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    農村灰水收集-處理-回用系統現狀及應用建議

    更新時間:2022-05-05 11:11 來源:工業水處理 作者: 李文凱 等 閱讀:18196 網友評論0

    【谷騰環保網訊】隨著農村污水治理工作的推進和污水資源化理念的推廣,農村生活污水的分質收集與資源化成為重要的研究和應用方向。農村灰水的收集-處理-回用模式逐漸受到重視。

    農村灰水是指除廁所污水以外的農村生活污水,具體包括農戶日常生活產生的洗浴污水、洗漱污水、洗滌污水及餐廚污水等?;宜空忌钗鬯偭康?0%左右,開展灰水收集、處理與回用不僅可降低污水收集和處理系統的水量負荷,還可減少水資源消耗。

    灰水基本不含糞污,污染物濃度較低且致病菌較少,適宜在收集處理后進行資源化利用。與農村生活污水的收集處理模式不同,為便于回用,農村灰水的收集-處理-回用模式以村落集中收集處理和分散收集處理為主,很少采用納入城鎮污水管網的模式。常用的回用方式包括農業灌溉、室外沖洗、景觀用水及室內沖廁等。

    我國農村灰水資源化工作仍處于起步階段,灰水收集-處理-回用系統技術及運行方面仍存在許多問題。

    為推進農村灰水的高效收集處理和安全回用,提升灰水收集-處理-回用系統的集成科學性和可靠性,筆者對農村灰水收集-處理-回用系統的研究及應用現狀進行分析,剖析農村灰水系統存在的問題,提出針對性的優化建議并對未來農村灰水系統的發展趨勢進行展望。

    1 農村灰水系統現狀

    根據子系統功能的不同,農村灰水系統可分為收集系統、處理系統及回用系統3部分,如圖1所示。

    1.1 收集系統

    灰水收集是灰水處理與回用的前提,也是整個農村灰水系統建設成本最高、運維問題最多的環節。常用的收集系統分為管道系統和溝渠系統兩大類。

    (1)管道系統。管道系統由多級灰水管道、檢查井、隔油池、沉泥井等設施組成,以重力流管道為主。與溝渠系統相比,灰水管道系統在收集效率、污染控制、防止致病菌擴散及提升村容村貌等方面具有明顯優勢,但其建設和運行過程存在成本較高、堵塞頻發、亂接錯接的問題。排水管道的建設成本一般占排水系統總投資的70%以上,目前農村灰水管道設計過程中往往套用城鎮排水系統的經驗數據,導致設計管徑過大,增加了管道建設成本。同時過大的管徑致使開挖道路面積增大,給農村狹窄街道的施工造成困難,也嚴重影響居民正常生活。在灰水管道運行過程中,有的農戶自行拆除下水道濾網,將菜葉、濕巾、包裝袋等雜物沖入下水道,易造成管道堵塞。個別農戶自行改造接戶管道,將化糞池黑水接入灰水管道,影響末端處理與回用。

    (2)溝渠系統。溝渠系統是低收入農村地區普遍采用的灰水收集系統。排水溝渠建設成本低廉,具有一定污染物去除效果,且對水力條件、異物的適應能力高于管道系統。但溝渠內的灰水直接暴露在空氣中,夏季易散發異味,且流速較低易滋生蚊蟲,冬季易結冰?;宜疁锨谟昙緟R入大量泥沙和雨水,一方面泥沙會堵塞灰水處理設施,另一方面雨水稀釋了污染物,造成進水濃度過低,影響處理設施的正常運行。

    1.2 處理系統

    灰水處理工藝復雜多樣,生物、生態及物化等工藝均有廣泛研究和應用。常用的灰水處理系統如表1所示。

    (1)生物處理系統。生物處理系統是農村污水的主流處理系統,在灰水處理中也有廣泛應用,主要分為厭氧系統和好氧系統兩大類。常用的厭氧系統包括厭氧沉淀池、厭氧濾池等,由于對有機物去除能力有限且異味明顯,通常作為好氧生物處理或生態處理的預處理系統,不單獨使用。好氧系統對有機物去除率高、出水水質好,根據處理原理不同分為生物膜法和活性污泥法。

    生物膜法的有機物處理效果好、運維便利且一般無需二沉池,占地面積和建設成本均較低,以生物轉盤(RBC)、曝氣生物濾池(BAF)和移動床生物膜反應器(MBBR)應用較多。上述3種工藝正常運行時的出水水質基本可達到或優于當地農村污水處理設施的排放標準要求,可滿足農田灌溉、室外沖洗及景觀用水等回用需求。但RBC因直接暴露在空氣中不易采用地埋等方式有效保溫,冬季其生物膜活性降低,處理效果下降,在北方冬季甚至因結冰而無法正常運行。BAF及MBBR可以地埋,對低溫承受力相對較好,但BAF需定期反沖洗避免堵塞,而MBBR好氧段的曝氣機需長期運行,運維成本較高。

    農村灰水系統采用的活性污泥法基本為無需建設二沉池的系統,如膜生物反應器(MBR)和序批式活性污泥反應器(SBR)。

    其中MBR處理效果好、出水水質優良且對病原微生物的去除效果顯著,適合在以室內回用為主要資源化利用方式的地區應用。MBR成本較高且運維復雜,不適合經濟條件較差的地區。SBR工藝運行時為間歇進水,適于處理農村灰水等排水量有明顯時間變化特征的污水。SBR工藝對灰水的處理效果穩定,但常需要配套自控裝置以適應農村灰水排放特征,建設和運維成本相對較高?;宜緵]有高效脫氮除磷的需求,混合生活污水處理中常用的A/A/O、氧化溝等工藝在農村灰水處理中應用較少。

    (2)生態處理系統。生態處理系統具有造價低廉、運維便利、能耗低的優勢,逐漸成為農村灰水處理的主流工藝。當灰水回用方式為農田灌溉時,處理設施出水水質僅需滿足《農田灌溉水質標準》(GB 5084—2021)的要求,無需深度處理,適合采用生態處理系統。人工濕地(CW)、生態濾池和土地滲濾是常用的灰水生態處理系統,其中以CW應用最為廣泛。

    CW可通過土壤和濾料的吸附過濾、微生物的代謝以及濕地植物的吸收作用去除灰水中的懸浮物、有機物、氮、磷等污染物,分為表面流CW、水平潛流CW及垂直流CW,其中垂直流CW對污染物的綜合去除效果較好。因大部分CW為露天運行,其在北方地區的冬季容易凍結,導致處理效果下降,因此冬季嚴寒地區不適合采用CW等生態工藝作為核心灰水處理工藝。

    (3)物化處理系統。農村灰水物化處理系統可分為物理過濾系統、混凝過濾系統、電絮凝系統、膜分離系統及高級氧化系統等。物理過濾系統在實際工程中應用較多,其他物化處理系統因建設成本和運維費用高,實際應用少。

    物理過濾系統主要以石英砂、碎石、活性炭等作為過濾介質,通過濾料的物理過濾作用及活性炭等多孔材料的吸附作用攔截灰水中的污染物。物理過濾系統對懸浮物的去除效果良好,但濾料需反沖洗,活性炭需定期更新,一般在單戶或聯戶灰水處理裝置中應用較多,在村集中灰水處理工藝中一般不作為主體工藝,而是設置在生物或生態處理設施之后,作為深度處理設施進一步去除懸浮物,保障消毒工藝的可靠運行。

    1.3 回用系統

    農村灰水回用系統主要分為消毒系統、儲水系統和輸配系統,其中以消毒系統最為關鍵。

    灰水中含有大量致病微生物,因此回用時應關注致病風險。相關研究證實,CW等常用灰水處理工藝對致病菌的去除效果有限,為實現灰水回用安全應消毒處理。消毒系統分為加氯消毒系統、紫外消毒系統和臭氧消毒系統等,其中加氯消毒系統和紫外消毒系統應用較多。

    加氯消毒系統主要采用次氯酸鹽消毒劑,成本低廉且余氯可持續保持消毒效果,缺點在于會產生消毒副產物以及氯元素在農業灌溉時可能對土壤和植物造成不利影響。

    紫外消毒不產生消毒副產物且不會增加灰水鹽分,但不具有持續消毒效果,易造成消毒不徹底。加氯消毒和紫外消毒對進水的懸浮物濃度和濁度要求較高,需在消毒前降低進水的懸浮物濃度和濁度,才能實現穩定可靠的消毒效果。

    2 優化建議

    農村灰水收集-處理-回用系統的技術類型多樣,應結合當地特點與需求,科學設計、規范建設并保障運維效果,從技術、管理和制度層面科學推進農村灰水的資源化利用,如圖2所示。

    2.1 技術層面

    在有條件的地區優先推行管道排水,條件尚不充分的地區推行管渠結合的排水系統,利用管道衛生條件較好和溝渠成本低廉的優勢,提高灰水收集系統的經濟可行性。

    合理優化灰水管徑,優先采用小管徑排水系統(干管管徑<200 mm的重力流排水管道系統),其成本低廉、開挖道路面積小,適合現行條件下的農村灰水收集,且在優化管道運維和削減處理設施污染負荷方面有積極意義。

    因地制宜,合理集成生物、生態和物化處理工藝,避免盲目追求MBR等先進處理工藝,造成資金浪費。避免在冬季嚴寒地區使用生態處理工藝為主的處理系統,集成生物處理和物化處理系統保障冬季的灰水處理效果。

    在條件允許的地區利用風能和太陽能等清潔能源為灰水處理設施供能,降低運行能耗和費用?;宜赜霉喔葧r進行低劑量加氯或紫外消毒處理,隨后采用滴灌等非噴灑型輸配系統,避免形成微生物氣溶膠。再生水灌溉可能造成土壤鹽分的累積,消毒時應控制含氯消毒劑的用量?;宜赜糜跊_洗和景觀時,在生物/生態處理后采用砂濾+加氯消毒方式進行消毒,保證儲水和輸配水系統中含有適宜濃度的余氯。

    2.2 管理層面

    關注灰水收集和回用系統的維護,定期巡視灰水管道和溝渠,及時排查檢修淤積和堵塞問題,強化消毒系統和儲水系統的運行維護,以保證灰水回用安全。建立考核機制、健全考核體系、明確責任到人,應用物聯網技術將灰水集中處理及回用系統的運行和水質數據聯網公示,建立公眾監督與投訴平臺,鼓勵農村居民參與灰水收集-處理-回用系統的運行監督。

    加強宣傳教育,號召農村居民養成良好的排水習慣,避免大塊異物進入灰水管道,杜絕將黑水接入灰水管道的行為,并引導居民積極采取相應防護措施,接觸灰水后勤洗手,降低室外灰水回用的風險。

    2.3 制度層面

    拓展融資渠道,創新收益模式,采用多種方式鼓勵社會資本參與農村灰水系統的建設和運維。在經濟條件允許的地區對農村灰水系統的建設運維提供專項資金支持。在有條件開展灰水回用的地區建立灰水回用經濟補償機制,對優先開展灰水回用的農村在財政支持上予以傾斜,定期組織灰水回用優秀案例評選并進行推廣。

    在推進鄉村振興的過程中,逐步在地方規劃和各項行動計劃中對灰水回用率提出要求。目前我國尚無針對農村灰水收集-處理-回用的技術標準,各地在灰水系統設計時缺乏有效參考,應推進相關標準的制定工作。市場上灰水設備類型多樣,選型困難,應推進標準化認證工作,保障設施質量與運行效果,形成規范化的灰水技術系統和設備體系。

    3 發展趨勢

    農村灰水系統的科學研究、技術開發和工藝應用發展趨勢可總結為4個方面:

    (1)在物質遷移轉化及調控方面,研究灰水系統中持久性有機污染物等新興污染物的遷移轉化規律,以保障回用安全,同時研究鹽分及氮、磷元素的遷移轉化規律以提升農業灌溉回用效益。

    (2)在微生物特征解析及風險控制方面,探明灰水系統是否具有致病微生物的傳播和富集風險,并開發相應的微生物風險控制技術。

    (3)在低溫處理可靠性提升及配套技術研發方面,研發能夠適應低溫的灰水處理技術及設備,并提出系統低溫運行解決方案。

    (4)在管道和溝渠收集系統決策方面,基于我國農村復雜多樣的地理環境和社會經濟現狀,通過全生命周期的效益評估實現灰水收集系統選型的科學決策。

    4 結 論

    (1)農村灰水收集系統分為管道系統和溝渠系統,處理系統以RBC、BAF、MBR等生物處理工藝、CW等生態處理工藝、物理過濾等物化處理工藝為主,回用系統的消毒方式以加氯消毒和紫外消毒應用較多。

    (2)灰水管道造價過高和處理設施冬季運行效果差是常見問題。技術上應因地制宜,優化灰水收集管道管徑,強化處理與回用技術集成并推進科學消毒;管理上應強化運維、量化考核并加強宣傳;制度上應保障資金、鼓勵回用并制定標準,統籌推進農村灰水的資源化利用。

    (3)應開展新興污染物、鹽分、致病微生物等在灰水系統中的遷移轉化規律和環境影響研究,研發能夠適應低溫環境的農村灰水處理技術和設備,并科學評估管道系統和溝渠系統的綜合效益。

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