王勇康 劉 京 李圣哲 劉秉濤，2

（1.華北水利水電大學環(huán)境與市政工程學院，河南 鄭州 450011；2.河南省水體污染與土壤損害修復工程技術研究中心，河南 鄭州 450011）

黨的十九大提出開展農村人居環(huán)境整治行動，其中村鎮(zhèn)污水處理是重中之重。中原地區(qū)是我國重要的農業(yè)生產區(qū)域，農村基礎設施及經濟條件相對薄弱，農村污水難以通過管網收集進入縣、鎮(zhèn)污水處理廠集中處理。目前，已建成的大部分村鎮(zhèn)污水處理廠由于水量小、波動大、缺乏管理人員和運行經費等原因停止了運行［1-2］，造成河流、水塘污染，或者下滲進入地下，影響地下水水質和農村生態(tài)環(huán)境，嚴重威脅農村居民身體健康和農產品的質量安全。農村生活污水的主要來源是廚房污水。廚房污水和洗滌污水是農村生活污水中有機物的主要來源，含大量的COD、氨、磷等成分，是造成農村水體富營養(yǎng)化的主要原因。其次是廁所污水。

國外一些國家如日本，處理分散的村鎮(zhèn)污水多采用離網式凈化槽技術［3］；澳大利亞將生活污水灌溉土壤地，通過耕種的農作物吸收分解生活污水中的物質與水分，從而達到污染物去除和污水減量的目的［4］；國內也對農村生活污水處理技術進行了許多卓有成效的研究，常用的有氧化塘、生物接觸氧化、A/O工藝及MBR工藝等［5］。中原地區(qū)指黃河中下游地區(qū)與淮河上游以北地區(qū)，包括河南省大部、山西省東南部、河北省南部、山東省西部、江蘇省西北部以及安徽省北部等廣大區(qū)域，是溫帶季風氣候，四季分明。因此，開發(fā)適合中原地區(qū)的村鎮(zhèn)污水處理組合工藝具有重大的現(xiàn)實意義。

1 SBR工藝

序批式活性污泥法是指在同一反應器內，按照進水、反應、沉淀、排放和閑置5個基本工序組成的污水處理方法，簡稱SBR法。SBR法通常情況下可省去初沉池，因此能夠節(jié)省用地和運行費用，耐沖擊負荷，運行方式靈活，能夠通過時間設置曝氣、缺氧和厭氧的不同狀態(tài)，實現(xiàn)脫氮除磷的目的。

SBR工藝運行簡單，耐沖擊負荷，能夠有效避免污泥膨脹，操作自動化，能夠脫氮除磷，投資少，出水水質好，適用于農村地區(qū)。

SBR工藝的操作流程，如圖1所示。

圖1 SBR運行操作工序示意圖

1.1 進水期

這個時期是反應池容納生活污水的過程。通過反應器容積的大小及被處理污水的水質確定進水的時間。在反應器進水前期，反應器中的污染物濃度相對較低。然而，隨著生活污水的持續(xù)流入，反應器中污染物的濃度不斷升高。在生活污水流入的過程中，反應器具有活性污泥吸附、吸收和氧化等作用。當反應器中污染物濃度不斷升高時，活性污泥的吸附、吸收和氧化作用也不斷加快。如果在進水時期向反應器中流入的污染物濃度較低，則流入的污染物可以被及時吸收、吸附和氧化分解，整個操作過程將會穩(wěn)定進行。然而，在SBR水處理工藝的實際操作過程中，基本不會出現(xiàn)這種情況。

1.2 反應期

這個時期是在進水完成后或反應器進滿水后，通過曝氣或攪拌達到對有機污染物生物降解的目的。在反應器操作過程中，隨著反應器中反應的不斷進行，基質的濃度會逐漸降低。反應器中有許多種類的微生物，它們彼此間相互作用，提高了工藝的處理效果。

1.3 沉淀期

此時期的工作程序類似于傳統(tǒng)活性污泥法中的二沉池。當曝氣和攪拌完成后，活性污泥的絮體通過重力沉降和上清液分離。SBR反應器作為沉淀池，能夠有效避免連續(xù)流活性污泥法中泥水一定要經過沉淀池沉淀的過程，也能夠防止一些剛剛開始絮凝的活性污泥再次破碎的情況。SBR反應器具有沉淀效率高、沉降時間短的特點。

1.4 出水期

污水通過處理后滿足水處理排放要求，此時反應池底部的活性污泥大部分可以作為下一個處理周期使用，多余的活性污泥外排。一般情況下，反應器中的活性污泥體積占反應器總容積的30%左右。此外，反應池中需要剩下一部分處理水，能夠起到循環(huán)和稀釋的功效。

設計SBR反應器總水力停留時間為6 h，其中好氧區(qū)停留時間為2 h，缺氧區(qū)停留時間為40 min，厭氧區(qū)停留時間為2 h，沉淀區(qū)停留時間為1 h。不同進水有機負荷條件對SBR工藝的COD、TP的去除效果影響不顯著。當進水COD濃度平均值分別為300 mg/L、400 mg/L時，COD的平均去除率分別為93%和92%。一般條件下，TN、TP的平均去除率均在65%、95%以上［6］，其TN、TP出水濃度均低于15 mg/L、0.2 mg/L，達到GB18918-2002的一級A排放標準，說明SBR反應器具有穩(wěn)定的COD、氮、磷去除能力。

2 人工濕地工藝

人工濕地是20世紀70年代發(fā)展起來的一種污水處理技術。它根據自然濕地模擬人工生態(tài)系統(tǒng)，是一種由人工制造和監(jiān)督控制的、類似沼澤的地面，通過自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學和生物三者的協(xié)同作用實現(xiàn)對污水的凈化作用。

人工濕地基建投資和運行費用低（分別為生化處理的1/3～1/5和1/5～1/6），水力負荷高于自然濕地，處理效果好，對氮、磷、重金屬和難降解有機物也有一定的處理效果。濕地植物有一定的經濟價值，具有一定的景觀功能。但是，人工濕地需要的土地面積大，氣候和植物生長對凈化效果影響較大，易造成二次污染。

人工濕地根據水流方式的差異可分為3種類型：表面流濕地、潛流濕地和立式流濕地。

①表面流濕地（Surface Flow Wetlands，SFW）。當生活污水在填料表面漫流的過程中，它和自然的人工濕地非常接近，大多數(shù)有機物的去除主要是利用植物水下莖及桿上的生物膜來實現(xiàn)。但是，由于這種濕地不能有效利用填料和植物根系，故衛(wèi)生條件差，因此設計中一般不采用。

②潛流濕地（Subsurface Flow Wetlands，SSFW）。由于生活污水在填料表面下滲流，所以能夠有效利用填料表面和根系上的生物膜處理污水，且衛(wèi)生條件良好，因此在設計中被廣泛采用。它的構造如圖2所示。

圖2 人工潛流濕地

2.1 凈化機理

人工濕地能夠凈化生活污水，主要是基質、植物、微生物相互作用的結果。經水生植物及基質的過濾、吸附、沉淀、微生物的降解、轉化及有機物吸收作用，人工濕地系統(tǒng)可以充分去除污水中的有機物、氮、磷等污染物。

2.2 濕地植物的機理

生活污水處理的濕地植物一般都具有吸收能力強、生長快和生物量大等特點。一些研究顯示，冬季長綠的水生植物有黃花鳶尾、菹草、水芹菜以及麥草等植物［7］。在濕地植物生長過程中，能夠通過吸收作用去除污水中大量的氮、磷等元素，最后采用收割去除。濕地植物不僅能夠生長吸收，還能夠由于氨的揮發(fā)作用、NH4+的陽離子交換作用、硝化和反硝化作用去除氮。對于磷化合物的去除，不僅能夠作為營養(yǎng)成分吸收，還能夠在基質中進行吸附、絡合和沉淀反應。濕地植物除了能夠吸收營養(yǎng)元素外，還能夠吸收鉛、砷、汞和鉻等重金屬，以金屬鰲合物的形式蓄積于植物體內，可以滿足對生活污水和受污染土壤的生物修復。

2.3 濕地土壤的機理

濕地土壤是濕地植物的直接載體，同時也是微生物、動物的生活場所。它的類型、結構等情況決定了濕地植物的生長情況。它通過食物鏈影響濕地動物的種群、發(fā)育和生長，進而影響濕地生態(tài)系統(tǒng)。濕地土壤是濕地中化學物質轉化的媒介，能夠通過沉淀、吸收、吸附、離子交換和代謝分解等作用去除一些有毒有害物質。

2.4 濕地微生物的機理

生活污水中，有機物的分解、降解和轉化主要通過微生物來完成。濕地微生物還有吸附的作用，它在生長的過程中，通過吸收一些營養(yǎng)元素和重金屬元素來確保生長和代謝高分子聚合物對重金屬的絡合力。

3 SBR與人工濕地組合工藝

該組合工藝綜合了兩種水處理工藝的特點。SBR處理工藝操作靈活，耐沖擊負荷，能夠有效避免污泥膨脹，且運行自動化。人工濕地工藝基建投資和運行費用低，水力負荷高于自然濕地，處理效果好，對氮、磷、重金屬和難降解有機物也有一定的處理效果，且濕地植物有一定的經濟價值，具有一定的景觀功能，能夠與農村社區(qū)的景觀相結合。此外，它能夠彌補兩種水處理工藝彼此的不足，減少SBR系統(tǒng)的曝氣時間，使其能耗降低，彌補SBR中氮磷的去除作用。由于中原地區(qū)冬季寒冷，因此人工濕地的一些處理作用被限制。但是，SBR系統(tǒng)能夠彌補人工濕地系統(tǒng)在冬季處理效果不好的情況，有效避免人工濕地出現(xiàn)堵塞的問題，降低人工濕地的占地面積［8-9］。

在組合工藝中，SBR系統(tǒng)對氨氮、COD、總氮、總磷的去除率分別為54.8%、90.1%、43.0%、30.1%。人工濕地對氨氮、COD、總氮、總磷的去除率分別為27.2%、5.5%、35.1%、60.1%。SBR系統(tǒng)對COD和氨氮的去除效果顯著，人工濕地對總磷的去除效果顯著，兩者能夠有效發(fā)揮各自的互補作用。

3.1 污水處理規(guī)模確定

河南省農村地區(qū)用水類型包括自來水、井水和河水等。居民的用水量受經濟狀況、供水條件、生活習慣等因素影響。結合當?shù)鼐用竦挠盟F(xiàn)狀，表1給出了村鎮(zhèn)居民生活用水量的參考值。

表1 河南省農村居民生活用水量參考值

農村地區(qū)居民的排水量應該根據對村莊衛(wèi)生設施水平、排水系統(tǒng)的組成和完善程度等影響因素進行實地調查情況確定。表2給出了村鎮(zhèn)居民生活排水量的參考值。

表2 河南省農村居民生活排水量參考值

3.2 污水進水、出水水質確定

根據調查，村鎮(zhèn)生活污水的主要污染源有：洗滌用水、廁所沖刷水及其他用水等，根據污水的特性，水質指標如表3所示。表3中以洗浴用水、廚房用水、廁所用水數(shù)據作為參考取值。

表3 河南省農村居民生活污水水質參考值

通過參考常規(guī)的生活污水水質標準，根據實際用水情況，最終設計村鎮(zhèn)生活污水處理的進水水質如表4所示。

依據地方環(huán)境保護管理部門的相關要求，設計出水水質不低于《河南省農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB41/1820—2019）一級B標準排放的要求，主要的水質指標如表5所示。

表5 設計出水水質指標

4 污水處理工藝流程和特點

生活污水通過格柵能夠去除水中的懸浮物、漂浮物等雜質，然后自流進入水解酸化池，通過水質、水量調節(jié)后，經泵提升進入SBR反應池進行生化處理。SBR處理系統(tǒng)至少需要2個或多個反應器交替運行，因此總體上污水是按順序依次進入每個反應器，而各反應器相互協(xié)調作為一個有機的整體完成污水凈化功能，但對每一個反應器則是間歇進水和間歇排水。每個反應器的運行操作分階段、按時間順序進行，去除污水中大部分有機物和氨氮，產生的剩余污泥在村鎮(zhèn)可以用于衛(wèi)生填埋或好氧堆肥，之后進入人工濕地深度處理達標后回用或排放，如圖3所示。

圖3 污水處理工藝流程圖

SBR與人工濕地的組合工藝能夠結合兩種水處理工藝的優(yōu)點，互補兩種處理工藝在水處理方面的缺點。依據村鎮(zhèn)生活污水處理工程的特點和要求，采用SBR+人工濕地的組合工藝處理村鎮(zhèn)生活污水在技術和實踐上具有高度的統(tǒng)一性。這也是采用此組合工藝處理村鎮(zhèn)生活污水的前提和基礎。

SBR與人工濕地組合工藝的特點：SBR工藝操作簡單，自動化程度高，抗沖擊負荷強；人工濕地工藝運營費用低，能夠美化環(huán)境，具有生態(tài)效應；人工濕地工藝有綠化功效的作用，能夠與小區(qū)的綠化相結合，消除用地的消極影響。此外，兩種水處理工藝能夠互補兩者彼此的不足：人工濕地工藝能夠彌補SBR工藝中的氮磷去除功效；前置SBR工藝能夠有效避免人工濕地堵塞的現(xiàn)象；前置SBR工藝的預處理單元能夠有效降低人工濕地的占地面積。

5 社會效益和經濟效益分析

5.1 經濟效益

污水處理后，達到《河南省農村生活污水處理設施水污染物排放標準》（DB 41/1820—2019）一級B排放標準。經處理水量350 m3/d，電費以0.50元/kW·h計，人員工資以1500元/月（兼職），則SBR工藝中水運行成本為0.38元/m3，人工濕地運行費用0.145元/m3。

運行費用計算方法為（0.38+0.145元/m3）×350 m3/d×365 d=67068.75元/年，即6.7萬元。

5.2 社會效益

村鎮(zhèn)污水處理工程的實施將有效改變村莊的整體形象，為河南省新農村建設創(chuàng)造良好的發(fā)展條件，并將對村鎮(zhèn)的經濟發(fā)展起到較大的促進作用，同時對推進河南省農村的城市化、生態(tài)化建設形成良好的示范帶動作用，產生良好的社會效益。

6 結論

不同的村鎮(zhèn)地區(qū)要根據因地制宜的原則選擇污水處理工藝，同時需結合當?shù)氐牡乩硖卣?、環(huán)境狀況和運行管理水平等。對于中原地區(qū)，可以針對不同情況選擇水處理工藝：對經濟較發(fā)達、基礎設施完善、環(huán)境敏感度高的村鎮(zhèn)生活污水處理，建議采用SBR加人工濕地組合工藝，達標后的水還可以用于畜禽養(yǎng)殖或綠化；村鎮(zhèn)規(guī)模較小、環(huán)境敏感度一般的村鎮(zhèn)生活污水處理，可以只采用SBR技術，占地較小、投資及運行費用較低，能有效改善農村人居環(huán)境。污水的處理方法、工藝要與時俱進，盡量滿足處理工藝簡短、設備簡單、維護需求低、出水水質穩(wěn)定等標準。