“厌氧+人工湿地”在粤北农村生活污水处理工程上的应用

刘晓永，吴启堂，曹姝文

(1.华南农业大学，广东 广州 510642；2.广州市环境保护工程设计院有限公司，广东 广州 510115)

粤北区域受制于崇山峻岭，社会经济发展水平稍落后于珠三角地区，而近年来粤北东源县经济快速发展，人民生活水平不断提高，农村人居生态环境恶化，其中农村生活污水问题成为农村环境问题的核心，民众迫切要求改变农村环境，改变农村环境基础设施严重滞后、生活污水污染严重等问题。为响应党的十九大“乡村振兴战略”的要求[1]，落实广东省环境保护“十三五”规划的要求[2]，本着早治理早受益的原则，推进粤北农村污水综合整治是一件迫在眉睫的大事。

选择适当的污水处理技术是农村生活污水处理的关键。针对农村生活污水排放分散、来源广、总量巨大，逐年增加且水质水量波动大的特点[3- 5]，以及农村地区经济基础薄弱、从业人员水平和管理水平较低的现状，需选择能够满足达标排放且经济适用、运行简便、维护管理简单的处理工艺[6]。与传统污水处理工艺相比，人工湿地技术因其基建投资费及运行费低，运行操作简便，耐冲击负荷能力强，去除能力强等特点，近年来在华南农村地区倍受欢迎[7]。一些学者采用人工湿地工艺结合厌氧水解等多种方式来进行农村生活污水的处理[8- 10]。基于东源县各乡镇农村实际情况，笔者认为“厌氧+人工湿地(水平潜流+垂直流)+微动力”组合工艺较为适合于粤北农村污水处理，方法实用有效。

1 项目概况

1.1 项目基本情况

东源县整县推进城乡环境综合整治项目，总投资规模约5.1亿，项目位于东源县辖区范围内，包括ST镇在内的21个乡镇，服务人口约43万。

通过调研，综合考虑当地地形条件、人口聚居情况等，结合项目可行性报告以及当地环保局针对项目的批文要求，选取以行政村为基本单位进行“村组级”[11]“分散式”[5，12- 13]处理模式。以DY村为例，DY村是东源县ST镇下辖的行政村，户籍人口为2210人，服务范围的常住人口数约为450人。

1.2 DY村污水站设计规模确定

根据实际情况，依据GB50282—2016《城市给水工程规划规范》及GB50318—2017《城市排水工程规划规范》，本项目宜采用分类用水指标法及单位人口综合用水量指标法，对东源县村组级生活污水处理设施处理规模进行预测。

1.2.1分类水量预测法

根据《广东省用水定额》规定，珠三角以外地区的农村居民用水定额为140L/(人·d)，根据《东南地区农村生活污水处理技术指南(试行)》(中华人民共和国住房和城乡建设部发布)中规定，DY村所属类型农村居民日用水量为90～130L/(人·d)，考虑到经济发展水平和用水量现状，对水量预测指标选为120L/(人·d)。

根据《农村生活污水处理项目建设与投资指南》(环境保护部发布)规定，农村生活污水排放量应按生活用水量的80%～90%计算，根据东源县ST镇DY村的实际情况，生活污水排放量按生活污水用量的85%计算。

根据项目要求，污水收集率需达到80%以上。

DY村污水处理站服务范围的常住人口为450人，因此污水处理设施规模至少应达到：

Q=0.120×450×85%×80%=36.8m3/d

1.2.2单位人口综合用水量指标法

根据项目可行性报告引用的《广东省农村环境综合整治技术指引》(广东省环境保护厅，2016年4月)以下简称《指引技术》，农村生活污水常采用“人均综合用水量”法。

计算公式如下：

污水处理量=人均综合用水量×人口数×综合排放系数×(1+地下水渗入系数)

(1)

(1)人均综合用水量指标

根据《指引技术》，对于经济条件一般，有简单的室内卫生设施地区：平均日人均用水量指标为80～100L/(人·d)，根据东源县实际情况，参考广东省相近地区农村的用水情况，东源县农村平均日人均综合用水量指标取值90L/(人·d)。

(2)污水排放系数

根据GB50014—2016《室外排水设计规范》相关规定，居民生活污水定额和综合生活污水定额应根据当地采用的用水定额，结合建筑内部给排水设施水平和排水系统普及程度等因素确定，可按当地相关用水定额的80%～90%确定。

根据《指引技术》相关规定，居住较为集中、卫生设施与排水管网相对完善的村庄，生活污水排放量一般为总用水量的70%～80%。

根据GB50318—2017相关规定，当规划城市供水量、排水量统计分析资料缺乏时，城市分类污水排放系数可根据城市居住、公共设施和分类工业用地的布局，综合考虑该项目实地情况，确定污水排放系数取值0.8。

公式(1)中人口数目可行性报告注明原则上按常住人口考虑，东源县农村平均日人均综合用水量指标取值100L/(人·d)。根据政府提供人口统计可知ST镇DY村污水处理站服务范围常住人口数为450人。

污水量=0.10×450×0.8×(1+0.1)=35.6m3/d

1.3 污水站规模确定

根据上述两种方法预测污水量的结果相近，根据项目可行性报告，结合区域实际情况，并考虑到经济发展水平和用水量现状，最终确定ST镇DY村污水处理设计污水量取40m3/d。

1.4 村级污水处理站工艺比选

根据调查，目前在广东农村生活污水处理项目常用的处理单元主要有调节水解池、人工湿地、稳定塘等[14- 15]，常用的村镇生活污水处理技术有生物滤池法、人工湿地法、土地处理法等[16]。但是，单一处理单元往往无法满足实际需求，为适应广东省农村生活污水处理实际情况，通过现场调研和分析总结，选取以下污水处理技术作为工艺比选。

1.4.1调节水解+人工湿地[17]

工艺流程如下：

1.4.2调节水解+稳定塘

工艺流程如下：

工程位于广州增城市中新镇坑贝村，该村设两个污水处理站点，服务总人口600人，设计处理水量120m3/d。

污水均采用管道收集，建设主管长约1518m，支管长约500m，污水处理后排入邻近水渠或水塘，占地面积约520m2。

污水处理后主要污染物达到一级排放浓度，进出水水质见表1。

表1 中新镇坑贝村生活污水处理厂进出水水质

1.4.3调节水解+人工湿地+稳定塘[18]

工艺流程如下：

该技术优点：投资费用省，运行费用低，维护管理简便，出水水质较好，植物可以美化环境。缺点：污染负荷较低，占地面积较大。

工程位于花东镇李溪村，服务人口约5770人，设计处理规模为700m3/d，人工湿地3个，占地面积共1500m2。

污水处理后出水主要污染物指标达到一级排放浓度，进出水水质见表2。

表2 花都区花东镇李溪村生活污水处理厂进出水水质

1.4.4一体化污水处理设备

一体化成套技术是近年来比较新兴的技术，其具有抗冲击负荷能力强、占地小、低能耗、出水水质稳定、便于完成自动控制等优点，对农村生活污水的处理起到重要作用[19- 20]。

工艺流程如下：

该技术具有占地极少、效率高、有机剩余污泥排放极少的特点，目前已经在多个乡、镇、村污水处理项目中运用，并取得良好效果。该技术在2013年获得中国环境保护产业协会和广东省环境保护产业协会的推荐，适用于生活污水处理领域。

工程为惠来县溪西镇溪南村生活污水处理项目。

1.4.5复合生物滤池+活性生物滤床

工艺流程如下：

该工艺采用自然通风，不需曝气，仅需一次水力提升，吨水能耗低。

1.4.6调节水解+人工湿地沉箱式生物处理系统+组合式人工湿地

该技术可广泛适用于水量较小、变化较大的农村典型生活污水处理以及黑臭河道原位治理等方面。

优点：①具有非常好的高效微生物再生、孵化和缓释、扩散功能，可以起到长期的除黑、除臭和水质清洁效果。一次添加和固定高效微生物后，一般不需要再次或多次添加。②管理和维护方便，不需要反冲洗。③投资省、运行费用低，应用范围广。

1.4.7调节水解+人工湿地

工艺流程如下：

该技术在保留了常规地下渗滤技术环境和景观效果好、运行和管理费用很低、维护简便等优点的同时，日处理1m3生活污水的地下渗滤面积仅需1.2m2，并且提高了其脱氮除磷效果和气候(低温)适应性，是一项建得起、用得起、效果好、可持续的村镇和各种生活园区污水处理新技术。

高负荷地下渗滤污水处理复合技术工艺包括预处理(格栅槽、沉淀池、厌氧池和调节池)、高负荷地下渗滤和深度处理三个单元，其工艺流程如上图所示，其中的深度处理单元可以单独建设，也可置于高负荷地下渗滤系统的下方。

1.5 DY村污水处理站工艺确定

根据实地调研情况，ST镇DY村布局分散、人口规模较小、地形条件复杂、污水不易集中收集，采用造价低，地形要求低，后期维护费用低的“厌氧+人工湿地(水平潜流+垂直流)+微动力”工艺。该工艺能满足处理的要求，投资费用省，运行费用低，维护管理简便，出水水质较好的优点[20]。污水处理工艺流程如图1所示。

图1 污水处理工艺流程图

污水经管网收集，流经格栅去除污水中较大尺寸的漂浮物及大颗粒固体，污水自流进入调节池中均匀水质水量，通过提升泵进入沉砂池去除污水中的颗粒物泥砂。人工格栅可人工提出地面上，栅渣及泥砂均由人工定期清运处理。

污水经过沉砂池进入厌氧池进行厌氧发酵，增加污水的可生化性；厌氧池出水进入“水平潜流+垂直流”两级人工湿地，人工湿地经适当的场地布置和植物搭配，建设成为湿地公园的形式，利用湿地植物、湿地基质以及湿地布气管的共同作用，去除污水中的如氮、磷、COD等，同时可以达到美化环境的功能，该工艺已有郁南县的成功应用经验，技术成熟可靠。

人工湿地出水采用现场投加固体氯片进行接触溶解消毒，消毒后排入受纳水体。

厌氧池多余的污泥定期抽吸外运至附近镇区有污泥处理能力的污水处理厂进行处理。

1.6 进出水水质确定

1.6.1进水水质

根据项目可行性报告中引用的《技术指引》，农村生活污水水质最好以实测值为基础分析确定，在无实测资料时，可参考见表3。

表3 广东省农村地区生活污水进水水质参考值

根据粤东西北其他农村监测数据，结合东源县地区特点，确定本项目各村污水处理站进水水质见表4。

表4 东源县村级污水处理站进水水质

1.6.2出水水质

根据项目可行性报告，对于农村生活污水处理设施出水水质，污水排放标准应因地制宜，根据受纳水体功能和当地的环境容量确认排放标准。出水标准参照广东省住房和城乡建设厅等部门印发的《加快推进粤东西北地区新一轮生活垃圾和污水处理基础设施建设实施方案》(粤建城[2015]242号)相关指引，村级污水站出水执行GB18918《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。同时根据不同的用途，参考GB5084《农田灌溉水质标准》。具体的执行标准见表5。

表5 东源县村级污水处理站出水水质

注：pH无量纲。

1.7 项目基本建设情况

DY村建1个农村污水处理工程，总设计处理能力约40m3/d，设计污水干管DN300，管长约505m；设计污水接户干管De200，管长约481m；新增接户支管De110接入新建入户小方井有效处理，按每户9m进行预留(共298户)，管长约2682m。对于管网收集不到的居住片区，就近排水到渠、排水到塘，增加化粪池等形式进行有效处理。

DY村生活污水处理工程量汇总见表6。

表6 DY村生活污水处理工程量汇总表

图2 DY村生活污水处理工艺高程图

2 工程设计

根据HJ2005—2010《人工湿地污水处理工程技术规范》标准，结合实地调研情况，进行设计。根据DY村污水处理站(40m3/d)管网设计，确定进水标高定为-1.50m(以国家高程117.5m为±0.00m)。DY村生活污水处理工艺高程图如图2所示。

格栅池。1座，钢砼结构，半地埋，尺寸为3.0m×0.8m×2.2m。同时设置人工格栅1套(栅间间距5目，宽600mm)。

调节池。1座，钢砼结构，半地埋，尺寸为3.0m×4.5m×3.2m，有效水深1.4m，停留时间9.0h。同时设置潜水泵2台(一用一备)，流量3m3/h，扬程5m，功率0.18kW；浮球式液位计1套，测量范围0～4m；转子流量计1套，塑料材质，测量范围0.6～6m3/h；格栅网1套(栅间间距5目，宽800mm)。

沉砂池。1座，钢砼结构，地上，尺寸为3.0m×0.8m×1.4m。

厌氧池。1座，钢砼结构，半地埋，尺寸为3.0m×2.3m×4.0m，有效水深3.5m，有效容积19.1m3，停留时间11.5h。同时设置：组合填料1套(Φ150mm，7.6m3)填料支架1套。

人工湿地。1座，钢砼结构，半地埋，尺寸为6.8m×15.1m×1.4m，水力负荷0.50m3/m2/d，有效面积79.4m2，种植植物选择当地常见物种：菖蒲(9～12株/m2)、红、黄花美人蕉(9～12株/m2)、千屈菜(16～25株/m2)、风车草(25～35株/m2)、金鱼藻(3～9株/m2)。同时设置：布水集水系统1套(PVC-U排水材质)，通气系统1套(PVC-U排水材质)。

排水口。1座，钢砼结构，半地埋，尺寸为6.8m×0.9m×1.7m。同时设置：巴歇尔计量槽1套(喉宽25mm，流量0.3～19.4m3/h)，超声波明渠流量计1套，与巴歇尔计量槽配套。

3 运营维护

3.1 调试

工程完工后进行清水实验，按照要求开启相应运行设备，进行调试。待湿地植物根系扎稳，再将农村污水引入，经过一段时间的调试，出水水质稳定达标时，此农污站即处于动态平衡，调试结束，可以正常运行。

3.2 后勤维护

定期对栅渣、沉砂进行外运清理，定期对厌氧池污泥抽吸外运清理，人工湿地的植物定期进行杀虫、修剪、清理等，根据需要在排放口添加氯片进行消毒处理。

3.3 效益分析

(1)生态效益。“厌氧+人工湿地(水平潜流+垂直流)+微动力”工艺已有郁南县的成功应用经验，技术成熟可靠，在有效处理农污的同时达到美化环境的目的。

(2)环境效益。人工湿地(水平潜流+垂直流)稳定运行后，对DY村农污消减量为2014.9～3117.1kg/a，其中对COD、BOD5、SS、氨氮和TP的消减量分别为1022、730、1168、73～175.2、21.9kg/a。

(3)示范效应。随着DY村农污站的建立，能够有效辐射周边乡村、镇，势必对当地影响产生积极影响，进一步在华南地区推广“厌氧+人工湿地(水平潜流+垂直流)+微动力”处理村组级农污经验。

4 结论

(1)采用“厌氧+人工湿地(水平潜流+垂直流)+微动力”的组合工艺处理粤北地区东源县农村污水，选取村组级分散式处理模式，设计村组级农村污水处理能力40m3/d，出水水质略优于GB18918中的一级B标准，对BOD5、COD、氨氮、TN、TP和SS的去除率分别为53.8%、71.4%、80%、25%～60%、60%。

(2)采用“厌氧+人工湿地(水平潜流+垂直流)+微动力”的组合工艺既能达到水质处理要求，又具有能耗低、维护和管理方便、费用低等优点，是一种适宜于粤北农村生活污水的处理工艺。