塔式蚯蚓生態(tài)濾池處理集中型農(nóng)村生活污水工程設(shè)計(jì)第25卷第4期2009年2月中國給水排水CHINAWATERWASTEWATERVO125NO4FEB2O9塔式蚯蚓生態(tài)濾池處理集中型農(nóng)村生活污水工程設(shè)計(jì)李軍狀,羅興章,鄭正,李培培,孟卓南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院污染控制與資源化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210093摘要采用塔式蚯蚓生態(tài)濾池處理系統(tǒng)對集中型農(nóng)村生活污水進(jìn)行處理,并在江蘇宜興建設(shè)了16個(gè)示范工程2007年的運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,該系統(tǒng)基建及運(yùn)行費(fèi)用低,處理效果好,對COD,氨氮,總氮和總磷的平均去除率分別為867,913,724,962處理規(guī)模為10M/D的濾池系統(tǒng)建設(shè)成本不含管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)為L6561元/M,總運(yùn)行成本為0671元/M關(guān)鍵詞農(nóng)村生活污水塔式蚯蚓生態(tài)濾池設(shè)計(jì)中圖分類號X7031文獻(xiàn)標(biāo)識碼C文章編號100046022009O4003504DESIGNOFTOWEREARTHWORMECOFILTERSYSTEMFORTREATMENTOFCENTRALIZEDRURALDOMESTICSEWAGELIJUNZHUANG,LUOXINGZHANG,ZHENGZHENG,LIPEIPEI,MENGZHUOSTATEKEYLABOFPOLLUTIONCONTROLANDRESOURCESREUSE,NANJINGUNIVERSITY,NANJING210093,CHINAABSTRACTTHETOWEREARTHWORMECOFIHERSYSTEMWASUSEDTOTREATCENTRALIZEDRURALDOMESTICSEWAGE,ANDSIXTEENDEMONSTRATIONPROJECTSWERECONSTRUCTEDINYIXING,JIANGSUPROVINCETHEOPERATINGDATAFROM2007SHOWTHATTHESYSTEMHASGOODTREATMENTEFFECT,LOWCONSTRUCTIONANDOPERATINGCOSTSTHEAVERAGEREMOVALRATESOFCOD,NH4一N,TNANDTPARE867,913,724AND962RESPECTIVELYTHECONSTRUCTIONCOSTOF10M/DSYSTEMNONINCLUDINGCONSTRUCTIONCOSTOFPIPENETWORKIS16561YUAN/M,ANDTHEOPERATINGCOSTIS0671YUAN/MKEYWORDSRURALDOMESTICSEWAGETOWEREARTHWORMECOFIHERDESIGN國家對太湖的大規(guī)模治理始于1991年,至2006年水污染治理已累計(jì)投入資金120多億元,重點(diǎn)區(qū)域的城鎮(zhèn)污水處理率有所提高,陸續(xù)實(shí)施了面源污染控制,小流域綜合治理,畜禽養(yǎng)殖污染治理,底泥疏浚,調(diào)水及生態(tài)恢復(fù)等工程措施但2007年5月底太湖無錫水域大面積暴發(fā)藍(lán)藻,證明太湖水質(zhì)惡化趨勢并沒有得到遏制,水體富營養(yǎng)化問題沒有得到根本控制目前太湖流域農(nóng)業(yè)人口達(dá)1915萬太湖流域農(nóng)村中進(jìn)入公共污水處理管網(wǎng)的污水量僅占總污水量的25農(nóng)村的一些主要利用自凈和環(huán)境容量的污水處理設(shè)施,都會因環(huán)境容量被耗盡而逐漸喪失處理能力在工業(yè)和城鎮(zhèn)污染得到基本控制后,量大而面廣的農(nóng)村生活污水成為加速太湖富營養(yǎng)化進(jìn)程的一個(gè)主要原因2002年2005年對無錫某鎮(zhèn)24KM河網(wǎng)面源污染控制示范區(qū)進(jìn)行的調(diào)查顯示農(nóng)村生活污水排放對太湖污染的貢獻(xiàn)率中氮占25,磷占34控制農(nóng)村生活污水無序排放成為當(dāng)前的迫切任務(wù)目前應(yīng)用人工強(qiáng)化生態(tài)系統(tǒng)處理污水成為研究熱點(diǎn),蚯蚓生態(tài)濾池就是基于蚯蚓具有吞食有機(jī)基金項(xiàng)目國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863項(xiàng)目2002AA60101221B教育部工程研究中心項(xiàng)目WTWER0716江蘇省科技廳項(xiàng)目BS200714835第25卷第4期中國給水排水物,提高土壤通氣透水性能和蚯蚓與微生物的協(xié)同作用等生態(tài)學(xué)功能而設(shè)計(jì)的一種污水生態(tài)處理系統(tǒng),由于其具有基建及運(yùn)行管理費(fèi)用低,氮磷去除能力強(qiáng),處理出水水質(zhì)好且可回用等特點(diǎn),而首先在城市生活污水處理,污泥穩(wěn)定和處置中得到應(yīng)用和初步研究對于污水收集相對困難,技術(shù)水平相對落后,生活污水亟需得到治理的農(nóng)村地區(qū)來說,這是一種極具推廣價(jià)值的污水處理技術(shù),因此江蘇宜興某鎮(zhèn)建造了16個(gè)科研性塔式蚯蚓生態(tài)濾池示范工程,處理集中型農(nóng)戶生活污水及能用明溝收集到的地表徑流,以削減入湖面源污染負(fù)荷1背景調(diào)查通過資料調(diào)研,問卷調(diào)查以及對農(nóng)戶定點(diǎn)連續(xù)監(jiān)測等方式,對太湖西岸某重點(diǎn)控制區(qū)域內(nèi)臨近太湖的7個(gè)行政村進(jìn)行了廣泛的社會,經(jīng)濟(jì),農(nóng)居分布及污水排放特征等調(diào)查研究結(jié)果顯示,農(nóng)村生活污水具有與城市污水不同的特點(diǎn)從水量上看,集中居住的新建居住區(qū)約占集中居住區(qū)的30農(nóng)戶用水量為166207L/D戶,平均約為180L/D戶,集中居住的陳舊居住區(qū)約占集中居住區(qū)的70農(nóng)戶平均用水量約為120I1D戶從排放方式看,有22的農(nóng)戶將生活污水直接排人村河,45的農(nóng)戶排入屋后及地表后滲入地下,排入溝渠的農(nóng)戶有25,還有少數(shù)農(nóng)戶排人化糞池,田地從水質(zhì)上看,舊居住區(qū)COD排放濃度可達(dá)7801349MG/L,新居住區(qū)COD排放濃度可達(dá)350450MG/L新居住區(qū)的總氮,總磷平均排放濃度分別為20,193MG/L,舊居住區(qū)分別為97,119MG/L,其差距的主要原因是舊居住區(qū)居民經(jīng)濟(jì)條件相對較差,用水時(shí)反復(fù)使用后排放,從而造成有機(jī)物濃度較高同時(shí)由于舊居住區(qū)農(nóng)戶基本沒有使用衛(wèi)生潔具,造成生活污水中糞便成分較少,TN,TP濃度偏低污水管網(wǎng)收集系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)見表1表1示范區(qū)農(nóng)村生活污水水質(zhì)TAB1RURALDOMESTICSEWAGEQUALITYINDEMONSTRATIONAREASS/BOD/C0D/TN/NN4一,指標(biāo)PHMGMGMGMGN/MGMGLL,LL1LI1L范圍7820O40O1453202204502437173213均值763572163853122232工藝設(shè)計(jì)在蚯蚓生態(tài)濾池工程設(shè)計(jì)中需考慮如下問題前處理技術(shù)農(nóng)村生活污水排放具有日變化系數(shù)較大,水質(zhì)波動明顯的特點(diǎn),需要設(shè)計(jì)組合工藝,以使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,高效提高系統(tǒng)的表面水力負(fù)荷小試中單級蚯蚓生態(tài)濾池的表面水力負(fù)荷較低,有利于污染物的去除,但這同時(shí)帶來系統(tǒng)占地面積較大的問題在中試中需通過采取合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高系統(tǒng)的表面水力負(fù)荷優(yōu)化配置工程水力負(fù)荷,因水力負(fù)荷過大或配置不當(dāng)會導(dǎo)致壅水自動控制小試時(shí)發(fā)現(xiàn),采用淹水與落干交替運(yùn)行的工作方式,不僅使蚯蚓的生態(tài)作用得以發(fā)揮而且形成了系統(tǒng)內(nèi)不斷變化的氧化一還原環(huán)境,而且對污染物特別是總氮及有機(jī)物有良好的凈化效果,因此在工程設(shè)計(jì)中,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定,可靠運(yùn)行的前提下,應(yīng)設(shè)計(jì)采用人工和自動控制相結(jié)合的運(yùn)行方案21工藝流程系統(tǒng)工藝流程見圖1農(nóng)田回灌出水圖1工藝流程FIG1FLOWCHLLRTOFTREATMENTPROCESS根據(jù)農(nóng)村污水的排放特征,系統(tǒng)在管網(wǎng)末端,配水槽前建設(shè)了一座水解酸化池,為有進(jìn),出口和檢查口的埋地池污水通過管網(wǎng)收集,流人酸化池內(nèi),在池內(nèi)實(shí)現(xiàn)固液分離與厭氧發(fā)酵經(jīng)過一定的停留時(shí)間后,酸化池內(nèi)的污泥和懸浮渣中的細(xì)菌對污水進(jìn)行了降解和穩(wěn)定,將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化成小分子揮發(fā)性脂肪酸,這易于蚯蚓取食,便于系統(tǒng)適應(yīng)有機(jī)污染沖擊負(fù)荷酸化池設(shè)有磚混結(jié)構(gòu)的擋板,以防止發(fā)生短流根據(jù)實(shí)際情況,出水可直接用于農(nóng)田,菜地回灌也可結(jié)合地表徑流治理,將尾水引人人工濕地進(jìn)行深度處理在工程示范區(qū)村落周圍有可利用的水塘及廢棄洼地,可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境特點(diǎn)設(shè)計(jì)水環(huán)境景觀22濾池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)塔式蚯蚓生態(tài)濾池的結(jié)構(gòu)如圖2所示采用模塊化結(jié)構(gòu),梯度塔層,多級單元串聯(lián)處理的方式,每一層塔為一個(gè)處理單元,可以是方形,矩形或圓形在實(shí)際操作中,可以根據(jù)實(shí)際地形采取不同的結(jié)構(gòu)36李軍狀,等塔式蚯蚓生態(tài)濾池處理集中型農(nóng)村生活污水工程設(shè)計(jì)第25卷第4期模式組合樓梯型或回轉(zhuǎn)型這種串聯(lián)疊層布置,增加了光照面積,有助于濾池填料表面植物生長,強(qiáng)化其根部對污水中污染物質(zhì)的吸附轉(zhuǎn)化及泌氧作用污水經(jīng)過每一單元的吸附,轉(zhuǎn)化后,流人下一單元進(jìn)行凈化,這種集約化布置更便于濾池管理,維護(hù)水管圖2塔式蚯蚓生態(tài)濾池結(jié)構(gòu)FIG2STRUCTUREOFTOWEREAWORMECOFIHER根據(jù)系統(tǒng)的工作原理并針對傳統(tǒng)蚯蚓生態(tài)濾池系統(tǒng)的主要缺陷,對塔式蚯蚓生態(tài)濾池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提出了一套新的設(shè)計(jì)方案,要點(diǎn)如下采用人工土來改善土壤的滲透性及蚯蚓和微生物的作用環(huán)境在散水層下面鋪墊多層不同粒徑的細(xì)砂,碎石,鵝卵石,其粒徑結(jié)構(gòu)從上往下依次加大,形成一種多層過渡結(jié)構(gòu),能夠?qū)⑽鬯械念w粒有機(jī)物分散于多個(gè)砂,土層內(nèi)及其界面上,同時(shí)確保水流通暢在散水層中增設(shè)布水管,形成表層,內(nèi)部雙層布水內(nèi)層布水是在散水層25CM深度處增設(shè)PVC管材的布水管,布水管周圍是用合成纖維織物包裹的青石子纖維織物外層即是特殊配制的土壤填料污水從布水管出來時(shí),首先經(jīng)過青石子上的生物膜凈化然后通過纖維織物和經(jīng)人工配制的特殊土壤滲濾層的毛管浸潤作用,緩慢擴(kuò)散進(jìn)入周圍土壤雙層布水可克服表層布水管布水過于集中,不均勻的問題,同時(shí)使污水中的有機(jī)污染物不完全被吸附截留在土壤填料表層,增加人工土填料內(nèi)部脫氮所需的電子供體,從而達(dá)到提高系統(tǒng)水力負(fù)荷,延長系統(tǒng)壽命的目的充分吸取小試經(jīng)驗(yàn),合理配置蚯蚓的不同種群,實(shí)現(xiàn)生態(tài)功能的最大化濾池上部既是散水層,同時(shí)也是蚯蚓床蚯蚓床中蚯蚓密度為812L填料蚓種分為表層種和深層種,表層種為大平2號蚯蚓,投放在37CM深度內(nèi)深層種為威廉環(huán)毛蚯蚓,投放在蚯蚓床L520CM深度處蚯蚓能加速構(gòu)建高效的污水一土地生態(tài)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)污染物的有效轉(zhuǎn)化23設(shè)計(jì)參數(shù)按照集中居住區(qū)居民排放水量約為200L/D戶來確定污水處理量工藝允許的進(jìn)水水質(zhì)為COD4600MG/L,BOD54500MG/L,TN40MG/L,NH4一N430MG/L,TP45MG/L,SS4400MG/L,可以滿足太湖流域集中型農(nóng)村生活污水的水質(zhì)波動要求工程設(shè)計(jì)采取以系統(tǒng)透過水量為限制的水力負(fù)荷設(shè)計(jì)法,同時(shí)參考以污染物去除能力為限制的污染物負(fù)荷設(shè)計(jì)法塔式蚯蚓生態(tài)濾池的單級設(shè)計(jì)表面水力負(fù)荷為1RLL/MD配水周期12D濕干投配比為13系統(tǒng)通過定時(shí)器來控制潛水泵電源開關(guān),可實(shí)現(xiàn)蚯蚓生態(tài)功能的最大化及填料中好氧一缺氧環(huán)境的交替3運(yùn)行效果16個(gè)科研性塔式蚯蚓生態(tài)濾池示范工程于2005年1O月陸續(xù)投入運(yùn)行經(jīng)過一年多的運(yùn)行,2007年3月一10月對其中某村塔式蚯蚓生態(tài)濾池進(jìn),出水進(jìn)行了監(jiān)測,結(jié)果見圖337口皿RRR缸RRRHNOT”QT”Q_N寸LNIN日期ACOD血皿窶0皿皿N寸皿M日期BNHN皿皿92919O8988簍87稍8685841OO9O80鏨稍7060第25卷第4期中國給水排水,呂乏血皿口皿暖日期CTN皿RRR20皿皿皿血皿NQN寸LNLN日期DTP10O908070鬟6050R”RRW寶01OO9590簍稍8580圖3污染物去除效果FIG3EFFECTOFPOLLUTANTREMOVAL由圖3可以看出,濾池系統(tǒng)對COD和NH4一N有較好的去除效果,平均去除率分別為867和913系統(tǒng)的疊層串聯(lián)結(jié)構(gòu)有利于TN的去除,平均TN去除率可達(dá)724由于人工土填料和砂石層填料均對TP有較好的去除效果,所以系統(tǒng)TP去除率比較穩(wěn)定,可達(dá)962系統(tǒng)出水COD50ME/L,TN5ME/L,NH4一N2ME/L,TPO2ME/L,達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB189182002的一級B標(biāo)準(zhǔn)4工程經(jīng)濟(jì)分析處理能力為10ILL/D的塔式蚯蚓生態(tài)濾池組合工藝工程投資不含管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用與人工濕地等強(qiáng)化處理工藝費(fèi)用見表2可見,塔式蚯蚓生態(tài)濾池組合工藝的總建設(shè)費(fèi)用為165616元,建設(shè)成本為16561元I/M表2工程總投資TAB2COSTOFPORJECT元水解濾池管材,制系統(tǒng),J頁目填料蚯蚓酸化池土建閥門艮資472724325L1401229411O0840I3200運(yùn)行費(fèi)用統(tǒng)計(jì)如下裝置折舊費(fèi)用為0227元/ITI,維護(hù)費(fèi)用為0219M,水電費(fèi)用為018M,填料及蚯蚓損耗費(fèi)用為0045G/M,則總運(yùn)行成本為0671元/M5結(jié)語采用塔式蚯蚓生態(tài)濾池處理農(nóng)村生活污水,表面水力負(fù)荷可達(dá)1M/MD,而傳統(tǒng)的土地處理系統(tǒng)的水力負(fù)荷僅為00502IN/MD該系統(tǒng)構(gòu)造簡單,如果能夠合理利用地形,只需一次動力提升,隨后依靠重力自流即可,故能耗低,而且整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中沒有藥劑消耗,通過控制柜來控制系統(tǒng)配水時(shí)間,運(yùn)行維護(hù)非常方便,可節(jié)省人力物力,適合村鎮(zhèn)污水處理造價(jià)低,運(yùn)行費(fèi)用少,低能耗或無能耗的要求示范工程的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明,在表面水力負(fù)荷較高,平均進(jìn)水濃度較低的條件下,塔式蚯蚓生態(tài)濾池對總氮,總磷的平均去除率達(dá)724,962,出水各項(xiàng)指標(biāo)可達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB189182002的一級B標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)1金相燦,葉春太湖重點(diǎn)污染控制區(qū)綜合