組合人工濕地技術在農村生活污水治理中的應用

閆 龍，王 蓉

(上海太和水環境科技發展股份有限公司，上海 200433)

農村生活污水具有旱季流量小、難收集，雨季流量大、濃度低、可生化性差，污染物成分簡單等排放特點[1-4]，導致其處理難度較大、成本較高。傳統的人工濕地技術，主要利用挺水植物和填料對污水中的污染物進行吸收、過濾和分解[5-6]，但其存在占地面積較大、出水水質不穩定、填料易堵塞，壽命較短的缺點[7-8]。因此，如何尋找一種快速解決農村生活污水問題，且運行效果顯著、景觀優美、成本較低的技術迫在眉睫。

組合人工濕地技術依托生物處理和生態重建的組合工藝，采用“食藻蟲引導的水體生態修復技術”[9-11]，利用沉水植物替代傳統的礫石、人工水草等填料，輔以強化預處理措施(如化糞池等)，針對項目的具體特點，因地制宜，充分利用地勢較低的現有塘體或閑置土地(新開挖塘體)，無需動力提升，達到恢復村落塘體自凈功能，實現匯流入塘的農村生活污水凈化，打造花園式零能耗的農村生活污水處理系統。具有凈化效率高、景觀優美、零能耗、運營成本低、可持續發展等優點。

因此，本文以江西省樂平市后港鎮新田村為研究對象，通過組合人工濕地技術對農村生活污水的治理效果和后期運行成本進行分析，以求為我國農村生活污水的治理尋找新的出路，為“綠水青山”的中國夢略盡綿薄之力。

1 工程概況

項目位于江西省樂平市后港鎮新田村，為樂平市磻溪水和官口水庫飲用水源周邊8個村生活污水治理設施及配套管網工程之一。

當地屬亞熱帶濕潤性季風氣候區，冷暖交替，溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明。年平均氣溫為18.3 ℃，最熱月份為7月，月均溫為29.5 ℃，極端最低溫為-9.1 ℃；年平均降水量為1 672.3 mm；年蒸發量為1 220.7 mm；年平均日照為1 766.3 h。

針對新田村的現狀，本工程充分利用農村閑置土地，以“生化預處理+生態深度凈化”為主體工藝，構建組合生化池、植物碎石床、多功能接觸氧化塘、沉水涵養塘四級凈化系統，實現農村污水的深度凈化。

2 設計水量及水質

農村生活污水處理設施規模按照農村生活用水量、服務人口、綜合排放系數和污水收集率進行計算，如式(1)。

Qw=n×q×z×η÷1 000

(1)

其中：Qw——污水處理規模，m3/d；

q——農村居民生活用水量，L/(人·d)；

n——服務人口數量，按服務區范圍內的常住人口計算；

z——綜合排放系數，取75%～90%；

η——污水收集率，取0.8。

本工程新田村設計人口為850人，人均用水取150 L/(人·d)，數據來自于《中南地區農村生活污水處理技術指南》(試行)住建部2010年9月農村居民生活用水量經濟條件好的地區日用水量的參考值。此外，充分考慮未來10年內實際發展需要和節假日人流用水高峰時期余量，本項目設計變化系數取值1.25，因此，設計污水流量為102 m3/d。

為有效凈化處理本項目所含村莊的農村生活污水，減緩農村區域地表水體污染及水體富營養化現象，本項目設計進水水質數據來源于同類項目的運行參數，終端出水主要水質指標執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A標準[12]，如表1所示。

表1 設計進、出水水質Tab.1 Design Water Quality of Influent and Effluent

3 工藝流程

基于新田村生活污水水量小、水質不穩定的特點及項目周邊的地勢、地形、交通環境，本項目依托于“生物處理和生態重建的組合工藝”，利用項目區塊的地形優勢，打造“組合生化系統+植物碎石過濾床+多功能自然接觸氧化塘+沉水涵養塘”的多級生態修復系統。利用土壤、生物活性填料、植物、人工水草填料及微生物等的不同功能，進行生物脫氮除磷，同時去除BOD5、COD、SS等污染物。一方面，提升農村生活污水水質，使其達到《城市污水處理廠污染物排放標準》一級A標準(GB 18918—2002)；另一方面，可改善農村坑塘景觀，與鄉村現有良好生態環境充分結合，打造“花園式無動力污水深度凈化系統”。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart

4 主要構筑物及設計參數

4.1 組合生化池

組合生化池采用“地埋式+頂蓋封閉”結構，單一池體組合了格柵、調沉池、厭氧池3種功能，以降低占地面積及建設成本。該工藝攔截水體中的雜物，均置水量水質，通過厭氧生物處理作用，將廢水中各種復雜有機物分解轉化成甲烷和二氧化碳等物質，同時僅產生少量污泥。并通過不同微生物的代謝過程相互影響，相互制約，形成了復雜的生態系統，提供穩定的預處理能力，確保后續構筑物的處理效果，降低養護需求。圖2為組合生化池剖面圖。

圖2 組合生化池剖面圖Fig.2 Sectional View of Combined Biochemical Treatment Pool

(1)格柵井

生活污水經管道流至格柵井，格柵井為組合生化池的第一道工藝構筑物，其作用是攔截污水中如樹葉、塑料袋等大塊的物質，避免生活垃圾進入生化預處理系統，保障后續處理工藝的安全和效率。

格柵井的設計規格為L×B×H=1.7 m×1 m×1.6 m，有效容積為2.72 m3，水力停留時間為0.64 h。

(2)調節沉砂池

調節沉砂池作用是初步沉降、分離，調節均衡水質，為下一道工序做鋪墊。其設計規格為L×B×H=5.4 m×2.4 m×2.6 m，有效容積為33.7 m3，水力停留時間為7.93 h。

本系統每天產生污泥約10.2 kg，其相對整個調節沉砂池的容積較小，因此，每年僅需1次清泥。清理出的污泥，一部分作為污水處理系統周邊的綠化使用；一部分運輸至沉水涵養塘，作為沉水植物的肥料使用，通過沉水植物發達的根系，吸收氮磷營養鹽，固封污泥。

(3)厭氧池

厭氧池為磚混結構，其設計規格為L×B×H=5.4 m×4.6 m×2.6 m，有效容積為64.58 m3，水力停留時間為15.2 h。

生活污水在厭氧池中，通過厭氧/兼氧微生物的作用，將污水中各種復雜有機物分解轉化成甲烷和二氧化碳等物質，同時釋放能量。降低后續結構處理的污染負荷，提高后續構筑物的處理效果。

4.2 植物碎石過濾床

植物碎石過濾床緊接組合生化池，其設計規格為L×B×H=14 m×6 m×1.85 m，有效面積為84 m2，表面水力負荷為1.21 m3/(m2·d)。主體框架結構為磚混，內部結構由下而上依次為自然黏土墊層、防滲膜、層厚300 mm細沙保護層、層厚800 mm鎖磷填料、層厚200 mm種植土層、挺水植物?；|填料：采用級配填料：鎖磷填料(粒徑為8～20 mm，火山巖磷的理論飽和吸附量為1.172 mg/g[13])、細砂礫填料(3～6 mm)。挺水植物主要選擇風車草、美人蕉、花葉蘆竹等適應能力強、根系發達、對氮磷等營養鹽吸收效果好的挺水植物，同時，底部進行防滲處理。圖3為碎石過濾床剖面圖。

圖3 碎石過濾床剖面圖Fig.3 Profile of Gravel Filter Bed

植物碎石過濾床緊接組合生化池。該工藝經過挺水植物優選、間隔設置含氧區域以及基質材料選擇配置，保障了反硝化碳源，實現了微生物與基質協同脫氮除磷[14]。并通過運行方式控制、結構優化以及生物投加槽等手段，解決了人工濕地系統普遍存在脫氮能力季節性差異和堵塞等問題[15]。實現低成本、輕養護、高效果的設計需求。

4.3 多功能自然接觸氧化塘

多功能氧化塘是一種由柔性生物載體、浮體或浮床以及水生植物構成的可移動式、不堵塞型濕地。利用微生物-植物聯動作用實現來水污染負荷的進一步削減。充分遵循凈化效率高、經濟效益好、維護管理簡單的設計原則，優選根系發達的水生植物。通過氧化塘的自然增氧、系統硝化、植物及其根系附著微生物群落作用，吸收NH3-N、沉砂沉淀、生態截留、削減COD和BOD5等。圖4為多功能接觸氧化塘剖面圖。

纖維填料形成生物凈化膜，且填料由內而外緊密到疏松的特殊編織，使得材料本身具備由內而外的厭氧、兼氧、好氧的微AO環境，可同時承載大量的硝化菌和反硝化菌，具備同步硝化反硝化功能，對氮磷的去除力增強。借助水體的流動性及強降雨期的雨水沖刷，實現“脫膜換膜”，新陳代謝良好，使得微生物常保活力。

多功能氧化塘有效面積為276 m2，表面水力負荷為0.37 m3/(m2·d)。底部為開挖后稻田土底質，采用素土回填夯實；沿岸2 m內設置為生態自然緩坡，種植挺水植物護坡；植物配置包括漂浮植物(大薸、狐尾藻)、浮葉植物(睡蓮)及挺水植物(美人蕉+鳶尾+菖蒲)；其他材料為生物飄帶(人工水草)及配套固定網繩、網兜。

圖4 多功能接觸氧化塘剖面圖Fig.4 Profile of Multi-Functional Contact Oxidation Pond

4.4 沉水涵養塘

沉水涵養塘主要是采用“食藻蟲引導水生態系統構建技術”，該技術以馴化后的大型枝角類浮游動物“食藻蟲”提升水體透明度，搭配改良后的沉水植被“四季常綠矮型苦草”及其他沉水植物，輔以魚蝦螺貝等水生動物，通過蟲控藻，魚食蟲等模式打通食物鏈，構建“食藻蟲-水下森林-水生動物-微生物群落”共生體系，恢復“草型清水態”自凈系統，在實現水質凈化的同時，把水體打造成集休閑、娛樂、人文于一體的“水清氣凈的生態景觀”水體。區別于傳統人工濕地，它不僅可以有效凈化水質，而且不堵塞、使用壽命長、成本低。圖5為沉水涵養塘剖面圖。

圖5 沉水涵養塘剖面圖Fig.5 Profile of Submerged Plant Conservation Pond

沉水涵養塘有效面積為1 400 m2，表面水力負荷為0.073 m3/(m2·d)。植物配置包括沉水植物(四季常綠矮型苦草、小茨藻)以及浮葉植物(睡蓮)；動物配置包括黑魚、青蝦、環棱螺、河蚌等水生動物；浮游動物為食藻蟲；微生物為有益微生物菌群。

5 技術經濟分析

5.1 運行效果分析

本工程于2019年4月建成，2019年6月正式投入使用。分析所用水質數據來源于2019年7月、9月及12月在新田村項目進水口及4個系統末端分別采樣送檢所得的實際水質數據。組合人工濕地工藝對農村生活污水的處理效果如圖6 所示。

圖6 組合工藝的運行效果Fig.6 Operation Effect of Combined Process

由圖6 可知，新田村農村生活污水冬季進水濃度高于夏、秋季，組合生化池冬季效果相對較差。組合工藝對農村生活污水具有較好的處理效果，各項水質指標出水均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》 (GB 18918—2002) 的一級A標準，其對COD、BOD5、NH3-N、TP及SS的平均去除率分別達到81.45%、91.77%、94.38%、80.44%及94.89%。

5.2 運行成本分析

(1)人工費。每個人工可維護3個村子，則本項目人工費約為1.2萬元/年。

(2)維護修繕費。包括組合生化池藥劑投加費及在運行過程中的植物補種、構筑物的修繕及其他設施的維護費用，約為0.8萬元/年。 組合工藝合計運行成本為2萬元/年。經計算后年運行費用僅約為0.54元/m3，與傳統工藝1.14～1.30元/m3水處理費用相比[16]，運行費用優勢明顯。

5.3 效益分析

本工程系統能耗低、運行成本少、維護簡單(無用電設備，僅需對系統內的水面垃圾打撈、對濕地中的水生植物生長狀況進行察看、出現死亡或病蟲害狀況及時解決)。每年可產生37 230 m3的清水，可用于灌溉、養殖、果樹種植，按照目前樂平地區灌溉用水0.1元/m3計，則每年可節約3 723元。實現了環境治理產業由“輸血型”向“造血型”的轉變方面的經濟效益。

本工程的實施對改善區域水環境質量、提升城鄉景觀環境、保障水資源安全、構建生態城市方面具有顯著的環境效益；對創建生態鄉村、促進當地建設發展、治污生態示范、打造生態旅游品牌方面具有顯著的的社會效益。

6 結論

采用組合人工濕地工藝處理農村生活污水，具有效果良好、運行穩定的特點，其對COD、BOD5、NH3-N、TP及SS的平均去除率分別達到81.45%、91.77%、94.38%、80.44%及94.89%。出水水質達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002) 的一級A標準。