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夏邦壽，胡啟春，宋立
（農業部沼氣科學研究所，成都610041）
摘要：通過調研，從四川、浙江和江蘇收集整理了一些具有代表性的生活污水凈化沼氣池設計圖例。該文就其中五個典型沼氣裝置的特點進行了技術分析，以期為這一技術的優化設計提供依據。中國這類沼氣池有共性的技術特點，即均采用二級厭氧消化加后處理措施（兼氧濾池）的處理模式，但是各自在單元設計上存在差異。近期設計與早期設計相比較，采用合流型進水方式較多，同時傾向于簡化處理單元。現有部分裝置設計中參數選用隨意性較大，填料使用有問題，這些都影響到裝置對生活污水處理的效果。
0引言
從上世紀80年代開始，作為中小城鎮住宅和公廁的配套設施，生活污水凈化沼氣池在借鑒農村沼氣池和傳統化糞池技術的基礎上首先在四川發展起來[1，2]。這種簡易的生活污水處理技術以其投資分散、不耗能源、運行費用低以及節約用地等優點逐漸發展成為中國南方生活污水分散處理的主要技術，已經得到廣泛應用，到2004年末[3]，中國的生活污水凈化沼氣池已經達到137013處，總池容574萬m3。
近年來生活污水厭氧消化分散處理技術在全球已經有較快的發展，印度等國將其稱為DEWATS技術[4，5]。
目前隨著農村經濟結構的調整和發展，中國鄉鎮建設發展很快，面對村鎮生活污水排放量不斷增加的趨勢，生活污水凈化沼氣池技術將有很好的發展應用前景。然而，應用中一些技術問題也比較突出，比如處理負荷低，出水不穩定、運行效果易受季節氣候影響，出水水質尚難達標，N、P去除效果差等[6-8]。如果不及時解決生活污水凈化沼氣池的技術瓶頸，提升其處理能力，這項技術的發展和推廣應用必然受到限制，后繼乏力。
2006年以來，筆者在四川、浙江和江蘇等地進行了較大規模的生活污水凈化沼氣池調研，走訪了20多個縣市的相關部門，實地考察了部分現場、收集了大量相關資料和設計圖紙，本文從全國收集到的近百份生活污術分析，以期為這一技術的優化提供依據。
1代表性設計圖例及其主要參數
1.1代表性設計圖例
1.1.1生活污水凈化沼氣池通用標準圖集（90SS-1）1991年四川省農村能源辦公室等四家單位聯合編制的《生活污水凈化沼氣池通用標準圖集（90SS-1）》，是中國最早的一套生活污水凈化沼氣池設計圖集，包括條型，矩型和圓型三個系列10種規格。其中8種池采用分流型進水工藝，2種規格較小的池為合流型進水工藝。圖1所示為條型A100型凈化沼氣池，總有效容積100m3，為隧道式分隔池，采用分流型工藝。前處理區包括沉淀區和厭氧消化區。厭氧消化區又分為厭氧I區和Ⅱ區兩個單元，厭氧Ⅱ區內設有軟填料。
1.1.2浙江省生活污水凈化沼氣池通用圖集
該圖集于2003年9月正式在浙江省范圍內實施，包括20、30、50、80和100m3等五種規格，同時適用于分流型和合流型工藝。按每人每天排放污水量150L進行設計，污水總水力停留時間為3d。圖2所示是有效容積50m3裝置示意圖[9]，為圓拱池與矩形池相聯接的串聯池，沉砂池底部有10%坡度，厭氧Ⅱ區預留有其他污水進水孔。厭氧Ⅱ區內裝有DTL－150軟填料。值得一提的是，在后處理區側墻上設有拔風管，能夠與出水區上部蓋板的小孔形成空氣對流。
1.1.3江蘇省《生活污水凈化沼氣池》圖集
該圖集與浙江池類似，于2004年編制完成。圖3所示為有效容積17m3裝置示意圖[10]。厭氧區為兩個圓柱形池，在厭氧Ⅱ區設有一折墻。后處理區為矩形兼氧生物濾池，分成四格，池中填料選用不同級配的石灰石碎石，粒徑為5～40mm，填料層厚度約500mm。結構上兩個厭氧池以及矩形兼氧生物濾池都獨立，通過PVC管連接，這樣有助于避免地基不均勻沉降。
1.1.4四川樂山徐家碥小學凈化沼氣池
圖4為圓拱形串聯池，是四川樂山地區的代表池型。厭氧Ⅰ區內設有同心圓回流墻和折流墻，污水直接流入同心圓小池內，在小池內折墻作用下呈“S”形流動，從小池另一端流入兩同心墻之間，循環流動一周后從管口流出，延長了污水的停留時間，避免了短流。厭氧Ⅱ區分布有呈三角形的折流墻，污水流入后經折流墻分開后又匯聚在出管流出，污水經過了“合—分—合”的過程，混合充分。同時，該池進料間設在沼氣池拱弧之上，側墻范圍之內，有效節約了占地面積。
1.1.5成都溫江區美麗華商住樓凈化沼氣池
圖5是隧道式分隔池，整個處理系統處于厭氧狀態，安置有軟填料的厭氧II區所占容積比例很大，后處理區僅為一設置有過濾板的出水間。厭氧I級區進料管成45°向下，出料管成45°向上設置，進料液可以沖擊底層沉淀污泥，污泥不易沉積，混合充分。同時出料間底部開有方孔，方便清理沉渣。
1.2處理單元分區和主要參數
在20世紀80年代早期研究中將生活污水凈化沼氣池稱為沼氣化糞池[1]，即從傳統化糞池演變而來。裝置由前處理區和后處理區兩個部分組成，其中前處理區由沉砂池、兩級厭氧消化池組成；后處理區由多級兼氧過濾池組成。這一基本結構延用至今。依進水方式不同，凈化沼氣池池型布置通常分為合流型和分流型兩種工藝流程。合流型是指糞便污水和其他生活污水通過同一進水管流入池內。分流型即糞便污水與其他生活污水分別排出，通過兩個獨立管道分別流入凈化沼氣池。
目前的生活污水凈化沼氣池主要由幾個處理單元組成，分別是：沉砂井、沉淀區、厭氧Ⅰ區、厭氧Ⅱ區、后處理區。沉淀池主要截除和沉淀難降解的有機生活垃圾、較大固體顆粒等；厭氧Ⅰ區主要是厭氧消化有機物；厭氧Ⅱ區內一般設有軟填料用作微生物載體，截除更多污泥，進一步降解有機物；后處理區一般設置有填料及濾料，發揮兼性過濾作用，有利于降低出水中SS濃度，凈化水質。筆者對所選五種代表池進行了分析總結，對處理單元比例進行了計算，其結果如表1所示。
2分析與討論
2.1進水方式和池型結構選擇
如果采用分流型工藝，因延長了糞便在池內的水力滯留時間，故處理效果優于合流型的處理效果。但是實際情況是，目前實施的大多數生活污水凈化沼氣池都采用合流型工藝，因為這樣投資較省。根據國家鼓勵村鎮污水處理采用源頭控制技術，采用黑水、灰水分離原則，分流型工藝將更符合發展要求。
生活污水凈化沼氣池池型結構主要包括隧道池和圓拱形串聯池兩類。圓拱形串聯池主要特點為力學結構性能好，整體上較牢固，易密封；隧道式解決了因有重車荷載又無條件設計圓拱形的較窄地形，同時對抗高地下水位浮力具有較好的力學性能。
圖1和圖5池采用的是矩形結構，水流在池內呈穩態推流流動，建造相對簡單。圖2、圖3和圖4池的厭氧消化單元為拱形池，力學結構較穩定，但是，容易出現短流、死角現象，不利于料液的循環流動。污水在池內流程越長，有機物與微生物接觸更充分，降解更徹底。圖4池在厭氧池內設有同心圓回流墻及折流墻，延長了污水的滯留時間，在一個池內實現了污水的循環流動，處理效果得到提高。
生活污水凈化沼氣池進出水口需要存在一定的標高差，才能彌補水頭損失，保證水能夠順利流出。在所選的五個沼氣池中，進出水口標高差相差較大，高的為35cm，低的只有10cm。標高差太小將不利于水排出，甚至可能出現倒流現象。
2.2處理單元分區和容積對污水凈化效果的影響
根據表1數據分析，四川池（圖1）的前后處理區池容的比例為7.5︰2.5；浙江池（圖2）的比例為2︰1；江蘇池（圖3）的比例為7︰3。樂山池（圖4）和溫江池（圖5）中前處理區容積比例很高，幾乎占90%，而后處理區越來越簡化，這代表了當地的應用現狀。圖5池強化了厭氧Ⅱ區作用（裝有軟填料），突出了軟填料截留污泥及微生物吸附作用，這更有利于可溶性有機物的降解，但在一定程度上弱化了后處理區，還可能不利于氮磷去除。
本文作者之一曾經試驗分析過生活污水凈化沼氣池各處理單元對于COD去除的貢獻，發現90%的COD去除是在沉淀區和厭氧區中完成，而占總體積48%的兼氧過濾區僅僅去除了10%COD[11]。
2.3后處理區兼性濾池如何通風
要充分發揮兼性濾池的作用，改善空氣流通條件尤為重要。圖2池的做法是在后處理單元區側墻上設有拔風管，與設在兼性生物濾池出水口蓋板處的小孔形成空氣對流，增強兼性濾池的作用，以保證后處理出水的處理效果。這種拔風管的設置與國標化糞池中通氣管的設置相似[12]。在實際應用中有一些有效的改進辦法：如在多級濾池的各級過水孔處，過水面設置滴水線，自然形成曝氣充氧過程，這在一定程度上能夠改善池中的充氧效果[13]。
2.4填料問題
生活污水凈化沼氣池中的填料應能截留更多的污泥，有效發揮生物膜降解有機物的作用。從圖1池到圖5池所使用的填料上看，近十幾年來沒有太大變化。軟填料多數采用維尼綸（聚乙烯醇縮甲醛）、絳綸（聚對苯二甲酸乙二醇）等材料，這些填料具有耐腐蝕、耐生物降解及價格低廉等優點，但是，使用一段時間后容易起球結團從而使得處理效率大為降低[14]。而效果較好的半軟性填料、YDT彈性波紋立體填料卻因價格高而在應用上受到限制。硬填料主要使用粹石、卵石、粗砂、焦碳及陶瓷，部分池還仍然在使用聚氨酯泡沫濾板。在實際應用中，聚氨酯泡沫濾板使用一段時間后會出現斷裂，影響處理效果。
目前中國正在研究和開發多孔球形懸浮填料等新型填料，這類合成填料具有比表面積較大、使用壽命長、安裝簡便、掛膜容易、性價比高等優點，在示范應用中效果突出，而且能夠大大減少剩余污泥量[15]。有研究表明，在凈化沼氣裝置的厭氧區內采用人造固定空心球狀填料，在水力滯留時間2d條件下，出水達到國家生活污水排放一級標準[16]。
2.5出水排放達標問題
浙江和江蘇生活污水凈化沼氣池提出的出水排放標準為處理后的出水達到國家《糞便無害化衛生標準》（GB7959－1997）和《污水綜合排放標準》（GB8978－1996）二級（含）以上，即在主要指標中，COD值需低于120mg/L，糞大腸菌值需大于10-4。四川省制定了地方標準《城鎮凈化沼氣池生活污水排放衛生標準》（DB51/136-1992），COD值低于或等于200mg/L即達一級標準。
推廣應用中，對于生活污水凈化沼氣池是否能夠按設計要求達標排放的問題，歷來有所爭議，各種調研和實驗報告結論也有差別[4-6，11]。這種生活污水處理裝置是否能夠達標排放影響因素很多，與設計、施工、管理和使用年限等因素都有關聯。
3結論
1）所選擇的五種生活污水凈化沼氣池具有這類污水處理裝置共性的技術特點，即均采用二級厭氧消化加后處理措施（兼氧濾池）的處理模式，但是各自在處理單元設計上存在差異。已建工程中近期設計與早期設計相比較，采用合流型進水方式較多同時傾向于簡化處理單元。與分流型進水方式相比較，合流型投資較省，但是可能影響整體污水處理效果。
2）目前的裝置和技術還存在一些問題。現有部分裝置設計中參數選用隨意性較大，工程設計的標準化程度還不高，迫切需要開展設計優化工作和針對性的實驗研究。
3）在厭氧II區和兼氧濾池都需要放置各種填料，以滯留活性微生物污泥，是關鍵的技術手段之一。現有填料使用問題較多，影響到裝置的污水處理效果，因此填料研發應該成為今后創新的重點。
目前全國生活污水凈化沼氣池的數量已達到相當規模，尤其是以四川、浙江和江蘇等南方省份發展較快。
經過二十多年的發展，該技術正在走向成熟，無論是理論還是實踐都積累了大量的經驗和成果，通過及時總結經驗，加強技術創新和標準化工作將進一步促進這項技術的推廣應用。
致謝：本文成稿過程中得到四川省、浙江省和江蘇省等相關農村能源辦公室的大力幫助，在此表示感謝。
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