太湖周邊農(nóng)村地區(qū)化糞池改造設(shè)計(jì)處理生活污水
【摘要】太湖周邊 農(nóng)村 生活污水對(duì)太湖富營(yíng)養(yǎng)化貢獻(xiàn)較大，本文對(duì)太湖周邊農(nóng)村地區(qū)污水處 理方式展開(kāi) 研究 ，并以無(wú)錫市吳塘村為具體研究區(qū)域，進(jìn)行實(shí)地調(diào)查并收集資料，對(duì)傳統(tǒng)化 糞池結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性的改造，將人工濕地和生物膜法與化糞池結(jié)合，設(shè)計(jì)出生物接觸氧化、 人工濕地和無(wú)動(dòng)力跌水充氧三者聯(lián)合的接觸氧化-濕地-無(wú)動(dòng)力充氧化糞池，并詳細(xì)說(shuō)明了其結(jié)構(gòu)和原理。 。
關(guān)鍵詞：太湖;吳塘村;化糞池;接觸氧化;人工濕地
Abstract
Sewage of rural areas surrounds Taihu Lake give greater contribution to the eutrophication of the Taihu Lake. The research studied the sewage treatment of the rural areas around Taihu Lake, and selected Wutang village of Wuxi City as a specific study area, applied field survey and collected information. The study put up an innovative improvement on traditional septic tank, joining the artificial wetlands and biofilms together with septic tanks. A new kind of septic tank called contacts oxidation-wetlands-undynamic oxygenation was designed; it combines the contact oxidation, artificial wetlands and undynamic waterfall oxygenation together. The details of its structure and principles were illuminated in the study.
Keywords: Taihu Lake; Wutang village; septic tanks; contact oxidation; wetland
2007年江蘇省持續(xù)高溫少雨，太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重，5月28日，太湖無(wú)錫段梅梁灣爆發(fā)了大規(guī)模的藍(lán)藻侵害，無(wú)錫市城區(qū)牽龍口水廠(chǎng)和 南泉水廠(chǎng)的水源先后遭受污染而停用，嚴(yán)重威脅生 活飲用水的安全。這次大規(guī)模的藍(lán)藻爆發(fā)再次向人 類(lèi)敲響警鐘，解決太湖流域的富營(yíng)養(yǎng)化 問(wèn)題 ，尋找 有效的對(duì)策，已成為迫在眉睫的重大任務(wù)。
太湖水體污染主要來(lái)源于內(nèi)源和外源，內(nèi)源主 要是湖底淤泥和水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì);外源主要為城市 生活污水、 工業(yè) 廢水、降水等，來(lái)源眾多且復(fù)雜， 對(duì)太湖水體污染貢獻(xiàn)大，因此本文主要研究外源的 控制。我國(guó)有60多萬(wàn)個(gè)行政村、250多萬(wàn)個(gè) 自然 村， 居住生活著2億多農(nóng)戶(hù)[1]。全國(guó)農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污 水約80多億噸，而96%的村莊沒(méi)有排水渠道和污水處 理系統(tǒng), 生活污水隨意排放[1]。太湖周邊分布著大量 的農(nóng)村，農(nóng)村生活污水對(duì)太湖富營(yíng)養(yǎng)化貢獻(xiàn)較大，
圖 1 無(wú)錫市吳塘村
并且有分布廣而且分散，水質(zhì)、水量波動(dòng)性大，水
中氮、磷含量較高等特征。
根據(jù) 目前 我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū) 社會(huì) 經(jīng)濟(jì) 發(fā)展 狀況、污水處理與水環(huán)境保護(hù)要求，農(nóng)村污水
處理主要采用化糞池、人工濕地、穩(wěn)定塘、土壤滲濾、生物膜法等幾種適合農(nóng)村實(shí)際的污水 處理工藝技術(shù)[2]，其中化糞池因造價(jià)低和管理方便為大多數(shù)農(nóng)村所采用。筆者嘗試將人工濕 地和生物膜法與化糞池結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)一套適合太湖周邊農(nóng)村地區(qū)的生活污水處理方式。
1. 研究區(qū)域的選擇
無(wú)錫市南瀕太湖，據(jù)了解，濱湖區(qū)對(duì)近期污水管網(wǎng)難以到達(dá)的行政村實(shí)施生活污水“點(diǎn) 源處理”工程，污水處理方式具有代表性;吳塘村毗鄰太湖梅梁湖，于2004年由楊巷、白旄、 吳塘三村合并組建而成，村內(nèi)有一條主干河流吳塘港直接注入太湖，地理位置具有代表性(如 圖1);全村占地9.8平方公里，總?cè)丝?500人，農(nóng)業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)，主要經(jīng)濟(jì)作物為楊梅、桔 子和水蜜桃，農(nóng)作物幾乎不使用農(nóng)藥，村民用水來(lái)源為自來(lái)水和井水相結(jié)合，生活方式代表 性。因此最終選擇吳塘村作為具體研究區(qū)域。
2. 處理工藝的選擇
我國(guó)農(nóng)村居住相對(duì)分散，經(jīng)濟(jì)力量也相對(duì)薄弱，部分經(jīng)濟(jì)條件比較好的農(nóng)村修建的住宅 大都安裝了配套的衛(wèi)生器具、給水管、排水管，設(shè)計(jì)了衛(wèi)生間，可是缺乏完善的下水道系統(tǒng)
[3]，大部分農(nóng)村生活污水主要通過(guò)現(xiàn)有的截污溝渠直接排到附近水體里或者下滲至土壤里， 成為水體主要的面源污染。對(duì)于農(nóng)村的分散生活污水的處理方式，造價(jià)低廉、工藝簡(jiǎn)單、處 理效果有保證、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便是首要的原則。目前農(nóng)村實(shí)際中使用較多的污水處理技術(shù)主要有 化糞池、人工濕地、穩(wěn)定塘、土壤滲濾、生物膜法等。
2.1 化糞池
化糞池又名殷夫池，是 20 世紀(jì)初德國(guó)人創(chuàng)造的，作為我國(guó)城鎮(zhèn)生活污水主要局部處理 構(gòu)筑物被普遍采用，在消除病原體、減少污染等方面曾經(jīng)發(fā)揮了巨大的作用。化糞池的功能 是接收、貯存家庭生活污水。池內(nèi)分為漂浮層、淤泥層和中間清水層三個(gè)區(qū)域。它除了能截 留生活污水中的糞便、紙屑和病原蟲(chóng)等雜質(zhì)的 50%和去除 BOD 的 20%以外、還可以減輕污 水處理廠(chǎng)的負(fù)荷或減輕對(duì)水體的污染。沉淀下來(lái)的污泥經(jīng) 3～12 個(gè)月的厭氧分解、酸性發(fā)酵 脫水熟化后能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定狀態(tài)可清掏出做肥料[4]。目前化糞池的池型主要有舊式化糞池、改 良式化糞池、立體多槽式化糞池、好氧曝氣式化糞池、滅菌化糞池[5]、集成式生物化糞池[6]、 無(wú)害化化糞池[7]、新型生物處理化糞池[8]等，化糞池的改造具有潛力。
2.2 人工濕地
人工濕地(Constructed Wetland)是人工建造的、可控制的和工程化的濕地系統(tǒng)，這是 發(fā)達(dá)國(guó)家近十年來(lái)才興起的生態(tài)處理法[9]。第一個(gè)完整的人工濕地試驗(yàn)始于 1974 年德國(guó)的 Othfrensen 濕地[10]。其基本原理是：在一定的填料上種美人蕉、富貴竹、蘆葦?shù)忍囟ǖ闹参铮?將污水投放到人工建造的類(lèi)似于沼澤的濕地上，當(dāng)富營(yíng)養(yǎng)化水(如生活污水等)流過(guò)人下濕 地時(shí)，經(jīng)沙石、土壤過(guò)濾和植物根際的多種微生物活動(dòng)，使水質(zhì)得到凈化[9]。
人工濕地污水處理技術(shù)可處理氮、磷含量較高的污水，還可作為二級(jí)污水處理后接的深 度處理工藝。人工濕地主要分為潛流人工濕地和表面流人工濕地。按水流方向又可分為垂直 流人工濕地和水平流人工濕地。處理等量的污水，潛流系統(tǒng)用地要比表面流人工濕地少，運(yùn) 行維護(hù)簡(jiǎn)單。表面流人工濕地多發(fā)的臭味和蚊蠅滋生在潛流系統(tǒng)中很少出現(xiàn)[11][12]。人工濕 地的缺點(diǎn)是需要大量土地, 并要解決土壤和水中的充分供氧問(wèn)題及受氣溫和植物生長(zhǎng)季節(jié) 的 影響 等問(wèn)題。
垂直流人工濕地由下行流和上行流方式的兩池組成。吳振斌、成水平等人對(duì)垂直流人工 濕地小試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)受污染地面水體中的CODcr、BOD5和TSS的去除率分別為53.6%、
78.7%和80.2%。對(duì)細(xì)菌、總大腸菌、糞大腸菌和藻類(lèi)的平均去除率分別達(dá)99.4% 、85.9%、
89.7%和97.7%。對(duì)KN、NH4+-N和TP的平均去除率分別為39.2%、16.5%和25.8%[13]。 參考 該 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效降低出水氮、磷含量，不難想象最終出水能達(dá)到水功能區(qū)劃的要求。
2.3 穩(wěn)定塘
利用穩(wěn)定塘處理污水可充分利用地形，基建和維護(hù)費(fèi)用低，并能實(shí)現(xiàn)污水的資源化，但 占地面積大，處理效果易受氣候影響，在我國(guó)難以普及[14]。太湖周邊地區(qū)土地資源寶貴， 且冬季氣候較低，不利于使用。
2.4 土壤滲濾
該系統(tǒng)將污水投配到土壤表面具有一定構(gòu)造的滲濾溝中, 污染物通過(guò)物理、化學(xué)、微生 物的降解和植物的吸收利用得到處理和凈化。該技術(shù)對(duì)懸浮物、有機(jī)物、氨氮、總磷和大腸 桿菌的去除率均較高，一般可達(dá)70%～90%，而且基建投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、維護(hù)簡(jiǎn)便, 整 個(gè)系統(tǒng)埋在地下，不會(huì)散發(fā)臭味，能保證冬季較穩(wěn)定的運(yùn)行，便于污水的就地處理和回用該 技術(shù)具有很強(qiáng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)[1]。但是，該技術(shù)須保證處理效果，否則容易對(duì)地下水造成 污染。
2.5 生物膜法
生物膜法有生物濾池、生物轉(zhuǎn)盤(pán)、生物接觸氧化和生物流化床四種，是分散生活污水處 理主要 應(yīng)用 的一種人工處理技術(shù)，包括厭氧和好氧生物膜兩種。厭氧或好氧微生物附著在載 體表面，形成生物膜來(lái)吸附、降解污水中的污染物，達(dá)到凈化目的。該 方法 設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行 成本較低，處理效率高[1]。
吳塘村人口較少，分布分散，無(wú)市政排水管網(wǎng)，幾乎每座房屋旁邊都有一小塊耕地，可 以加以利用，所選污水處理工藝應(yīng)抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，且宜就近單獨(dú)處理;經(jīng)濟(jì)力量薄弱， 故污水處理應(yīng)充分考慮造價(jià)低、運(yùn)行費(fèi)用少、低能耗或無(wú)能耗的工藝;村鎮(zhèn)缺乏污水處理專(zhuān) 業(yè)人員，所選工藝應(yīng)運(yùn)行管理簡(jiǎn)單，維護(hù)方便[3]。人工濕地和生物膜法處理效果好，且是接 近自然的處理技術(shù)，此外化糞池的普遍使用和低費(fèi)用使得改造化糞池推廣更加容易，鑒于上 述處理方式和國(guó)內(nèi)水處理相關(guān)資料，結(jié)合吳塘村本身的實(shí)際情況，決定將人工濕地和生物膜 法與化糞池結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)接觸氧化-濕地-無(wú)動(dòng)力充氧化糞池對(duì)生活污水進(jìn)行就地處理。
3. 接觸氧化-濕地-無(wú)動(dòng)力充氧化糞池設(shè)計(jì)
3.1 化糞池體積設(shè)計(jì)
根據(jù)《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)第 2 冊(cè)-城鎮(zhèn)排水》和《02S701 磚砌化糞池》上相關(guān) 計(jì)算 公式 和設(shè)計(jì)要求，化糞池最小一般不小于 2m3，水面到池底距離不小于 1.3m，尺長(zhǎng)不小于 1m， 池寬不小于 0.75m。
本設(shè)計(jì)中化糞池有效容積只考慮前兩格計(jì)算，容積比為 3：2，取有效池長(zhǎng)為 2.0m;尺
高 1.7m，其中保護(hù)層高度 400mm;池寬取 0.8m。故總?cè)莘e為 V=2.0×1.7×0.8=2.72m3。
3.2 下行流-上行流人工濕地設(shè)計(jì)
人工濕地的深度一般是按水生植物根系 自然 擴(kuò)展的深度來(lái)設(shè)計(jì)的，多數(shù)為 0.6～0.7m[15]。 本設(shè)計(jì)人工濕地由串聯(lián)的 0.5m×0.8m×0.8m 兩個(gè)池組成。
填料：底層鋪 10cm 厚的碎石(直徑 5mm 左右)，上層為砂(直徑 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：選擇美人蕉和香蒲混合栽種。
進(jìn)出水管線(xiàn)布置：進(jìn)水干管為直徑 110mmPVC 管，另設(shè)四根直徑 75mmPVC 管，出水 管布置方式相同[14]。
3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理
筆者閱讀了大量化糞池和人工濕地相關(guān)的文章，從中受到了一些啟發(fā)，并嘗試進(jìn)行化糞
池改良設(shè)計(jì)及與人工濕地聯(lián)用處理無(wú)錫市吳塘村生活污水。筆者構(gòu)思的接觸氧化-濕地-無(wú)動(dòng)
力充氧化糞池處理流程和構(gòu)造分別如圖 2 和圖 3。
圖 2 接觸氧化-濕地-無(wú)動(dòng)力充氧化糞池處理流程
4
1-腐化沉淀槽;2-厭氧接觸氧化槽;3-最終沉淀槽;
4-下行流-上行流人工濕地;5-無(wú)動(dòng)力跌水充氧槽
圖3 接觸氧化-濕地-無(wú)動(dòng)力充氧化糞池
(1)腐化沉淀槽：糞便污水及其他生活污水混合后首先進(jìn)入腐化沉淀槽。該槽占總有效容
積的 75%，為厭氧環(huán)境，污水中的有機(jī)物在此腐化，主要去除部分 BOD5、SS 和進(jìn)行反硝 化，污泥和比重較大的懸浮固體會(huì)沉淀到有一定的坡度底部，比重較輕的懸浮固體上浮至水 面，中間層液體較原污水澄清。上層浮渣和底層污泥需定期清掏。
(2)厭氧生物接觸氧化槽：該槽設(shè)在腐化沉淀槽右上側(cè)出口前，槽中鋪有厚度為 20cm 的 填料層，填料上下為格柵，連同填料層做成盒子狀，填料皆為永久性的剛性填料，無(wú)需更換， 但可定期取出檢查生物膜附著情況。底層和上層為直徑 50mm 左右的鵝卵石，中間為塑料制 成的多折片球型填料，材料密度要比水大，主要作用是過(guò)濾，附著生物膜，降低流速。
(3)最終沉淀槽：該槽與厭氧生物接觸氧化槽用兩個(gè)直徑 10cm 的正方形孔相連，主要作 用是進(jìn)一步沉淀分離污水和污泥，以及去除 BOD5、SS 和進(jìn)行反硝化，中間層清水通過(guò)蓮 蓬彎流至人工濕地。該槽也需定期清掏。此外上述三槽會(huì)產(chǎn)生甲烷、氨氣、氮?dú)獾葰怏w，需 設(shè)通風(fēng)管連通，由于甲烷純度低，氣體量少且難以分離，故通過(guò)通風(fēng)管直接放空。
(4)下行流-上行流人工濕地：通過(guò)前面腐化沉淀槽，厭氧生物接觸氧化槽和最終沉淀槽的 處理，進(jìn)入人工濕地的污染物負(fù)荷將有效降低，此人工濕地由串聯(lián)的兩個(gè)池組成，分別為下
行流和上行流。底層鋪直徑 5mm 左右的碎石連通兩池，上層為土壤和直徑 0～4mm 的砂混
合，下行池填料高于上行池 10cm，以克服人工濕地的水頭損失。一般的單一垂直流人工濕 地水從上往下流，出水水位大大較低，在埋深較深且出水水位較低的無(wú)動(dòng)力化糞池中使用， 最終出水口很可能因過(guò)低而容易被淹沒(méi)，而下行流-上行流人工濕地可以克服這個(gè)不足，能 夠提升水位，而且眾多試驗(yàn)表明出水效果要比單一垂直流人工濕地好。水生植物可選擇美人 蕉和香蒲等普遍的植物，定期收割。下行流-上行流人工濕地相當(dāng)于一般污水處理的深度處 理，尤其在去氮除磷有很高的處理效率。
(5)無(wú)動(dòng)力跌水充氧槽：該槽相當(dāng)于出水前的集水槽有集配水功能，并且與大氣相通，可 通過(guò)里面三層鋪有鵝卵石的表面粗糙的階梯式跌水板進(jìn)行復(fù)氧，可有效抑制水的發(fā)臭和提高 透明度。出水最終通過(guò)截污溝渠排至附近水體或者下滲補(bǔ)給地下水，大大降低了對(duì)受納水體的污染。
3.4 經(jīng)濟(jì) 可行性 分析
無(wú)錫市吳塘村幾乎每戶(hù)都修建有化糞池，糞便污水與其他生活污水分流排放，接觸氧化
-濕地-無(wú)動(dòng)力充氧化糞池?zé)o需采用好氧曝氣和提升裝置，僅通過(guò)污水的自流完成，無(wú)動(dòng)力消 耗，運(yùn)行費(fèi)用極低;管理方便，如普及太湖周邊 農(nóng)村 地區(qū)，當(dāng)?shù)卣h(huán)保相關(guān)部門(mén)可定期檢 查及安排吸糞車(chē)集中吸走底層污泥和撇去上層浮渣。接觸氧化-濕地-無(wú)動(dòng)力充氧化糞池的建 造費(fèi)用與傳統(tǒng)舊式化糞池相比略高一些，但兩者有著幾乎相同的運(yùn)行管理費(fèi)用，對(duì)于吳塘村 乃至太湖周邊農(nóng)村仍然是可承受的。
4. 總結(jié)
本設(shè)計(jì)著重創(chuàng)新，將人工濕地和生物膜法與化糞池結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出生物接觸氧化、人 工濕地和無(wú)動(dòng)力跌水充氧三者聯(lián)合的接觸氧化-濕地-無(wú)動(dòng)力充氧化糞池。構(gòu)思切實(shí)可行，今 后有機(jī)會(huì)將試點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)而不斷改進(jìn)。通過(guò)對(duì)比其他相似的化糞池池型和人工濕地試驗(yàn)結(jié) 果，不難想象接觸氧化-濕地-無(wú)動(dòng)力充氧化糞池出水水質(zhì)較好，滿(mǎn)足水功能區(qū)劃的要求，甚 至能達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。從而可以減少對(duì)太湖周邊地區(qū)地表水環(huán)境和地下水的污染，同時(shí)還能 緩解太湖的富營(yíng)養(yǎng)化 問(wèn)題 ，保障太湖流域的經(jīng)濟(jì)持續(xù)繁榮 發(fā)展 。
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