循環(huán)水沖洗生態(tài)廁系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

循環(huán)水沖洗生態(tài)廁系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

眾所周知，中國是世界上集水區(qū)的之一。人均水資源占世界人均水資源的1.4%。水資源缺乏嚴(yán)重影響了中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活。沖廁污水作為生活污水的主要組成部分已越來越受到人們的重視。傳統(tǒng)的水沖式廁所幾乎都是利用清潔水,每次用水6～10L,實(shí)際是用98%的水稀釋了2%的糞便,換句話說,就是2%的糞便污染了98%的水。沖廁污水如未經(jīng)妥善處理不僅惡臭難聞,而且招致蠅蟲大量滋生;糞便達(dá)不到無害化,極易導(dǎo)致腸道傳染病及寄生蟲病的傳播。因此,只有突破傳統(tǒng)沖水式廁所的局限性,開發(fā)循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所,實(shí)現(xiàn)沖廁污水的源頭治理和資源化,才能滿足人們生活水平日益提高和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。1全自動(dòng)化沖水技術(shù)生態(tài)廁所是指具有不對(duì)環(huán)境造成污染,并且能充分利用各種資源,強(qiáng)調(diào)污染物凈化和資源循環(huán)利用概念和功能的一類廁所。國內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了生物自凈、生物發(fā)酵、物理凈化和糞污打包等不同類型的生態(tài)廁所。本項(xiàng)目研究開發(fā)的循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所(如圖1所示)以復(fù)合生物水處理技術(shù)為核心,通過高效生物處理單元和消毒單元的聯(lián)合作用,使沖廁污水得以較徹底的凈化,極少量不可生物降解的固體轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥(唯一的無二次污染的排放物),大部分污染物經(jīng)過處理轉(zhuǎn)化為清潔水,水質(zhì)達(dá)到我國中水回用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求(GB/T18920),從根本上實(shí)現(xiàn)了沖廁污水源頭治理和資源化。循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所從污水原位收集、糞便粉碎、固液分離、生物降解、凈化消毒到再循環(huán)使用,在時(shí)間和空間上實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的、完整的系統(tǒng)化、資源化處理,突破了傳統(tǒng)沖水式廁所對(duì)清潔水的依賴,滿足了生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求。全自動(dòng)化的管理模式避免了手動(dòng)接觸,完全消除了交叉感染。循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所結(jié)構(gòu)緊湊,占地面間小,以單廁位為例,占地僅1.2m2,高效生物處理單元的有效容積僅為0.6m3。2環(huán)水處理與生態(tài)浴室污水處理方法的研究2.1工程因素的研究2.1.1沖其污水的水質(zhì)國外把糞便污水又稱為黑水(blackwater),與黑水相對(duì)的另一概念是灰水。國外的黑水定義有2種,一種定義為含有糞便物質(zhì)的生活污水;另一種定義為廁所污水,包括沖廁水和人類營養(yǎng)物溶液(anthropogenicnutrientsolutions,ANS)。糞便(nightsoil)指不含或含少量沖廁水的黑水。本項(xiàng)目所研究的污水是包括含有沖廁水的黑水。糞便是沖廁污水的主要污染物,其中包括人所攝取的植物纖維、梗結(jié)締組織、軟骨等經(jīng)消化后殘留在胃、腸中的殘?jiān)约按罅靠扇苄缘挠袡C(jī)物、氯化物、磷酸、硫酸、碳酸鹽、尿素和病原菌、寄生蟲卵等。經(jīng)過測(cè)定,典型沖廁污水的主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示(以沖水量6L為例)。由表1可以看出,沖廁污水是一種以天然大分子物質(zhì)為主體物質(zhì)的高有機(jī)污染物濃度、高氨氮濃度和高懸浮物濃度的有機(jī)廢水,其化學(xué)需氧量與生化需氧量呈顯著相關(guān)性,廢水可生化性好。2.1.2u—循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所設(shè)計(jì)水量以普通單廁位廁所為例,計(jì)算如下:Q=U×(V+v)式中:Q—單廁位廁所每天污水排放量,L;U—單廁位廁所每天使用次數(shù),通常為30～50次(均值40次);V—沖水量,以6L為例;v—排泄物體積,通常為0.2～0.4L/次,取平均值0.3L/次。計(jì)算可得,單廁位廁所每天污水排放量為252L。2.1.3傳統(tǒng)單其位材料利用采用生態(tài)廁所的場(chǎng)所通常為可利用面積有限、排水系統(tǒng)不完善、排水管道系統(tǒng)標(biāo)高比生態(tài)廁所出口高、嚴(yán)重缺水、需移動(dòng)補(bǔ)水裝置的地區(qū),以傳統(tǒng)單廁位廁所為例,可利用有效占地面積平均為1.2～1.6m2。綜上所述,針對(duì)沖廁污水有機(jī)污染負(fù)荷、氨態(tài)氮濃度和懸浮物濃度高等水質(zhì)特征以及可利用面積小等限制因素,本研究擬采用以高效厭氧生物水處理技術(shù)為主的處理工藝。2.2環(huán)水清潔生態(tài)浴室的過程的確定循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所工藝流程簡(jiǎn)圖見圖2。2.3試驗(yàn)材料和設(shè)備2.3.1試驗(yàn)水試驗(yàn)用水取至化糞池,根據(jù)試驗(yàn)控制要求計(jì)算適當(dāng)?shù)南♂尡?水質(zhì)指標(biāo)參見表1。2.3.2生物處理單元溫度試驗(yàn)設(shè)備采用聚丙烯板材焊接,主體生物處理裝置長1.2m,寬1m,高0.65m,總體積0.78m3,有效體積0.6m3,采用恒溫器使每個(gè)生物處理單元溫度維持在(25±2)℃,另外,包括高位水箱(200L)和固體烘干單元(50L)。2.3.3活化沖洗及預(yù)處理(1)厭氧反應(yīng)器以工業(yè)UASB反應(yīng)器的顆粒污泥作為接種污泥。接種前將污泥顆粒進(jìn)行活化淘洗處理后加入反應(yīng)器。(2)兼氧反應(yīng)器和好氧反應(yīng)器采用聚氯乙烯懸浮填料作為生物載體,以城市污水處理廠的二沉池回流污泥為接種污泥,接種前將活性污泥中大顆粒雜質(zhì)濾除后加入反應(yīng)器,然后控制溶解氧、溫度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)填料掛膜。2.3.4納氏試劑的制備pH:pHs-3C型pH計(jì)。DO:YSIMODEL58型溶解氧測(cè)定儀。SS:重量法。NH+4-N:納氏試劑分光光度法。COD:HACH890COD快速測(cè)定儀。溫度:普通水銀溫度計(jì)。3系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)情況循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所生物處理單元從啟動(dòng)、負(fù)荷提升至穩(wěn)定運(yùn)行試驗(yàn)共經(jīng)歷56d時(shí)間,系統(tǒng)出水符合設(shè)計(jì)要求,達(dá)到我國中水回用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。3.1生態(tài)材料的污水處理系統(tǒng)運(yùn)行情況根據(jù)沖廁污水的實(shí)際水質(zhì)水量特點(diǎn),依據(jù)生物處理單元啟動(dòng)策略確定稀釋比,在生物處理單元啟動(dòng)、負(fù)荷提升和穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)階段,通過不同稀釋比來控制進(jìn)水有機(jī)污染物負(fù)荷和氨氮負(fù)荷。厭氧反應(yīng)器采取回流方式提高液體表面上升流速,其范圍為1.5～3.5m/h;兼氧反應(yīng)器和好氧反應(yīng)器采用氣泵鼓風(fēng)曝氣,通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量的方法來控制反應(yīng)器溶解氧濃度;系統(tǒng)用恒溫器控制水溫。整個(gè)研究過程分為2個(gè)階段:第1階段,控制進(jìn)水COD濃度為1000～2500mg/L,NH+4-N濃度為50～200mg/L,程序提升進(jìn)水COD濃度和NH+4-N濃度,有效運(yùn)行時(shí)間共計(jì)30d,厭氧反應(yīng)器成功啟動(dòng),兼氧和好氧反應(yīng)器載體掛膜良好;第2階段逐漸增高進(jìn)水有機(jī)污染物負(fù)荷和氨氮負(fù)荷,直至COD濃度、NH+4-N濃度分別達(dá)到3000mg/L和250mg/L左右,有效運(yùn)行時(shí)間共計(jì)26d,生物處理單元整體運(yùn)行穩(wěn)定,出水COD濃度和氨氮濃度達(dá)到預(yù)期效果。試驗(yàn)結(jié)果見圖3,整個(gè)過程首先調(diào)整至較適宜的控制條件下(進(jìn)水pH值6.8～8.5,溫度為30℃左右等)考察反應(yīng)器的運(yùn)行情況。由圖3運(yùn)行結(jié)果可見,生態(tài)廁所處理模擬廢水COD容積負(fù)荷提升速度快,整體運(yùn)行穩(wěn)定,當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至20d時(shí),進(jìn)水COD為2679mg/L,COD去除率可達(dá)95%以上,COD容積負(fù)荷達(dá)到1.1kgCOD/m3·d;隨后繼續(xù)提高進(jìn)水COD濃度,在30d,進(jìn)水COD已經(jīng)超過3000mg/L,出水COD穩(wěn)定在15mg/L以下,此時(shí),容積負(fù)荷可達(dá)到1.3kgCOD/m3·d,系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。與COD容積負(fù)荷提升速度相比較,NH+4-N負(fù)荷提升較慢,當(dāng)反應(yīng)器運(yùn)行至20d時(shí),進(jìn)水氨氮濃度為139mg/L,氨氮去除率可達(dá)83%,氨氮容積負(fù)荷達(dá)到0.058kgNH+4-N/m3·d,但系統(tǒng)出水氨氮濃度仍然較高;隨后,繼續(xù)提高進(jìn)水氨氮濃度,當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束時(shí),出水氨氮穩(wěn)定在5mg/L以下,去除率和容積負(fù)荷分別達(dá)99%和0.11kgNH+4-N/m3·d。懸浮物也是沖廁污水的特征污染物之一,試驗(yàn)過程中我們也考察了生態(tài)廁所對(duì)懸浮物的去除能力。如圖3所示,隨著試驗(yàn)過程中沖廁污水配比的變化,進(jìn)水SS濃度在500～3000mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)。啟動(dòng)初期,由于兼氧和好氧單元生物膜穩(wěn)定性較差,大量絮狀生物膜被洗出,導(dǎo)致出水懸浮物濃度較高;隨著兼氧和好氧單元載體掛膜的完成以及生物膜活性的提高,出水懸浮物濃度逐漸下降,至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)穩(wěn)定在15mg/L以下,其中主要由一些受水力沖刷脫落的生物膜組成。溫度是影響微生物活性的重要環(huán)境因素。由于溫度突然變化是生態(tài)廁所在實(shí)際工程應(yīng)用中可能會(huì)遇到的問題,因此考察溫度突變對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)的影響,是評(píng)價(jià)該系統(tǒng)穩(wěn)定性的一種方式。當(dāng)生態(tài)廁所運(yùn)行正常后,將反應(yīng)器有機(jī)污染物容積負(fù)荷和氨氮容積負(fù)荷分別控制在1.2～1.4kgCOD/m3·d和0.1～0.11kgNH+4-N/m3·d。然后人為改變反應(yīng)器溫度,考察系統(tǒng)運(yùn)行情況,結(jié)果見圖4。由圖4可見,在連續(xù)運(yùn)行過程中,將反應(yīng)器的控制溫度由30℃下降到16℃,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著溫度的變化,COD和NH+4-N去除效率均出現(xiàn)明顯下降。由圖4可知,溫度下降對(duì)有機(jī)物去除效果影響相對(duì)較小,這說明溫度波動(dòng)對(duì)硝化菌和反硝化菌的正常生理代謝起到了較大的抑制作用,而厭氧顆粒污泥和活性污泥對(duì)溫度變化有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,因此在工程實(shí)踐應(yīng)用中必須將系統(tǒng)溫度維持在一定的范圍內(nèi)。4循環(huán)水沖洗生態(tài)衛(wèi)生間的優(yōu)點(diǎn)(1)循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所突破了傳統(tǒng)沖水式廁所對(duì)清潔水的依賴性,避免了沖廁污水造成的環(huán)境污染問題,完全實(shí)現(xiàn)了沖廁污水源頭資源化治理和應(yīng)用。(2)經(jīng)歷近2個(gè)月試驗(yàn)研究,循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所生物處理單元成功實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、負(fù)荷提升和穩(wěn)定運(yùn)行3個(gè)階段,系統(tǒng)出水符合設(shè)計(jì)要求,達(dá)到我國中水回用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。(3)耐沖擊負(fù)荷能力試驗(yàn)表明,溫度是影響循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所的重要環(huán)境因素,因此在工程實(shí)踐應(yīng)用中必須將系統(tǒng)溫度維持在一定的范圍內(nèi)。(4)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),在降低處理能耗、提高容積負(fù)荷和實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化穩(wěn)定運(yùn)行等方面,尚待進(jìn)一步的試驗(yàn)和研究分析。本項(xiàng)目研究開發(fā)的循環(huán)水沖洗生態(tài)廁所的突出優(yōu)點(diǎn)是:(1)突破了廁所對(duì)水的依賴性和其他類型的生態(tài)廁所異地?zé)o