曝氣生物凈化塘處理農村生活污水效果——以豫南地區商城縣為例
摘要：為了提高農村生活污水治理效果的穩定性,同時考慮農村水生態景觀建設需求,將具有強大調節能力的穩定塘技術、適合低濃度有機污水處理的接觸氧化法和淺水湖泊草型清水穩態理論相結合,提出曝氣生物凈化塘工藝,應用于豫南地區商城縣11個鄉鎮街區的農村生活污水處理,并選擇其中4個典型案例運行1年的效果進行總結。結果表明:受鄉鎮街區的合流制排水系統、豫南地區多雨的氣候特點及住戶利用化糞池污水澆灌菜園習慣的影響,商城縣各鄉鎮街區生活污水污染物濃度低且存在較大的波動性;曝氣生物凈化塘水力停留時間長,污水可在塘中完全混合,并形成適宜低污染物濃度凈化的菌-草共生清水穩態系統,使凈化后出水化學需氧量(CODCr)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)、總磷(TP)指標均達到DB41/1820—2019《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》一級標準,且出水CODCr、NH3-N指標達到GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅳ類及以上水質標準。曝氣生物凈化塘適合低污染水平的農村生活污水的治理,且能形成清水型農村水生態景觀。
農村生活污水是一類重要的污染源。農村地區人口密度小、居住分散,使農村生活污水具有產生量小、水質與水量波動大、收集與處理難的特點,加之污水往往與雨水混合,導致污染物濃度低,在處理技術上的要求不同于城市生活污水。農村生活污水的處理除考慮污水特征外,還應考慮不同農村的地域特點、氣候與經濟水平差異等,應因地制宜地選取不同的處理工藝。
國外開展農村生活污水治理較早,不同國家/地區采用的處理技術不同。如美國于20世紀中期開始農村生活污水治理工作,主要采用化糞池-土壤處理系統[1]處理農村家庭污水;歐洲較多采用人工濕地技術進行農村地區生活污水處理與水資源回用[2],其中法國就超過500座[3],而在氣溫較低的波蘭也采用人工濕地處理單戶生活污水[4];日本于20世紀60年代開發了凈化槽(Johkasou)技術且形成一套比較完善的技術管理體系,至2012年凈化槽技術服務人口超過日本總人口的20%[5-6];韓國主要采用生物膜法、高效組合工藝、序批式活性污泥法(SBR)等[7]進行農村生活污水治理;在發展中國家及發達國家的邊遠地區,常采用穩定塘(waste stabilization ponds,WSPs)技術處理農村生活污水,并將處理后尾水回用于公共區域綠化或農業灌溉[8]。
我國于2000年左右開始研究農村生活污水處理技術。如浙江省于2003年開展農村生活污水治理,其北部地區多采用好氧/好氧+生態處理工藝,中部和南部山區選擇厭氧/厭氧+生態處理工藝[9];北京市于2006年開展78個村的生活污水處理工程示范研究,采用的工藝包括生物接觸氧化、生物轉盤、厭氧生物濾池及膜生物反應器[10];我國中部地區山西、河南、湖北等省份農村生活污水治理技術的抽樣調查結果顯示,73.33%的省份采用生物處理技術,16.67%采用生態處理技術,10.00%采用生物生態組合技術[11]。我國農村生活污水具有水質、水量波動大的特點,選擇處理效率高、經濟性好、實用性強、便于運行維護與管理的農村生活污水處理技術和設備非常重要[12-13]。目前我國農村地區生活污水處理方面存在技術儲備不足,缺乏污水治理與資源化利用相結合的創新技術等問題[14]。
2018年2月,中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發了《農村人居環境整治三年行動方案》,提出開展廁所糞污治理,梯次推進農村生活污水治理[15],從此開啟了全國農村生活污水治理的提速進程。2019年中央農村工作領導小組辦公室、農業農村部等九部門聯合印發《關于推進農村生活污水治理的指導意見》[16],在扎實推進農村生活污水治理重點任務中要求合理選擇技術模式,因地制宜地采用污染治理與資源利用相結合、工程措施與生態措施相結合、集中與分散相結合的建設模式和處理工藝,并鼓勵具備條件的地區采用以漁凈水、人工濕地、氧化塘等生態處理模式。
為解決豫南地區農村生活污水處理技術實際效果不理想的現實困境,通過基層調研,針對豫南地區鄉鎮街區雨污合流排水體制收集的污水濃度低、水質與水量波動大的特點,同時考慮農村景觀和農業回用的需要,將穩定塘技術、接觸氧化法和淺水湖泊草型清水穩態理論相結合,研發了曝氣生物凈化塘(aerated biological purification pond,ABPP)工藝,并于2019年11月在商城縣建成了11個鄉鎮街區的農村生活污水處理工程。筆者選擇其中4個具有代表性的工程案例,通過工程實施后1年的監測數據比較,分析農村生活污水合流制收集系統的水質特征,總結曝氣生物凈化塘工藝處理農村生活污水的效果和適用性,以期為我國中部地區農村生活污水治理提供新思路和創新工藝。
1 研究區概況與研究方法
1.1 研究區概況
豫南地區商城縣位于河南省東南部,大別山北麓,鄂、豫、皖三省交界處,地處北亞熱帶北緣,氣候溫和,雨量充沛,四季分明。近20年年平均氣溫為15.4 ℃,1月平均氣溫為2.0 ℃,7月平均氣溫為27.6 ℃。2018年降水量為1 046.9 mm,年平均氣溫為16.7 ℃。商城縣共轄17個鄉鎮、300多個村組,總人口80余萬人。農村經濟主要以糧食、茶葉等種植業為主,為省級生態縣、全國休閑農業與鄉村旅游示范縣、生態產茶大縣,優勢主導產業是旅游業。全縣共有較大河流30余條,大中小水庫60余座,河流與水庫水質良好、水體清澈,大部分水體為GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類。由于農業灌溉、生活洗滌、農村景觀和歷史習俗等原因,有修建水塘的傳統,全縣共有水塘5 000余口,有利用水塘提升農村水生態景觀的基礎條件。鄉鎮街區及村組均為雨污合流系統,基本沒有排放污水的工業企業,主要是生活污水且污染物濃度低,可將農村生活污水治理與種植業灌溉以及農村水生態景觀相結合。
1.2 曝氣生物凈化塘工藝
曝氣生物凈化塘是一種將穩定塘、生物接觸氧化法和淺水湖泊草型清水穩態理論相融合形成的生活污水生態凈化工藝。其中,穩定塘是在池塘內利用菌-藻共生系統凈化污水的生態處理工藝,污染物通過吸附、生物降解、光降解作用被去除[10],藻類光合作用提供微生物降解所需的氧氣,水體流動與混合主要由風力驅動[17]。該工藝建設和運營成本低、管理方便,我國在“七五”“八五”期間研究與應用較多[18],目前在世界上許多國家仍有較多應用。接觸氧化法(biological contact oxidation process,BCOP)在凈化池中放置浸沒于水中的填料作為生物膜載體,由底部曝氣為微生物供氧,是一種生物膜法污水處理工藝。該工藝適用于處理低濃度生活污水,可應用于污染河水凈化[19-20]和景觀水凈化[21]。草型清水穩態理論指淺水生態系統存在以大型水生植物(草型)為主要初級生產者的清水穩態和以浮游藻類(藻型)為主要初級生產者的濁水穩態[22],2種類型都符合生態系統抵抗變化、保持平衡的穩態特征,水生態系統會在長期的人為脅迫或短期的強擾動下發生穩態轉換[23]。沉水植物在清水穩態中發揮重要作用,如降低水體中的營養鹽及有機物濃度,改善水體溶解氧濃度和透明度[24?-26],分泌化感物質抑制藻類生長[27],因此,可利用沉水植物清水穩態進行污染物的凈化。與傳統氧化塘(或穩定塘)的菌-藻共生濁水穩態系統工藝不同,曝氣生物凈化塘為菌-草共生清水穩態系統。
曝氣生物凈化塘工藝流程為進水—格柵—調節池—生物凈化塘—出水(圖1)。其中,凈化塘中安裝了曝氣推流機,起到增氧和推流的作用;凈化塘內設置的生物模塊可增加微生物附著面積,增強微生物處理能力;塘內同時培育有沉水植物,構建形成較為完整的水生態系統。凈化塘底部設置有防滲膜,以防污染地下水,一般塘內保持水深1.8~2.0 m。曝氣生物凈化塘工藝具有穩定塘強大的調節能力和建設、運營成本低的特性,同時吸收了生物接觸氧化法有效降解低濃度有機物的優勢,可以利用農村地區原有水塘改造或依地形、地貌建設,在處理農村生活污水的同時,依據草型清水穩態理論營造出具有農村特色的水生態景觀。
1.3 工程案例情況
根據曝氣生物凈化塘占地面積大小、有無防滲、是否考慮農業回用與農村生態景觀等因素,選取商城縣已建成的11個鄉鎮街區的農村生活污水處理工程中的4個有代表性的工程案例(表1)進行研究。工程案例Ⅰ~Ⅳ分別座落于商城縣所轄汪崗鎮、豐集鎮、金剛臺鎮和吳河鄉,4個工程案例均位于河岸邊,采用雨污合流系統收集生活污水,污水處理后排入河道。根據DB41/T 958—2020《農業與農村生活用水定額》中人均日用水量〔60 L/(d·人)〕和鎮政府提供的服務人口數估算生活污水產生量,污水排放系數取0.8,計算各工程案例的實際處理污水量。考慮到曝氣生物凈化塘有強大的調節能力,污水提升泵按4倍污水量配備,用于降雨時提升初期雨水。
農村生活污水處理后的出水水質要求達到DB41/1820—2019《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》一級排放標準,即化學需氧量(CODCr)≤60 mg/L,氨氮(NH3-N)濃度≤8 mg/L(溫度≤12 ℃時要求≤15 mg/L),總氮(TN)濃度≤20 mg/L,總磷(TP)濃度≤1 mg/L。
1.4 采樣及分析方法
于2020年1月、5月、8—12月對4個曝氣生物凈化塘工程案例的進、出水進行采樣,樣品按規范保存用于檢測。檢測項目選擇DB41/1820—2019中的CODCr、NH3-N、TN、TP,其中CODCr采用HJ 828—2017《水質 化學需氧量測定 重鉻酸鹽法》測定,檢出限為4 mg/L;NH3-N濃度采用HJ 535—2009《水質 氨氮測定 納氏試劑分光光度法》測定,檢出限為0.25 mg/L;TP濃度采用GB/T 11893—1989《水質 總磷測定 鉬酸銨分光光度法》測定,檢出限為0.01 mg/L;TN濃度采用HJ 636—2012《水質 總氮測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定,檢出限為0.05 mg/L。
1.5 數據統計與分析
在統計學中,將一組數據的最大值或最小值除以其平均值,得到的結果可反映數據的波動情況。采用濃度變化系數(Ka)反映進水水質指標的波動變化,計算公式如下:
Ka=Cmax/Cb或Cmin/Cb? (1)
式中:Cmax為水質指標的最大值,mg/L;Cmin為水質指標的最小值,mg/L;Cb為水質指標的平均值,mg/L。
使用SPSS 20.0軟件對曝氣生物凈化塘出水的CODCr、NH3-N、TN和TP指標數據進行描述性統計分析,獲得各組數據的標準差。
2 結果
2.1 CODCr去除效果
4個工程案例各月CODCr去除效果如圖2所示。由圖2可知,工程案例Ⅰ~Ⅳ各月平均進水CODCr分別為71、62、31和71 mg/L,平均出水CODCr分別為22、20、17和14 mg/L,不同進水CODCr條件下,曝氣生物凈化塘對CODCr的平均去除率為45%~80%。
4個工程案例出水CODCr均能達到DB41/1820—2019一級排放標準(<60 mg/L),且出水CODCr具有較好的穩定性。其中,凈化塘面積最大的工程案例Ⅳ的平均出水CODCr最低,平均去除率達80%,且出水穩定性也最好。
4個工程案例不同月份進水CODCr波動較大,但均較低,為17~182 mg/L,進水CODCr變化趨勢與去除率變化趨勢基本一致。進水CODCr為72~182 mg/L時,去除率較高,可達65%以上;進水CODCr低于34 mg/L時,去除率降為50%以下。但在8月,工程案例Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ在進水CODCr較低(<60 mg/L)條件下,仍可達到較高的去除率(>80%)。4個工程案例中,工程案例Ⅲ的平均進水CODCr最低,平均去除率也相對較低,為45%。
2.2 NH3-N去除效果
4個工程案例各月NH3-N去除效果如圖3所示。由圖3可知,工程案例Ⅰ~Ⅳ各月平均進水NH3-N濃度分別為4.57、10.00、2.85和20.50 mg/L,平均出水NH3-N濃度分別為1.40、1.07、0.51和1.4 mg/L,不同進水NH3-N濃度條件下,曝氣生物凈化塘對NH3-N的平均去除率為69%~93%。
4個工程案例出水NH3-N濃度均能達到DB41/1820—2019一級排放標準(<8 mg/L,溫度>12 ℃時為15 mg/L),且出水NH3-N濃度比較穩定。凈化塘面積最大的工程案例Ⅳ對NH3-N的平均去除率最高,達93%;面積較大的工程案例Ⅱ和水生動植物豐富的工程案例Ⅲ的平均去除率也能達到89%和82%。
4個工程案例不同月份進水NH3-N濃度波動較大,但均較低,為0.05~48.00 mg/L,進水NH3-N濃度變化趨勢與去除率變化趨勢基本一致。進水NH3-N濃度為3~48 mg/L時,去除率較高,可達65%以上;進水NH3-N低于1 mg/L時,去除率迅速降為低于50%。但在8月,案例 Ⅰ~Ⅲ 在進水NH3-N濃度較低(<8 mg/L)條件下,仍可達到較高的去除率(>89%)。4個工程案例中,工程案例Ⅰ和Ⅲ的平均進水NH3-N濃度低,平均去除率也相對較低,分別為71%和82%。
2.3 TN去除效果
4個工程案例各月TN去除效果如圖4所示。由圖4可知,工程案例Ⅰ~Ⅳ各月進水TN平均濃度分別為10.40、14.20、7.38和32.30 mg/L,出水TN平均濃度分別為5.85、6.41、2.72和4.20 mg/L,不同進水TN濃度條件下,曝氣生物凈化塘對TN的平均去除率為44%~87%。
4個工程案例出水TN濃度均能達到DB41/1820—2019一級排放標準(<20 mg/L),且出水濃度比較穩定。凈化塘面積最大的工程案例Ⅳ對TN的平均去除率最高,達87%。
4個工程案例不同月份進水TN濃度波動較大,為3.57~90.00 mg/L,進水TN濃度變化與去除率變化趨勢基本一致。進水TN濃度大于20 mg/L時,去除率較高,可達65%以上;進水TN濃度低于15 mg/L時,去除率變得不穩定。在8月,工程案例Ⅰ~Ⅲ在進水NH3-N濃度較低(<8 mg/L)條件下,仍可達到較高的去除率(>71%)。4個工程案例中,工程案例Ⅰ~Ⅲ的平均進水TN濃度低,平均去除率也相對較低,分別為44%、55%和63%。
2.4 TP去除效果
4個工程案例各月進出水的TP濃度變化如圖5所示。由圖5可知,工程案例Ⅰ~Ⅳ各月進水TP平均濃度分別為0.74、1.05、0.62和1.94 mg/L,出水TP平均濃度分別為0.37、0.39、0.17和0.24 mg/L,不同進水TP濃度條件下,曝氣生物凈化塘對TP的平均去除率為49%~89%。
4個工程案例出水TP濃度均能達到DB41/1820—2019一級排放標準(<1 mg/L),且出水TP濃度具有較好的穩定性。其中,凈化塘面積最大的工程案例Ⅳ的平均出水TP濃度較低,平均去除率最高,達89%,出水穩定性也最好。
4個工程案例不同月份進水TP濃度波動較大,但均較低,為0.08~3.75 mg/L,進水TP濃度變化與去除率變化趨勢基本一致。進水TP濃度大于1 mg/L時,去除率較高,達65%以上;進水TP濃度低于0.5 mg/L時,去除率變得不穩定。4個工程案例中,工程案例Ⅰ的平均進水TP濃度較低,平均去除率最低,為49%。
3 討論
3.1 進水水質濃度波動性調節
曝氣生物凈化塘具有穩定塘強大的調節能力,對不同進水水質濃度波動性具有良好調節功能。4個工程案例進水各項指標的Ka計算結果如表2所示。由表2可知,CODCr、NH3-N、TN、TP的Ka變化范圍很大,說明進水濃度波動性很大。
分別對4項污染物指標的進水和出水數據進行分析,進水CODCr、NH3-N、TN和TP的標準差分別為49、13.9、20.0和1.10,出水CODCr、NH3-N、TN和TP的標準差分別為9、1.5、4.2和0.19。標準差能反映組內數據個體間的離散程度,與進水各項指標數據相比較,出水數據離散程度較小,較穩定。綜上,曝氣生物凈化塘對進水水質濃度的波動性有強大的調節作用。
3.2 低有機物濃度污水的有效凈化
曝氣生物凈化塘吸收了生物接觸氧化法有效降解低有機物濃度污水的優勢。4個工程案例進水中有機物濃度均較低,平均進水CODCr為31~71 mg/L,進水低CODCr與豫南地區多雨的氣候特點、鄉鎮街區的合流制排水體制有關,另外利用進入化糞池污水對周邊菜地施肥是豫南農村地區的傳統習慣,該習慣從前端減少了污水的產生量,也削減了生活污水中污染物濃度。普通活性污泥法處理CODCr的范圍是150~400 mg/L[28-29],若采用該技術處理低CODCr的生活污水,會導致活性污泥系統因碳源不足而污泥量減少或產生污泥膨脹,使系統無法正常運行。由于曝氣生物凈化塘中設置有浸沒式生物填料,填料上形成的生物膜適應于凈化低有機物濃度的農村生活污水,在接觸氧化條件下進水有機污染物濃度變化對污染物去除率的影響不大[30-31],因此可以實現低CODCr條件下較高的去除率。
3.3 營養物質的菌-草系統聯合去除
曝氣生物凈化塘采用菌-草共生清水穩態系統,其中的水生植物對營養物質有吸收作用,塘中的微生物對污染物具有降解作用,因此該菌-草系統聯合可較好地去除低濃度營養鹽。對于氮來講,微生物可將有機氮轉化為NH3-N,再通過細菌的硝化作用轉化為亞硝氮和硝氮,通過反硝化作用轉化為氮氣,從水中釋放到大氣。增大凈化塘面積能提升NH3-N的去除效果,在水深相同的情況下,凈化塘面積越大,調節能力越強,出水效果和穩定性越好。對于磷來講,植物可通過吸收和根系沉淀作用去除磷,同時塘中的細菌對磷有厭氧釋放和好氧吸收功能,可將磷進行轉移或沉淀,從而從水體中去除。
3.4 水生態景觀功能
曝氣生物凈化塘工藝通過推流混合、生物膜凈化和沉水植物吸收作用,使農村生活污水處理后出水水質達到較高的類別。對4個工程案例出水CODCr及NH3-N、TP濃度平均值與GB 3838—2002進行比較(表3)可知:工程案例Ⅱ~Ⅳ出水CODCr達到Ⅲ類,工程案例Ⅰ達到Ⅳ類;工程案例Ⅲ出水NH3-N濃度達到Ⅲ類,其余3個工程案例達到Ⅳ類;工程案例Ⅲ出水TP濃度達到Ⅲ類,工程案例Ⅳ達到Ⅳ類,工程案例Ⅰ和Ⅱ達到Ⅴ類。此外,凈化塘內種植沉水植物,如苦草和狐尾藻,放養田螺和蝦等具有水質凈化功能的水生動物,通過動植物以及微生物的共同作用使水體具有較好的透明度(達1 m以上),使之整體上成為景觀型處理設施。
4 結論
(1)豫南地區商城縣鄉鎮街區生活污水中污染物指標CODCr、NH3-N、TN和TP存在較大的濃度波動性,其濃度變化系數分別為0.23~2.19、0.00~3.81、0.11~3.29和0.03~2.31,由于曝氣生物凈化塘具有強大的調節能力,使處理后的出水濃度低且較為穩定。
(2)鄉鎮街區生活污水中有機物濃度較低,平均CODCr為31~71 mg/L,由于曝氣生物凈化塘設置有浸沒式生物填料,形成的生物膜適合低有機物濃度生活污水的凈化,使CODCr平均去除率達45%~80%,出水平均CODCr為14~22 mg/L。
(3)曝氣生物凈化塘對NH3-N、TN和TP的平均去除率分別為69%~93%、44%~87%和49%~89%,其菌-草系統發揮了微生物凈化和水生植物吸收的共同作用,對低污染物濃度生活污水具有較好的凈化作用。
(4)曝氣生物凈化塘出水CODCr、NH3-N、TN和TP指標滿足DB41/1820—2019一級標準,出水總體可達GB 3838—2002 Ⅴ類及以上水質,其中工程案例Ⅲ出水總體可達Ⅲ類水質。曝氣生物凈化塘適合低污染水平的農村生活污水的治理,可作為農村景觀型生活污水處理方法。
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