多级土壤渗滤系统处理太湖流域农村生活污水的工程研究张洪玲

多级土壤渗滤系统处理太湖流域农村生活污水的工程研究张洪玲1，邹俊1，2，陈昕1(1．环境保护部南京环境科学研究所，江苏南京210042;2．扬州大学水利学院，江苏扬州225009)摘要结合农村的实际情况，开发在太湖流域农村地区具有广泛推广价值的生活污水处理实用技术，并提出了应用多级土壤渗滤系统对集中型农村生活污水进行处理，且在江苏宜兴分水村建立了示范工程。结果表明，该系统基建及运行费用低，处理效果好，对COD、NH+4-N、TN、TP和SS的平均去除率分别为70%、83%、59%、76%和94%;出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准。关键词农村生活污水;多级土壤渗滤系统;示范工程中图分类号X71文献标识码A文章编号0517－6611(2011)09－05178－03EngineeringStudyontheTreatmentofMulti-Soil-LayeringSystemontheRuralDomesticWastewaterinTaihuBasinZHANGHong-lingetal(NanjingInstituteofEnvironmentalSciencesinMinistryofEnvironmentalProtection，Nanjing，Jiangsu210042)AbstractBycombiningwiththeactualsituationintheruralarea，thepracticaltechnologyofdomesticwastewatertreatmentwhichhadthewidepopularizationvalueintheruralareaofTaihuBasinwasdeveloped．Moreover，themulti-soil-layeringsystemwasusedtotreatthecon-centratedruraldomesticwastewater，andthedemonstrationprojectwasestablishedinFenshuiVillageinYixing，JiangsuProvince．Theresultshowedthatthecostofsysteminfrastructureandoperationwaslow，andthetreatmenteffectwasgood．TheaverageremovalratiosofCOD，NH+4-N，TN，TPandSSwererespectively70%，83%，59%，76%and94%．ThequalityofyieldingwatercouldreachGradeAstandardofPollutantEmissionStandardsinUrbanWastewaterTreatmentPlant．KeywordsRuraldomesticwastewater;Multi-soil-layeringsystem;Demonstrationproject基金项目国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07528－005)。作者简介张洪玲(1976－)，女，吉林舒兰人，助理研究员，硕士，从事水污染控制方面的研究，E-mail:[e-mail]。收稿日期2010-12-28国家对太湖的大规模治理始于1991年，至2006年水污染治理已累计投入资金120多亿元，重点区域的城镇污水处理率有所提高，陆续实施了面源污染控制、小流域综合治理、畜禽养殖污染治理、底泥疏浚、调水及生态恢复等工程措施［1］。但2007年5月太湖无锡水域大面积暴发蓝藻，证明太湖水质恶化趋势并没有得到遏制，水体富营养化问题没有得到根本控制。目前太湖流域农村中进入公共污水处理管网的污水量仅占总污水量的2%～5%。农村的一些主要利用自净和环境容量的污水处理设施，都会因环境容量被耗尽而逐渐丧失处理能力。在工业和城镇污染得到基本控制后，量大而面广的农村生活污水成为加速太湖富营养化进程的一个主要原因［2－3］。2002～2005年对无锡某镇24km2河网面源污染控制示范区进行的调查显示，农村生活污水排放对太湖污染的贡献率中氮占25%、磷占34%。随着乡镇经济的迅速发展，城镇化进程的不断推进，到2010年，我国村镇污水排放量约为270亿t。近年来随着工业排放点源污染的有效治理，太湖的富营养化程度已有所下降，但是太湖流域内的面源污染仍比较突出，且区域内氮、磷污染严重，因此太湖流域内水环境的治理已到了刻不容缓的地方。进行农村生活污水处理技术的研究，探索适合农村生活污水的处理模式，对推动社会主义新农村建设，具有迫切的现实意义［4］。多级土壤渗滤系统是利用土壤的过滤、吸附、降解等功能来达到净化污水目的的污水处理系统。环保部南京环科所在引进日本开发的多级土壤层技术的基础上，通过消化、吸收，结合太湖流域农村生活污水水质特点及当地的土壤类型特性和可利用农村废弃资源，经过改进，形成了适合太湖流域农村生活污水的处理技术，并在江苏宜兴分水村建立了示范工程。1背景调查通过资料调研、问卷调查以及上门走访等方式，对太湖西岸江苏宜兴村落进行了广泛的自然与地理、社会与经济及污水排放特征等调查研究。结果显示，该地区为平原地区，整体无地形起伏变化，且地下水位较高;每个自然村有局部的水力坡度，有的是中间高两边低，有的是从一边到另一边顺降;地形低洼处多为近河浜，处理水可以排入河浜。河边多为荒地，可以作为工程用地。该地区为季风气候区，分为干湿两季;雨季降水较多，河水水位上升，工程设计要考虑防止排水口河水倒灌。生活污水排放水量少，排放不均匀，收集困难。其原因是:①该地区的村民年轻人大多进城打工了，实际户均居住人口少，排水量大。②大多数村民使用井水，厨房和卫生间没有完善的水池和下水管道，洗完的水洒在院子路边，故收集较为困难。③化粪池大多数是无底化粪池，要进行改建，或者粪水用来浇菜，厕所排水很难收集。从排放方式来看，有22%的农户将生活污水直接排入村河，45%的农户排入屋后及地表后渗入地下，排入沟渠的农户有25%，还有少数农户排入化粪池、田地。从水质上看，COD排放浓度可达250～350mg/L，TN、TP平均排放浓度分别为40.00、2．93mg/L;农村条件相对较差，用水时反复使用后排放，从而造成有机物浓度较高［1］。同时，农户基本没有使用卫生洁具，造成生活污水中粪便成分较少，TN、TP浓度偏低。污水管网收集系统的进水水质见表1。表1示范区农村生活污水水质Table1Waterqualityofruraldomesticsewageinthedemonstrationarea项目ItempHSSmg/LCODmg/LTNmg/LNH+4-Nmg/LTPmg/L范围Range7～8100～20097～24025～3620～312．0～3．7均值Mean7．40149．00154．0030．0026．002．902工艺流程及参数农村生活污水是入河污染负荷的重要组成部分，其水质责任编辑黄小燕责任校对卢瑶安徽农业科学，JournalofAnhuiAgri．Sci．2011，39(9):5178－5180DOI:10.13989/j.cnki.0517-6611.2011.09.061特征表现为水质水量的时空变化大、悬浮物含量高、涉及范围广、收集及处理困难等特点。在充分掌握小区生活污水的产生、排放特征、水质水量的基础上，针对漕桥河支流庙尖浜地区生活污水污染问题，开展适宜的收集和处理;对水量进行以多级土壤渗滤系统为核心，结合酸化厌氧调节池去除污水中的污染物，实现对小区生活污水的净化目的。处理工艺由管网收集农户生活污水到格栅井进入集水池、调节池、多级土壤渗滤系统，其工艺流程如图1所示。图1多级土壤渗滤系统工艺流程Fig．1Technologicalprocessofmulti-soil-Layeringsystem在实际工程中，笔者以漕桥河支流庙尖浜村落小区为研究对象作为示范工程试点，并新建了污水收集管网。生活污水经排污系统收集到格栅井，然后经管网汇集到集水池，集水池的进水除了农户生活污水外，另外还混合了农田径流。集水池里的污水用泵打入厌氧调节池，调节池兼有水解酸化的作用，使难降解的大分子有机物转化成为易降解的小分子有机物，降低后续处理的负荷，然后利用地形高差，自流入多级土壤渗滤系统，进行过滤、吸附和生物降解处理，然后从多级土壤渗滤系统下部出水，排入天然河道。2．1污水管网的铺设沿硬化路面两侧铺设直径为1200mm的污水管道，长度根据实际需要设计，直接送入集水池。2．2格栅井设在酸化厌氧调节池入口处，其功能为截除污水中夹带大块漂浮物，保证后续处理的正常进行。格栅井为机械格栅，设计尺寸为4．0m×0．9m×1．5m，格栅间隙6mm。2．3调节池集水池汇集的污水，除了农户生活污水，还有农田径流，其水质和水量都是随时间而变化的。为了保证后续处理构筑物或设备的正常运行，需对污水的水质和水量进行调节，故设计了调节池。在实际工程中，笔者设计了一个两格调节池，水力停留时间为3d，规模为30m3，调节池设计尺寸为2.0m×2.0m×2．5m;采用全地下式钢混结构，上铺钢筋混凝土板覆盖，保温性能好。由于水力停留时间较长，污水中部分有机物发生水解反应，将水解反应控制在第2阶段———酸化阶段。在厌氧细菌的作用下，能够分解部分有机污染物，同时将水中大分子有机物水解为小分子有机物，减轻后续处理的负担。同时在调节池中加入了弹性填料，该填料挂膜快、脱膜容易、生物膜生长更新良好、耐高负荷冲击，COD去除率高、处理效果好，可对气泡进行多层次碰掸，可大大地提高氧的转移、利用，降低了动力消耗且可重复使用。适应能力强，对低浓度的生活污水，中浓度的印染废水、造纸废水、含油废水，高浓度的食品工业废水、化工废水等，都有较好的处理效果［5］。调节池既起到调节水质、水量的作用，又有水解酸化的功能，降解有机大分子物质。2．4多级土壤渗滤系统多级土壤渗滤系统(Multi-Soil-Layering)是20世纪日本开发的一种利用土壤净化原理处理污水的技术［6］。多级土壤渗滤系统的结构由土壤混合层材料和通水层材料组成，这两部分交替分布，形成好氧和厌氧区域，通过物理过滤、化学吸附和交换以及生物分解，达到去除有机物和氮磷的目的。土壤混合层材料所用土壤为普通砂土混入不同比例的木屑、木炭、铁粒(干重比为7∶1∶1∶1)，通水层材料为40～60mm的沸石，表面负荷设置为0．5m3/(m2·d)［7］。用于深度净化生活污水中的有机物、N、P。在国外，尤其在日本、泰国和印度尼西亚已经研究应用多级土壤渗滤系统处理各种类型的废水［8］。在国内，北京大学的魏才捷等采用多级土壤渗滤模拟系统处理滇池入湖河水，且得到良好的去除效果［9］，但在太湖流域，用于处理农村生活污水还是首例。其工艺参数如下:处理量为10m3/d，占地面积为20m2，水力负荷为0．50m3/(m2·d)，停留时间2～4h，尺寸大小为7.0m×2．5m×1.0m。3多级土壤渗滤系统运行效果该工程自2010年6月建成并运行，自9月开始采样检测，持续了60d，然后对出水COD、TN、NH+4-N、TP、SS及pH进行分析、检测。由图2可见，在进水水质波动比较大的情况下，调节池及多级土壤渗滤系统对各污染物的去除率均较稳定。多级土壤渗滤系统对COD、TN、NH+4-N、TP和SS的平均去除率分别为70%、59%、83%、76%和94%，系统出水的平均浓度分别为COD≤50mg/L、TN≤15mg/L、NH+4-N≤5mg/L、TP≤0．5mg/L、SS≤10mg/L，达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级A标准［10］。3．1对COD的去除效果在运行的60d内，进水COD浓度在97．04～240.00mg/L，平均浓度为153．75mg/L(图2a)。进水COD波动较大，可能是因为在取样的9月份，宜兴正值夏末，有农田径流的水混合在调节