厌氧–土壤净化床工艺处理农村生活污水的工程应用及运行成本分析研究

The Engineering Application and Operation Cost Analysis of the Anaerobic Tank-Soil Bed System on Treating the Rural Domestic Sewage in Chaohu Lake Basin Area

摘要: 以肥东县牌坊乡中心社区应用土壤净化床技术处理生活污水为案例，研究其对农村生活污水处理应用效果及成本分析。结果表明：1) 土壤净化床处理厌氧后污水，能有效去除污水中COD、TN、NH₄⁺ -N、TP。第三方监测结果表明，厌氧–土壤净化床工艺出水能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准 GB18918-2002》一级B标准；2) 厌氧–土壤净化床运行成本为0.03元∙t⁻¹；3) 处理规模100 m³∙d⁻¹的土壤净化床占地面积600 m²，土壤净化床农作年收益约0.32万元，农作收益能保障污水处理系统的运行费用。

Abstract: The paper was proposed to study the application effect and cost analysis of rural domestic sewage treated by soil bed system, which is applied at the central community of Paifang Township, Feidong County, Anhui Province. The results showed that: 1) The anaerobic tank-soil bed system can effectively remove COD, TN, NH₄⁺ -N and TP in sewage. The results of the third party inspection institution indicated that the effluent can meet the level B standard of Standard for Pollutant Dis-charge in Urban Wastewater Treatment Plant GB18918-2002; 2) The operation cost of anaerobic tank-soil bed system is RBM 0.03 yuan∙T⁻¹; 3) The 100 m³∙d⁻¹ sewage treatment scale of soil bed system covers 600 m² land, and the income of soil bed system in farming is about RBM3200 yuan∙a⁻¹, which can support the operation cost of sewage treatment system.

1. 引言

农村生活污水处理系统需构建适宜的治理体系，设计简单，价格相对便宜，注重污水资源化利用，能长期稳定运行 [1] [2] [3] ，土壤净化床为土地处理技术之一，将污水处理和农作生产过程相衔接，其原理为以土壤饱和区和不饱和区含水层作为物理化学和生物反应的媒介，通过作物吸收、土壤过滤、微生物降解等作用，降低污水中COD、N、P和SS等有机和无机物浓度 [4] ，农作过程即为污水处理系统的维护过程，作物生产收益补偿污水处理系统的运行费用，切实保障农村生活污水处理系统运行费用和管理问题。

以肥东县牌坊乡应用土壤净化床技术处理生活污水为案例，研究其对农村生活污水的处理应用效果及经济效益分析，以期为土壤净化床技术在农村的推广应用提供技术支持。

2. 材料与方法

2.1. 工程概况

该工程位于肥东县牌坊乡中心社区千柳公园西，涉及人口约1500人，该社区通过地下管网收集居民生活污水，污水经过三级厌氧池预处理后进入土壤净化床进行处理。污水处理工程按污水产生量70 L∙d⁻¹∙人⁻¹，根据《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)，污水收集系数取0.8。肥东县累年平均降水量879.9 mm，有三个特点，一是年际变幅大，最多的1973年为1179.6毫米，最少的1978年为562毫米；二是区域分布不均，由南而北逐渐减少，南北年雨量相差50至100毫米；三是四季分配有差异，春季降水200多毫米，夏季降水300多毫米，秋季降水200毫米左右，冬季近100毫米，平均年降雨日115天。因此设计中考虑降雨及其他不可预见因素产生的污水量为25 m³，污水处理能力为1200 × 70 × 0.8 + 25 = 92.7 m³∙d⁻¹，污水处理能力按5年的发展期设计，污水处理设计量为100 m³∙d⁻¹。出水水质要求达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准，设计进出水水质(mg∙L⁻¹)见表1。

三级厌氧池设计容积负荷0.25 kg (COD)∙m⁻³∙d⁻¹，HRT为5 d。土壤净化床采用聚乙烯膜和土工布防渗，底层填料为20 cm厚碎石、中层为20 cm厚粗沙透气填料、上层为40 cm厚的原位土，为防止土壤对布水系统和集水系统的堵塞影响，土壤层与填料层间用过水不过土的反滤土工布隔离，土壤净化床总占地面积600 m²，设计水力负荷为0.125 m³∙m⁻²∙d⁻¹。

2.2. 测试方法

TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定(GB11894-89)；TP采用钼酸铵分光光度法测定(GB11893-89)；COD采用重铬酸钾氧化法测定(GB11914-89)； $N{H}_4^{+}$ -N采用纳氏试剂比色法测定。

3. 结果与讨论

3.1. 污染物去除效果

根据项目要求，该系统稳定运行后，由具认证资质的第三方监测机构于2016年5月至2016年10月对土壤净化床系统进行连续6个月的监测，其监测结果为处理效果的评估。污染物去除效果见图1，处理系统及出水效果照片见图2。

由图1可知，进水COD在270 mg∙L⁻¹左右，为设计进水水质范围内，出水COD低于60 mg∙L⁻¹，COD去除率为80%以上。COD的去除主要依靠厌氧池内微生物发生厌氧反应、填料基质的吸附作用以及土壤微生物的生物降解作用。在水量充足的时期，进水井口及布水管内水流在水压及重力的作用下加速流动，会给周围的土壤微生物提供适合活动的好氧区域，水流流速会随着进水量的加大而加快，增加了好氧区域的氧含量，布水管周围土壤孔隙中的土壤微生物的活跃程度也会增加，增强对有机质的消耗。

进水TN含量在40 mg∙L⁻¹左右，出水TN含量低于20 mg∙L⁻¹，TN的去除率在70%以上。进水氨氮约为28 mg∙L⁻¹，出水氨氮低于8 mg/L，氨氮去除率基本在70%以上。污水在厌氧系统中，有机氮被转化为以铵态氮为主的无机氮，污水进入布水管后，在上层好氧区发生硝化反应，在下渗入集水管的过程中发生反硝化反应，最终N以N₂的形态被分离出去，未被及时硝化的氨氮同时也会被地表作物的根系吸收利用。

进水TP含量在2.5 mg∙L⁻¹左右，出水TP低于1 mg∙L⁻¹，去除率基本在60%以上。TP的去除主要依靠装置内填料的物理化学吸附作用和作物的吸收。土壤矿物质及填料中含有相当数量的Ca、Al、Fe等的氧化物，能为磷的吸附提供结合部位，从而加大土层对P的吸附容量，提高土层的再吸附速率及土壤渗透性能。同时，在装置表层土种植易生长的经济作物，利用植物对P的营养摄取吸收，通过收割植物去除一部分P。为提高磷的去除率，还可在土层中加入沸石等吸附P的填料，提高污水的下渗距离，使污水中的P能够充分被净化床吸附。

3.2. 效益分析

100 m³∙d⁻¹厌氧–土壤净化床组合工艺技术建设成本0.49万元∙t⁻¹，运行成本为每年1000元的清理厌氧池的人工养护费，再无其他运行费用，运行成本为0.03元∙t⁻¹。

表2为文献查询的城市污水和农村生活污水处理的建设和运行成本。与城市污水处理厂的运行成本比较，厌氧–土壤净化床组合工艺技术运行成本最少节省0.32元∙t⁻¹。

Table 1. Quality of influence and effluence/mg∙L−1

表1. 设计进出水水质/mg∙L⁻¹

Figure 1. COD、TN、 $N{H}_4^{+}$ -N and TP removal by soil bed system

图1. 土壤净化床污染物去除效果

Figure 2. The photos of soil bed system and the effluence

图2. 土壤净化床及处理后的出水照片

Table 2. Costs of construction and operation of urban sewage and rural sewage from the literature

表2. 文献查询的城市污水和农村生活污水处理的建设和运行成本

注：a，其建设成本计算方式为折旧年限处理所有污水的均值；b，n为样本数，227座污水处理厂均为2012年的经济成本。

与农村生活污水处理系统运行成本比较，厌氧–土壤净化床组合工艺技术建设成本比中型湿地和小城镇人工快滤平均建设成本略高，比其他工艺建设成本能低30%以上。厌氧–土壤净化床的运行成本为0.03元∙t⁻¹，比人工湿地、人工快滤池等其他工艺要低0.12~0.97元∙t⁻¹。

100 m³∙d⁻¹土壤净化床占地面积600 m²，每年种植普通的辣椒、黄瓜、苦瓜、油菜、白萝卜等蔬菜，1年种植2茬，以1茬青椒和1茬白萝卜轮作为例，青椒产量为7500 kg∙hm⁻²，600 m²土壤净化床产量为450 kg，批发价2.00元∙kg⁻¹，每茬收益0.09万元，白萝卜产量为37,500 kg∙hm⁻²，600 m²土壤净化床产量为2250 kg，批发价1.00元∙kg⁻¹，每茬收益0.23万元，年收益约0.32万元，足够支付清理厌氧池等的人工维护成本，土壤净化床的农作收益保障了污水处理系统稳定的运行费用。

通过土壤净化床对生活污水的处理，牌坊中心村脏乱差的村容村貌彻底得到了改变，以前的恶臭地表水体变得清澈，生态环境得到极大改善。

4. 结论

1) 土净化床集中处理厌氧预处理后的生活污水，能有效去除污水中COD、TN、 $N{H}_4^{+}$ -N、TP。第三方监测结果表明，厌氧–土壤净化床工艺出水能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》一级B标准。2) 厌氧–土壤净化床的运行成本为0.03元∙t⁻¹，比人工湿地、人工快滤池等其他农村污水处理工艺要低0.12~0.97元∙t⁻¹，比城市污水处理厂的运行成本要低0.32元∙t⁻¹。3) 处理规摸100 m³∙d⁻¹土壤净化床占地面积600 m²，土壤净化床农作年收益约0.32万元，足够支付清理厌氧池的人工维护成本，农作收益能保障污水处理系统稳定地运行。

基金项目

南淝河流域农村有机废弃物及农田养分流失污染控制技术研究与示范(2013ZX07103-06)。