閆 龍，王 蓉

(上海太和水環(huán)境科技發(fā)展股份有限公司，上海 200433)

農(nóng)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(dǎo)致其處理難度較大、成本較高。傳統(tǒng)的人工濕地技術(shù)，主要利用挺水植物和填料對污水中的污染物進(jìn)行吸收、過濾和分解[5-6]，但其存在占地面積較大、出水水質(zhì)不穩(wěn)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(nóng)村生活污水問題，且運行效果顯著、景觀優(yōu)美、成本較低的技術(shù)迫在眉睫。

組合人工濕地技術(shù)依托生物處理和生態(tài)重建的組合工藝，采用“食藻蟲引導(dǎo)的水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)”[9-11]，利用沉水植物替代傳統(tǒng)的礫石、人工水草等填料，輔以強(qiáng)化預(yù)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(xiàn)有塘體或閑置土地(新開挖塘體)，無需動力提升，達(dá)到恢復(fù)村落塘體自凈功能，實現(xiàn)匯流入塘的農(nóng)村生活污水凈化，打造花園式零能耗的農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)。具有凈化效率高、景觀優(yōu)美、零能耗、運營成本低、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點。

因此，本文以江西省樂平市后港鎮(zhèn)新田村為研究對象，通過組合人工濕地技術(shù)對農(nóng)村生活污水的治理效果和后期運行成本進(jìn)行分析，以求為我國農(nóng)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(zhèn)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(shè)施及配套管網(wǎng)工程之一。

當(dāng)?shù)貙賮啛釒駶櫺约撅L(fēng)氣候區(qū)，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(fā)量為1 220.7 mm；年平均日照為1 766.3 h。

針對新田村的現(xiàn)狀，本工程充分利用農(nóng)村閑置土地，以“生化預(yù)處理+生態(tài)深度凈化”為主體工藝，構(gòu)建組合生化池、植物碎石床、多功能接觸氧化塘、沉水涵養(yǎng)塘四級凈化系統(tǒng)，實現(xiàn)農(nóng)村污水的深度凈化。

2 設(shè)計水量及水質(zhì)

農(nóng)村生活污水處理設(shè)施規(guī)模按照農(nóng)村生活用水量、服務(wù)人口、綜合排放系數(shù)和污水收集率進(jìn)行計算，如式(1)。

Qw=n×q×z×η÷1 000

(1)

其中：Qw——污水處理規(guī)模，m3/d；

q——農(nóng)村居民生活用水量，L/(人·d)；

n——服務(wù)人口數(shù)量，按服務(wù)區(qū)范圍內(nèi)的常住人口計算；

z——綜合排放系數(shù)，取75%～90%；

η——污水收集率，取0.8。

本工程新田村設(shè)計人口為850人，人均用水取150 L/(人·d)，數(shù)據(jù)來自于《中南地區(qū)農(nóng)村生活污水處理技術(shù)指南》(試行)住建部2010年9月農(nóng)村居民生活用水量經(jīng)濟(jì)條件好的地區(qū)日用水量的參考值。此外，充分考慮未來10年內(nèi)實際發(fā)展需要和節(jié)假日人流用水高峰時期余量，本項目設(shè)計變化系數(shù)取值1.25，因此，設(shè)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(nóng)村生活污水，減緩農(nóng)村區(qū)域地表水體污染及水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象，本項目設(shè)計進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)來源于同類項目的運行參數(shù)，終端出水主要水質(zhì)指標(biāo)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)[12]，如表1所示。

表1 設(shè)計進(jìn)、出水水質(zhì)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(zhì)不穩(wěn)定的特點及項目周邊的地勢、地形、交通環(huán)境，本項目依托于“生物處理和生態(tài)重建的組合工藝”，利用項目區(qū)塊的地形優(yōu)勢，打造“組合生化系統(tǒng)+植物碎石過濾床+多功能自然接觸氧化塘+沉水涵養(yǎng)塘”的多級生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)。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(jìn)行生物脫氮除磷，同時去除BOD5、COD、SS等污染物。一方面，提升農(nóng)村生活污水水質(zhì)，使其達(dá)到《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)(GB 18918—2002)；另一方面，可改善農(nóng)村坑塘景觀，與鄉(xiāng)村現(xiàn)有良好生態(tài)環(huán)境充分結(jié)合，打造“花園式無動力污水深度凈化系統(tǒng)”。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Process Flow Chart

4 主要構(gòu)筑物及設(shè)計參數(shù)

4.1 組合生化池

組合生化池采用“地埋式+頂蓋封閉”結(jié)構(gòu)，單一池體組合了格柵、調(diào)沉池、厭氧池3種功能，以降低占地面積及建設(shè)成本。該工藝攔截水體中的雜物，均置水量水質(zhì)，通過厭氧生物處理作用，將廢水中各種復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)，同時僅產(chǎn)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(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，提供穩(wěn)定的預(yù)處理能力，確保后續(xù)構(gòu)筑物的處理效果，降低養(yǎng)護(hù)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(jīng)管道流至格柵井，格柵井為組合生化池的第一道工藝構(gòu)筑物，其作用是攔截污水中如樹葉、塑料袋等大塊的物質(zhì)，避免生活垃圾進(jìn)入生化預(yù)處理系統(tǒng)，保障后續(xù)處理工藝的安全和效率。

格柵井的設(shè)計規(guī)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(diào)節(jié)沉砂池

調(diào)節(jié)沉砂池作用是初步沉降、分離，調(diào)節(jié)均衡水質(zhì)，為下一道工序做鋪墊。其設(shè)計規(guī)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(tǒng)每天產(chǎn)生污泥約10.2 kg，其相對整個調(diào)節(jié)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(tǒng)周邊的綠化使用；一部分運輸至沉水涵養(yǎng)塘，作為沉水植物的肥料使用，通過沉水植物發(fā)達(dá)的根系，吸收氮磷營養(yǎng)鹽，固封污泥。

(3)厭氧池

厭氧池為磚混結(jié)構(gòu)，其設(shè)計規(guī)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(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷和二氧化碳等物質(zhì)，同時釋放能量。降低后續(xù)結(jié)構(gòu)處理的污染負(fù)荷，提高后續(xù)構(gòu)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(shè)計規(guī)格為L×B×H=14 m×6 m×1.85 m，有效面積為84 m2，表面水力負(fù)荷為1.21 m3/(m2·d)。主體框架結(jié)構(gòu)為磚混，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由下而上依次為自然黏土墊層、防滲膜、層厚300 mm細(xì)沙保護(hù)層、層厚800 mm鎖磷填料、層厚200 mm種植土層、挺水植物?；|(zhì)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(xì)砂礫填料(3～6 mm)。挺水植物主要選擇風(fēng)車草、美人蕉、花葉蘆竹等適應(yīng)能力強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、對氮磷等營養(yǎng)鹽吸收效果好的挺水植物，同時，底部進(jìn)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(jīng)過挺水植物優(yōu)選、間隔設(shè)置含氧區(qū)域以及基質(zhì)材料選擇配置，保障了反硝化碳源，實現(xiàn)了微生物與基質(zhì)協(xié)同脫氮除磷[14]。并通過運行方式控制、結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及生物投加槽等手段，解決了人工濕地系統(tǒng)普遍存在脫氮能力季節(jié)性差異和堵塞等問題[15]。實現(xiàn)低成本、輕養(yǎng)護(hù)、高效果的設(shè)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(gòu)成的可移動式、不堵塞型濕地。利用微生物-植物聯(lián)動作用實現(xiàn)來水污染負(fù)荷的進(jìn)一步削減。充分遵循凈化效率高、經(jīng)濟(jì)效益好、維護(hù)管理簡單的設(shè)計原則，優(yōu)選根系發(fā)達(dá)的水生植物。通過氧化塘的自然增氧、系統(tǒng)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(tài)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(nèi)而外緊密到疏松的特殊編織，使得材料本身具備由內(nèi)而外的厭氧、兼氧、好氧的微AO環(huán)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(qiáng)。借助水體的流動性及強(qiáng)降雨期的雨水沖刷，實現(xiàn)“脫膜換膜”，新陳代謝良好，使得微生物常?；盍Α?/p>

多功能氧化塘有效面積為276 m2，表面水力負(fù)荷為0.37 m3/(m2·d)。底部為開挖后稻田土底質(zhì)，采用素土回填夯實；沿岸2 m內(nèi)設(shè)置為生態(tài)自然緩坡，種植挺水植物護(hù)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(wǎng)繩、網(wǎng)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(yǎng)塘

沉水涵養(yǎng)塘主要是采用“食藻蟲引導(dǎo)水生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建技術(shù)”，該技術(shù)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(gòu)建“食藻蟲-水下森林-水生動物-微生物群落”共生體系，恢復(fù)“草型清水態(tài)”自凈系統(tǒng)，在實現(xiàn)水質(zhì)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(tài)景觀”水體。區(qū)別于傳統(tǒng)人工濕地，它不僅可以有效凈化水質(zhì)，而且不堵塞、使用壽命長、成本低。圖5為沉水涵養(yǎng)塘剖面圖。

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

沉水涵養(yǎng)塘有效面積為1 400 m2，表面水力負(fù)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(huán)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(shù)經(jīng)濟(jì)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(zhì)數(shù)據(jù)來源于2019年7月、9月及12月在新田村項目進(jìn)水口及4個系統(tǒng)末端分別采樣送檢所得的實際水質(zhì)數(shù)據(jù)。組合人工濕地工藝對農(nóng)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(nóng)村生活污水冬季進(jìn)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(nóng)村生活污水具有較好的處理效果，各項水質(zhì)指標(biāo)出水均達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》 (GB 18918—2002) 的一級A標(biāo)準(zhǔn)，其對COD、BOD5、NH3-N、TP及SS的平均去除率分別達(dá)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(hù)3個村子，則本項目人工費約為1.2萬元/年。

(2)維護(hù)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(bǔ)種、構(gòu)筑物的修繕及其他設(shè)施的維護(hù)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(jīng)計算后年運行費用僅約為0.54元/m3，與傳統(tǒng)工藝1.14～1.30元/m3水處理費用相比[16]，運行費用優(yōu)勢明顯。

5.3 效益分析

本工程系統(tǒng)能耗低、運行成本少、維護(hù)簡單(無用電設(shè)備，僅需對系統(tǒng)內(nèi)的水面垃圾打撈、對濕地中的水生植物生長狀況進(jìn)行察看、出現(xiàn)死亡或病蟲害狀況及時解決)。每年可產(chǎn)生37 230 m3的清水，可用于灌溉、養(yǎng)殖、果樹種植，按照目前樂平地區(qū)灌溉用水0.1元/m3計，則每年可節(jié)約3 723元。實現(xiàn)了環(huán)境治理產(chǎn)業(yè)由“輸血型”向“造血型”的轉(zhuǎn)變方面的經(jīng)濟(jì)效益。

本工程的實施對改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量、提升城鄉(xiāng)景觀環(huán)境、保障水資源安全、構(gòu)建生態(tài)城市方面具有顯著的環(huán)境效益；對創(chuàng)建生態(tài)鄉(xiāng)村、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟ㄔO(shè)發(fā)展、治污生態(tài)示范、打造生態(tài)旅游品牌方面具有顯著的的社會效益。

6 結(jié)論

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