新型防堵塞高负荷人工土壤滤池处理系统设计

陈 桐，唐 晶，赫英哲，甘 露

(江苏环保产业股份有限公司，江苏省环保集团有限公司，江苏 南京 210019)

1 研究背景

随着我国社会经济快速发展，生活污水排放量与日俱增[1]。目前，城市生活污水处理系统逐步完善，然而乡镇和农村地区缺乏合理的收集渠道及集中处理设施[2]，乡镇和农村生活污水造成的水环境污染严重威胁了乡镇和农村水源地的水资源安全[3]。同时，乡镇和农村地区经济基础薄弱，居民环保意识相对较差，在一定程度上制约了农村水环境治理的发展[4]。乡镇和农村生活污水具有排放水量和污染物浓度波动大、组分相对简单、可生化性好、收集困难等特点[5,6]。采用建设大型污水处理设施或利用应急处理设备等，需要配套建设大量污水收集管网、设施规模和占地偏大、运营需投加药剂、投入大量人员维护等[7]。这种处理方式投资过高、运营费用居高不下，大部分乡镇和农村地区难以承受，因此不能很好的适应上述特征，无法广泛推广应用[8]。根据乡镇和农村的自然环境以及经济收入等现实条件，研究一种构造简单、运行费用低、维护保养方便、适应当地污水特征的处理模式是污水处理技术的关键[9,10]。在众多的污水处理技术手段中，土地处理技术在低成本、耐冲击上具有独特优势[11]。

污水土地处理系统可分为6类，即慢速渗滤处理系统、快速渗滤处理系统、地表漫流处理系统、污水湿地处理系统、地下渗滤土地处理系统和人工土层快速渗滤处理系统[12]。其基本方法是将经过化粪池排出的生活污水通过埋在地下的散水管均匀分布于一定面积的土壤中，废水在土壤上部饱气带向下渗透的同时，其中的有机物被好氧及厌氧细菌分解成无害物质[13]。其突出优点是建设成本低、运营管理费用少，系统之上的土地可用作旱地种植蔬菜等作物或作为花圃、草坪等绿化用地，不会影响环境和景观，也不改变土地的用途，是一种既有经济效益，又有生态效益的污水处理方法。因此，美国和加拿大在20世纪90年代中期已有1/3以上的生活污水采用该方法处理[14]，并且逐年增加[15]，在欧洲和日本也有较多的应用实例。

然而，由于土壤堵塞和氧气供应的限制，传统系统的污水负荷仅1～4 cm/d。余杰等[16]采用该技术设立了一个试验系统并将系统的水力负荷提高到20 cm/d，却大大降低了其污水处理效果。另有研究[17]通过高度分散颗粒有机物和保障系统的氧气供应，以加快颗粒有机物的生物氧化速率、维护土壤的团粒结构和提高污水处理效果，使其污水负荷提高到约20 cm/d。该技术虽然在一定程度上扩大了地下污水处理方法的适用范围，增加了系统的稳定性，但由于土地面积的限制，在我国的许多农村地区仍然难以使用。要进一步大幅度提高其污水负荷，必须采取有效可行的方法，在污水进入地下渗滤系统之前去除其中的悬浮颗粒物。

在实际应用案例中，由于废水中颗粒有机物的存在，传统的土壤生物处理方法往往出现较严重的土壤堵塞现象[18]：废水中的悬浮颗粒有机物土壤滤料界面附近形成富含颗粒有机物的薄层，随着颗粒有机物的积累，其渗透性降低，沿布水管出现局部积水[19]；土壤滤料堵塞后，氧扩散作用也大大减弱，进一步加重堵塞现象，从而降低系统的废水处理效率，甚至丧失其废水处理功能[20]。

为了克服现有技术的不足，本文介绍了在农村污水治理项目实施过程中创新设计的防堵塞高负荷人工土壤污水处理技术，重点对处理系统组成、内部结构和运行流程进行了论述和探讨，以期为农村生活污水治理的理论和实践提供新的思路。

2 防堵塞高负荷污水处理系统主要内容

本研究设计的防堵塞高负荷人工土壤滤池污水处理系统工艺路线如图1所示。该污水处理系统包括预处理系统、立体多层式滤池系统、出水回用系统和各类辅助模块。其中，预处理系统、立体多层式滤池系统和出水回用系统通过管路连接。该污水处理系统通过预处理系统，对污水进行固液分离、氧化降解和截流缓冲，通过立体多层滤池系统，进行多层布水、过滤降解，另外结合拔风换气、曝气充氧等手段，有效避免了滤池系统的堵塞问题，同时提高了滤池处理污水的单位负荷。

图1 防堵塞高负荷人工土壤滤池污水处理系统工艺路线

如图2所示，该系统的内部构造及连接设计如下：

图2 防堵塞高负荷人工土壤滤池污水处理系统工艺连接

2.1 预处理系统

预处理系统的作用主要为：污水的固液分离、去除污水中油脂类和悬浮颗粒物、大分子、难降解有机物的厌氧及好氧降解，以及出水缓冲。该预处理系统包括用于污水初沉和厌氧消化的进水回用区、用于脱氮除磷的生化处理区、用于污泥沉降的泥水分离区、用于出水缓冲暂存的出水分配区。各功能区之间均设置有隔板，隔板形成S型水流方向。进水回用区连接化粪池出水管，生化处理区的水流方向为上进下出，泥水分离区的水流方向为下进上出，出水分配区通过管道与滤池连接。预处理系统内部的隔板设置，形成了有效的推流形态，抗冲击负荷能力强，保障进入滤池的水质平稳。

2.2 立体多层式滤池系统

立体多层式滤池系统用于同步进行多层污水的纵向过滤和横向输送，对污水中的颗粒性有机物和溶解性有机物进行吸附、降解处理。该系统包括由上至下分布且连通的上层过滤单元、通风层单元、下层过滤单元和排水单元，各结构层均采用沸石、陶粒、卵石、加气砖碎砾和球形填料中的一种或多种组成。上层过滤单元和下层过滤单元之间填充有通风层，过滤单元与出水分配区管路连接。上层过滤单元由上至下依次为覆土层、上布水层、上滤层，上布水层设置有若干个上层布水管，其上设置有若干个散水孔。上层布水管一侧设置有溢流管，溢流管的高度高于上布水管的高度。通风层单元由上至下分别为通风层和中滤层，下层过滤单元包括下布水层和设置在下布水层下方的下滤层，下布水层设置有若干个下层布水管，下层布水管上设置有若干个散水孔。排水单元包括排水层和排水管，排水层设置在下滤层下方，排水管设置在排水层底部。溢流管和排水管均与出水回用系统连接。立体式的过滤方式可吸附处理的污染负荷容量大，可以最大限度的发挥高负荷人工土壤滤池的负荷能力，双层过滤单元大大提高了滤池系统的过滤能力。另外，顶部覆土层可种植景观花木或旱地农作物，作为景观花圃或小菜园使用，场景适应性强。

2.3 出水回用系统

出水回用系统用于系统出水的暂存和排放。出水回用系统包括储水池、潜水泵和出水管，潜水泵设置在储水池底部，出水管与潜水泵连接。储水池中的存水可为农户种植、冲厕等提供水源，多余的出水通过潜水泵提升排放至环境水体或管网中。

2.4 其它系统设计

该防堵塞高负荷人工土壤滤池处理系统还配套了太阳能发电系统、曝气充氧系统和拔风换气系统。

(1)太阳能发电系统，用于给该污水处理系统进行供电。使用风光一体发电设备和PLC控制单元，固定于立杆上。风光一体发电设备由风力发电机、太阳能电池板、蓄电池、逆变器及电源管理装置组成，通过太阳光能、风能产生电能供整个处理系统使用。

(2)曝气充氧系统用于给预处理系统、滤池系统进行曝气充氧。系统包括曝气管、输送气管和气泵。曝气管分别设置在悬浮式填料架下方和通风层内，曝气管与输送气管连接，输送气管与气泵连接。

(3)拔风换气系统用于给预处理系统、滤池系统进行无动力通风换气。拔风换气系统包括通风管道和旋流式通风器，通风管道一端分别与预处理系统、通风层连接，旋流式通风器设置在通风管道另一端。拔风换气系统可以利用自然空气的流动对预处理系统进行通风换气，避免有害气体的聚集，改善预处理系统内部的充氧条件，减少增氧曝气的阻力，拔风换气系统可以利用自然空气的流动对立体多层式滤池系统正压通风复氧、负压拔风换气，有助于进一步消解前期聚集的有机污染物，恢复立体多层式滤池系统污染负荷容量。

3 系统的运行模式和工作原理

来自用户的生活污水，先经过隔油池、化粪池等前处理设施，然后通过水位差自流，由重力管道收集后接入该处理系统。

3.1 污水在预处理模块中的污染物去除

污水通过进水管进入预处理模块，首先在进水回用区内污水中较大颗粒物在池内沉降，污泥斗储存，挡板将污水中的漂浮物阻拦在上部；污水在该单元中有一定的停留时间，水中溶解氧被逐渐消耗，形成缺氧至厌氧的环境，促进大分子、难降解污染物水解。进入生化处理区的污水通过挂膜填料的吸附、降解作用，进一步去除污染物；气泵通过底部的曝气管间歇向该单元补充空气，形成好氧、缺氧交替的环境增强生化处理效果，有助于硝化和反硝化作用，达到脱氮的目的。污水从底部流入泥水分离区，自下而上通过斜管，污泥在斜管沉淀作用下分离，出水通过堰跌水进入出水分配区。为了改善通风条件、强化微生物降解和污泥的分解作用、避免有害气体在内部聚集，在模块上部设置通风管，与拔风动力模块连接；通过自然拔风作用在气泵停止期间进行适量的无动力送风，以改善内部环境，减少气泵使用时间；另外在好氧曝气时，通风管可作为气流出口，降低曝气阻力。

3.2 污水在高负荷人工土壤滤池中的流向和污染物去除

污水通过上层布水管进入滤池的上布水层，一部分在重力作用下渗滤穿过上滤层向下流动，来不及渗滤的污水则在上布水层中横向流动，其中的污染物被人工土壤滤料拦截吸附，并被表面形成的生物膜吸收降解。污水逐一渗滤穿过各滤层，每层均有吸附拦截和微生物降解作用。其中的颗粒有机物主要被上滤层拦截，残留的颗粒有机物和溶解性有机物在中滤层和下滤层中进一步去除。污水中经预处理模块硝化作用形成的硝酸根离子和亚硝酸根离子在滤层中兼性厌氧环境下通过反硝化作用去除，达到脱氮作用；磷则被填料吸附，或被微生物利用去除。当上游短时来水量大，超出上层布水管配水能力时，导致预处理模块的出水分配区液位不断上升，达到下层布水管进水口，过量污水通过下层布水管进入下布水层，通过重力作用向下渗透穿过下滤层至排水层，通过排水管收集后排入出水回用池，经潜污泵，提升排放至下游。设置于出水回用系统的潜污泵周期性启停，使得高负荷人工土壤滤池交替在淹水或落干的状态下切换，形成类SBR形式的污水处理工艺，有利于污染物降解。

在滤池落干期间，利用气泵对滤池进行送风充氧，加速污染物分解，同时起到气体反冲洗作用，有利于滤层过滤能力的恢复。气泵工作时，由位于通风层的通风管正压送风，气流分为两路通道，一路向上穿过上滤层、上布水层，通过上层布水管的进水口、覆土层散逸至外部；另一路向下穿过中滤层、下布水层，通过下层布水管的进水口、排水层中的排水管散逸至外部，达到滤池整体充氧效果。当上游来水量小、气泵未启动期间，通过拔风动力模块的自然拔风作用，在通风层形成负压吸风效应[21]，空气通过上、下层布水管的进水口进入上、下布水层，再通过上滤层、中滤层经通风管排出，达到局部微循环通风效果，维持生物降解效率，保障处理效果。

3.3 复合系统内各单元协同机制

村镇排水管网相对市政排水系统较为简单，常见为雨污合流排水体制[22]。厕所用水、厨房用水、淋浴用水、庭院洗衣、冲洗等用水，以及降雨时形成的地表径流都通过排水管道进入农村污水处理系统，针对上述复杂进水条件，利用复合系统内各单元的协调联动机制，能够很好地适应水质水量波动较大的情况，保障系统出水长期稳定达标。

在旱时水量较小时，污水经收集管道排入预处理模块，经厌氧、好氧、沉淀处理，拔风动力模块为预处理模块提供充足的好氧曝气条件，并进行换气通风，保障生化处理效果。出水经上层布水管进入人工土壤滤池，此时滤池所承受的污染物负荷很低，拔风动力模块间歇对滤池进行正压通风富氧、负压拔风换气，有助于进一步消解前期聚集的有机污染物，恢复滤池污染负荷容量。在雨时或来水量较大时，预处理模块因内部挡板、溢流堰的布置，形成有效的推流形态，抗冲击负荷的能力强，保障进入滤池的水质平稳。出水经上、下两层布水管进入滤池，由于上下滤层结构一致，从而使滤池渗滤过水能力提升近1倍，而且中、下滤层日常污染物负荷很低，采用吸附效果更好的球形填料等复合填料，可吸附处理的污染负荷容量大，可以最大限度的发挥人工土壤滤池的负荷能力。

当瞬时雨量大，来水主要为上游汇集的大量雨水、水质较好时，复合系统主要作用由污水处理转为调蓄和排水。来水经上、下层布水管进入滤池，滤池池体将作为初期雨水调蓄池，随着滤池储存满水，通过与上层布水管连接的溢流管，将来水排至出水回用井中，再由潜污泵提升至下游，保证农户排水不受影响。

4 处理系统测试效果

该新型人工土壤滤池处理系统已在项目现场实际运行见图3。系统处理规模为2 m3/d，出水指标稳定达到江苏省农村生活污水处理设施水污染物排放标准(DB32_3462-2020))中规定的一级A标准(COD≤60 mg/L、SS≤20 mg/L、氨氮≤8(15)mg/L、总氮≤20 mg/L、总磷≤1 mg/L)，对COD、氨氮、总磷、SS的去除效果显著，部分指标去除率可达90%以上，水样对比见图4所示。

图3 新型人工土壤滤池处理系统现场照片

图4 处理水样对比

5 结论

高效防堵塞农村生活污水人工土壤处理系统，是专门针对农村污水特征而研发的一套复合处理体系。系统以土地处理技术为核心，根据进出水标准和处理水量适配生物预处理模块，适配太阳能、风能等可再生能源对系统设备供电，无须外接电源，使本系统适用性更为广泛，尤其是接电困难的偏远地区。系统具有工艺成熟、处理效果稳定、集成度高、投资及运行维护费用低等优点，具有较高的学术研究和应用价值。