强化多介质高效生物滤器处理农村生活污水的技术开发可行性

强化多介质高效生物滤器处理农村生活污水的技术开发可行性研究报告一、立项的背景和意义中国是一个以农村人口占主导的人口大国。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。随着农村城镇化进程，新兴企业的快速发展，以及城市重污染企业向农村的转移，农村的环境污染问题加剧，水体、土壤、大气等受到了不同程度的污染，严重威胁到广大农民的健康安全。自2008年起，中央财政加大了农村环境整治资金投入，到现在实施三年来，农村环境整体取得了较大改善。但是，农村环境问题形势依然严峻。我国一直以来长期重视城市建设，特别是在环境保护方面，农村一直被忽视。近年来，为推进城市化进程，提高农村居民生活的质量，农村供水工程已逐步实施，然而，农村排水工程却一直未能引起足够的重视。据统计，全国农村每年产生的生活污水有80多亿t。目前仅有19.4％的乡镇生活污水得到集中处理，建设部的《村庄人居环境现状与问题》调查报告也显示，96％的村庄没有排水渠道和污水处理系统。未经处理的生活污水常自流进入地势低洼的河流、湖泊和池塘等地表水体中或渗入地下水，严重超过了水体自净能力，污染了各类水源。同时，生活污水也是疾病传染扩散的源头，容易造成地区的传染病、地方病和人畜共患疾病的发生与流行。目前，全国农村的自来水普及率只有34％左右，还有3亿多农民存在饮水安全问题。如在浙江省丽水市对农民家庭用水水质的抽样检测结果中，63个水样的大肠杆菌、浑浊度等主要指标，其超标的占72％。在很多地区，水源地水质差的状况，与农村生活污水未经处理而直接排放有着直接的因果关系。农村生活污水主要来源于厨房炊事、沐浴、洗涤和厕所冲洗等。尽管农村人口众多、分布面广，产生的生活污水、垃圾等长期以来一直被用作肥料利用，而不直接进入环境。因此，历史上并未出现因生活污水产生的严重环境污染问题。但是随着农村经济的发展，农民生活水平的提高，各种城市厨卫设施在农村10 应用越来越广，人们不再利用为粪尿等，生活污水常常是当地水环境污染物的主要来源之一，污染物浓度明显增加，水量显著增大。农村生活污水呈现出来源多、面源广、分散、处理率低等特点。从区域特点来看，经济发展相当落后地区环保意识淡薄，生活废水随意排放，更是缺乏资金对生活生产废水进行集中整治；经济较为发达的东部沿海地区农村环保意识相对较强，但是碍于技术或者地理条件的限制造成废水收集难、处理率低。绍兴经济发达，人民生活水平位居全国前列，一直以来环境保护工作走在全国前列，特别是在农村生活污水治理上下大了功夫，农村环境连片整治期间要求村镇污水收集处理率达到60%以上。但是不少农村居民居住分散，地形地理条件复杂，大面积污水收集和集中处理在技术上和经济上很难实现。而小型化、就地化、分散式处理则投资低、实施快。处理难点主要有以下几点：(1)污水成分复杂，有可能杂有一定量的工业污水，水质水量波动性很大，难以正确评估生活污水的污染负荷及其昼夜、季节性变化；(2)从水处理工程角度来看，污水产生量少，处理规模小，造成工程建设费及运行费用过高；(3)污水处理工艺与技术的选择，受到当地社会、经济发展水平的制约和地方保护主义或其他人文因素的抵制；(4)当地自然与生态条件(气温、降水、风向和土壤等)对所选择的处理工艺与处理技术有负面影响，使其不能正常发挥效力；(5)维护管理技术人员及运行管理经验严重缺乏。(6)生活污水排放管道没有规划，基本上排水均为雨污合流制，化粪池的出水都是直接排入附近的明沟或者暗沟,给污水处理系统的正常工作带来一定困难。从以上分析可见，农村生活污水处理与城市污水处理无论在经济上还是在技术上，都有极大的差异。应目前国内及绍兴地区的情况来看，急需要一类处理效果好、运行费用低、管理方便的污水处理技术，这已成为我国目前治理农村生活污水的瓶颈问题。发达国家在处理农村生活污水方面进行积极探索，也取得了明显的成效。国外的污水处理技术同样需要完善，不加研究直接照搬和完全套用国外污水处理技术难以取得成功。10 我国在近年来也开展了大量的研究与实践工作，总体来看，取得了很大的进展，不少技术瓶颈得到突破，使我国近期农村生活污水处理率有了飞速地提高，为我国农村环境建设奠定了技术基础。尽管如此，农村生活污水处理技术，仍难以满足广大农村地区的需要。进一步开发节省投资、节约用地、方便施工、管理方便的新技术与新工艺仍是当前环境科学研究领域的重要问题。本项目拟在总结国内外农村生活污水处理的成功经验，分析其存在的主要问题的基础上，借鉴不同污水处理技术的优点，提出适合绍兴农村生活污水处理的新工艺、新技术、新方法。加强对农村生活污水的收集、处理与资源化技术推广、设施建设，对确保农村水源的安全和农民的身体健康、保护区域水环境质量具有重要意义，也是当前改善农村人居环境、建设社会主义新农村需要解决的迫切问题。二、国内外研究现状和发展趋势目前，国内外应用于农村生活污水的处理技术比较多，但根据处理污水的工艺原理，大致可归为2类：第1类是“城镇污水处理厂小型化（简约化）”工艺，主要处理流程类似于城镇污水处理厂，处理微生物载体多为活性污泥或生物膜，例如厌氧升流过滤、射流充氧好氧滤池技术；第2类是“自然处理系统”，与传统氧化塘或土壤过滤技术相似，利用土地过滤、植物吸收和微生物分解的原理处理污水，载体多为土壤或水体，例如土壤渗滤、生物滤池和人工湿地技术。另外，还有一些示范工程采用的是2种工艺混合的技术。从20世纪70年代开始，日、美、欧洲等发达国家就采用分散式污水处理方式对乡村的污水进行治理，取得很好的成效。目前，西方国家一些地区在农村生活污水处理技术的研究和应用方面，积累了许多经验，美国政府对简易且经济有效的分散型污水处理系统的应用进行积极的鼓励和引导，分散型污水处理系统在美国农村水污染控制方面发挥着很重要的作用；据统计美国在城郊地区已经安装了约2500万套分散型污水处理系统，约有1/4的人口和1/3的新建社区在使用分散型污水处理设施，由分散型污水处理系统处理的污水量达到1.7×107m3/d。根据美国治理农村污水的成功，得益于完整的分散型污水政策体系、多方位的运营体系和保障得力的资金支持体系，而这些经验对中国的农村污水治理具有一定的借鉴作用。欧洲许多国家也根据本国特点开发了不同形式的小型污水处理装置。德国从2003年起开始进行“分散市镇基础设施系统”10 项目研究，有关技术目前已基本成熟。在挪威，居民房屋分布比较分散，很多是建立在岩石上，无法采用土地渗滤进行污水处理，故发展了以SBR、移动床生物膜反应器、生物转盘、滴滤池技术为主，并结合化学絮凝除磷的集成式小型污水净化装置。澳大利亚也进行了不少有益的探索。该国联邦科学和工业研究组织（CommonwealthScientificandIndustrialResearchOrganization）提出了Filter处理工艺，这是一种“过滤、土地处理与暗管排水相结合的污水再利用系统”，其目的主要是利用污水进行作物灌溉，通过灌溉土地处理后，再用地下暗管将其汇集和排出。日本政府从1973年开始进行“农村集落排水工程”建设，主要是集中处理农村生活排水，包括农村居民和农村行政事业单位的生活排水。日本农村污水处理协会主要负责日本乡镇污水处理的技术发展工作，研究了一系列适合于农村城镇中应用的污水处理设备，设计了JARUS模式的15种不同型号污水处理装置，主要采用物理、化学与生物措施相结合的处理过程，取得了很好效果。这15种不同型号的处理装置可分为两大类：一类采用生物膜法，污水通过塑料制成的滤层，上面附有微生物，通过生物膜后可使污水中的生物耗氧量下降到20mg/L以下，悬浮固体物下降到50mg/L，总氮含量在20mg/L以下。近年来，新型的膜分离技术槽在日本已被开发出来并得到实际应用。另一类是采用浮游生物法，通过漂浮在污水中的微生物氧化作用，可使BOD下降到10~20mg/L，SS下降到l5~50mg/L，COD下降到15mg/L以下，TN下降到10~15mg/L以下，TP下降到1~3mg/L以下。我国生活污水分散式处理研究和应用始于20世纪80年代末，许多形式各异的无动力或微动力的低能耗型一体化污水处理装置得到应用，例如，厌氧沼气池、人工湿地处理技术、地下土壤毛管渗滤法、稳定塘等。先后在居民小区、宾馆、学校、医院等建设一批化粪池、无动力地埋式、微动力地埋式等小型污水处理装置，为缓解当时城市污水带来的环境污染起到一定的作用。目前，分散式污水处理已成为国内外生活污水处理的一种理念和方法。经过对国外农村生活污水处理技术的集成与推广，中国农村生活污水处理技术主要可分为3大类：生态处理技术、稳定塘处理技术、一体化成套设备处理技术。对大多数农村生活污水来说，主要10 污染物是有机物，其生化性较好，所以通常情况下生活污水的处理都是采用生物处理的方法。生活污水的处理方法从处理工艺上分有：厌氧生物处理和好氧生物处理。从处理方式上分有：集中处理和分散处理。从我国及绍兴目前常用的污水处理方法有以下几种：l生活污水净化池沼气生活污水净化沼气池采用厌氧发酵技术，在厌氧和兼性厌氧的条件下将生活污水中的有机物分解转化成CH4、CO2和水，达到净化处理生活污水的目的。其处理工艺：生活污水--格栅池--厌氧发酵--排放。生活污水沼气净化池的优点是：不消耗动力、运行稳定、管理简便、剩余污泥少，建在绿化或菜地下，不占地。但从目前使用情况来看，生活污水净化沼气池在技术上也存在一定的问题。主要是：污水停留时间长，出水中部分指标未达排放标准，对于减轻水体富营养化问题作用有限。l地埋式无动力净化处理装置地埋式无动力净化处理装置是在圆筒型兼性滤池的基础上发展而成的，其处理工艺流程为：生活污水--厌氧酸化--兼性过滤--生态沟(自然通风)--排放。该处工艺的最大特点是增加了生态沟，增加生态沟的目的是对厌氧发酵后的污水进行氧化处理，使出水水质进一步提高。但是由于是自然充氧效果不好，处理效果和普通化粪池效果差不多，而且投资大大高于化粪池，故使用较少。l氧化塘氧化塘是经人工改造的具有处理污、废水能力的自然池塘，是一种构造简单、维护管理方便，处理效果稳定，节省能源的净化系统。污水在塘内经过较长时间的停留、贮存，通过微生物的代谢活动，菌藻互相作用或菌藻、水生生物的综合作用使有机污染物和其他污染物质得到降解和去除。但其占地面积大、受温度影响大、易产生臭味及蚊蝇等问题。l人工湿地生活污水处理技术人工湿地是受天然湿地净化功能的启发而发明的一项技术。人工湿地是通过模拟和强化自然湿地功能，将污水有控制地投配到土壤(填料)经常处于饱和状态且生长有芦苇、香蒲等水生植物的土地上，污水沿一定方向流动的过程中，在耐水植物和土壤(填料)的物理、化学和生物的三重协同作用下，污水中有机物通过过滤、根系截留、吸附、吸收和植物光合、输氧作用，促进兼性微生物分解来实现对污水的高效净化。人工湿地处理生活污水具有效果好、投资省、运行费低等优点。但也存在着占地面积较大，冬天处理效果受一定影响的问题。10 目前分散式污水处理中采用较多的是“厌氧水解--人工湿地生活污水处理技术”，该技术在处理生活污水方面恰好能取长补短，将它们有机地结合起来处理效果非常好。l土地渗滤处理技术土地渗滤处理是将污水投配到天然土壤或种有植物的天然土壤表面，污水垂直人渗地下，因为土壤--植物--微生物系统包含了过滤、吸附和微生物降解等十分复杂的综合过程，使得污水得以净化的土地处理工艺。其运行成本低、操作运行简单，合适农村生活污水的处理。但该技术对土壤地质条件要求比较高，而且操作不当则易造成地下水污染。长期运行后，土壤有可能发生堵塞，土壤渗透性能下降，局部易形成短流，出水水质变差，系统明显出现不稳定现象。农村生活污水处理技术研究与运用正于起步阶段，目前仍存在着大量技术问题没有解决，而这些问题的存在对于新农村建设中的水环境改善是一大障碍。首先，在规划上，没有建立完善的农村环境在规划上的理论依据与体系，缺乏相应的操作模式。如：如何推进农村工业和畜牧业环境友好型规划、引导企业实行清洁生产，废弃物利用与废污水处理的规范化管理。农村生产企业如何改进工艺、提高用水效率及回用率，实现污水处理、达标排放。在监管方面，如何完善环保部门对农村污水排放的监管方法与制度。其次，在水处理技术方面，虽然已有不少研究成果，但尚未能开发出完全适用中国农村水环境治理的相关成熟技术。如：人工湿地、土地渗滤、生物滤池等，目前来看适应于中国农村生活污水的处理，但仍存在着投资过大、土地面积需要过大、效率低、故障率高等问题，在农村污水治理过程中，如何借鉴国内外分散式生活污水处理的成功经验，结合各种分散式污水处理的特点，研究高效率、低造价、适应当地经济水平、自然条件、环境目标的新工艺，是环保工作者面临的新课题。污水生活污水的被开发出来并得到实际应用，本项目计划在大量应用研究及工程实践的基础之上，研发出一套高效经济的农村生活污水处理技术—强化多介质高效生物反应器。通过合理选材、优化设计参数，进一步提高污水处理效率、降低投资及运行费用是今后的研究主要方向。三、研究开发内容和技术关键及主要创新点研究开发内容：1、充分分析总结现有各类农村生活污水处理工艺的优点，创制出强化10 脱氮除磷的多介质高效生物滤器，稳定提高脱氮效率；2、根据材料的易得性，筛选价廉、易得的工程材料；高效脱氮除磷菌种筛选3、研究不同介质配比、排列方式、菌剂接种与否等与污水处理效率的关系，确定反应器运行处理最佳方案；4、在以上研究成果的基础上，研制出污水处理成套（一体化）设备，建立分散型污水处理工程示范点。技术关键：本研究的技术关键是如何提高介质与生物之间的正互作效应，获得较高的稳定的脱氮除磷效率，研究探明介质材料种类与配比，提高系统抗外界因素干扰能力同时稳定系统运行的内环境。主要创新点：高效生物反应器的主要创新点在于处理水力负荷高、占地面积小，处理设施投资与运行费用低，无动力和药剂消耗，管理方便，能广泛应用于水量水质变化较大的农村生活污水处理。四、预期目标（主要技术经济指标、应用前景）1、主要技术经济指标：（1）在相同污染物去除效率条件下，比常用生活污水处理技术（人工湿地、土壤处理）节约用地60%以上；（2）出水指标达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中的一级A标准；（3）总投资费用在相同污水处理效率下比人工湿地下降30％。（4）建立日处理量5m3的示范工程一处。2、应用前景：创制出的强化多介质高效污水处理生物反应器适用于绍兴地区生活污水水质水量变化较大的广大农村，尤其是在存在明显地势高差的山区村落具有广阔的应用前景，技术成熟后能得到广泛的应用。3、在国内一级期刊上，发表1~2篇论文。五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解1、技术路线：10 本项目技术路线见下图。土地、生物、人工湿地等处理工艺优势分析强化多介质生物滤器微生物接入植物介入启动运行反应器反应器稳定出水水质介质生物、化学特性变化介质机械物理性质变化参数优化优化后的反应器参数成套设备示范工程介质搭配和配比2、研究方案：（1）10 结合国内外各类的废水处理的相关案例和经验，总结了各类废水处理技术中污染物去除机理、效果和工程应用管理技术特点，分析农村生活污水处理限制因素，为设计反应器提供理论依据。（2）以当地最易得、价廉为介质材料：土壤、泥炭、秸杆、砂石料等为基础材料，构建反应器填料系统。（3）研究不同材料、不同配比、不同排列方式等，在不同污水负荷条件下水处理效果，筛选出最佳组合。（4）利用植物根际效应，添加微生物菌剂，提高并保持反应器内的微生物活性，提高水处理效率。（5）根据以上研究结果，设计建立中试系统，开展示范工程的建设。3、组织方式与课题分解本研究由本单位负责并组织实施，××大学××学院负责技术指导。本项目分解为子项研究：（1）研究反应器内填料机械性能、排列方式、透水性等物理性能与水处理效果之间的关系，研究出相应的填料配方、结构等；（2）设计并建立污水处理示范工程。六、计划进度安排本项目拟在二年内完成，工作计划安排如下：2012年：u研究准备阶段。资料收集、材料收集、反应器设计、研究试验设计。u小型反应器制作与运行。重点是开展不同材料、不同配比、不同排列方式等，在不同污水负荷条件下水处理效果，改进配方与结构等。2013年：u阶段性总结，开展植物与微生物与反应器间的耦合作用。u示范工程设计及工程建设。u课题总结、验收。七、现有工作基础和条件本单位是从事农业生态环境研究的专业科研机构，有专业从事农业生态环境研究工作多年的中高级专业技术人员，具有丰富的专业知识和专业工作经验，能熟练地完成对污水中总氮、总磷、COD、BOD等理化指标10 检测分析、动态监控工作，并能对检测结果进行数据处理和判断，多年来的研究工作使他们拥有了完成本项目研究的基础和条件。本单位拥有完成项目检测工作所需要的检测设备，拥有Agilen7890A/5975C气质联用仪、Agilent7890A气相色谱仪、Agilent6890N气相色谱仪、Waters2695高效液相色谱仪、SolaarM6原子吸收分光光谱仪、AFS-930原子荧光光谱仪、UV-2550双光紫外/可见分光光度计、MARs-5微波消解仪、ThermoMK3酶标仪等国际先进的大型检验分析测试仪器各1台。仪器设备配备基本符合农产品质量检验需要；检测人员都是多年从事检测工作、并拥有丰富工作经验的专业技术人员。八、经费预算本项研究总投入为20万元，其中向科技局申请无偿拨款20万元用于科研。经费开支科目预算经费总额(万元)其中财政补助经费（万元）1.设备费2.材料费10.4010.403.测试化验加工费1.001.004.燃料动力费5.差旅费1.001.006.会议费1.001.007.合作、协作研究与交流费1.001.008.出版/文献/信息传播/知识产权事务费1.001.009.人员劳务费1.001.0010.专家咨询费1.001.0011.管理费1.601.60其他1.001.00合计20.0020.0010