柳樹凈化農村生活污水系統的設計與應用

毛宇峰等

摘要：設計了一種適用于處理農村分散型生活污水的生態凈化系統，主要由沉淀/厭氧、柳樹/土壤兩個處理單元構成。其特征在于，一級處理過程是梯級沉淀與厭氧消化同時進行，沉淀池在起到調節水量作用的同時，于停留期內形成厭氧反應，利用微生物生命過程中的代謝活動，將有機物分解轉化為簡單的無機物，使其轉化成小分子有機酸、

關鍵詞：農村生活污水；生態凈化；柳樹；無動力

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）02-0426-04

Design and Application of a Willow Purification System of Rural Sewage

MAO Yu-feng1，WANG Hai-yun1，DENG Jie1，HE Ke1，XIAO Yao2

（1.College of Hydraulic & Environmental Engineering， China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China；

2.Zigong Light Industry Design and Research Institute，Zigong 643000，Sichuan， China）

Abstract： A suitable ecological purification system was designed for dealing with hilly rural sewage， mainly consisted of two parts of precipitation-anaerobicand tree-soil. Its features were that the first process was the cascade of precipitation and simultaneous anaerobic digestion. The sedimentation basin could adjust water yield， and anaerobic reaction would happen in stay period meanwhile. Organics would be resolved into simple inorganics by microbial metabolic activity， and made into small molecular organic acids， CO2， H2， CH4 and so on. The second waste water treatment unit worked mainly by willow purification. Soil treatment and filtering could also help treat waste water. Organic matter in sewage could be absorbed， adsorbed， fixed and decomposed by the comprehensive effects of tree roots， soil and microbe. The TP， TN and COD of water would be greatly reduced. According to the model test， the willow purification system could greatly reduce the TP， TN and COD. The average removal rate of COD， TPand TN were 91.18%， 86.13% and 86.85%， respectively.

Key words： rural water pollution； ecological purification； willow； no power

據相關統計表明，全國農村每年產生生活污水約200億m3，絕大部分直接排放，嚴重污染了農村地區的水環境[1]。農村生活污水無害化處理是社會主義新農村建設的客觀要求，其處理方式必須符合經濟高效和簡便易行的原則。在這種情況下，污水生態處理技術、厭氧技術等由于能耗低、運行管理方便而逐漸被引起重視[2]。但以前的研究中像人工濕地一類的生態處理技術多側重于一年生或多年生草本植物，對多年生木本植物的研究相對較少，一年生或多年生草本植物對污染水體的短期凈化效果較好，但因其每年都要收割重植，對于一個長期的凈化過程來說，會在管理上帶來不便[3]。

柳樹用于生物修復的研究工作始于20世紀90年代，目前柳樹環保林的營建與應用已在歐洲和美洲大陸逐步盛行。柳樹可以對重金屬污染、有機物污染、水體富營養化進行修復，用于土壤污染、水體污染、大氣污染的生物修復[4]。因柳樹適應性強，耐水濕，生長速度快，消耗營養多，并且其為木本植物，積累性強，所以，探索柳樹對農村污水水質凈化的效果很有意義。

1 工藝流程與凈化系統設計

1.1 工藝流程設計

當前，農村污水處理技術主要是生態處理技術、生物處理技術及膜生物技術。其中，生態處理技術包括土地處理技術、穩定塘技術和蚯蚓生態濾池技術；生物處理技術包括厭氧生物技術和好氧生物技術[2]。近年來國外的研究表明，柳樹顯示出了植被濾器的優良特性：除了高的生物量生產力之外，還包括有效的元素吸收、高的蒸騰速率以及較強的重金屬吸收能力[5]。

參考現有農村生活污水處理技術的優缺點[6，7]，考慮柳樹高效的生物修復作用和農村污水處理經濟高效、簡便易行的原則，本設計采用生物-生態組合技術來處理農村污水。其中，生物技術采用厭氧生物技術[8]，生態技術采用柳樹凈化技術[3-5]為主和土地處理技術[9]為輔的綜合處理技術。為了將每個必要的污水處理工藝環節進行簡化合并，特設計了以下污水處理工藝流程，其工藝流程圖如圖1所示。

1.2 凈化系統設計

1.2.1 污水預處理單元設計 參考現代污水三級處理技術，其一級處理主要是設調節池、沉沙池，考慮農村污水水質差、水量波動大這一設計背景，調節池和沉沙池的設置也是客觀必要的。調節池的主要作用是提供對污水處理的緩沖能力，調節污水水量負荷、pH、水溫和水質。沉沙池的作用是去除污水中密度較大的固體懸浮顆粒，同時可去除部分BOD5（生化需氧量），可改善生物處理構筑物運行條件并降低其BOD5負荷。而二級處理一般設曝氣池、氧化溝和生物濾池等，考慮本凈化系統是為了更有效地降低污水COD（化學需氧量）、氮磷含量，所以設置一個厭氧反應池作預處理是比較合適的[10]。因為厭氧處理是利用厭氧菌的作用，分解糖、氨基酸和有機酸形成小分子有機物，使廢水中溶解性有機物顯著提高，通過厭氧處理后，COD和SS（固體懸浮物濃度）去除率高，同時可生化性提高，有利于后續的好氧處理。而對于脫氮除磷，厭氧過程也是必不可少的環節。

為了提高污水處理效率，節約經濟成本，本設計需將傳統污水一級處理過程和二級處理過程結合起來作為本凈化系統的預處理單元并放在同一污水凈化構筑物當中，所以此污水處理構筑物是集調節池、沉淀池和厭氧池三者功能于一體的，因此本處理單元的設計要綜合考慮適當的污水收納量、高效的沉淀反應和密閉的反應環境3個因素。

1.2.2 污水主體處理單元設計 研究表明，柳樹適應性強，生物量大，生長速度快，耐水濕，可以吸收各種污染物。一方面，柳樹通過根系吸收土壤及廢水中的水分和N、P等營養元素，作為構造植物體所需物質，一些非柳樹生長必需物質如金屬離子和部分有機物也可以隨柳樹體蒸騰拉力被植物吸收并積累。通過這一過程可以去除廢水中大量的營養型污染物和部分有機物。另一方面，根際土壤由于土質疏松及柳樹根系的傳導作用，具有充分的氧氣，同時根系所分泌的酶、氨基酸等為微生物的生存提供了必要的養分，因此為污染物的微生物降解提供了有利條件。根系分泌物中的酶還可以為廢水中污染物的轉化與固定提供催化機制，加速其降解及固定速率。另外，參考污水的土地處理技術[11]，土壤的過濾、截留、滲透、物理吸附、化學吸附、化學分解、中和、揮發、生物氧化以及微生物的攝取等過程均能有效地凈化污水。所以，柳樹/土壤協同綜合處理污水在理論上是可行的。

為了保證出水質量和土壤層的穩定性以及進一步提高污染物的去除效率，傳統污水三級處理過程，需在土壤層下設沙濾層，進行厭氧微生物掛膜，這樣污水流過填料層時不僅能進行物理過濾，而且污水中的有機物能被厭氧微生物截留、吸附及代謝分解。

綜上所述，污水主體處理單元的構筑物是集柳樹植物處理、土壤處理、厭氧生物濾池為一體的綜合處理構筑物。

1.3 污水凈化系統模型設計

為了更準確地詮釋本污水凈化系統設計，現給出如下設計模型裝置示意圖（圖2、圖3）。

柳樹凈化農村生活污水處理系統，包括沉淀/生物厭氧處理系統和柳樹/土壤綜合處理系統。沉淀/生物厭氧處理系統包括第一反應池，第一反應池頂部設有密封蓋板；柳樹/土壤綜合處理系統包括第二反應池，第二反應池從上至下依次設有土壤層和過濾層，土壤層種植有柳樹，第一反應池相對第二反應池位于地勢高位。第一反應池內部設有隔板。柳樹的根系位于土壤層與過濾層的交界處。過濾層從上至下由細沙層、細卵石層、粗卵石層構成。第二反應池連接有出水管，出水管設有閘閥。

本污水處理系統的運行過程為：生活污水經污水管網收集后由一根主管道進入沉淀/生物厭氧處理單元，在該系統中會對污水進行兩方面的處理。一方面，第一反應池中設有兩面擋水隔板，污水會在隔板頂部溢流，所以污水會經過三級沉淀處理從而去除較大的顆粒物和泥沙后讓上清液進入柳樹/土壤綜合處理單元，并同時調節水質水量。另一方面，頂部的密封蓋板會讓第一反應池處在缺氧的環境中，污水通過厭氧消化作用將高分子難降解的有機物轉變為低分子易被降解的有機物，脫氮，促進磷的釋放并提高BOD/COD的比值，為二級處理創造有利條件。在污水進入柳樹/土壤綜合處理系統和污水滲入柳樹根系和土壤層后，既可以滿足植物對水分和養分的需求，同時通過柳樹根系對有機污染物的吸收與吸附又能降低污水中有機污染物的含量。利用土壤-微生物-柳樹構成的生態系統自我調控機制和對污染物的綜合凈化功能包括植物固定、微生物降解、硝化反硝化、吸收、氧化還原等多種作用實現污水自然凈化。最后在經過由第二反應池底部的過濾層過濾后，污水能夠得到有效凈化。池子尾部出水管上的閘閥用于調節柳樹/土壤綜合處理系統的水質水量，保證種植的柳樹不會因缺水或者污水有機負荷過高而影響正常生長。該模型的運行方法為持續通過污水收集管網進水，間歇式排水。

2 應用實例——某農村生活污水凈化系統

2.1 污水凈化系統服務區概況

2.2 凈化系統實體設計

1）場地選擇。選擇比住戶地勢低的地方，且存在一定的坡度。

3）污水處理系統的修建。修建水泥隔板與頂部蓋板，并注意反應池內部的防漏。池尾構建泄洪槽，底部的出水管安裝水閘，以便隨時調節二級處理池中的水質水量。

4）濾料的選擇。選擇當地的細沙與卵石，細卵石直徑為1～2 mm，粗卵石直徑為3～6 mm。細沙層厚8 cm，細卵石層厚15 cm，粗卵石層厚20 cm。

5）柳樹的選擇與培育。選擇當地的旱柳作為凈化污水的樹種，按株距1 m種植9棵柳樹均勻分布在二級處理池，該樹種生長代謝速度快，喜水，能快速凈化生活污水。樹的高度應在1 m以上且根系繁茂。由于農村生活污水排放無規律，為保證柳樹正常生長可通過調整出水閥來保證二級處理池中的水量與有機負荷。

2.3 凈化系統運行方案

由于農村污水排放無規律，特別是污水排放時間屬間歇排放，所以為了整個系統的每個環節正常運行，特別是柳樹和微生物的正常生長，整個系統通過池尾的出水閥門間歇式運行。

待移栽柳樹成活、微生物群落生長正常即模型運行穩定后開始本次試驗，按5、10、15、20 d的水力停留時間定期在進水口、沉淀/生物厭氧處理池和出水口取水樣，測定其pH、TP、TN和COD的數值并進行分析。

3 結果與討論

3.1 試驗結果

3.1.1 廢水中COD的變化 因為柳樹/土壤綜合處理單元中的生物降解起了關鍵性作用，種植的柳樹以及土壤中的微生物通過其快速的新陳代謝不斷吸附、吸收污水中的有機物，特別是柳樹生物量大，生長速度快。由圖5可知，污水經過柳樹凈化系統處理后，COD濃度逐級降低，尤其是經過柳樹/土壤綜合處理單元后顯著降低，COD平均去除率為91.18%。

3.1.2 廢水中總磷的變化 柳樹快速的新陳代謝需要大量的磷元素，對于低濃度的廢水柳樹根系的吸收同化作用是TP去除的主要途徑。由圖6可知，污水經過柳樹凈化系統處理后，TP濃度逐級降低，且隨著水力停留時間的增加TP的去除率越來越高，TP的平均去除率為86.13%。

3.1.3 廢水中總氮的變化 柳樹本身的生長需要氮素，其根系除了為微生物提供介質環境外，主要表現為對氮類有機污染物的吸收、利用和轉化。而根系周圍的微生物通過硝化與反硝化作用可促進柳樹對氮素的吸收與吸附。由圖7可知，污水經過柳樹凈化系統處理后，TN濃度逐級降低，其平均去除率為86.85%。

3.1.4 廢水pH的變化 由圖8可知，污水凈化模型各區的pH基本保持在中性范圍內，且水力停留時間在15 d內時，流經污水凈化模型污水的pH是逐級增大的，但過長的反應時間可能使得pH降低。本污水凈化系統可使污水在逐級降解過程中pH保持在正常的范圍內，且出水pH的平均值為7.34。

3.2 討論

參考文獻：

[1] 孫瑞敏.我國農村生活污水排水現狀分析[J].能源與環境，2010（5）：33-34，42.

[2] 龍 焙，余訓民，李慶新，等.新農村建設中生活污水處理研究綜述[J].科技創業月刊，2010（12）：179-180，182.

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[11] 孫 靜，郭 偉，李小寧，等.快速滲濾土地處理系統對城市生活污水中N、P去除的優化研究[J].城市環境與城市生態，2003，16（6）：32-33.

待移栽柳樹成活、微生物群落生長正常即模型運行穩定后開始本次試驗，按5、10、15、20 d的水力停留時間定期在進水口、沉淀/生物厭氧處理池和出水口取水樣，測定其pH、TP、TN和COD的數值并進行分析。

3 結果與討論

3.1 試驗結果

3.1.1 廢水中COD的變化 因為柳樹/土壤綜合處理單元中的生物降解起了關鍵性作用，種植的柳樹以及土壤中的微生物通過其快速的新陳代謝不斷吸附、吸收污水中的有機物，特別是柳樹生物量大，生長速度快。由圖5可知，污水經過柳樹凈化系統處理后，COD濃度逐級降低，尤其是經過柳樹/土壤綜合處理單元后顯著降低，COD平均去除率為91.18%。

3.1.2 廢水中總磷的變化 柳樹快速的新陳代謝需要大量的磷元素，對于低濃度的廢水柳樹根系的吸收同化作用是TP去除的主要途徑。由圖6可知，污水經過柳樹凈化系統處理后，TP濃度逐級降低，且隨著水力停留時間的增加TP的去除率越來越高，TP的平均去除率為86.13%。

3.1.3 廢水中總氮的變化 柳樹本身的生長需要氮素，其根系除了為微生物提供介質環境外，主要表現為對氮類有機污染物的吸收、利用和轉化。而根系周圍的微生物通過硝化與反硝化作用可促進柳樹對氮素的吸收與吸附。由圖7可知，污水經過柳樹凈化系統處理后，TN濃度逐級降低，其平均去除率為86.85%。

3.1.4 廢水pH的變化 由圖8可知，污水凈化模型各區的pH基本保持在中性范圍內，且水力停留時間在15 d內時，流經污水凈化模型污水的pH是逐級增大的，但過長的反應時間可能使得pH降低。本污水凈化系統可使污水在逐級降解過程中pH保持在正常的范圍內，且出水pH的平均值為7.34。

3.2 討論

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待移栽柳樹成活、微生物群落生長正常即模型運行穩定后開始本次試驗，按5、10、15、20 d的水力停留時間定期在進水口、沉淀/生物厭氧處理池和出水口取水樣，測定其pH、TP、TN和COD的數值并進行分析。

3 結果與討論

3.1 試驗結果

3.1.1 廢水中COD的變化 因為柳樹/土壤綜合處理單元中的生物降解起了關鍵性作用，種植的柳樹以及土壤中的微生物通過其快速的新陳代謝不斷吸附、吸收污水中的有機物，特別是柳樹生物量大，生長速度快。由圖5可知，污水經過柳樹凈化系統處理后，COD濃度逐級降低，尤其是經過柳樹/土壤綜合處理單元后顯著降低，COD平均去除率為91.18%。

3.1.2 廢水中總磷的變化 柳樹快速的新陳代謝需要大量的磷元素，對于低濃度的廢水柳樹根系的吸收同化作用是TP去除的主要途徑。由圖6可知，污水經過柳樹凈化系統處理后，TP濃度逐級降低，且隨著水力停留時間的增加TP的去除率越來越高，TP的平均去除率為86.13%。

3.1.3 廢水中總氮的變化 柳樹本身的生長需要氮素，其根系除了為微生物提供介質環境外，主要表現為對氮類有機污染物的吸收、利用和轉化。而根系周圍的微生物通過硝化與反硝化作用可促進柳樹對氮素的吸收與吸附。由圖7可知，污水經過柳樹凈化系統處理后，TN濃度逐級降低，其平均去除率為86.85%。

3.1.4 廢水pH的變化 由圖8可知，污水凈化模型各區的pH基本保持在中性范圍內，且水力停留時間在15 d內時，流經污水凈化模型污水的pH是逐級增大的，但過長的反應時間可能使得pH降低。本污水凈化系統可使污水在逐級降解過程中pH保持在正常的范圍內，且出水pH的平均值為7.34。

3.2 討論

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