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农村分散式污水处理的适宜技术

2018-06-13 14:26:53来源:安徽农业科学 杨利伟浏览:评论:0

  随着我国经济的迅速发展和城市化进程的加速,以及以牺牲湖泊水体健康换取短暂的经济效益的人为活动日益频繁,使得湖泊富营养化、水质咸化和水质恶化等环境问题愈加突出。2007年,重点流域40%的断面水质未达到治理要求,70%江河水系受到污染,75%湖泊出现富营养化。其中,突出的问题是一些中小城市和农村地区污染有加重的趋势。目前,我国共有60多万个行政村、250多万个自然村,居住生活着2亿多农户、近8亿人口,污水排放量巨大,其中大部分污水未经处理直接排入周边水体,对生态环境造成严重危害,已经成为新的区域性水环境的重要污染源。

  1我国农村水污染的现状与特征

  1.1点源污染

  近年来,随着国家产业政策的调整和升级,许多污染严重的小企业从城市转移到郊区和村镇,加之原有的众多小造纸厂、电镀厂、印染厂、化工厂等乡镇企业粗放经营,布局分散,其生产过程中产生的工业废水未经处理就近排入河沟、水库和农田,对水体造成了严重的污染,使乡镇企业成为农村水体点源污染的最大来源;据有关部门调查,51%农民家庭将生活垃圾直接倒入沟渠,18%村民直接倒入农田,这些生活垃圾又对地表水、地下水产生了二次污染。

  1.2面源污染

  一方面,我国是农业大国,全国化肥的施用量从1990年的2590万t增加到2007年的5108万t,平均用量已接近400kg/(h˙m2),远远超过国际上为防止水体污染而设置的化肥安全使用上限225kg/(h˙m2);在近10多年来农药的年使用量基本稳定在23万t左右(有效成分),各种制剂(实物量,包括有效成分和各种辅剂)约162万t。然而化肥的平均利用率仅为35%左右,农药的利用率低于30%[1],剩余化肥、农药中的大量营养元素进入土壤,通过各种途径流失到水体中,N、P等营养成分在水体中的聚集造成水体的富营养化。

  另一方面,由于农民居住较分散且人口数量较多,其生活污水基本未经任何处理直接排放;另外,随着城市需求量的增大,农村的水产养殖与畜禽养殖发展迅速,其产生的大量粪尿超过土地处理能力而随意堆放,或经沼气池发酵后沼液直接排放,这些又成为水体的一大污染源。因此,对农村生活污水和养殖废水进行有效处理,从源头上控制面源污染是从根本上解决水体水质富营养化的重要措施之一。

  1.3农村水污染特征

  基于我国农村分布较广、农户居住分散的特点,我国农村水体污染呈现出污水排放量小、排放分散、N、P等营养成分含量高、污水排放流量和有机负荷波动性大等特点。由于农村的基础设施建设严重不足,几乎没有系统的收集和输送生活污水的管道,同时知识文化水平普遍不高,操作管理能力较弱。因此,适宜于农村的分散式污水处理技术应该是一种低投资、能耗少、操作管理要求低且具有稳定高效的污染物去除效率的污水处理技术。

  2农村分散式污水处理技术

  分散式生活污水处理是以技术先进的小型污水处理设施实现生活污水的就近处理与利用。近年来,各式各样的分散式污水处理设施应运而生。我国幅员辽阔,南北方农村差异较大,对于不同地理环境应因地制宜地选择适宜的处理设施。

  2.1源头分离技术

  农村生活污水的水质状况如下:5日生物需氧量(BOD5)为180~320mg/L,化学需氧量(COD)为265~510mg/L,固体悬浮物量(SS)90~255mg/L,氨态氮(NH4+-N)含量为20~60mg/L,总氮含量为25~80mg/L,总磷含量为1.5~5.0mg/L。

  正常成年人每人每年产生的污水量为25000~100000L,排尿量为400~500L,排便量为50L,其中含N4~5kg,P0.75kg,K1.8kg,这些营养物质在尿中的含量分别为87%、50%、54%,即平均每人每年所排尿液中含N3.48~4.35kg,P0.38kg,K0.97kg。

  由此可见,在生活污水中,尿液所贡献的N、P值非常大。如果采用源头分离技术,如粪尿分集式生态卫生厕所(新型旱厕)、沼气池卫生厕所等,将尿液单独分离并输送以用于农业生产,这将是向营养物质回用和高效水体保护迈出的最大一步。

  同样,现阶段我国农村养殖业快速发展,其产生的畜禽粪尿及冲洗水构成了高浓度有机废水,处理较为困难,不达标排放造成周边水体富营养化。例如,在养猪场的3种清粪工艺中,采用干清粪分离不仅节约用水,其水质负荷也较水冲粪、水泡粪低得多。

  同时,由于冲洗是在短时间内完成的,即与尿液相比,冲洗水量集中且水量大,可考虑采用源头分离技术,进一步分离尿液和冲洗水。最终冲洗水中的污染物浓度较低,易于处理。分离后的猪粪比较干燥、肥效高,易于堆肥,尿液中N、P浓度高,有利于P的回收,适宜于在农村推广应用。一旦大部分尿液不进入水环境中,农村养殖废水所带来的面源污染如氨氮超标问题就变得容易解决。

  2.2蚯蚓生态滤池

  蚯蚓生态滤池是一种利用微生物、蚯蚓和基质等组成的人工生态系统处理生活污水的新技术。目前,其填料主要采用陶粒、土壤、锯末、稻壳、谷壳、泥炭、钢渣、煤渣、石英砂、细砂等。蚯蚓对污水及污泥具有分解、吸收的作用,其来回蠕动,不仅清扫滤床,防止其堵塞,而且增加了滤床层的通气性,增大了氧的供给量,促进滤层中C、N的转化;另外,蚯蚓可以清除蚊蝇滋生,改善滤池的卫生条件,同时在滤池中增殖的蚯蚓又可作为家禽饲料。

  蚯蚓粪便中的微生物能促使有机N的氨化和NH4+-N的硝化作用,其内部的厌氧层和生物膜内的厌氧层会发生反硝化作用而杨健等在曲阳污水厂的中型试验表明,蚯蚓生态滤池对城镇污水的产生N2和N2O气体,降低出水的TN值。CODCr去除率达83%~88%,BOD5去除率达91%~96%,SS去除率达85%~92%,氨氮去除率达55%~65%。

  由于蚯蚓生态滤池具有池容小、节能、易操作、维护管理方便等特点,适宜于我国南方农村生活污水处理,但由于蚯蚓有冬眠和夏眠的习性,会造成阶段性出水不稳定,使用时应考虑其应对措施,在滤池出水加后续强化处理工艺。

  2.3人工湿地处理系统

  与自然湿地相比,人工湿地主要是利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用,对污水、污泥进行处理的一种综合生态系统。它应用生态系统中物种共生、物质循环再生原理以及结构与功能协调原则,在促进废水中污染物质良性循环的前提下,充分发挥资源的生产潜力,防止环境的再污染,获得污水处理与资源化的最佳效益。

  人工湿地系统可分为表面流湿地(SFW)、潜流湿地(SS-FW)、立式流湿地(VFW)。表面流湿地和立式流湿地因环境条件差(易孳生蚊虫),处理效果受气温影响较大以及对基建要求较高,现多不再采用。故人工湿地大部分采用潜流式湿地系统。在人工湿地系统中,可利用植物吸收和基质的吸附去除污染物。目前常用的挺水植物有:芦苇、蒲草、荸荠、莲水芹、水葱、茭白、香蒲、千屈菜、菖蒲、水麦冬、风车草、灯芯草等。李玮峰等研究表明芦苇和香蒲植物吸收TN和TP的量在湿地去除量中的比例分别为13.5%、41.2%和17.3%、24.4%。

  由表1可知,不同湿地植物对N、P的吸附去除率不同,其与进水水质、湿地基质、温度等多种因素有关,对比分析后可以看出,芦苇、香蒲以及茭白对N、P的去除率均较高。人工湿地基质主要采用土壤、沙、石、煤渣、钢渣等。基质一方面为微生物的生长提供稳定的依附表面,同时也为水生植物提供了载体和营养物质。当污水流经人工湿地时,基质通过沉淀、过滤、吸附和离子交换等一些物理和化学的途径来净化除去污水中的污染物。湿地基质氧化还原能力的大小决定了系统去除N的效果。

  红壤广泛分布于我国低山丘陵地区,价格低廉,易于取用,是一种较好的人工湿地基质。黄中子等研究发现,红壤是一种优良的磷素吸附材料,当温度为30℃时,红壤对P的饱和吸附量高达1.61mg/g。红壤中P的含量非常低,但是含有大量的无定型氧化铁、氧化铝及高岭石等成分,有利于P的吸附和固定。因此,当溶液中P的浓度较低时,对P的吸附去除效果较好。当红壤除磷吸附饱和时,可作为农田肥料使用。

  在进水污染物浓度较低的条件下,人工湿地对COD的去除率可达80%以上,对BOD5的去除率可达80%~95%,对TN、TP的去除率均可达85%以上。国外利用人工湿地处理生活污水及各种废水,均取得很好的处理效果。人工湿地具有结构简单、投资少、易于维护和运行费用低等特点,易于在我国农村推广使用。

  2.4地下渗滤系统

  地下渗滤系统是一种人工强化的污水生态处理系统,污水经化粪池预处理后,去除大的悬浮物后有控制地投配到渗滤装置中,然后在重力和土壤毛细管力的作用下扩散运动,污水在此迁移过程中通过物理截留、物化吸附、化学沉淀、微生物降解、动植物作用等被净化。

  地下渗滤系统的类型包括渗滤坑式地下渗滤系统、渗滤沟式地下渗滤系统、渗滤管式或渗滤腔式地下渗滤系统、尼米槽式地下渗滤系统及其他改进型地下渗滤系统。地下渗滤系统对有机物及TP均有较好的去除效果,但对TN的去除效果不佳。张建等在地下渗滤系统内掺加10%草炭,结果表明对氨氮和总氮的去除率明显提高,从未掺加草炭时的83%和69%分别提高到95%和80%。

  当采用红壤+25%煤渣的地下渗滤系统处理生活污水时,其对COD的去除率达82.7%,对TP的去除率高达98.0%,对NH4+-N的去除率达70.0%,对TN的去除率达77.7%[16]。地下渗滤系统具有投资少、运行费用低、易于维护管理、不影响地面景观等特点,适合于土质渗透性能高、农户分布散、人口少、经济较落后的农村污水处理。

  2.5滴滤池

  生物滴滤池是生物过滤法中的一种。由于此类型的生物处理装置中生物膜一般都很厚,而溶解氧(DO)通过扩散作用通常只能进入生物膜表层的100~200μm深度,因此生物膜上就有可能同时存在好氧区和厌氧区,使整个系统具有生物脱氮的功能。

  这种反应器具有水力负荷和抗冲击负荷能力强、结构简单、安装快捷、控制容易、运行成本低等优点。白永刚等采用滴滤池中式处理农村生活污水,在稳定运行状态下滴滤池对COD、NH4+-N、TN和TP去除的贡献率分别为74.5%、79.2%、33.8%、47.5%。滴滤池能有效完成对有机物的降解和硝化作用。因其操作管理方便,处理效果高,适合于土质渗透性能高、农户分布散、人口少、经济较落后的农村污水处理。

  2.6小型一体化污水处理设备

  小型一体化污水处理设备通过有效地整合各种水处理工艺来实现分散式污水的净化达标。目前,日本有超过20%人口仍在使用小型一体化污水处理设备———净化槽,美国则有1/4的人口和1/3新建的社区在使用这种处理设备。HEISTADA等研究的一种适用于单户家庭的紧凑污水处理系统,是由化粪池、好氧生物过滤器及上流式饱和过滤器组成。好氧生物过滤器主要用于去除有机物及实现硝化作用,上流式饱和过滤器进一步处理污水,去除微生物和P。

  经过3年的运行实践表明,该系统具有稳定且较高的出水水质,对BOD5、N、P、SS的去除率分别为97%、30%、99.4%和70.8%。该系统维护简单,上流式饱和过滤器可持续5年吸附去除P,当其吸附饱和时可作为农田肥料。LIANGHW等对三阶段进水的废水处理系统研究表明,当进水的SS、COD、NH4+-N的浓度分别低于10、50和8mg/L时,其去除率分别为90%、80%和90%。

  3小结

  鉴于农村土地的划分较为分散,农村污水处理应改变传统的集中收集处理观念,转为采用高效、可靠的分散式污水处理系统,就地处理。以上所述的几种处理系统,均适用于我国农村的生活污水处理,同时应注重源头分离处理技术的应用,即优先采用源头控制污染物,降低污水中污染物的含量;然后因地制宜,可采用厌氧处理与上述方式相结合,或者采用蚯蚓生态滤池与人工湿地串联处理、蚯蚓生态滤池与地下渗滤系统串联处理、滴滤池与人工湿地串联处理或者人工湿地与地下渗滤系统等的组合工艺来处理,从而达到更好的出水水质,进一步改善我国农村水环境污染严重的现状。

 

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