“厭氧+人工濕地”在粵北農村生活污水處理工程上的應用

劉曉永，吳啟堂，曹姝文

(1.華南農業大學，廣東 廣州 510642；2.廣州市環境保護工程設計院有限公司，廣東 廣州 510115)

粵北區域受制于崇山峻嶺，社會經濟發展水平稍落后于珠三角地區，而近年來粵北東源縣經濟快速發展，人民生活水平不斷提高，農村人居生態環境惡化，其中農村生活污水問題成為農村環境問題的核心，民眾迫切要求改變農村環境，改變農村環境基礎設施嚴重滯后、生活污水污染嚴重等問題。為響應黨的十九大“鄉村振興戰略”的要求[1]，落實廣東省環境保護“十三五”規劃的要求[2]，本著早治理早受益的原則，推進粵北農村污水綜合整治是一件迫在眉睫的大事。

選擇適當的污水處理技術是農村生活污水處理的關鍵。針對農村生活污水排放分散、來源廣、總量巨大，逐年增加且水質水量波動大的特點[3- 5]，以及農村地區經濟基礎薄弱、從業人員水平和管理水平較低的現狀，需選擇能夠滿足達標排放且經濟適用、運行簡便、維護管理簡單的處理工藝[6]。與傳統污水處理工藝相比，人工濕地技術因其基建投資費及運行費低，運行操作簡便，耐沖擊負荷能力強，去除能力強等特點，近年來在華南農村地區倍受歡迎[7]。一些學者采用人工濕地工藝結合厭氧水解等多種方式來進行農村生活污水的處理[8- 10]?；跂|源縣各鄉鎮農村實際情況，筆者認為“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動力”組合工藝較為適合于粵北農村污水處理，方法實用有效。

1 項目概況

1.1 項目基本情況

東源縣整縣推進城鄉環境綜合整治項目，總投資規模約5.1億，項目位于東源縣轄區范圍內，包括ST鎮在內的21個鄉鎮，服務人口約43萬。

通過調研，綜合考慮當地地形條件、人口聚居情況等，結合項目可行性報告以及當地環保局針對項目的批文要求，選取以行政村為基本單位進行“村組級”[11]“分散式”[5，12- 13]處理模式。以DY村為例，DY村是東源縣ST鎮下轄的行政村，戶籍人口為2210人，服務范圍的常住人口數約為450人。

1.2 DY村污水站設計規模確定

根據實際情況，依據GB50282—2016《城市給水工程規劃規范》及GB50318—2017《城市排水工程規劃規范》，本項目宜采用分類用水指標法及單位人口綜合用水量指標法，對東源縣村組級生活污水處理設施處理規模進行預測。

1.2.1分類水量預測法

根據《廣東省用水定額》規定，珠三角以外地區的農村居民用水定額為140L/(人·d)，根據《東南地區農村生活污水處理技術指南(試行)》(中華人民共和國住房和城鄉建設部發布)中規定，DY村所屬類型農村居民日用水量為90～130L/(人·d)，考慮到經濟發展水平和用水量現狀，對水量預測指標選為120L/(人·d)。

根據《農村生活污水處理項目建設與投資指南》(環境保護部發布)規定，農村生活污水排放量應按生活用水量的80%～90%計算，根據東源縣ST鎮DY村的實際情況，生活污水排放量按生活污水用量的85%計算。

根據項目要求，污水收集率需達到80%以上。

DY村污水處理站服務范圍的常住人口為450人，因此污水處理設施規模至少應達到：

Q=0.120×450×85%×80%=36.8m3/d

1.2.2單位人口綜合用水量指標法

根據項目可行性報告引用的《廣東省農村環境綜合整治技術指引》(廣東省環境保護廳，2016年4月)以下簡稱《指引技術》，農村生活污水常采用“人均綜合用水量”法。

計算公式如下：

污水處理量=人均綜合用水量×人口數×綜合排放系數×(1+地下水滲入系數)

(1)

(1)人均綜合用水量指標

根據《指引技術》，對于經濟條件一般，有簡單的室內衛生設施地區：平均日人均用水量指標為80～100L/(人·d)，根據東源縣實際情況，參考廣東省相近地區農村的用水情況，東源縣農村平均日人均綜合用水量指標取值90L/(人·d)。

(2)污水排放系數

根據GB50014—2016《室外排水設計規范》相關規定，居民生活污水定額和綜合生活污水定額應根據當地采用的用水定額，結合建筑內部給排水設施水平和排水系統普及程度等因素確定，可按當地相關用水定額的80%～90%確定。

根據《指引技術》相關規定，居住較為集中、衛生設施與排水管網相對完善的村莊，生活污水排放量一般為總用水量的70%～80%。

根據GB50318—2017相關規定，當規劃城市供水量、排水量統計分析資料缺乏時，城市分類污水排放系數可根據城市居住、公共設施和分類工業用地的布局，綜合考慮該項目實地情況，確定污水排放系數取值0.8。

公式(1)中人口數目可行性報告注明原則上按常住人口考慮，東源縣農村平均日人均綜合用水量指標取值100L/(人·d)。根據政府提供人口統計可知ST鎮DY村污水處理站服務范圍常住人口數為450人。

污水量=0.10×450×0.8×(1+0.1)=35.6m3/d

1.3 污水站規模確定

根據上述兩種方法預測污水量的結果相近，根據項目可行性報告，結合區域實際情況，并考慮到經濟發展水平和用水量現狀，最終確定ST鎮DY村污水處理設計污水量取40m3/d。

1.4 村級污水處理站工藝比選

根據調查，目前在廣東農村生活污水處理項目常用的處理單元主要有調節水解池、人工濕地、穩定塘等[14- 15]，常用的村鎮生活污水處理技術有生物濾池法、人工濕地法、土地處理法等[16]。但是，單一處理單元往往無法滿足實際需求，為適應廣東省農村生活污水處理實際情況，通過現場調研和分析總結，選取以下污水處理技術作為工藝比選。

1.4.1調節水解+人工濕地[17]

工藝流程如下：

1.4.2調節水解+穩定塘

工藝流程如下：

工程位于廣州增城市中新鎮坑貝村，該村設兩個污水處理站點，服務總人口600人，設計處理水量120m3/d。

污水均采用管道收集，建設主管長約1518m，支管長約500m，污水處理后排入鄰近水渠或水塘，占地面積約520m2。

污水處理后主要污染物達到一級排放濃度，進出水水質見表1。

表1 中新鎮坑貝村生活污水處理廠進出水水質

1.4.3調節水解+人工濕地+穩定塘[18]

工藝流程如下：

該技術優點：投資費用省，運行費用低，維護管理簡便，出水水質較好，植物可以美化環境。缺點：污染負荷較低，占地面積較大。

工程位于花東鎮李溪村，服務人口約5770人，設計處理規模為700m3/d，人工濕地3個，占地面積共1500m2。

污水處理后出水主要污染物指標達到一級排放濃度，進出水水質見表2。

表2 花都區花東鎮李溪村生活污水處理廠進出水水質

1.4.4一體化污水處理設備

一體化成套技術是近年來比較新興的技術，其具有抗沖擊負荷能力強、占地小、低能耗、出水水質穩定、便于完成自動控制等優點，對農村生活污水的處理起到重要作用[19- 20]。

工藝流程如下：

該技術具有占地極少、效率高、有機剩余污泥排放極少的特點，目前已經在多個鄉、鎮、村污水處理項目中運用，并取得良好效果。該技術在2013年獲得中國環境保護產業協會和廣東省環境保護產業協會的推薦，適用于生活污水處理領域。

工程為惠來縣溪西鎮溪南村生活污水處理項目。

1.4.5復合生物濾池+活性生物濾床

工藝流程如下：

該工藝采用自然通風，不需曝氣，僅需一次水力提升，噸水能耗低。

1.4.6調節水解+人工濕地沉箱式生物處理系統+組合式人工濕地

該技術可廣泛適用于水量較小、變化較大的農村典型生活污水處理以及黑臭河道原位治理等方面。

優點：①具有非常好的高效微生物再生、孵化和緩釋、擴散功能，可以起到長期的除黑、除臭和水質清潔效果。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管理和維護方便，不需要反沖洗。③投資省、運行費用低，應用范圍廣。

1.4.7調節水解+人工濕地

工藝流程如下：

該技術在保留了常規地下滲濾技術環境和景觀效果好、運行和管理費用很低、維護簡便等優點的同時，日處理1m3生活污水的地下滲濾面積僅需1.2m2，并且提高了其脫氮除磷效果和氣候(低溫)適應性，是一項建得起、用得起、效果好、可持續的村鎮和各種生活園區污水處理新技術。

高負荷地下滲濾污水處理復合技術工藝包括預處理(格柵槽、沉淀池、厭氧池和調節池)、高負荷地下滲濾和深度處理三個單元，其工藝流程如上圖所示，其中的深度處理單元可以單獨建設，也可置于高負荷地下滲濾系統的下方。

1.5 DY村污水處理站工藝確定

根據實地調研情況，ST鎮DY村布局分散、人口規模較小、地形條件復雜、污水不易集中收集，采用造價低，地形要求低，后期維護費用低的“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動力”工藝。該工藝能滿足處理的要求，投資費用省，運行費用低，維護管理簡便，出水水質較好的優點[20]。污水處理工藝流程如圖1所示。

圖1 污水處理工藝流程圖

污水經管網收集，流經格柵去除污水中較大尺寸的漂浮物及大顆粒固體，污水自流進入調節池中均勻水質水量，通過提升泵進入沉砂池去除污水中的顆粒物泥砂。人工格柵可人工提出地面上，柵渣及泥砂均由人工定期清運處理。

污水經過沉砂池進入厭氧池進行厭氧發酵，增加污水的可生化性；厭氧池出水進入“水平潛流+垂直流”兩級人工濕地，人工濕地經適當的場地布置和植物搭配，建設成為濕地公園的形式，利用濕地植物、濕地基質以及濕地布氣管的共同作用，去除污水中的如氮、磷、COD等，同時可以達到美化環境的功能，該工藝已有郁南縣的成功應用經驗，技術成熟可靠。

人工濕地出水采用現場投加固體氯片進行接觸溶解消毒，消毒后排入受納水體。

厭氧池多余的污泥定期抽吸外運至附近鎮區有污泥處理能力的污水處理廠進行處理。

1.6 進出水水質確定

1.6.1進水水質

根據項目可行性報告中引用的《技術指引》，農村生活污水水質最好以實測值為基礎分析確定，在無實測資料時，可參考見表3。

表3 廣東省農村地區生活污水進水水質參考值

根據粵東西北其他農村監測數據，結合東源縣地區特點，確定本項目各村污水處理站進水水質見表4。

表4 東源縣村級污水處理站進水水質

1.6.2出水水質

根據項目可行性報告，對于農村生活污水處理設施出水水質，污水排放標準應因地制宜，根據受納水體功能和當地的環境容量確認排放標準。出水標準參照廣東省住房和城鄉建設廳等部門印發的《加快推進粵東西北地區新一輪生活垃圾和污水處理基礎設施建設實施方案》(粵建城[2015]242號)相關指引，村級污水站出水執行GB18918《城鎮污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。同時根據不同的用途，參考GB5084《農田灌溉水質標準》。具體的執行標準見表5。

表5 東源縣村級污水處理站出水水質

注：pH無量綱。

1.7 項目基本建設情況

DY村建1個農村污水處理工程，總設計處理能力約40m3/d，設計污水干管DN300，管長約505m；設計污水接戶干管De200，管長約481m；新增接戶支管De110接入新建入戶小方井有效處理，按每戶9m進行預留(共298戶)，管長約2682m。對于管網收集不到的居住片區，就近排水到渠、排水到塘，增加化糞池等形式進行有效處理。

DY村生活污水處理工程量匯總見表6。

表6 DY村生活污水處理工程量匯總表

圖2 DY村生活污水處理工藝高程圖

2 工程設計

根據HJ2005—2010《人工濕地污水處理工程技術規范》標準，結合實地調研情況，進行設計。根據DY村污水處理站(40m3/d)管網設計，確定進水標高定為-1.50m(以國家高程117.5m為±0.00m)。DY村生活污水處理工藝高程圖如圖2所示。

格柵池。1座，鋼砼結構，半地埋，尺寸為3.0m×0.8m×2.2m。同時設置人工格柵1套(柵間間距5目，寬600mm)。

調節池。1座，鋼砼結構，半地埋，尺寸為3.0m×4.5m×3.2m，有效水深1.4m，停留時間9.0h。同時設置潛水泵2臺(一用一備)，流量3m3/h，揚程5m，功率0.18kW；浮球式液位計1套，測量范圍0～4m；轉子流量計1套，塑料材質，測量范圍0.6～6m3/h；格柵網1套(柵間間距5目，寬800mm)。

沉砂池。1座，鋼砼結構，地上，尺寸為3.0m×0.8m×1.4m。

厭氧池。1座，鋼砼結構，半地埋，尺寸為3.0m×2.3m×4.0m，有效水深3.5m，有效容積19.1m3，停留時間11.5h。同時設置：組合填料1套(Φ150mm，7.6m3)填料支架1套。

人工濕地。1座，鋼砼結構，半地埋，尺寸為6.8m×15.1m×1.4m，水力負荷0.50m3/m2/d，有效面積79.4m2，種植植物選擇當地常見物種：菖蒲(9～12株/m2)、紅、黃花美人蕉(9～12株/m2)、千屈菜(16～25株/m2)、風車草(25～35株/m2)、金魚藻(3～9株/m2)。同時設置：布水集水系統1套(PVC-U排水材質)，通氣系統1套(PVC-U排水材質)。

排水口。1座，鋼砼結構，半地埋，尺寸為6.8m×0.9m×1.7m。同時設置：巴歇爾計量槽1套(喉寬25mm，流量0.3～19.4m3/h)，超聲波明渠流量計1套，與巴歇爾計量槽配套。

3 運營維護

3.1 調試

工程完工后進行清水實驗，按照要求開啟相應運行設備，進行調試。待濕地植物根系扎穩，再將農村污水引入，經過一段時間的調試，出水水質穩定達標時，此農污站即處于動態平衡，調試結束，可以正常運行。

3.2 后勤維護

定期對柵渣、沉砂進行外運清理，定期對厭氧池污泥抽吸外運清理，人工濕地的植物定期進行殺蟲、修剪、清理等，根據需要在排放口添加氯片進行消毒處理。

3.3 效益分析

(1)生態效益。“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動力”工藝已有郁南縣的成功應用經驗，技術成熟可靠，在有效處理農污的同時達到美化環境的目的。

(2)環境效益。人工濕地(水平潛流+垂直流)穩定運行后，對DY村農污消減量為2014.9～3117.1kg/a，其中對COD、BOD5、SS、氨氮和TP的消減量分別為1022、730、1168、73～175.2、21.9kg/a。

(3)示范效應。隨著DY村農污站的建立，能夠有效輻射周邊鄉村、鎮，勢必對當地影響產生積極影響，進一步在華南地區推廣“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動力”處理村組級農污經驗。

4 結論

(1)采用“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動力”的組合工藝處理粵北地區東源縣農村污水，選取村組級分散式處理模式，設計村組級農村污水處理能力40m3/d，出水水質略優于GB18918中的一級B標準，對BOD5、COD、氨氮、TN、TP和SS的去除率分別為53.8%、71.4%、80%、25%～60%、60%。

(2)采用“厭氧+人工濕地(水平潛流+垂直流)+微動力”的組合工藝既能達到水質處理要求，又具有能耗低、維護和管理方便、費用低等優點，是一種適宜于粵北農村生活污水的處理工藝。