浅论农村地区化粪池改造设计处理生活污水

2007年江苏省持续高温少雨,太湖水体富营养化严重,5月28日,太湖无锡段梅梁湾爆

发了大规模的蓝藻侵害,无锡市城区牵龙口水厂和 南泉水厂的水源先后遭受污染而停用,严重威胁生 活饮用水的安全。这次大规模的蓝藻爆发再次向人 类敲响警钟,解决太湖流域的富营养化问题,寻找 有效的对策,已成为迫在眉睫的重大任务。

太湖水体污染主要来源于内源和外源,内源主 要是湖底淤泥和水体中营养物质;外源主要为城市 生活污水、工业废水、降水等,来源众多且复杂, 对太湖水体污染贡献大,因此本文主要研究外源的 控制。我国有60多万个行政村、250多万个自然村, 居住生活着2亿多农户[1]。全国农村每年产生生活污 水约80多亿吨,而96%的村庄没有排水渠道和污水处 理系统, 生活污水随意排放[1]。太湖周边分布着大量 的农村,农村生活污水对太湖富营养化贡献较大,

图 1 无锡市吴塘村

并且有分布广而且分散,水质、水量波动性大,水

中氮、磷含量较高等特征。

根据目前我国广大农村地区社会经济发展状况、污水处理与水环境保护要求,农村污水

处理主要采用化粪池、人工湿地、稳定塘、土壤渗滤、生物膜法等几种适合农村实际的污水 处理工艺技术[2],其中化粪池因造价低和管理方便为大多数农村所采用。笔者尝试将人工湿 地和生物膜法与化粪池结合起来,设计一套适合太湖周边农村地区的生活污水处理方式。

1. 研究区域的选择

无锡市南濒太湖,据了解,滨湖区对近期污水管网难以到达的行政村实施生活污水“点 源处理”工程,污水处理方式具有代表性;吴塘村毗邻太湖梅梁湖,于2004年由杨巷、白旄、 吴塘三村合并组建而成,村内有一条主干河流吴塘港直接注入太湖,地理位置具有代表性(如 图1);全村占地9.8平方公里,总人口2500人,农业为主要产业,主要经济作物为杨梅、桔 子和水蜜桃,农作物几乎不使用农药,村民用水来源为自来水和井水相结合,生活方式代表 性。因此最终选择吴塘村作为具体研究区域。

2. 处理工艺 的选择

我国农村居住相对分散,经济力量也相对薄弱,部分经济条件比较好的农村修建的住宅 大都安装了配套的卫生器具、给水管、排水管,设计了卫生间,可是缺乏完善的下水道系统

[3],大部分农村生活污水主要通过现有的截污沟渠直接排到附近水体里或者下渗至土壤里, 成为水体主要的面源污染。对于农村的分散生活污水的处理方式,造价低廉、工艺简单、处 理效果有保证、运行维护简便是首要的原则。目前农村实际中使用较多的污水处理技术主要有 化粪池、人工湿地、稳定塘、土壤渗滤、生物膜法等。

2.1 化粪池

化粪池又名殷夫池,是 20 世纪初德国人创造的,作为我国城镇生活污水主要局部处理构筑物被普遍采用,在消除病原体、减少污染等方面曾经发挥了巨大的作用。化粪池的功能 是接收、贮存家庭生活污水。池内分为漂浮层、淤泥层和中间清水层三个区域。它除了能截 留生活污水中的粪便、纸屑和病原虫等杂质的 50%和去除 BOD 的 20%以外、还可以减轻污 水处理厂的负荷或减轻对水体的污染。沉淀下来的污泥经 3~12 个月的厌氧分解、酸性发酵 脱水熟化后能转化为稳定状态可清掏出做肥料[4]。目前化粪池的池型主要有旧式化粪池、改 良式化粪池、立体多槽式化粪池、好氧曝气式化粪池、灭菌化粪池[5]、集成式生物化粪池[6]、 无害化化粪池[7]、新型生物处理化粪池[8]等,化粪池的改造具有潜力。

2.2 人工湿地

人工湿地(Constructed Wetland)是人工建造的、可控制的和工程化的湿地系统,这是 发达国家近十年来才兴起的生态处理法[9]。第一个完整的人工湿地试验始于 1974 年德国的 Othfrensen 湿地[10]。其基本原理是:在一定的填料上种美人蕉、富贵竹、芦苇等特定的植物, 将污水投放到人工建造的类似于沼泽的湿地上,当富营养化水(如生活污水等)流过人下湿 地时,经沙石、土壤过滤和植物根际的多种微生物活动,使水质得到净化[9]。

人工湿地污水处理技术可处理氮、磷含量较高的污水,还可作为二级污水处理后接的深 度处理工艺。人工湿地主要分为潜流人工湿地和表面流人工湿地。按水流方向又可分为垂直 流人工湿地和水平流人工湿地。处理等量的污水,潜流系统用地要比表面流人工湿地少,运 行维护简单。表面流人工湿地多发的臭味和蚊蝇滋生在潜流系统中很少出现[11][12]。人工湿 地的缺点是需要大量土地, 并要解决土壤和水中的充分供氧问题及受气温和植物生长季节 的影响等问题。

垂直流人工湿地由下行流和上行流方式的两池组成。吴振斌、成水平等人对垂直流 人工 湿地小试系统进行测试,对受污染地面水体中的CODcr、BOD5和TSS的去除率分别为53.6%、

78.7%和80.2%。对细菌、总大肠菌、粪大肠菌和藻类的平均去除率分别达99.4% 、85.9%、

89.7%和97.7%。对KN、NH4+-N和TP的平均去除率分别为39.2%、16.5%和25.8%[13]。参考该 系统进行设计,可有效降低出水氮、磷含量,不难想象最终出水能达到水功能区划的要求。

2.3 稳定塘

利用稳定塘处理污水可充分利用地形,基建和维护费用低,并能实现污水的资源化,但 占地面积大,处理效果易受气候影响,在我国难以普及[14]。太湖周边地区土地资源宝贵, 且冬季气候较低,不利于使用。

2.4 土壤渗滤

该系统将污水投配到土壤表面具有一定构造的渗滤沟中, 污染物通过物理、化学、微生 物的降解和植物的吸收利用得到处理和净化。该技术对悬浮物、有机物、氨氮、总磷和大肠 杆菌的去除率均较高,一般可达70%~90%,而且基建投资少、运行费用低、维护简便, 整 个系统埋在地下,不会散发臭味,能保证冬季较稳定的运行,便于污水的就地处理和回用该 技术具有很强的技术和经济优势[1]。但是,该技术须保证处理效果,否则容易对地下水造成 污染。

2.5 生物膜法

生物膜法有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化和生物流化床四种,是分散生活污水处 理主要应用的一种人工处理技术,包括厌氧和好氧生物膜两种。厌氧或好氧微生物附着在载 体表面,形成生物膜来吸附、降解污水中的污染物,达到净化目的。该方法设备简单、运行 成本较低,处理效率高[1]。

吴塘村人口较少,分布分散,无市政排水管网,几乎每座房屋旁边都有一小块耕地,可 以加以利用,所选污水处理工艺应抗冲击负荷能力强,且宜就近单独处理;经济力量薄弱, 故污水处理应充分考虑造价低、运行费用少、低能耗或无能耗的工艺;村镇缺乏污水处理专 业人员,所选工艺应运行管理简单,维护方便[3]。人工湿地和生物膜法处理效果好,且是接 近自然的处理技术,此外化粪池的普遍使用和低费用使得改造化粪池推广更加容易,鉴于上 述处理方式和国内水处理相关资料,结合吴塘村本身的实际情况,决定将人工湿地和生物膜 法与化粪池结合起来,设计接触氧化-湿地-无动力充氧化粪池对生活污水进行就地处理。 3. 接触氧化-湿地-无动力充氧化粪池设计

3.1 化粪池体积设计

根据《给水排水设计手册第 2 册-城镇排水》和《02S701 砖砌化粪池》上相关计算公式 和设计要求,化粪池最小一般不小于 2m3,水面到池底距离不小于 1.3m,尺长不小于 1m, 池宽不小 于 0.75m。

本设计中化粪池有效容积只考虑前两格计算,容积比为 3:2,取有效池长为 2.0m;尺

高 1.7m,其中保护层高度 400mm;池宽取 0.8m。故总容积为 V=2.0×1.7×0.8=2.72m3。

3.2 下行流-上行流人工湿地设计

人工湿地的深度一般是按水生植物根系自然扩展的深度来设计的,多数为 0.6~0.7m[15]。 本设计人工湿地由串联的 0.5m×0.8m×0.8m 两个池组成。

填料:底层铺 10cm 厚的碎石(直径 5mm 左右),上层为砂(直径 0~4mm)和土壤的 混合,其中下行池砂土深 0.6m,上行池砂土深 0.5m,下行池填料高于上行池 10cm。

水生植物:选择美人蕉和香蒲混合栽种。

进出水管线布置:进水干管为直径 110mmPVC 管,另设四根直径 75mmPVC 管,出水 管布置方式相同[14]。

3.3 结构设计和原理

笔者阅读了大量化粪池和人工湿地相关的文章,从中受到了一些启发,并尝试进行化粪

池改良设计及与人工湿地联用处理无锡市吴塘村生活污水。笔者构思的接触氧化-湿地-无动力充氧化粪池处理流程和构造分别如图 2 和图 3。

4

1-腐化沉淀槽;2-厌氧接触氧化槽;3-最终沉淀槽;

4-下行流-上行流人工湿地;5-无动力跌水充氧槽

图3 接触氧化-湿地-无动力充氧化粪池

(1)腐化沉淀槽:粪便污水及其他生活污水混合后首先进入腐化沉淀槽。该槽占总有效容

积的 75%,为厌氧环境,污水中的有机物在此腐化,主要去除部分 BOD5、SS 和进行反硝 化,污泥和比重较大的悬浮固体会沉淀到有一定的坡度底部,比重较轻的悬浮固体上浮至水 面,中间层液体较原污水澄清。上层浮渣和底层污泥需定期清掏。

(2)厌氧生物接触氧化槽:该槽设在腐化沉淀槽右上侧出口前,槽中铺有厚度为 20cm 的 填料层,填料上下为格栅,连同填料层做成盒子状,填料皆为永久性的刚性填料,无需更换, 但可定期取出检查生物膜附着情况。底层和上层为直径 50mm 左右的鹅卵石,中间为塑料制 成的多折片球型填料,材料密度要比水大,主要作用是过滤,附着生物膜,降低流速。

(3)最终沉淀槽:该槽与厌氧生物接触氧化槽用两个直径 10cm 的正方形孔相连,主要作 用是进一步沉淀分离污水和污泥,以及去除 BOD5、SS 和进行反硝化,中间层清水通过莲 蓬弯流至人工湿地。该槽也需定期清掏。此外上述三槽会产生甲烷、氨气、氮气等气体,需 设通风管连通,由于甲烷纯度低,气体量少且难以分离,故通过通风管直接放空。

(4)下行流-上行流人工湿地:通过前面腐化沉淀槽,厌氧生物接触氧化槽和最终沉淀槽的 处理,进入人工湿地的污染物负 荷将有效降低,此人工湿地由串联的两个池组成,分别为下

行流和上行流。底层铺直径 5mm 左右的碎石连通两池,上层为土壤和直径 0~4mm 的砂混

合,下行池填料高于上行池 10cm,以克服人工湿地的水头损失。一般的单一垂直流人工湿 地水从上往下流,出水水位大大较低,在埋深较深且出水水位较低的无动力化粪池中使用, 最终出水口很可能因过低而容易被淹没,而下行流-上行流人工湿地可以克服这个不足,能 够提升水位,而且众多试验表明出水效果要比单一垂直流人工湿地好。水生植物可选择美人 蕉和香蒲等普遍的植物,定期收割。下行流-上行流人工湿地相当于一般污水处理的深度处 理,尤其在去氮除磷有很高的处理效率。

(5)无动力跌水充氧槽:该槽相当于出水前的集水槽有集配水功能,并且与大气相通,可 通过里面三层铺有鹅卵石的表面粗糙的阶梯式跌水板进行复氧,可有效抑制水的发臭和提高 透明度。出水最终通过截污沟渠排至附近水体或者下渗补给地下水,大大降低了对受纳水体 的污染。

3.4 经济可行性分析

无锡市吴塘村几乎每户都修建有化粪池,粪便污水与其他生活污水分流排放,接触氧化

-湿地-无动力充氧化粪池无需采用好氧曝气和提升装置,仅通过污水的自流完成,无动力消 耗,运行费用极低;管理方便,如普及太湖周边农村地区,当地政府环保相关部门可定期检 查及安排吸粪车集中吸走底层污泥和撇去上层浮渣。接触氧化-湿地-无动力充氧化粪池的建 造费用与传统旧式化粪池相比略高一些,但两者有着几乎相同的运行管理费用,对于吴塘村 乃至太湖周边农村仍然是可承受的。

4. 总结

本设计着重创新,将人工湿地和生物膜法与化粪池结合起来,设计出生物接触氧化、人 工湿地和无动力跌水充氧三者联合的接触氧化-湿地-无动力充氧化粪池。构思切实可行,今 后有机会将试点进行试验而不断改进。通过对比其他相似的化粪池池型和人工湿地试验结 果,不难想象接触氧化-湿地-无动力充氧化粪池出水水质较好,满足水功能区划的要求,甚 至能达到一级B标准。从而可以减少对太湖周边地区地表水环境和地下水的污染,同时还能 缓解太湖的富营养化问题,保障太湖流域的经济持续繁荣发展。