格栅沉砂井取代传统化粪池的可行性探究

罗成明，王 彤

(三峡基地发展有限公司乌东德分公司，云南昆明 651500)

1 背景趋势

近年来，随着我国工业化、城镇化进程不断推进，社会经济得到飞速发展，但随之而来的污染也成为亟待解决的重要问题，污水处理已日渐成为经济发展和水资源保护不可或缺的组成部分。因此，大力发展污水处理技术和产业化水平，是防止水体污染、缓解水资源短缺的重要途径。今后一段时间，依据“十三五”规划纲要等文件，与生态环境质量密切相关的污水处理行业还将得到进一步的发展。目前，无论是大城市还是小城镇，新城还是旧城，南方还是北方，铺设城市下水道截污、集中兴建市政污水处理厂处理城市污水已成趋势[1]。环境保护部副部长赵英民2016年11月21日表示，过去5年，全国化学需氧量、氨氮排放总量累计下降了12.9%和13.0%，全国新增城镇污水日处理能力5 700万t，现在全国城镇污水处理能力达到了1.82亿t，已经成为全世界污水处理能力最大的国家之一。但与国外相比，污水处理率和达标率仍存在较大差距。这是因为我国人口基数巨大，区域不平衡不充分发展问题突出。另外，集中式污水处理厂改造升级不能一概地照搬照抄国外经验，而应结合国情稳步发展。

2 化粪池现状

2.1 化粪池现状及问题

建设化粪池是城市排污系统不完善情况下的一种必要选择，化粪池作为环境保护的基本措施之一。虽然在消除病原体、减少污染等方面曾发挥了重要作用，但是，目前化粪池运行管理薄弱，清理不及时，带来了一系列问题[2]。

(1)营区管理混乱，定期清掏形同虚设，有的甚至从不清掏，粪便溢漏不经任何处理就排入下水道。

(2)厌氧过程产生恶臭气体，造成周围空气质量恶化，影响周围居民舒适性。

(3)运输过程中产生二次污染。吸粪车保养不当，滴洒泄漏现象存在。司机素质不高，没有环保意识，若粪渣无出路，会发生清掏者随意倾倒，污染环境。

(4)粪便在消化处理过程中，产生有毒有害气体。在清理化粪池时有可能发生中毒、爆炸等安全事故。

(5)经化粪池发酵的污水出水呈酸性，会对钢制污水管道造成腐蚀。

2.2 化粪池对脱氮除磷的影响

化粪池对污水的简易处理主要是发挥截留、沉淀、厌氧分解等物理与生化作用。正常情况下，固体悬浮物去除率约60%～70%；BOD5去除率约20%～30%；对氮、磷的去除则微不足道。集中式污水处理厂采用二级或三级深度处理工艺；二级处理的污水处理厂对有机物(BOD5)的去除率高达90%以上；三级处理的污水处理厂对氮、磷的去除亦可高达95%以上。相较而言，化粪池净化污水的作用则显得微不足道。在兴建集中式城市污水处理厂的情况下再设置化粪池对脱氮除磷反而起了副作用，造成污水处理厂脱氮除磷所需的碳源不足[3]。碳是微生物生长需求量最大的营养元素，在脱氮除磷系统中，碳源大致上消耗于释磷、反硝化和异养菌正常代谢等方面，其中，释磷和反硝化的反应速率与进水碳源中的易降解部分，尤其是挥发性有机脂肪酸(VFA)的数量关系很大[4]。

3 格栅沉砂池替代化粪池

3.1 化粪池的使用情况

化粪池的使用情况主要分两种：a.该服务区未建立集中式污水处理厂；b.该服务区集中式污水处理厂正在兴建但周边小区已形成，化粪池作为过渡阶段。

对于有集中式污水处理厂的，取消化粪池是大势所趋，但为了保护集中式污水处理厂的设备、管道不受固体杂物影响，应该在收集口设置格栅沉砂井。四川的排水主管部门要求即便在市政污水处理厂的服务范围内，小区污水也不能直接排入市政污水管网，需用格栅沉砂池代替化粪池，在污水接入市政管网之前起到清除大的杂物、防止堵塞的预处理作用，而污水的可生化性并不受到影响。以乌东德实际运行为例，污水排放主要包括宿舍生活污水排放：淋浴排水、卫生间排水、洗脸/洗衣盆排水；食堂排水：洗碗池排水、洗菜池排水、地面冲洗排水等；化验室排水：废酸、废碱排水。在考虑设置格栅沉砂井的前端时，应结合实际，设置油水分离器、酸碱中和池，流程如图1所示。

图1 污水收集流程示意图Fig.1 Schematic Diagram of Sewage Collection Process

为避免食堂含油脂、动物碎骨、植物根茎等杂质的生活废水直接进入收集管网，需对食堂废水进行隔油除渣预处理。目前，乌东德水电站食堂分散，水量较小时常采用隔油池。隔油池是对食堂产生的餐饮废水进行预处理的设施，主要作用是分离污水中的油脂[5]。为避免化验室的酸性、碱性或其他腐蚀性废液直接排放对环境造成污染，实验室后设置酸碱中和池，洗涤后，废水经酸碱中和池后排放。

隔油池和酸碱中和池均有成熟的经验，并在不断的优化。目前，未出台格栅沉砂井布置要求，尺寸也存在争议，给后续推进格栅尺寸选型造成了一定的难度，本文对其展开讨论。

3.2 案例数据对比

乌东德水电站枢纽建筑物规模宏大，根据施工总体布置，施工期退水为鱼类增殖放流站生产生活废水、施工营地生活污水，运行期及施工期污废水均经处理达到《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)一级标准后排入金沙江干流。结合现场实际需求，设置7个污水处理站，本文通过对比金坪子1#污水处理厂、新村污水处理厂2017年4月、2018年6月的进出水数据，分析格栅沉砂井代替化粪池的可行性。

表1 化验室检测数据Tab.1 Test Data of Laboratory

由表1化验室检测数据可知，营区内住宅小区均设有化粪池的新村污水厂碳源含量低于采用格栅沉砂井的金坪子1#厂，金坪子1#厂的COD、BOD5的去除率明显高于新村污水厂。根据污水运维班组反应的情况，春节期间该情况更加明显。

3.3 格栅沉砂井构造及布置

格栅沉砂井根据其功能分为两部分：沉砂部及格栅部，设置在居民小区污水出口处，并由池壁、进水管、出水管、沉砂部、格栅部组成。为实现沉砂与杂物拦挡功能，进水管、沉砂部、格栅部、出水管依次设置。进水管应采用高进，沉砂部有足够的沉砂空间，格栅板则应充分考虑介质属性及过渣尺寸设置。

格栅沉砂井尺寸应根据处理量、来水水质确定，常规施工项目外部尺寸可参照国标图集的化粪池尺寸。井底应充分夯实，密实度95%以上，铺设10 cm碎石或c15垫层，提高基础承载力。不同管材分别采用不同的连接处防水处理，水泥管应凿毛、1∶2膨胀砂浆等处理工艺进行防水。进水管道应略高于出水管道1倍管径以上，避免污水回流。当地形坡度不允许时，根据现场情况进行调整。图2中沉砂格栅井共用一室，但分区明显。污水在迁移、流动和汇集过程中不可避免地混入泥砂。

污水中的砂如果不预先沉降分离去除，则会影响后续处理设备的运行。最主要的是磨损机泵、堵塞管网，干扰甚至破坏生化处理工艺过程。沉砂池主要用于去除污水中粒径大于0.2 mm、密度大于2.65 t/m3的砂粒，以保护管道、阀门等设施免受磨损和阻塞。其工作原理是以重力分离为基础，故在统一设计沉砂池尺寸时，应适当考虑过流速度，使比重大的无机颗粒下沉，而有机悬浮颗粒能够随水流去除。图2右半部分为沉砂部分，主要是去除水中砂砾、固体废弃物、可自然沉降的固体有机物。

格栅室处理的对象则主要是可能堵塞水泵叶轮和管道阀门及增加后续处理单元负荷的杂物，格栅是污水泵站中最主要的辅助设备。本次格栅沉砂池中的格栅板由一组平行的栅条组成，斜置于井室出口，倾斜角度建议采用60°～80°。 其中，污水的腐蚀性是影响格栅寿命的主要原因，腐蚀是由氢的去极化反应和硫化物引起的。在格栅材料选型中应选择耐腐蚀、抗压强度高、质量小的材质。目前，用于污水格栅的轻便复合材料制造工艺标准不一、质量参差不齐，建议使用耐腐蚀、强度高的不锈钢片。格栅应可拆卸，在修建格栅沉砂井时可制作滑轨，便于拆卸清洗。

图2 格栅沉砂井图示Fig.2 Schematic Diagram with Grille and Grit Chamber

3.4 管道堵塞原因分析及格栅沉砂井的运行管理

管道堵塞可分为慢性阻塞和异物阻塞。慢性阻塞：管道内流体物质经年累月因管道自身和别的物质发生化学反应吗，渐渐地附着在管道壁上，使管道通量逐步变小，最后导致管路阻塞；异物阻塞：杂物掉入污水排放口、检查井等敞口，导致污水管网堵塞。在生活污水管网施工时，有的施工队不够资质、不按操作规程施工；管道枕基不实而塌陷、坡度不均甚至反坡、管道材质低劣；掉在检查井和管道里的杂物未清理；渣土木棍、钢筋、工具等，如房顶施工掉进管口的木棍，卡在地下横管弯处，就会给排水造成终身隐患，而施工人员并未向领导汇报等多种施工管理不善也会造成污水管网堵塞。管道阻塞的缘由还有许多，且往往是多种要素相互作用的结果，因而其修理办法不尽相同。

本文探究的格栅沉沙井运行管理模式为无人值守，其可以完全取代传统化粪池的沉砂功能。设置在居民小区污水出口处的粗格栅可以有效去除污水中粒径大于0.2 mm且密度大于2.65 t/m3的砂粒和水中砂砾、固体废弃物、可自然沉降的固体有机物。与传统化粪池相比，由于格栅沉砂井无需承担厌氧分解等物理与生化作用，大大降低了清理工作量。运行管理的主要工作内容是及时清除沉砂和固体废弃物，其清理量远小于传统化粪池。传统化粪池清理周期一般在化粪池设计时确定，通常设计为分3个月、半年、1年这3种不同的清理周期。在格栅沉砂井的设计过程中，同容积情况下可以结合实际较传统化粪池适当增加清理周期，减少清掏频次。清掏出来的沉砂及杂物宜打包处理，宜利用电动升降设备升井，然后密封，外运有资质的垃圾填埋场或无害化处理。

3.5 格栅沉砂井布置形式

集中式污水处理厂运行过程中，污泥提升泵、曝气孔、回流泵、中间水池提升泵、过滤器等过水设备受污水影响较大。乌东德水电站7座污水处理站历年检修原因表明，施工杂物、运行过程中的杂物是污水处理设备损坏的主要原因。水泵在运行过程中吸入杂物会导致叶片受损，过流面积变小，轴功率增加，振动变大，产生异响等，轻则叶片受损，重则电机烧毁。在后续污水处理站收集管网设置中，应合理设置格栅沉沙井、格栅机等布置形式，为后续设备提供良好的作业环境。在针对乌东德水电站新村污水处理站收集管网的布置中，18号楼收集口布置一个格栅沉沙井，其格栅孔径为100～200 mm，主要是为了拦挡大的杂物，如矿泉水瓶、塑料袋等大型生活垃圾。如图3所示，在相距3～5个井段后，再设置一个格栅沉沙井，其格栅孔径为50～100 mm，去除较小的固体垃圾，其功能主要是分担一级格栅沉砂池负荷、解决占地面积受限等问题。

图3 格栅沉砂井布置图示例Fig.3 Schematic Diagram of Layout Drawings with Grille and Grit Chamber

3.6 化粪池与格栅沉砂井经济性对比分析

由国标图集03s702可知，6#～13#化粪池内部结构分3格。第一格是粪便池，主要用作储粪和一级厌氧；第二格是粪便过滤池，主要用作过滤沉淀和二级厌氧；第三格是清水池，主要用作排污。格栅沉砂井格栅沉砂池的主要作用是去除杂物，没有储粪及厌氧酸化的功能，同等污水处理量下，其容积比化粪池小得多，中间无需设置隔断，占地面积较化粪池小，建设费用也小得多。

传统化粪池的运行管理费主要发生在化粪池清掏过程中。污泥清掏必须是在污水中有机物分解并酸性发酵成为消化污泥后方能清掏，清掏周期受到污水温度、当地气候条件及建筑物使用要求的影响较大，这就使得有效容积要足够大。在同样条件下，格栅沉砂井不受水温、气候条件等的影响，有效容积只根据污水含渣量确定。研究表明，生活污水排放无机质含量与含砂率大约在20%～30%，与地理环境以及进水性质有关。故相同容积的格栅沉沙井清掏量只占传统化粪池的20%～30%，运行周期更长，清掏频率下降，运行管理成本不到传统化粪池的30%。在乌东德工程区域使用上述格栅沉沙井，其管理简单，操作简易，取得了不错的效果。值得注意的是，井室应按规范加装带锁盖板，防止人员误入和杂物坠入。在城镇污水处理厂服务范围外的区域，不能用格栅沉砂井取代化粪池。

3.7 配套格栅机

在乌东德水电站污水处理站管网堵塞情况严重的情况下，结合新村营地污水处理站、金坪子1#污水处理站运行情况，每日对格栅井清掏。两座污水处理站来水量较大，杂物较多，格栅易堵塞，格栅井溢流情况频发。经讨论，在电站运行期人口较多的3个营区污水处理站，即金坪子1#污水处理站、新村污水处理站、海子尾巴污水处理站加装格栅机，保障水流通畅，避免出现溢流。方案拟采用回转式机械格栅，其优点是自动化程度高、分离效率高、动力消耗小、无噪音、耐腐蚀性能好，在无人看管的情况下可保证连续工作，符合乌东德现场实际。格栅机选用HF300-3600型，安装角度为75°，掉渣高度为1.5 m。统一采用内宽0.5 m、深1.5 m的沟槽，沟槽底部使用C10素混凝土垫层10 cm、底部0.053 m的砖砌体，侧壁使用0.024 m的砖砌体，沟槽内做20 mm防水砂浆。配置长100 m、10 m2的3芯电缆线，在操作间就近取电。格栅机安装后取得了较好的效果，保障了污水处理站的设备安全。

4 结论

为了防治氮磷污染及水体富营养化问题，《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)及《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)均对污水处理厂出水的氮磷指标提出了较严格的要求。在今后的规划设计中，集中式污水处理厂均需合理布置脱氮除磷工艺，目前较为成熟的生物脱氮除磷受碳源影响大，故在设有集中式污水处理厂的地区取消化粪池是大势所趋，也是科学发展的必然。污水处理是民生工程，规范污水处理，做到“污水全收集，收集全处理，处理全达标”是山水林田湖生态保护修复工程的重中之重。统一清理排查化粪池现状，在设有集中污水处理厂的服务区内废除粪池合理布置格栅沉砂井，对推进污水处理工作有积极的意义。另外，脱氮除磷还存在大量尚待研究的领域，进一步挖掘并做到稳定经济的脱氮除磷是必要的。