生物濾池-人工濕地組合工藝在農村生活污水處理工程中的應用

袁紅丹（上海友為工程設計有限公司， 上海 200093）

農村生活污水主要指餐廚廢水、洗浴廢水、洗滌廢水和糞便污水等，生活污水是農村地區水體中污染物的主要來源之一。我國每年廢水排放總量約 600 億 t，其中農村地區的生活污水排放量約 200 億 t，占比約 30.7 %[1]。近年來，隨著農村地區發展加速，農村生活污水直接排放對河道的污染導致的公共衛生安全和環境污染問題日益凸顯。上海城鎮生活污水處理率位于全國前列，規劃 2020年將達到 90% 以上。但上海農村地區生活污水處理水平與城鎮地區相比較薄弱，直排的農村生活污水嚴重影響了上海農村地區的水體環境質量。加快水環境治理是促進上海農村地區全面可持續發展的必要環節。

上海農村地區具有經濟發達、人口密度大、土地資源緊缺等特點，所以宜選用占地面積較小，污水處理效果較好的生物-生態組合工藝系統進行污水處理[2]。經比選，生物濾池-人工濕地組合工藝較適宜上海農村地區，已經在上海市嘉定區、崇明區、青浦區、松江區等郊區農村得到廣泛應用。本文結合上海市嘉定區某鎮農村生活污水處理工程的實例進行分析探討。

1 工藝設計

1.1 設計水質和水量

1.1.1 設計進水水質

農村生活污水來源簡單，污染物中的有機物占比較大，氨氮含量較高，可生化性好，重金屬污染物和有毒、有害物質等含量較少，因此適合使用生化方法處理。同時，因為農村居民生活用水量較不穩定，呈間歇性排放，所以生活污水變化系數較大，為 3.0～5.0[3]。

本工程位于練祁河以北、鹽鐵塘以東區域。該區域受墅溝水閘引水影響大，水體置換充分，流動性強，常年水質情況較好。多個監測斷面水質單因子評價為 Ⅴ 類水以上。除少數河道呈輕度污染外，大多數河道斷面水質一般或較好。本工程依據《上海市農村生活污水處理技術管理要求（暫行）》（滬水務 [2013]207號）文件中的典型農村生活污水水質數據，并根據工程區域水質資料進行合理化調整，最終確定污水處理站進水水質設計標準，具體如表1所示。

表1 污水處理站進水水質指標 mg/L

污水處理站出水水質標準依據 GB 18918—2002《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級 B 排放標準執行，具體如表2所示。

表2 污水處理站出水水質指標 mg/L

1.1.2 設計水量

本工程中農村生活污水的污水量根據《上海市污水處理系統專業規劃》（2007年3月版）規定的污水量標準計算，結合對工程區域污水專業規劃和工程區域農村居民生活用水現狀的調查，并參考同類項目的工程實施經驗，確定常住人口生活污水量標準為 105 L/(p·d)，外來人口生活污水量標準為 60 L/(p·d)，并將地下水滲入量按綜合生活污水量的 10% 計算。

1.2 處理工藝流程

本工程農村生活污水的處理流程如圖1所示。

圖1 生物濾池-人工濕地組合工藝處理農村生活污水流程圖

農戶生活污水首先進行分戶分類預處理。廁所污水進入化糞池，通過化糞池內的厭氧發酵過程，在去除廁所污水中大量沉淀物和漂浮物的同時，去除了污水中部分有機污染物，同時具有調節水質、水量的作用，降低了后續處理設備污染物負荷和管道堵塞風險。廚房污水進入隔油池，分離去除污水中的可浮油和部分細分散油。此后，每戶農戶的化糞池出水、隔油池出水和其他生活污水經由管道收集，統一輸送至就地污水處理站進行處理。

污水經管道輸送至就地污水處理站后，首先進入格柵池，攔截去除污水中較大懸浮物和漂浮物。隨后污水進入調節池，調節均衡污水水質和水量。調節池污水通過提升泵按照設定時間和流量進入生物濾池進行生化處理，污水自上而下靠重力流經池內填料，生物濾池中填料表面生長的生物膜對污水中污染物質具有吸附、分解等作用，能去除污水中溶解的絕大部分有機物、部分氨氮和磷元素。此后，污水進入沉淀池，進行充分泥水分離，沉淀法去除污水中生物濾池脫落的生物膜、活性污泥等懸浮物質，該沉淀池部分出水回流至集水池，其余污水進入生態處理階段—人工濕地。人工濕地系統為準生態系統，其過濾作用可截留污水中懸浮物，其中的微生物對污水中的有機物、氮磷化合物有較好的降解作用，對污水中重金屬等微量元素具有吸附和富集作用[4]。基質-植物-微生物組合生態系統能通過物理、化學和生物的協同作用，進一步去除污水中有機物、懸浮物、重金屬元素、氮、磷等污染物質。

通過以上工藝處理，系統出水可達標排放。

1.3 主要構筑物及設計參數

本工程中就地污水處理系統的處理能力為 60 m3/d，主要構筑物有調節池、生物濾池、沉淀池和人工濕地等。

1.3.1 格柵調節池

為節省占地，格柵池與調節池合建。該池按照兩格設計，第一格為格柵池，其中設置間距為 10 mm 的人工格柵，截留 10 mm 以上的顆粒物。第二格為調節池，用以集水來調節水質水量，并設置 2 臺提升泵（一用一備），將該池污水提升至生物濾池。調節池的有效容積按照處理站日進水污水量的 20%～30% 設計，池體構筑物長度為 6.90 m，寬度為 3.45 m，深度為 2.60 m。

1.3.2 生物濾池

生物濾池建于調節池上方，以節省用地和建筑基礎費用。濾池內濾料分層垂直排布，每層采用不同規格濾料，層厚 300 mm，層間距 150 mm。濾料共設置 8 層，最上層為粒徑較大的多孔火山巖，層數向下逐層選用粒徑依次減小的多孔火山巖，最下層濾料采用粒徑適宜的陶粒，由此創造濾池內垂直方向不同的適宜不同種類微生物生長的微環境，豐富微生物種群，逐級凈化污水。濾池布水系統設置于濾料上方，采用穿孔管將污水注入布水槽，再垂直注入濾料中。濾池的出水收集系統位于濾料層下方，利用重力收集出水，再由管道運輸至沉淀池內。

1.3.3 沉淀池

沉淀池設置于生物濾池的下方，與格柵集水調節池合建。考慮到生物濾池出水中的顆粒和懸浮物質主要為脫落的生物膜和活性污泥，而且水量相對較小，所以沉淀池設計成方形豎流沉淀池，下部污泥區兼具污泥濃縮的作用，以節省占地面積。由于系統產生的剩余污泥量較小，所以每隔 6 ～12 個月對其清理一次。沉淀池的有效容積按照污水的有效停留時間為 2 h 設計。池體構筑物長度為 6.90 m，寬度為8.00 m，深度為 2.60 m。

1.3.4 人工濕地

人工濕地構筑物底部設置基質層，分為防滲層、填料層、隔離層和土壤層 4 部分。防滲層設置在基質最底部，用以防止污水滲入下層土地中，防滲層主體為鋼筋混凝土墊層，加設≥1.00 mm 的高密度聚乙烯（HDPE）防滲膜和彩條布。防滲層上方設置填料層，采用火山巖生物填料，利用填料表面生長的生物膜降解污染物。填料層上方設置隔離層，采用透水纖維布隔離。表層設置土壤層，采用較肥沃的農田土壤，在表層土壤種植耐水植物蘆葦。通過人工濕地系統內的水生植物和微生物的協同作用，實現污水凈化。

此外，為保證人工濕地配水均勻和出水順暢，在濕地前端設置配水槽，采用穿孔花墻進行均勻配水；在濕地后端設置集水槽，同樣使用穿孔花墻進行集水，出水經集水槽后達標排放。人工濕地構筑物占地面積為 165 m2，長度為 15.52 m，寬度為 10.62 m，深度為 12.50 m。

2 系統運行情況

2.1 運行費用

本工程于 2017年6月建成并開始投入使用。就地污水處理系統的運行費用主要由管理費、用電費、污泥處理費和生物濾池填料更換費用組成。其中，處理每噸水時產生的費用為：管理費 0.90 元，用電費用 0.10 元（按電價0.61 元/kWh 計），污泥處理費 0.25 元，生物濾池濾料更換費用為0.10 元。因此，污水處理系統運行中每噸水的處理成本為1.35 元。

2.2 污水處理效果

經過對污水處理系統進行 3 個月的試運行，于 2017年9～12月對就地污水處理站的出水進行了監測。結果表明，系統出水中 CODcr、BOD5、N-N 和 TP 的平均濃度分別為 40.7 ±18.6 mg/L、10.5 ±9.2 mg/L、7.2 ±0.5 mg/L 和0.9 ±0.2 mg/L，滿足 GB 18918—2002 一級 B 排放標準中的 CODcr ≤ 60 mg/L，BOD5≤ 20 mg/L，N-N ≤ 8 mg/L 及 TP ≤ 1 mg/L 的要求。

3 工藝優化

隨著農村污水處理出水水質標準的不斷提高，工程設計中對污水處理設備的處理效果和成本控制要求也在不斷提高。在今后的研究和工程設計中，可對生物濾池-人工濕地組合工藝進行優化提升，從而滿足水質標準和成本控制要求。

3.1 生物濾池優化

在生物濾池運行中，HRT（水力停留時間）對污水凈化效果發揮著重要作用。一定范圍內延長 HRT 能顯著提高系統出水水質，因此可在成本控制的前提下適當提高設備的HRT，以提高系統凈水能力。同時，譚杰等[5]研究發現，當環境溫度由 20～30 ℃ 降低為 10～15 ℃ 時，污水中 CODcr的去除不受影響，而 N-N 的去除率下降了 20%。因此，為系統設置保溫裝置能在冬季有效保障系統對 N-N 的去除效果。

此外，優化生物濾池內濾料配置能提高凈水效果并降低濾料成本。火山巖、紅渣和改性復合濾料對污水中各污染物均有較好的去除效果：紅渣對 CODcr 和 TP 去除效果最好，而對 N-N 去除率較低；改性復合濾料對 TP 去除效果較好，但對 CODcr 和 N-N 去除效果較差；火山巖對 N-N去除效果最好，但對 TP 去除效果較差[6]。考慮到火山巖、紅渣和改性復合濾料的成本差距，可依據 3 種濾料的去除污染物特性和成本，將 3 種濾料合理配置，能提升生物濾池的污染物綜合去除能力，同時控制和降低濾料成本。

3.2 人工濕地優化

在人工濕地系統中，對氮和磷的去除主要依靠植物的吸收和富集作用。優化配置人工濕地的植物種類可降低系統出水中 N-N 和 TP 濃度。李慧君[7]研究發現，種植美人蕉的人工濕地系統在水力負荷為 0.20 m3/(m2·d) 時，對濃度為7 mg/L的 TP 去除率為 85% 以上，而適當延長 HRT 亦能提高除磷效果。因此，在人工濕地系統中混合配置蘆葦和美人蕉等植物，優化運行參數，能夠提高系統除磷效果，同時提升系統美觀度。

此外，李峰平等[8]研究表明污水中氮磷等營養元素能夠被植物吸收，但當植物吸收營養元素至飽和后，會在枯萎過程中將氮磷元素釋放出來。因此，在人工濕地系統運行中，需合理考量所配置植物的生長周期，適時收割濕地植物，以保證系統出水水質。

4 結 語

生物濾池-人工濕地組合工藝是生物-生態相結合的組合式水處理工藝，具有處理效率高、效果好，建造成本和運行費用低，結構簡單便于管理維護等多方面優點。隨著工程實踐、研究工作的不斷深入，該系統可不斷優化提升，提高處理出水水質的能力，滿足污水處理的需求。因此，該工藝在上海農村地區具有廣闊的研究和應用前景。