川西林盤生活污水厭氧復合生態分散處理技術研究
——以成都市新津區串頭村十二組林盤為例

彭朝暉， 孫家賓， 朱順熙， 樊戰輝， 楊 琴

(成都市農林科學院, 四川 成都 611130)

目前，絕大多數林盤存在集中收集管網建設投資大，一般生物處理工藝建設設施投資和運行管理費用高的困難，因而通常直接排放到林盤周圍的農灌溝或河流中，從而造成林盤周邊黑臭水體，成為農村人居環境整治的短板[1]。因此，有必要開發投資省、運行費用低、管理方便的林盤生活污水復合生態措施分散處理技術。凈化沼氣池以其建設投資省、不耗能、運行費用低、占地面積小、使用壽命長等特點，為小城鎮建設提供了一條生活污水處理的可靠途徑[2]。但是單純的厭氧沼氣池處理技術有一定的局限，作為生活污水處理設施，要達到各省近期制訂的農村生活污水排放標準，還需要對現有厭氧系統技術創新。此外Kantawanichkul等使用緊湊組合式人工濕地和曝氣來處理厭氧處理系統中的出水[3-5]，證明了人工濕地和曝氣系統可對厭氧后處理出水進一步凈化，因此將厭氧、人工濕地及回流曝氣技術進行技術創新，即對生活污水凈化沼氣池進行創新，同時在生活污水凈化沼氣池后面增設人工濕地和回流曝氣作為后處理，是實現川西林盤生活污水分散治理的重要途徑。

本案例為一種生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣復合生態分散處理技術，并對運用該技術的新津縣串頭村十二組林盤生活污水案例示范工程實例進行了闡述，以期為農村生活污水分散處理提供理論依據和示范推廣案例，工藝路線圖見圖1。

1 案例詳情

1.1 工程設計

本案例結合檢索資料，經充分調研，確定以成都市二三圈層現存林盤為主要調查范圍，重點調查林盤居住區人數、地理狀況、生活污水排放量、污水水質等狀況。最后結合新津縣花源鎮串頭村十二組林盤建設及環境保護要求，決定在該村十二組實施林盤生活污水厭氧生態復合處理技術案例示范工程。該林盤有21戶農戶，涉及村民及暫住人口約90人。

新津區串頭村十二組林盤生活污水厭氧復合生態分散處理日處理污水量約為7 m3，涉及常住和暫住人口約90人。示范工程由3部分組成：前置生活污水凈化沼氣工程、中置組合人工濕地和后置回流曝氣裝置。

前置生活污水凈化沼氣工程由緩沖沉渣池、三級厭氧發酵池和多級折流式生物濾池3個部分組成。污水通過該部分裝置，不可分解的無機物得到格除，可生物降解的有機物得到充分分解，生活污水凈化沼氣工程總容積為50 m3，污水滯留時間7 d。

中置400 m2組合人工濕地由2個不同流向的垂直流型人工濕地及回流曝氣噴射管等組合而成，人工濕地人口當量面積為每人5 m2。人工濕地填料:碎磚、碎礫石、深度為1m；植物：蘆葦(Phragmitesaustralis)、水竹(Phyllostachysheteroclada)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、鳳眼藍(Eichhorniacrassipes)為主。后置回流曝氣是對人工濕地出水進行深度曝氣增氧，主要利用水泵將濕地出水通過布水管噴射到人工濕地表面，制造1.5～1.8 m的落差，讓回流污水接觸空氣中的氧氣，達到增氧的效果，增氧后污水再次通過人工濕地深度處理。回流曝氣控制系統主要由回流池、液位計、潛污泵、曝氣管、電控箱組成。回流池容積為1.5 m3，液位控制采用滑竿式浮球液位計；潛污泵選取功率0.55～0.75 kW，220 V；曝氣管由安裝在人工濕地上的噴射管組成。控制系統控制曝氣間隔和時間，啟動時間為0:00～24:00，每間隔4小時回流曝氣1次。

1.2 分析方法

本案例中測定進、出水口所取水樣的pH值、懸浮物、化學需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷。監測分析方法pH采用玻璃電極法，COD采用重鉻酸鉀法，懸浮物采用重量法，氨氮采用納氏試劑比色法，總磷采用鉬酸銨分光光度法。

1.3 林盤聚居區生活污水水量水質情況

林盤聚居區生活污水水量每人每天約為0.08 m3，生活污水水質pH值為7～9；CODCr：300～350 mg·L-1; 氨氮NH3-N：30～50mg·L-1; 懸浮物SS：100～150 mg·L-1; 總磷TP：6.0～10.0 mg·L-1(見表1)。

表1 林盤生活污水水質情況

2 案例分析

2.1 示范工程處理效率分析

于2018年11月至2019年8月進行了每月連續采樣分析。化學需氧量的去除率方面，生活污水凈化沼氣池平均是33.7%，人工濕地平均是77.9%，提升了2.31倍；懸浮物的去除率方面生活污水凈化沼氣池平均是18.2%，人工濕地平均是77.8%，提升了4.27倍；氨氮的去除率方面生活污水凈化沼氣池平均是51.4%，人工濕地平均是92.5%，提升了1.80倍；總磷的去除率方面生活污水凈化沼氣池平均是9.2%，人工濕地平均是75%，提升了8.15倍。同時，人工濕地采用間歇曝氣措施增氧后，氨氮去除率顯著提高。處理出水水質完全達到四川省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB51/2626-2019)二級標準(見表2)。

表2 生活污水凈化沼氣池—人工濕地處理效率

2.2 生活污水凈化沼氣池技術優化

生活污水凈化沼氣池技術以其投資分散、不耗能、運行費用低以及節約用地等優點逐漸發展成為我國南方生活污水分散出來的主要技術，已經得到廣泛應用，到2010年末，國內生活污水凈化沼氣池已經達到20余萬處。生活污水通過緩沖沉渣池時把其中的砂石等無機物沉積于池底，便于定期清掏，而可降解有機物進入厭氧核心區，本處理生活污水凈化沼氣工程首先對厭氧核心區進行優化，將厭氧發酵區分為三級發酵，在三級發酵池中增加了中下層過水反應裝置和PPC高效生物填料等工藝，使厭氧微生物充分富集和減少流失，優化了厭氧微生物自身代謝環境條件。為污水中有機物在發酵區的液化、酸化、甲烷化創造最佳工程條件。

其次，優化了生活污水凈化沼氣工程中濾池部分，濾池采用了多級折流式污泥沉降和PPC活性生物濾料技術。在折流過濾區，通過設置翻水隔墻，讓污水中懸浮顆粒物沉降在重力沉降區，同時污水多次在子濾室內翻轉，通過生物濾料時，高性能生物濾料過濾掉的懸浮顆粒物也在重力沉淀區沉淀。過濾室的蓋板上設置有孔隙，可維持過濾室的兼氧環境，在兼氧微生物的作用下進一步降解消化污水中的有機物，多級折流生物濾池形成折流濾室通道，增加了過濾次數，并延長了污水在過濾室中的停留時間，使得兼氧發酵更充分，提高了氨氮和硫化氫的去除效果，使污水中懸浮物得以充分截留，沼氣池出水水質進一步提高。

2.3 人工濕地優化

2.3.1 人工濕地類型優化

人工濕地是指通過在人工固體介質(沙，土壤或礫石)上種植植物形成一種生態系統，在適當的環境條件下通過植物的自然生長過程進行廢水處理[6]。人工濕地具有投資，運營和維護成本低的特點[7]，因此在許多國家，人工濕地被用作生活污水的后處理方案[8]。特別是對于遠離城市污水處理廠的包括川西林盤在內的小型農民居住區更具技術潛力。

根據以往工程經驗，采用表面流人工濕地接近于天然濕地，進入的污水從表面經過，通過水面擴散、植物根系的傳輸來對氧氣進行補給，污染物主要是由系統中的植物莖、稈以及床體表面的生物膜來完成處理的，并沒有使介質與植被根系在去除過程中發揮最大的效益，而且由于水面直接暴露在空氣中，該濕地系統運行受氣候條件影響較大，夏季容易孳生蚊蠅，并有臭味。表面流人工濕地的主要缺點是負荷低，去污能力有限[9]。

與表面流人工濕地相比較，采用水平潛流人工濕地，污水經過配水系統均勻地進入根區填料層，水從濕地系統中的布水渠流入填料床內，沿著介質中下部潛流呈水平滲濾前進。水體在填料床的下面流動，增加了基質填料的截留作用以及微生物膜和濕地植物的根系利用率，提高了處理效果，避免夏季蚊蠅孳生及產生臭味。但實際運行中，存在大量固體懸浮物、以及微生物的過量繁殖堵塞進水口現象。

綜合比較而言，采用組合垂直潛流人工濕地，污水在基質內以從上至下(或從下至上)垂直方向，在濕地床表面以下流動，一方面可以利用生長在濕地表面的微生物、豐富的植物根系和填料的截流作用來處理污水，另一方面，由于污水在濕地表面以下流動，系統的保溫性好，處理效率受氣溫的影響小，且衛生條件好。垂直潛流人工濕地體系中，填料層一般由多孔性填料如礫石構成,表層土壤上栽種耐水植物，基質大部分時間處在非飽和狀態，濕地植物為挺水植物。濕地植物有發達的根系,可以深入到表層土壤下面的填料層中,這些交織成網的根系與填料一起構成一個透水的系統，污水中的懸浮物和有機物通過沉降和過濾作用被有效去除。同時，這些植物可以將大氣中的氧輸送到根系周圍,從而在根系周圍形成一個溶解氧濃度較高的環境,這有利于好氧微生物的活動，這些附著在填料或植物根系上的好氧微生物可以分解污水中的有機物，礦化污水中的一部分營養物如氮和磷,使這些營養物轉為可被植物利用的形態。在系統中缺氧的區域能夠發生反硝化作用而脫氮,從而使污水得到凈化，也正因為如此，垂直流人工濕地相較于其他類型人工濕地具有更強的硝化能力，在凈化 NH3-N 濃度較高的情況時，更具適用價值[10]，是目前國際上案例和應用較多的一種濕地處理系統[11]。

綜合文獻分析及以往工程經驗，本示范工程人工濕地部分采用水力負荷高,對BOD，COD，SS，重金屬等污染物的去除效果好,不發生惡臭和蚊蠅孳生現象,投資省，管理方便的組合垂直流型人工濕地。

2.3.2 濕地植物優化

植物在人工濕地凈化污水過程中，植物作用理論上可以歸納為3個重要的方面: 1)直接吸收利用污水中可利用態的營養物質、吸附和富集重金屬和一些有毒有害物質； 2)為根區好氧微生物輸送氧氣； 3)增強和維持介質的水力傳輸[12]。示范工程建設中，在濕地植物的選擇上，除了重點考慮選擇耐污能力強、凈化能力強的特點外，還應該注意不同地區具有不同的環境背景，即做到因地制宜，要使所選植物能在該地區正常生長，適合當地的氣候條件。再者，人工濕地植物的選擇首先考慮觀賞價值，使保護環境與人們的生活相映生輝。選擇濕地植物既能夠凈化水質，又能美化環境，其次，植物收割后又能產生一定的經濟價值，減輕濕地管理經費壓力。溫四民案例表明菖蒲、千屈菜、燈心草、蘆葦和香蒲對生活污水的耐受性較強[13]。綜合川西農村生活習慣及地理特征，以及以往工程經驗，本案例選擇蘆葦、水竹、狐尾藻、鳳眼藍作為人工濕地主要植物。

2.4 回流增氧曝氣優化

相對于非增氧型人工濕地，采用自動增氧措施后，脫氮率隨著溶解氧濃度的升高而顯著增加，這說明好氧環境有利于微生物的硝化作用。Claudiane[14]等通過使用空氣泵強制增氧，結果表明：較非增氧人工濕地污水中TKN去除率提高了9.4%。Nivala[15]等水平潛流濕地通過自然曝氣處理垃圾填埋場滲濾液，發現在增氧條件下氨氮與BOD的去除顯著提高。Ouelle[16]等在水平流濕地模型進水端人工曝氣增氧，較對照組COD和總氮的去除率顯著提高。唐曉榮[17]研究表明，間歇曝氣強化了氧的供給，為微生物提供了良好的缺氧/好氧環境，能夠促進低溫環境下氨氮的硝化和反硝化反應進行。結合文獻分析，本示范工程中采用將人工濕地出水回流至人工濕地上進行曝氣，污水曝氣后再向下垂直潛流至濕地出口排出。

3 討論

3.1 生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣處理技術產生的經濟分析

本項目中生活污水凈化沼氣池按每人0.6 m3建設，每立方米造價1200元左右，其單獨處理出水水質僅能達到四川省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB51/2626-2019)三級標準，可作為環境容積大，非水源保護地及非風景名勝保護區的首選處理技術。生活污水凈化沼氣池-人工濕地-回流曝氣處理技術的出水水質可達到四川省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB51/2626-2019)二級標準，適用于對出水水質有嚴格要求的區域，且占地較前者小，聚居區實施時較易滿足相關條件。建設人工濕地時按每人5 m2計，每平方米造價900元左右。

3.2 生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣處理技術產生的社會效益

林盤聚居區生活污水經厭氧復合生態技術處理后，為當地農業生產和村民生活提供了清潔的水源。濕地植物有有的是重要的工業原料，如蘆葦就是重要造紙原料，有的可作為村民生產和生活原料，如濕地植物秸稈。

3.3 生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣處理技術產生的環境效益

該處理技術能有效去除有機污染物。 當生活污水中的污染有機物及有毒物質進入本生態處理系統時，系統中的生物和化學過程可由有機污染物降解和轉化，濕地中的蘆葦、水湖蓮等植物能夠有效地吸收有毒物質，使當地和游人區域不受影響。同時該處理技術不同程度上對周邊環境的溫度、濕度具有調節作用，美化了農村聚居區生活環境，改善了居住環境。

林盤聚居區使用該復合生態處理技術，維持了當地的生物多樣性因為人工濕地中有多種生物共存，且組成了復雜的食物鏈，動植物種類豐富，是多種的濕生水生植物的生育地，對物種保存和保護物種多樣性發揮重要作用。

4 結論

針對生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣系統處理效率、社會效率、經濟效益、環境效益等4個方面，分析了該項復合生態凈水模式的影響因素。結果表明，生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣系統對微污染源水的凈化處理技術是可行的，安全無污染，且成本較低、管理方便，能夠有效降低微污染源水中的 SS，CODCr，NH3-N，TP，出水基本能穩定達到四川省《農村生活污水處理設施水污染物排放標準》(DB51/2626-2019)二級標準。該案例為今后生活污水凈化沼氣池-人工濕地-回流曝氣生態凈化模式的構建、維持、運行以及推廣應用提供了有益的參考。