基于人工濕地技術(shù)的獨立式農(nóng)村污水處理設(shè)備設(shè)計開發(fā)*

邢 歡，武毛妮，白露露，石春萌，陳 瑞，楊涵玉

(西京學(xué)院電子信息學(xué)院，陜西 西安 710123)

近年來，隨著 “社會主義新農(nóng)村建設(shè)”、“提升村容村貌”、“建設(shè)美麗鄉(xiāng)村”等農(nóng)村環(huán)保政策的推進，我國農(nóng)村環(huán)境問題得到了一定程度的改善。據(jù)統(tǒng)計，村級污水處理率達(dá)43.24%，鎮(zhèn)級污水處理率達(dá)56.76%，但是與“十三五”規(guī)劃中農(nóng)村污水處理率大于60%的目標(biāo)還有一定的差距。 所以，開發(fā)一套適合城鎮(zhèn)化程度低、經(jīng)濟水平低、住戶稀疏的偏遠(yuǎn)落后農(nóng)村污水處理設(shè)施是推進新農(nóng)村建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急，滿足污水處理需求的同時，還要滿足運行費用低，符合美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的要求。

濕地作為“地球之腎”，有凈化和處理自然水體的功能。人工濕地是與沼澤地類似，模擬天然濕地而人工建造的濕地，人工濕地以其獨特的優(yōu)越性受到了越來越多的關(guān)注與發(fā)展[1-2]。人工濕地在農(nóng)村區(qū)域的作用效果較好，它是應(yīng)用生物技術(shù)進行污水凈化，處理效果好，運行費用低，同時具有特色的生態(tài)景觀效應(yīng)[3-6]。然而傳統(tǒng)的人工濕地在后期運行過程中，隨著污染物沉積過量導(dǎo)致濕地堵塞現(xiàn)象普遍存在[7-8]，有研究表明，模塊化人工濕地可以提高水力效率，緩解堵塞問題[9]。對于農(nóng)村地區(qū)，非常適合利用人工濕地進行生活污水處理工藝，采用工廠預(yù)制模塊化人工濕地，現(xiàn)場安裝調(diào)試，運行中遇到問題，可快速更換人工濕地模塊，恢復(fù)其處理功能。模塊化人工濕地具有安裝方便，出水水質(zhì)穩(wěn)定，無運行費用，同時兼具景觀效應(yīng)。

1 農(nóng)村污水處理的現(xiàn)狀調(diào)查與研究

對于污水管網(wǎng)未覆蓋或者管網(wǎng)成本較高的農(nóng)村，分散式污水處理方式比較受歡迎。一般是單個家庭或者相鄰幾個家庭為處理規(guī)模，利用生物接觸氧化、A2O、凈化槽、穩(wěn)定塘、人工濕地、膜生物反應(yīng)器等較成熟的處理工藝。這些工藝中除了人工濕地、凈化槽、穩(wěn)定塘外，其他的都需要動力設(shè)施，不僅成本高，而且后期運行費用(主要是電費)難以承受。凈化槽安裝運行費用過高，并且運行維護存在一定的困難，穩(wěn)定塘后期的維護同樣比較困難，同時穩(wěn)定塘存在安全隱患，不適合農(nóng)村家庭單獨建造使用。相比于其他污水處理技術(shù)，人工濕地對污水的凈化處理、運行和維護成本極低。人工濕地技術(shù)可以去除懸浮物質(zhì)，內(nèi)部布設(shè)的濕地基質(zhì)、微生物及植物有脫氮除磷的效果，濕地植物可以增加景觀效應(yīng)。

然而人工濕地對進水水質(zhì)有一定的要求，污水需進行初級處理之后，人工濕地技術(shù)作為深度處理工藝。污水資源化是污水處理的理想去處，農(nóng)村污水通過生態(tài)(人工濕地)處理技術(shù)就地利用，污水中的營養(yǎng)物質(zhì)返回到農(nóng)田中，形成農(nóng)村環(huán)境良性的循環(huán)發(fā)展。綜合考慮，農(nóng)村污水處理，尤其是偏遠(yuǎn)，經(jīng)濟落后農(nóng)村的污水處理，需要簡單而經(jīng)濟的處理設(shè)備，技術(shù)成熟的厭氧生物池結(jié)合人工濕地技術(shù)，出水可達(dá)農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，就地資源化。

2 農(nóng)村污水處理工藝流程和技術(shù)方案介紹

獨立式農(nóng)村污水處理設(shè)備是基于人工濕地技術(shù)，用于農(nóng)村住戶的污水處理及回收利用的裝置。工藝流程圖如圖1所示，由厭氧生物池、人工濕地系統(tǒng)、集水池等構(gòu)成，厭氧生物池投加厭氧菌對污水初級生物處理，人工濕地采用快速滲濾濕地過濾雜質(zhì)后進入模塊化潛流人工濕地中，出水暫存在集水池中，供住戶澆灌噴灑使用。

圖1 污水處理工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of wastewater treatment

如圖2所示，厭氧生物池由三格池組成，第一格進水進行自然沉降，上清液自流入第二格，厭氧生物菌對污水進行生物降解，由底部過水孔流入第三格，穿過碎石帶，自流入快速滲濾濕地，進一步去除水中雜質(zhì)，隨后流入一、二級潛流人工濕地，通過上部植物作用及內(nèi)部的基質(zhì)及碎石共同作用，達(dá)到污染物去除作用，符合再生水利用標(biāo)準(zhǔn)。整個污水處理工藝流程無動力設(shè)施，水流均為自流。

圖2 厭氧生物池示意圖Fig.2 Schematic diagram of anaerobic biological pool

圖3為快速滲濾濕地的剖面圖，主要目的是過濾厭氧生物池中的固體懸浮物，避免堵塞后續(xù)的人工濕地系統(tǒng)，通過沸石及碎石的過濾及吸附作用去除污染物質(zhì)。

圖3 快速滲濾濕地示意圖Fig.3 Schematic diagram of rapid percolation wetlands

圖4為模塊化人工濕地示意圖，濕地類型為潛流式，尺寸為2.0 m×2.0 m×1.2 m。模塊化人工濕地通過濕地介質(zhì)、濕地微生物及濕地植物的共同作用去除水中的污染物質(zhì)，使出水達(dá)標(biāo)排放。

圖4 模塊化人工濕地示意圖Fig.4 Schematic diagram of modular constructed wetland

圖5 水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果圖Fig.5 The water quality monitoring results

3 農(nóng)村污水處理設(shè)備各個組成部件配置及其性能

本設(shè)備的開發(fā)是以一個農(nóng)村住戶為單位，以家庭成員5口人為例，設(shè)計污水處理量為1 m3/d，如表1所示。污水來源主要為居民生活污水，本設(shè)計出水執(zhí)行《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)(GB 5084-2021)》中的各項指標(biāo)。

表1 生活污水量預(yù)測Table 1 Domestic wastewater quantity prediction

獨立式農(nóng)村污水處理設(shè)備由四部分組成，分別是厭氧生物池，快速滲濾濕地、模塊化垂直潛流人工濕地及集水池。設(shè)備的四部分均為玻璃鋼材質(zhì)，為工廠預(yù)制生產(chǎn)，現(xiàn)場安裝調(diào)試后試運行。

3.1 厭氧生物池

水力停留時間為24 h，有效容積為1 m3，厭氧填料Φ50 mm。如圖2所示，厭氧生物池由三格池組成，體積比為3∶3∶2。有效水深0.5 m，尺寸為1.0 m×2.0 m×1.0 m。厭氧生物池是污水的初級處理階段，通過沉淀、生物降解及碎石過濾的作用去除污水中的污染物質(zhì)。

3.2 快速滲濾濕地

設(shè)計尺寸為1.0 m×1.0 m×0.6 m，濕地類型為垂直流式，水力負(fù)荷為1m3/m2·d。填料級配參數(shù)如圖3所示。快速滲濾濕地主要通過沸石及碎石過濾水中的懸浮固體物，保障人工濕地系統(tǒng)的正常運行。

3.3 模塊化垂直潛流人工濕地

設(shè)計規(guī)模為2.0 m×2.0 m×1.2 m，數(shù)量為1塊，水力負(fù)荷為0.25 m3/m2·d，水力停留時間為1.52 d，基質(zhì)高度0.95 m，填料孔隙率40%，超高0.25 m。濕地植物為蘆葦、水燭、茭白、美人蕉、千屈菜、菖蒲、鳶尾等，種植密度為9株/m2，根據(jù)個人喜好選擇種植。人工濕地系統(tǒng)在去除污染物的同時，增加了景觀效應(yīng)。

3.4 集水池

設(shè)計尺寸1.0 m×1.0 m×1.0 m。玻璃鋼材質(zhì)，工廠生產(chǎn)，預(yù)留管孔，現(xiàn)場安裝。集水池主要收集出水供農(nóng)村隨時使用。

4 經(jīng)濟價值分析

獨立式農(nóng)村污水處理設(shè)備，以人工濕地技術(shù)為核心，實現(xiàn)農(nóng)村污水的獨立式處理，成本低廉、處理效果好，達(dá)到經(jīng)濟效益、環(huán)境效益及社會效益，三效合一。

4.1 功能分析

厭氧生物池結(jié)合人工濕地技術(shù)可以滿足農(nóng)村污水處理要求，設(shè)備運行半年時間，出水水質(zhì)穩(wěn)定，CODCr含量在88.83～83.60 mg/L之間，BOD5含量在39.84～36.18 mg/L，SS含量在58.45～53.27 mg/L，出水水質(zhì)達(dá)到《再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(SL368-2006)中《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB5084-2005)。

4.2 成本分析

設(shè)備池均采用預(yù)制玻璃鋼，現(xiàn)場安裝，設(shè)備成本低廉，運行過程中，人工定期清理厭氧池，農(nóng)戶居民即可完成，無需額外費用支出。

以1 m3/d的污水處理量為例，設(shè)備費為1 222元，其中厭氧生物池60元，快速滲濾濕地60元，模塊化人工濕地400元，集水井50元；土方開挖需172元；土工布300元，管材管件150元，濕地植物需30元。設(shè)備運行中無需人員看護，定期清理厭氧池，利用集水池中的出水噴灑澆灌，運行費用為0元/m3。

4.3 效益分析

獨立式農(nóng)村污水處理設(shè)備的開發(fā)與利用實現(xiàn)經(jīng)濟效益、環(huán)境效益及社會效益。經(jīng)濟效益，人工濕地出水就地利用實現(xiàn)污水資源化，可澆灌花草樹木，亦可灌溉農(nóng)田，營養(yǎng)物質(zhì)N、P等可被植物所吸收利用；環(huán)境效益，人工濕地中的植物可以提升農(nóng)村景觀，實現(xiàn)家家有花園，提升村民的幸福感；社會效益，項目建成后，農(nóng)村環(huán)境面貌大大改善，可逐漸提高村民的環(huán)保意識，對建設(shè)和諧社會、美麗鄉(xiāng)村及新農(nóng)村建設(shè)做出貢獻。

5 結(jié) 論

設(shè)備實施可以實現(xiàn)環(huán)境效益、經(jīng)濟效益及社會效益，三效合一，對于改善農(nóng)村村容村貌、新農(nóng)村建設(shè)有著較大的推動作用。