随着城镇化的推进和经济的发展，人们对生活质量的要求逐步上升，对当地的基础公共设施配置的要求也逐渐提高。我国大多数地区的市政基础设施建设水平均处于一般水平，且空间差异较大，非城镇地区明显滞后于城镇地区，尤其是污水处理设施〔1〕。城镇的快速发展带动了郊区和农村地区逐步开发，但与发展情况不对等的污水处理设施配置水平造成了严重的水污染问题〔2〕。城区边缘的无市政管网小区、别墅和饭店产生的污水由于远离当地市政污水处理厂而不能进行有效处理，生活污水大部分进行了散排，排入了就近的沟渠或者河流，加剧了河流和农田土壤的污染。污水处理设施配置不足不仅对当地人的居住环境造成了影响，也成为制约当地可持续发展的主要原因。研究适合城市郊区和农村的分散式污水处理技术成为了迫切需要解决的问题〔3〕。以新建的旅居小区为研究对象，该小区位置偏僻，没有被城市污水收集系统覆盖。结合小区污水的出水水质及各项综合要求，设计了适合该小区的污水处理装置，以期为无管网覆盖的城区、郊区以及广大村镇地区污水处理的工程设计提供参考。
1 工程概况
该旅居小区位于我国西南部，远离城镇中心，占地31 427.6 m2，总建筑面积58 044.31 m2，主要建筑为公寓和住宅，平面布局见图1。
图1
由于位置偏僻，小区附近没有污水收集管网覆盖，同时附近也没有市政污水处理厂，污水只能外运或者进行处理后排放。经调查，该地污水外运的价格是40元/m3，而污水处理厂处理污水的价格仅为1~2元/m3。相比污水外运，通过自建污水处理系统达标处理后排放或回用是比较经济的选择。
污水处理站的污水主要来自于居民的厨房和卫生间用水，水量和水质随居民的作息时间而变化，具有排放污水水质和水量变化系数高、生化性能好和毒性小的特点。此外，由于该小区为旅居小区，水量和水质受季节和节假日的影响也较大〔4〕。
2 水量与进出水水质
该小区属于旅居小区，污水主要来自居住人员生活用水，由住户生活污水和物管人员生活污水两部分组成。该小区预计入住户数为762户，共1 500人，根据《云南省地方标准 用水定额》（DB 53T168—2013）中城镇居民用水定额以100 L/（人·d）计算，则住户用水量为150 m3/d，产生的生活污水量为127.5 m3/d（产污系数为85%）。该小区预设物管人员30人，根据《云南省地方标准 用水定额》（DB 53T168—2013）中“商贸机构”办公写字楼用水定额为40 L/（人·d）计算，则用水量预计约为1.2 m3/d（产污系数为85%）。综合上述分析，污水处理站的日处理水量定为150 m3，以6.5 m3/h计。
该小区的污水主要来自于居民的厨房和卫生间，根据附近排放水质情况确定进水水质，见表1。
表1 设计进水水质
Table 1
| 参数 | COD/（mg·L-1） | BOD5/（mg·L-1） | SS/（mg·L-1） | NH4+-N /（mg·L-1） | TN/（mg·L-1） | TP/（mg·L-1） | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 进水水质 | 400 | 200 | 300~350 | ≤35 | ≤50 | ＜4 | 6～9 |
小区污水处理站的污水最终要排入小区西侧的白桥河，白桥河为大盈江支流，大盈江为伊洛瓦底江一级支流，水环境功能为工业用水，水质保护类别为Ⅲ类，水质执行《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准。此外白桥河附近村民经常在河中洗衣洗菜，为了减小污水对周边居民生活的影响，出水水质应达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）的标准，综合以上两项水质规范和《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002），确定出水水质标准为《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）城市绿化标准，标准中没有规定的COD、SS、TN（以N计）、TP（以P计）的排放浓度参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准，出水水质见表2。
表2 出水水质标准
Table 2
| 参数 | COD/（mg·L-1） | BOD5/（mg·L-1） | SS/（mg·L-1） | NH4+-N/（mg·L-1） | TN/（mg·L-1） | TP/（mg·L-1） | pH | 总大肠菌群/L-1 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 出水水质 | ≤50 | ≤10 | ≤10 | ≤5 | 15 | ≤0.5 | 6～9 | ≤3 |
3 设计方案
3.1 工程设计思路
污水处理站建于小区内部，工艺设计要综合考虑现场条件，包括建筑地基状况、周围居住环境、景观设计，还要考虑基建费用和运行成本，体现经济、合理、节能的原则。因此污水处理站的工程设计有以下要点：小区初期居民入住率低，同时受旅游周期的影响，居民的入住率波动大，污水水量波动大；工程工期要短，占地小；控制投资成本，并减少小区污水处理站的后期运行成本，包括药剂费用、动力电费和人工费用；工程设计要尽量避免运行产生的臭味和噪音对周围小区居民生活的影响。综合考虑以上因素，该小区的污水处理站采用一体化地埋式装置，可以满足工程工期短、占地小、后期运行对周围环境影响小的建设要求。
3.2 生化工艺
3.3 深度处理工艺
深度处理是进一步去除水中杂质的后续环节。由出水水质要求可知，出水总磷应小于0.5 mg/L，去除率达87.5%，污水需要增加化学除磷步骤；出水SS应小于10 mg/L，二级处理很难稳定达到该指标要求，深度处理需增加过滤单元；为使出水标准的总余氯指标和总大肠菌群指标达标，深度处理工艺需增加消毒程序。因此选择深度处理工艺为混凝沉淀+过滤+消毒，其中混凝沉淀投加聚丙烯酰胺（PAM）和聚合氯化铝（PAC）分别作为絮凝剂和混凝剂。
4 工艺流程
根据进水水质及二级生化处理工艺，本工程设计选用格栅+调节池作为预处理方式。本工程采用的工艺为：格栅+调节池+A2/O生物膜+混凝沉淀+过滤+消毒，工艺流程见图2。
图2
5 工程布置
根据小区的建筑布置和管网布置，污水处理站建于2#公寓南侧，总占地面积为200 m2。本工程构筑物包含格栅槽、调节池、生化池、深度处理池和设备间。其中调节池和格栅槽采用钢混结构单独修建。其余构筑物占地面积小、配置设备多样、结构复杂，采用一体化污水处理装置。
污水处理站按照2列设计，每列75 m3/d，在小区建设初期和旅游淡季时期，污水处理站只运行其中的一列。一体化污水处理装置配置4个箱体，采用碳钢箱体。4个箱体包含生化处理一体化装置2个，深度处理一体化装置1个和设备间1个。一体化设备的放置需先挖好基坑，然后做好垫层，放置好4个箱体后进行回填，设备上部覆盖土层作为绿化带。
6 主要构筑物与设计参数
根据工艺流程，确定了污水处理站的主要构筑物为格栅槽、调节池、2组生化处理一体化装置、深度处理一体化装置、一组设备间，结构及设计参数见表3。
表3 构筑物的各项参数
Table 3
| 构筑物 | 结构/数量 | 尺寸 | 设计参数 | 配套设备 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 格栅槽 | 钢混结构，1座 | 0.7 m×0.6 m×1.5 m | 设计流量为6.5 m3/h | 定制机械格栅1套（栅隙为20 mm，尺寸为700 mm×500 mm×1 500 mm）；液位控制系统1套；进水闸门（规格为500 mm×500 mm）1套 | |
| 调节池 | 钢混结构，1座 | 10.0 m×3.0 m×3.0 m×2组，有效高度为2.5 m | 设计流量为150 m3/d | 引水罐3套、液位控制系统2套、流量计1套、潜水搅拌机1台和提升泵2台（1用1备），提升泵参数为Q=6.5 m3/h，H=10 m，N=0.37 kW | |
| 生化处理一体化装置（2套） | 厌氧池 | 埋地式钢制结构 | 1.5 m×3.0 m×3.0 m，有效深度为2 m | 设计流量为3.25 m3/h，水力停留时间为3 h | 潜水搅拌机1台（N=0.55 kW） |
| 缺氧池 | 埋地式钢制结构 | 1.5 m×3.0 m×3.0 m，有效水深为2 m | 流量设计为3.25 m3/h，水力停留时间为3 h | 组合填料1套，填料支架1套，曝气搅拌系统1套，组合填料由塑料环和维纶丝组成 | |
| 接触氧化池 | 埋地式钢制结构 | 3.0 m×3.0 m×3.0 m | 流量设计为3.25 m3/h，停留时间为6 h，污泥负荷为0.133 kg/（kg·d），以BOD5计，MLSS为5 g/L | 组合填料（22.5 m3）、填料支架1套、曝气系统1套、微孔曝气器1批、回流泵1台（Q=8.125 m3/h，H=10 m，N=0.5 kW） | |
| 沉淀池 | 埋地钢制结构 | 2.0 m×3.0 m×3.0 m | 最大污水流量为6.6 m3/h，表面负荷为1.1 m3/（m2·h） | 布水系统1套、集水系统1套和污泥回流泵2台（1用1备），回流泵1台（Q=3.25 m3/h，H=10 m，N=0.15 kW） | |
| 深度处理一体化装置（1套） | 混凝沉淀池 | 埋地钢制结构 | 6.0 m×3.0 m×3.0 m， 其中混合絮凝池2.0 m×1.0 m×3.0 m，沉淀池为2.0 m×3.0 m×3.0 m | 污泥回流量为10 m3/h，混合池停留时间为1.5 min，絮凝时间为10 min，污泥回流比设为2% | 混合搅拌机1台（D=500 mm，三片式单层桨叶，N=0.75 kW），絮凝搅拌机2台（D=800 mm，框桨式单层桨叶；N=0.55 kW），污泥排放、回流泵2台（1用1备，Q=10 m3/h，H=20 m，N=0.85 kW），斜管1套（内切圆直径d=80 mm，长度1.0 m，倾角60º，斜管面积6 m2） |
| 中间水池 | 埋地钢制结构 | 3.0 m×1.5 m×3.0 m | 中间加压泵，数量为2台（1用1备），参数为Q=6.5 m3/h，H=25 m，N=1.1 kW | ||
| 多介质过滤器 | 钢制并有配套管道阀门及自动控制 | 内径尺寸为D1 000 mm×3 200 mm | 设计规模为6.5 m3/h | 安装设备有电动阀DN 100和紫外线消毒装置。过滤器有3种运行状态：正常过滤、反向清洗和化学清洗 | |
| 紫外杀菌器 | N=0.22 kW | ||||
| 清水池 | 埋地钢制结构 | 1.5 m×3.0 m×3.0 m | 巴歇尔排放槽1套，多介质过滤器的反洗泵1台（Q=30 m3/h，H=25 m，N=11 kW） | ||
| 污泥池 | 埋地钢制结构 | 2.0 m×3.0 m×3.0 m | 污泥浓缩时间为8 h | 液位控制系统1套（浮球式） | |
| 污泥脱水系统 | 埋地钢制结构 | 溶解槽，钢制结构（玻璃钢防腐），尺寸为0.75 m×0.50 m×1.2 m，搅拌机功率为0.75 kW；加药泵，两台，型号为JL-M0.8/3.2，单机功率为0.12 kW；污泥调质罐，钢制结构（玻璃钢防腐），尺寸为1.2 m×1.2 m×1.2 m，搅拌机功率0.75 kW；螺杆泵，型号为NM053S，单机功率为1.1 kW；板框压滤机，型号为XAY15/600 | |||
| 设备间（1套） | 碳钢箱体 | 12 m×3 m×3 m | 内含加药、风机、配电系统、控制系统设备及辅助设备 | 鼓风机2台（1用1备），参数为Q=2 m3/min，P=60 kPa，N=5.5 kW），加药装置3套（1箱2泵），其中加药罐罐体为0.5 m3，化学清洗装置1套（配套水箱及水泵） | |
7 工程运行效果
7.1 出水水质
由于小区入住率较低，目前污水处理站只运行1列，平均水量为50 m3/d。在污水处理站的总出口和总入口设置采样点，采样时间段分别选择2020年7月、2020年10月、2021年1月、2021年4月，每月的采样频率均为每天1次。取样后监测出水和进水的各项指标，pH和总大肠菌群两项指标均能达到出水标准，其余指标（COD、SS、TN、TP、NH4+-N、BOD5）的进水与出水的污染物质量浓度见图3。
图3
由图3可知，各项指标均能达到出水水质标准，站点运行稳定。对比4个月份的出水水质，2021年的出水水质比2020年更稳定，说明站点经过一段时间运行，污水处理系统的抗冲击负荷能力逐渐增强，系统中的菌群也趋于稳定。2021年1月温度较低，出水中的COD、TN、NH4+-N浓度相比其他月份较高，但指标依旧能达到设计要求。
7.2 运行成本
污水处理站运行的成本包括动力电费、人工费用、药剂费用、污泥外运产生的费用、其他费用，费用分别为0.5、0.33、0.20、0.08、0.11元/t，合计为1.22元/t，运行成本和中型污水处理厂的成本相近〔11〕。
7.3 日常运维管护
由于该站点位于地下，日常运维管护的难点增大。相比地上污水处理厂，安全隐患比较隐蔽，站点增加了一套更严密的安全监测系统；对维护人员的技术要求提高，维护人员需熟悉掌握污水处理系统的配置设备和工艺运行细节；中控室的值班人员需提高对污水处理系统的视频监控和自动化系统的熟悉度和关注度；提高站点设备的日常维护频率以降低设备的维修与更换频率。
7.4 工程特点分析
（1）选取抗冲击负荷能力强、出水水质高的处理工艺。污水处理站主体工艺采用A2/O生物膜工艺，此工艺是在A2/O工艺的缺氧池和好氧池装填了组合填料，增加了反应池中的生物量和菌群种类。相比传统A2/O工艺，该工艺的抗冲击负荷能力和出水水质都得到明显提高，可以适应小区水质水量变化大的进水情况。
（2）空间布置为后期水量扩容预备处理空间。调节池、厌氧池、缺氧池、好氧池和沉淀池按照2列设计，在排水量小的期间可以仅运行1列，体现出节能环保的设计理念。此外2列生化池并列放置运行，为日后污水处理系统扩建提供了基础，如后期污水排放量增大，可以增加平行生化池实现扩建。
（3）污水处理站采用埋地式设计，埋地式设计将污水处理设备置于地下，可以避免运行产生的噪音对小区居民的影响，同时运行产生的臭味也可以控制在密封空间内，便于收集处理，体现了节地、绿色、环保的理念。此外，地下温度温差较地面小，温度较稳定，地埋式污水处理有利于各阶段工艺的稳定运行。
（4）一体化污水处理装置设计便于实现自动化控制，节约工期。工程采用一体化污水处理装置，将2个平行的生化处理装置、深度处理装置和设备间置于4个箱体中，便于实现自动化控制。同时工厂规模化生产的箱体放置仅需要挖好基坑后做垫层，然后进行回填即可，具有施工快、结构紧凑、占地面积小的优点，可以大大缩减工期，减小对周围居民环境的影响〔12〕。
（5）污水处理站的出水可进行资源回用。出水水质可达到《城市污水再生利用 城市杂用水水质》（GB/T 18920—2002）城市绿化标准，出水可直接用于小区绿化和路面冲洗，减少小区自来水的使用量。
8 展望
随着对郊区和农村污染控制的重视程度增强，研究适合当地发展的分散式生活污水处理的工程设计显得更加重要。研究投资少、运行稳定、管理简单和运行成本低的分散式生活污水处理工程才能为治理分散式污水排放引起的水资源污染问题提供坚实的技术基础。污水处理一体化装置是适用于小规模污水处理的模式，可应用于农村及郊区住宅小区。以某旅居无管网小区为研究对象，污水处理站采用以A2/O生物膜工艺为生化处理工艺的一体化地埋式污水处理装置，运行效果良好，可为分散式生活污水处理的工程设计提供思路。但是本工程设计依旧存在处理成本高、自动化管理程度低的问题，研究自动化控制更精密、管理维护更简便、出水质量稳定达标和运行成本更低的污水处理一体化装置依旧是小规模污水处理的重点研究方向。
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