为无人值守模式。（3）水力空化设备的运行状态及所发生故障的时间与类型等信息会以及时发送报警信号的形式呈现给相关管理人员及机构。