強化預(yù)處理+人工濕地處理農(nóng)村污水技術(shù)分析

殷世強，郭一飛，朱新鋒，劉 盼，扶詠梅，譚水成

(1.河南城建學(xué)院市政與環(huán)境工程學(xué)院，河南平頂山467036;2.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001)

污水對農(nóng)村環(huán)境的污染已經(jīng)成為制約我國農(nóng)村環(huán)境綜合水平提高的重要因素［1］。對于城鎮(zhèn)化進程較快的中原地區(qū)，這一點表現(xiàn)的更為明顯。由于農(nóng)村污水的產(chǎn)生、匯集和消納途徑與城市污水差別較大，加之技術(shù)和經(jīng)濟原因，農(nóng)村污水的處理方式不同于城市污水處理。農(nóng)村污水水質(zhì)水量波動大，通常沒有完善的污水收集系統(tǒng)，同時農(nóng)村區(qū)域技術(shù)力量薄弱，資金缺乏，這造成了農(nóng)村污水處理困難。但農(nóng)村地區(qū)土地資源相對豐富，一些在城鎮(zhèn)污水處理中受土地限制的工藝，如人工濕地，其在農(nóng)村區(qū)域有廣闊的應(yīng)用空間。

人工濕地由于其一次投資小、運行成本低、效果穩(wěn)定、管理方便而在農(nóng)村污水處理工程中有廣泛應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的活性污泥法，人工濕地處理系統(tǒng)具有設(shè)備少、升級改造容易、易于創(chuàng)造景觀效果等優(yōu)點，這提升了人工濕地技術(shù)潛在的研究和應(yīng)用價值。本文結(jié)合河南省葉縣某村生活污水處理工程實例，探討了強化預(yù)處理+人工濕地技術(shù)在中原地區(qū)農(nóng)村污水處理過程中應(yīng)用的可行性和適用性。

1 工程背景

葉縣位于平頂山市南部，屬淮河流域華北平原西南邊緣地區(qū)，該縣地形平坦，氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14.9℃，冬季一月份平均溫度1.2℃。葉縣某村在2008年開始新農(nóng)村建設(shè)，建有簡易的排水管網(wǎng)，為雨污合流式，但是尚未建任何污水處理設(shè)施，若繼續(xù)無序排放勢，必對村莊生態(tài)環(huán)境造成破壞，造成局部水環(huán)境惡化。“十二五”期間，國家加強了對淮河流域水污染的控制，使得該村污水處理工程的實施更為必要。

該工程進水水質(zhì)按照常規(guī)鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水指標和村莊整治技術(shù)規(guī)范設(shè)計。考慮目前農(nóng)村用水量較小，該系統(tǒng)處理水量為160 m3/d，服務(wù)人口數(shù)1 200人。該村已有管網(wǎng)所收集的污水均為居民生活污水，可生化性較好。設(shè)計出水水質(zhì)標準為《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》(GB18918－2002)中一級B標準，設(shè)計進出水水質(zhì)見表1。

2 工藝流程分析

2.1 工藝選擇

人工濕地具有建設(shè)費用低、維護管理成本低、管理相對簡單的特點，這使得人工濕地與污水處理廠或集中式污水處理設(shè)備相比在農(nóng)村環(huán)境條件下的推廣和應(yīng)用更具有優(yōu)勢。根據(jù)污水在人工濕地中流態(tài)可將人工濕地分為表流人工濕地、水平潛流人工濕地和垂直流人工濕地。

表1 進水水質(zhì)分析結(jié)果 mg·L－1

表流人工濕地與自然濕地類型類似，廢水從濕地表面流過，其污染物的去除主要依靠附著在植物莖干表層的生物膜分解和植物的吸收作用，去污效果優(yōu)于自然濕地系統(tǒng)，這類人工濕地具有投資少、操作簡單、運行費用低等優(yōu)點，但其占地面積較大，水力負荷率較小，去污能力有限。水平潛流人工濕地由一個或多個填料床組成，床體填充基質(zhì)，床底設(shè)有防滲層。與自由表面流人工濕地相比，水平流可以保證人工濕地具有較大的水力負荷和污染負荷，其污水的處理性能較高。潛流濕地中的填料和植物根系均可以成為微生物附著生長的載體，同時能夠截留部分懸浮物。潛流濕地中污水處于地面以下，有一定保溫作用。在垂直潛流性人工濕地處理系統(tǒng)中，污水是由濕地表面縱向流向填料床的底部，床體處于不飽和狀態(tài)，污水直接與基質(zhì)接觸，氧氣可通過大氣擴散和植物傳輸進入濕地系統(tǒng)，垂直流人工濕地脫氮功能較為突出［2］。

三種不同類型的人工濕地各有優(yōu)勢，但在應(yīng)用中也存在問題，如表流人工濕地觀感和污水保溫效果差，處理效果受氣候影響大;水平潛流和垂直流濕地的抗堵塞能力差［3］。本工程建設(shè)的主要目標是穩(wěn)定處理村莊產(chǎn)生的生活污水，同時作為生產(chǎn)示范和教育基地。因此，該污水處理工程對處理效果和觀感要求較高。結(jié)合三種濕地的不同特點、區(qū)域狀況和工程要求，確定本次污水處理工程的主體工藝為潛流人工濕地。為防止污水中的懸浮物堵塞濕地填料，并均衡水質(zhì)水量，在濕地的前端設(shè)置污水的預(yù)處理系統(tǒng)。經(jīng)過預(yù)處理的污水通過配水渠均勻分布到濕地的前端。濕地出水直接排入附近水體，由于受納水體高程與排水系統(tǒng)出口高差較小，整個處理流程中消耗的水頭需要泵站提供，在水解酸化池后加設(shè)提升泵站。工藝流程見圖1。

圖1 污水處理工藝流程

2.2 主要工藝參數(shù)

調(diào)節(jié)池:該工程服務(wù)區(qū)域的排水系統(tǒng)為雨污合流，為防止雨水對濕地的沖擊，調(diào)節(jié)濕地進水的水質(zhì)水量，需在前端加設(shè)調(diào)節(jié)池。為兼顧降低濕地堵塞風(fēng)險和減少投資，將調(diào)節(jié)池和初沉池和建為調(diào)節(jié)沉淀池。調(diào)節(jié)沉淀池內(nèi)不加攪拌裝置，底部增設(shè)泥斗。在調(diào)節(jié)池前設(shè)計相應(yīng)的格柵。設(shè)計平均停留時間25 h，有效容積為200 m3，結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土。

水解酸化池:濕地處理系統(tǒng)對污水的有機負荷較為敏感，負荷過高容易造成堵塞、發(fā)臭等問題，經(jīng)過簡單沉淀的生活污水濃度較高，不適宜直接進入濕地處理［4］。設(shè)置水解酸化池的主要作用是增強污水的可生化性，并對污染物進行初步的降解，以降低濕地的運行負荷，提高出水水質(zhì)。設(shè)計停留時間為12 h，其有效容積為100 m3。同時，在其池底安裝潛水攪拌機兩臺，單臺功率為1.5 kW。水池設(shè)置為半地下式，以增強保溫效果。水解酸化池中部增加彈性填料，以保持水池內(nèi)的生物量，提高污染物的去除率。

水平潛流濕地:人工濕地區(qū)塊為70 m×寬50 m的方形區(qū)塊，邊界筑砌擋墻，分割為兩個50 m×35 m的方形獨立單元，短邊單側(cè)進水，對邊單側(cè)底部出水，出水直排魚塘。設(shè)計水力負荷450 m3/(ha·d)，有機負荷50 kgBOD5/(ha·d)，水力停留時間10 d。為避免濕地進水端高濃度污水造成發(fā)臭和堵塞，采用增設(shè)出水回流的方式稀釋進水污染物濃度。回流比為0.8，并根據(jù)季節(jié)和濕地運行狀況進行調(diào)整。

濕地單元的布置和植物選擇根據(jù)污水處理工藝需求和景觀要求進行。其中，植物選擇以污水凈化效率高的當?shù)刂参镂锓N為主。植物布置以不同植物在水流方向上交錯布置，單植物帶寬度為10 m，中心設(shè)置直徑10 m的景觀花壇。所選植物以蘆葦和黃菖蒲交錯布置為主，中部花壇種植具有景觀功能的紅花美人蕉和再力花。蘆葦和黃菖蒲的種植密度取20株/m2。

人工濕地的填料性能是影響濕地運行效果的主要因素。在人工濕地的運行過程中，填料為植物生長提供固著基礎(chǔ)，為生物膜形成提供載體，同時部分填料在濕地中參與對氮磷的去除過程［5］。填料的粒度和級配對人工濕地的水頭損失和污染物去除效果均有較大的影響:小粒徑的填料有助于提高濕地的凈化能力，但增加濕地的水能損失;大粒徑填料能夠有效的防堵塞并減小水力損失，但不利于濕地有機負荷的提高［6］。綜合考慮填料的價格、性能和取材便利性等因素，確定選取廢磚渣和煤渣，以1∶1配比的混合料作為人工濕地的填料，填料層厚度1.2 m。有研究顯示:兩種填料的配合使用有助于提高人工濕地去除氨氮的效果。兩種填料均屬于工業(yè)垃圾，取材方便，價格低廉。葉縣位于平頂山市南部，臨近煤城平頂山，有較豐富的煤渣磚渣來源。此外，煤渣和磚渣屬于多孔填料，比表面積較大，有利于微生物附著，可提高濕地對污染物的去除率。

3 系統(tǒng)管理

對于預(yù)處理系統(tǒng)的管理主要包括:定期清除柵渣，維持污水處理站的清潔衛(wèi)生，定期檢修檢修攪拌機和污水泵等機電設(shè)備。其中，在污水量相對較小、水溫低的冬季，適當延長水解酸化池中潛水攪拌機的運行時間以強化水解酸化池的運行效果，維持后續(xù)濕地系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

人工濕地的維護管理相對簡單。一般而言，小型人工濕地的日常維護和管理主要包括以下兩點:①垃圾清理與水量控制。農(nóng)村污水中懸浮物及大型垃圾的含量較高，要實時予以清理，防止堵塞，同時為滿足濕地運行和植物生長的要求，要對其水量進行調(diào)節(jié)和控制，防止斷流和漫流;②植物管理。其工作主要包括植物體的收割和病蟲害管理。植物體的收割時間根據(jù)植物生長量和生長勢來確定，生長量大，生長勢旺盛時為兩次收割，分別為冬季枯萎后至萌芽前的殘體收割和7～8月生長旺盛期的綠體收割，而生長勢和生長量一般時，可進行春季殘體收割。

4 運行效果分析

4.1 環(huán)境效益分析

該污水處理系統(tǒng)建成后，經(jīng)過一年的調(diào)試和植物培育投入運行，在正式投運前對工程出水進行驗收監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果見表2。

表2 進出水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果 mg·L－1

表2中數(shù)據(jù)表明:整個污水處理系統(tǒng)運行狀況良好，出水各項指標均達到設(shè)計要求。

該污水處理系統(tǒng)建成投運后改變了原來污水橫流、河水發(fā)臭的狀況，大大改善了社區(qū)的居民生活環(huán)境。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟分析

本工程土建及設(shè)備安裝總投資約85萬元，占地面積4 210 m2，處理水量160 m3/d。運行費用主要包含電費、人工費、設(shè)備維護費。經(jīng)過1 a的運行，該污水處理工程耗電量為8 950 kW·h，總電費6 500元，人工費18 800元，設(shè)備維護費1 600元，運行總費用32 000元。處理污水總量62 500 m3，單位污水的處理費用為0.43元/m3。相應(yīng)城市污水處理廠運行費用為0.8～1.5元/m3。預(yù)處理+人工濕地工藝應(yīng)用于農(nóng)村污水處理具有經(jīng)濟上優(yōu)勢。

4.3 減排效果及社會效益分析

工程的建設(shè)使社區(qū)污水處理率達到了60%，減輕了受納水體的壓力。該工程對污水COD去除率達到80%，氨氮去除率達到89%，實現(xiàn)年COD排放量削減9.94t，氨氮排放削減量1.72t，減排效果明顯。

5 結(jié)語

預(yù)處理+水平潛流人工濕地工藝適用于農(nóng)村污水處理，經(jīng)濟效益社會效益良好，且出水能夠達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級B標準。

［1］ 孫瑞敏.我國農(nóng)村生活污水排水現(xiàn)狀分析［J］.能源與環(huán)境，2010(5):33－34.

［2］ 周健，王繼欣，張勤，等.序批式人工濕地冬季低溫脫氮的效能研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2007(10):1652－1656.

［3］ 張晟，賀鋒，成水平.八種不同工藝組合人工濕地系統(tǒng)除磷效果研究［J］.長江流域資源與環(huán)境，2008(2):295－299.

［4］ 蔡高潮.人工濕地對南方農(nóng)村生活污水處理的研究［D］.武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

［5］ 劉波，陳玉成，王莉偉.4種人工濕地填料對磷的吸附特性分析［J］.環(huán)境工程學(xué)報，2010(1):44－48.

［6］ 周斌.填料結(jié)構(gòu)對垂直流人工濕地脫氮效果及堵塞影響的研究［D］.上海:東華大學(xué)，2013.