组合人工湿地技术在农村生活污水治理中的应用

闫 龙，王 蓉

(上海太和水环境科技发展股份有限公司，上海 200433)

农村生活污水具有旱季流量小、难收集，雨季流量大、浓度低、可生化性差，污染物成分简单等排放特点[1-4]，导致其处理难度较大、成本较高。传统的人工湿地技术，主要利用挺水植物和填料对污水中的污染物进行吸收、过滤和分解[5-6]，但其存在占地面积较大、出水水质不稳定、填料易堵塞，寿命较短的缺点[7-8]。因此，如何寻找一种快速解决农村生活污水问题，且运行效果显著、景观优美、成本较低的技术迫在眉睫。

组合人工湿地技术依托生物处理和生态重建的组合工艺，采用“食藻虫引导的水体生态修复技术”[9-11]，利用沉水植物替代传统的砾石、人工水草等填料，辅以强化预处理措施(如化粪池等)，针对项目的具体特点，因地制宜，充分利用地势较低的现有塘体或闲置土地(新开挖塘体)，无需动力提升，达到恢复村落塘体自净功能，实现汇流入塘的农村生活污水净化，打造花园式零能耗的农村生活污水处理系统。具有净化效率高、景观优美、零能耗、运营成本低、可持续发展等优点。

因此，本文以江西省乐平市后港镇新田村为研究对象，通过组合人工湿地技术对农村生活污水的治理效果和后期运行成本进行分析，以求为我国农村生活污水的治理寻找新的出路，为“绿水青山”的中国梦略尽绵薄之力。

1 工程概况

项目位于江西省乐平市后港镇新田村，为乐平市磻溪水和官口水库饮用水源周边8个村生活污水治理设施及配套管网工程之一。

当地属亚热带湿润性季风气候区，冷暖交替，温暖湿润，雨量充沛，四季分明。年平均气温为18.3 ℃，最热月份为7月，月均温为29.5 ℃，极端最低温为-9.1 ℃；年平均降水量为1 672.3 mm；年蒸发量为1 220.7 mm；年平均日照为1 766.3 h。

针对新田村的现状，本工程充分利用农村闲置土地，以“生化预处理+生态深度净化”为主体工艺，构建组合生化池、植物碎石床、多功能接触氧化塘、沉水涵养塘四级净化系统，实现农村污水的深度净化。

2 设计水量及水质

农村生活污水处理设施规模按照农村生活用水量、服务人口、综合排放系数和污水收集率进行计算，如式(1)。

Qw=n×q×z×η÷1 000

(1)

其中：Qw——污水处理规模，m3/d；

q——农村居民生活用水量，L/(人·d)；

n——服务人口数量，按服务区范围内的常住人口计算；

z——综合排放系数，取75%～90%；

η——污水收集率，取0.8。

本工程新田村设计人口为850人，人均用水取150 L/(人·d)，数据来自于《中南地区农村生活污水处理技术指南》(试行)住建部2010年9月农村居民生活用水量经济条件好的地区日用水量的参考值。此外，充分考虑未来10年内实际发展需要和节假日人流用水高峰时期余量，本项目设计变化系数取值1.25，因此，设计污水流量为102 m3/d。

为有效净化处理本项目所含村庄的农村生活污水，减缓农村区域地表水体污染及水体富营养化现象，本项目设计进水水质数据来源于同类项目的运行参数，终端出水主要水质指标执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准[12]，如表1所示。

表1 设计进、出水水质Tab.1 Design Water Quality of Influent and Effluent

3 工艺流程

基于新田村生活污水水量小、水质不稳定的特点及项目周边的地势、地形、交通环境，本项目依托于“生物处理和生态重建的组合工艺”，利用项目区块的地形优势，打造“组合生化系统+植物碎石过滤床+多功能自然接触氧化塘+沉水涵养塘”的多级生态修复系统。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，进行生物脱氮除磷，同时去除BOD5、COD、SS等污染物。一方面，提升农村生活污水水质，使其达到《城市污水处理厂污染物排放标准》一级A标准(GB 18918—2002)；另一方面，可改善农村坑塘景观，与乡村现有良好生态环境充分结合，打造“花园式无动力污水深度净化系统”。

图1 工艺流程图Fig.1 Process Flow Chart

4 主要构筑物及设计参数

4.1 组合生化池

组合生化池采用“地埋式+顶盖封闭”结构，单一池体组合了格栅、调沉池、厌氧池3种功能，以降低占地面积及建设成本。该工艺拦截水体中的杂物，均置水量水质，通过厌氧生物处理作用，将废水中各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质，同时仅产生少量污泥。并通过不同微生物的代谢过程相互影响，相互制约，形成了复杂的生态系统，提供稳定的预处理能力，确保后续构筑物的处理效果，降低养护需求。图2为组合生化池剖面图。

图2 组合生化池剖面图Fig.2 Sectional View of Combined Biochemical Treatment Pool

(1)格栅井

生活污水经管道流至格栅井，格栅井为组合生化池的第一道工艺构筑物，其作用是拦截污水中如树叶、塑料袋等大块的物质，避免生活垃圾进入生化预处理系统，保障后续处理工艺的安全和效率。

格栅井的设计规格为L×B×H=1.7 m×1 m×1.6 m，有效容积为2.72 m3，水力停留时间为0.64 h。

(2)调节沉砂池

调节沉砂池作用是初步沉降、分离，调节均衡水质，为下一道工序做铺垫。其设计规格为L×B×H=5.4 m×2.4 m×2.6 m，有效容积为33.7 m3，水力停留时间为7.93 h。

本系统每天产生污泥约10.2 kg，其相对整个调节沉砂池的容积较小，因此，每年仅需1次清泥。清理出的污泥，一部分作为污水处理系统周边的绿化使用；一部分运输至沉水涵养塘，作为沉水植物的肥料使用，通过沉水植物发达的根系，吸收氮磷营养盐，固封污泥。

(3)厌氧池

厌氧池为砖混结构，其设计规格为L×B×H=5.4 m×4.6 m×2.6 m，有效容积为64.58 m3，水力停留时间为15.2 h。

生活污水在厌氧池中，通过厌氧/兼氧微生物的作用，将污水中各种复杂有机物分解转化成甲烷和二氧化碳等物质，同时释放能量。降低后续结构处理的污染负荷，提高后续构筑物的处理效果。

4.2 植物碎石过滤床

植物碎石过滤床紧接组合生化池，其设计规格为L×B×H=14 m×6 m×1.85 m，有效面积为84 m2，表面水力负荷为1.21 m3/(m2·d)。主体框架结构为砖混，内部结构由下而上依次为自然黏土垫层、防渗膜、层厚300 mm细沙保护层、层厚800 mm锁磷填料、层厚200 mm种植土层、挺水植物。基质填料：采用级配填料：锁磷填料(粒径为8～20 mm，火山岩磷的理论饱和吸附量为1.172 mg/g[13])、细砂砾填料(3～6 mm)。挺水植物主要选择风车草、美人蕉、花叶芦竹等适应能力强、根系发达、对氮磷等营养盐吸收效果好的挺水植物，同时，底部进行防渗处理。图3为碎石过滤床剖面图。

图3 碎石过滤床剖面图Fig.3 Profile of Gravel Filter Bed

植物碎石过滤床紧接组合生化池。该工艺经过挺水植物优选、间隔设置含氧区域以及基质材料选择配置，保障了反硝化碳源，实现了微生物与基质协同脱氮除磷[14]。并通过运行方式控制、结构优化以及生物投加槽等手段，解决了人工湿地系统普遍存在脱氮能力季节性差异和堵塞等问题[15]。实现低成本、轻养护、高效果的设计需求。

4.3 多功能自然接触氧化塘

多功能氧化塘是一种由柔性生物载体、浮体或浮床以及水生植物构成的可移动式、不堵塞型湿地。利用微生物-植物联动作用实现来水污染负荷的进一步削减。充分遵循净化效率高、经济效益好、维护管理简单的设计原则，优选根系发达的水生植物。通过氧化塘的自然增氧、系统硝化、植物及其根系附着微生物群落作用，吸收NH3-N、沉砂沉淀、生态截留、削减COD和BOD5等。图4为多功能接触氧化塘剖面图。

纤维填料形成生物净化膜，且填料由内而外紧密到疏松的特殊编织，使得材料本身具备由内而外的厌氧、兼氧、好氧的微AO环境，可同时承载大量的硝化菌和反硝化菌，具备同步硝化反硝化功能，对氮磷的去除力增强。借助水体的流动性及强降雨期的雨水冲刷，实现“脱膜换膜”，新陈代谢良好，使得微生物常保活力。

多功能氧化塘有效面积为276 m2，表面水力负荷为0.37 m3/(m2·d)。底部为开挖后稻田土底质，采用素土回填夯实；沿岸2 m内设置为生态自然缓坡，种植挺水植物护坡；植物配置包括漂浮植物(大薸、狐尾藻)、浮叶植物(睡莲)及挺水植物(美人蕉+鸢尾+菖蒲)；其他材料为生物飘带(人工水草)及配套固定网绳、网兜。

图4 多功能接触氧化塘剖面图Fig.4 Profile of Multi-Functional Contact Oxidation Pond

4.4 沉水涵养塘

沉水涵养塘主要是采用“食藻虫引导水生态系统构建技术”，该技术以驯化后的大型枝角类浮游动物“食藻虫”提升水体透明度，搭配改良后的沉水植被“四季常绿矮型苦草”及其他沉水植物，辅以鱼虾螺贝等水生动物，通过虫控藻，鱼食虫等模式打通食物链，构建“食藻虫-水下森林-水生动物-微生物群落”共生体系，恢复“草型清水态”自净系统，在实现水质净化的同时，把水体打造成集休闲、娱乐、人文于一体的“水清气净的生态景观”水体。区别于传统人工湿地，它不仅可以有效净化水质，而且不堵塞、使用寿命长、成本低。图5为沉水涵养塘剖面图。

图5 沉水涵养塘剖面图Fig.5 Profile of Submerged Plant Conservation Pond

沉水涵养塘有效面积为1 400 m2，表面水力负荷为0.073 m3/(m2·d)。植物配置包括沉水植物(四季常绿矮型苦草、小茨藻)以及浮叶植物(睡莲)；动物配置包括黑鱼、青虾、环棱螺、河蚌等水生动物；浮游动物为食藻虫；微生物为有益微生物菌群。

5 技术经济分析

5.1 运行效果分析

本工程于2019年4月建成，2019年6月正式投入使用。分析所用水质数据来源于2019年7月、9月及12月在新田村项目进水口及4个系统末端分别采样送检所得的实际水质数据。组合人工湿地工艺对农村生活污水的处理效果如图6 所示。

图6 组合工艺的运行效果Fig.6 Operation Effect of Combined Process

由图6 可知，新田村农村生活污水冬季进水浓度高于夏、秋季，组合生化池冬季效果相对较差。组合工艺对农村生活污水具有较好的处理效果，各项水质指标出水均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918—2002) 的一级A标准，其对COD、BOD5、NH3-N、TP及SS的平均去除率分别达到81.45%、91.77%、94.38%、80.44%及94.89%。

5.2 运行成本分析

(1)人工费。每个人工可维护3个村子，则本项目人工费约为1.2万元/年。

(2)维护修缮费。包括组合生化池药剂投加费及在运行过程中的植物补种、构筑物的修缮及其他设施的维护费用，约为0.8万元/年。 组合工艺合计运行成本为2万元/年。经计算后年运行费用仅约为0.54元/m3，与传统工艺1.14～1.30元/m3水处理费用相比[16]，运行费用优势明显。

5.3 效益分析

本工程系统能耗低、运行成本少、维护简单(无用电设备，仅需对系统内的水面垃圾打捞、对湿地中的水生植物生长状况进行察看、出现死亡或病虫害状况及时解决)。每年可产生37 230 m3的清水，可用于灌溉、养殖、果树种植，按照目前乐平地区灌溉用水0.1元/m3计，则每年可节约3 723元。实现了环境治理产业由“输血型”向“造血型”的转变方面的经济效益。

本工程的实施对改善区域水环境质量、提升城乡景观环境、保障水资源安全、构建生态城市方面具有显著的环境效益；对创建生态乡村、促进当地建设发展、治污生态示范、打造生态旅游品牌方面具有显著的的社会效益。

6 结论

采用组合人工湿地工艺处理农村生活污水，具有效果良好、运行稳定的特点，其对COD、BOD5、NH3-N、TP及SS的平均去除率分别达到81.45%、91.77%、94.38%、80.44%及94.89%。出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002) 的一级A标准。