移動式污水處理設施在農村面源廢水處理中的應用

蔣 雅 蔣宏國

（1.湖南省永州生態環境監測中心，湖南 永州 425002；2.永州市生態環境局，湖南 永州 425002）

1 研究背景

村民亂排放污水，不僅破壞了農村環境，而且對流經的河流造成了嚴重的污染。目前，大部分鄉村的溝塘、水庫富營養化現象嚴重，全國各地水污染事件不斷發生。盡管近年來國家在水污染治理上投入了大量的財力、物力，取得了一些較好的成績，但區域性的水環境問題依然較為嚴重。《2020 年中國生態環境狀況公報》顯示，在開展營養狀態監測的110 個重要湖泊（水庫）中，貧營養狀態湖泊（水庫）占9.1%，中營養狀態湖泊（水庫）占61.8%，輕度富營養狀態湖泊（水庫）占23.6%，中度富營養狀態湖泊（水庫）占4.5%，重度富營養狀態湖泊（水庫）占0.9%，其中太湖、巢湖、滇池均屬于污染型湖泊。對太湖、巢湖、滇池富營養化的成因進行分析，發現造成水體富營養化的污染源主要來自生活污水和農田的氮、磷流失，工業廢水對總氮（TN）、總磷（TP）的貢獻率占10%～16%。大部分水源地、生態保護區、風景名勝區等需要重點保護的水環境敏感目標在郊區，農村水環境質量狀況對這些重要區域影響巨大。因此，整治農村水環境至關重要。

目前，我國主要湖泊90%以上已處于中營養和富營養狀態，而氮磷污染已成為一些重要湖泊的主要污染問題［1-2］。廣大農村區域的水污染主要是面源污染，具有點多面廣、收集困難、雨污分流困難、總體上化學需氧量（COD）濃度偏低及以有機污染為主等特點，而城鎮污水具有相對集中、COD 濃度相對較高、收集相對容易等特點。對農村污水的處理不能照搬城鎮污水治理的思維方式和技術，需探索出與處理農村污水相匹配的技術和方法。

2 我國農村水污染處理設施發展現狀

在我國農村經濟發展過程中，大量的工業廢物、生活廢物、畜禽養殖排放廢物等對農村生態環境造成了嚴重破壞。其中，水體污染在農村環境污染中顯得尤為突出，水污染事故時有發生，不僅導致糧食減產，而且直接威脅著廣大農村地區農民的身體健康，制約了農村經濟的發展。因此，對于農村水污染問題必須高度重視，并采取有效的治理措施。如何有效解決廣大農村區域以有機物為主的分散型污染問題，成為“十四五”期間乃至今后幾年十分重要的課題。

廣大農村地區的水環境污染問題已引起相關部門的高度重視，湖南省已將農村污水的治理作為污染防治攻堅戰中“夏季攻勢”的重要內容。為了指導農村污水治理，原中華人民共和國環境保護部于2013年11 月11 日發布了《農村生活污水處理項目建設與投資技術指南》等指導性文件，用于指導全國農村污水治理。近年來,各地治理農村污水的積極性很高，在農村污水治理方面做了大量的工作，配備了許多污水處理設施。但許多地方對該文件理解不透，沒有進行深入研究，只是照搬我國城鎮污水處理廠的做法，建成了許多鄉鎮級及村級的集中式污水處理廠，并建設長距離的污水收集管網，把污水引到污水處理廠進行處理。同時，多采用投資較高的生化處理方法，如傳統活性污泥法（包括A/O、A2/O）、氧化溝法、生物接觸氧化法等。而多年的實踐表明，當前我國集中式的污水處理廠存在投資大、運轉費用高等問題［3］。調查顯示，在鄉鎮及村級建設集中式的傳統生化處理廠，出現了以下5 種問題。一是由于管網建設費用高，污水處理廠雖已建成，但管網不配套，致使污水難以收集到污水處理廠處理，從而出現了許多“曬太陽”工程。二是即使投入大量的資金建設了相當長距離的污水收集管網，但因管線長，經過的農村地區地形、地質結構復雜，由于垮塌、泥石流等地質災害導致管網毀損嚴重，維護困難，后期難以正常運行。三是由于農村區域遼闊，在現有財力狀況下，難以同時建設雨水管網和污水管網（農村區域往往雨污合流），加之農村區域污水管網容易破損等，導致雨污分流困難，污水處理廠進水的COD 濃度偏低，污水處理廠的生化處理系統運行不暢。四是農村區域土地多是農田保護區，往往為了選一個集中式的污水處理廠地址大傷腦筋。據調查，為了避開農田保護區，往往要鋪設本不必要的污水收集管道，從而增加不必要的投資和運維費用。五是集中式的傳統生化處理廠建設不僅不能產生經濟效益，而且運維費用較高，從而導致污水處理廠運行困難。因此，必須因地制宜，分地施策，采用切實可行的鄉村污水處理思路和技術方法。

3 移動式污水處理設施在農村廢水處理中的應用

3.1 移動式污水處理設施簡介

所謂移動式污水處理設施，是相對于傳統地址固定的污水處理設施而言的。移動式污水處理設施指的是可以移動的污水處理設施，具有體積小、可以組合分拆等特點，其所采用的處理工藝可根據地形、污水特點、水量和處理目標等條件進行設計、制作，且這種設施在一個地方使用后可以移到其他地方直接使用或做改動后繼續使用，可以根據需要確定處理規模。移動式污水處理設施的表現形式多種多樣，不論采用何種處理工藝，只要可以根據需要進行移動（小一些的可用人工移動，大一點可用機械移動），都可歸于這一類。在廣大農村地區常見的一種移動式污水處理設施為人工生態浮場。近年來，利用人工浮床栽種濕生植物治理富營養化水體的研究屢見報道［4］。采用可浮于水面的輕質材料，與植物、微生物菌膜、水體等形成人工生態浮場，通過吸附、吸收、轉化、物理化學反應等過程處理廢水。其處理廢水的原理與人工濕地相似，可根據需要選用適宜的輕質材料與植物，還可根據需要馴化適宜的微生物菌團［5］。與城鎮固定式的污水處理廠相比，移動式污水處理設施具有搬移方便、組合靈活、形式多樣、循環利用、投資節省、容易維護和效益明顯等特點。下面重點介紹的人工移動生態浮場是眾多移動式污水處理設施中的一種。

3.2 人工移動浮床的試驗

試驗在湘南地區某農村的2 個污水池塘內進行，A 池塘面積約800 m2，A 池塘除下雨補水外，沒有污水進塘，也沒有污水流出，平均水深約1.4 m；B 池塘面積約800 m2，平均水深1.5 m，B 池塘每天有農業面源污水流入和流出，水位基本控制不變，水體處于流動狀態。試驗在2020 年6—8 月進行，每個池塘人工生態綜合場栽培總面積約600 m2。試驗期間氣溫高（日平均溫度26 ℃以上），降水量較大，日照充足（每年平均的夏季日照時間達677.5 h），正是該地植物生長的最佳時期。

選用100 cm×100 cm×6 cm 的平板泡沫，將泡沫浸水面制成多孔蜂窩狀，泡沫背水面按間距5 cm、孔徑2 cm 打孔，植物栽種前60 d 將泡沫的浸水面浸在污水廠的兼性塘里，當蜂窩狀的孔內掛滿菌膜后開始栽種植物。在多年研究的基礎上，選種水稻、美人蕉、空心菜、蘆葦、水芹和狐尾藻6 種植物進行試驗，20 d 后檢測成活率，70 d 后收獲植株，測定其生物量、池塘水質變化以及植物內的氮、磷含量等，試驗結果見表1。

表1 植物的成活率及生長量

試驗結果表明，所栽種的6種植物成活率均較高，水稻、美人蕉、空心菜、水芹和狐尾藻的成活率接近100%；處于流動狀態池塘的植物成活率和生長量稍高；不同植物之間，水稻和空心菜的成活率較高，空心菜和水芹的生長量較大。在A 池塘中水稻、美人蕉、空心菜、蘆葦、水芹和狐尾藻從水中吸收的總氮量分別為 7.047、2.090、4.891、4.352、6.654、5.626 kg，水稻、美人蕉、空心菜、蘆葦、水芹和狐尾藻從水中吸收的總磷分別為0.856、0.200、0.693、1.091、0.823、0.627 kg。在B 池塘中，水稻、美人蕉、空心菜、蘆葦、水芹及狐尾藻從水中吸收的總氮量分別為7.946、2.738、5.696、14.898、7.182、6.143 kg，6 種植物從水中共吸收總氮量44.603 kg；從水中吸收總磷量分別為 1.092、0.280、0.707、1.638、0.974、0.718 kg。

這幾種南方常見植物對氮、磷的吸收量較大，同時對水體中的COD、生化需氧量（BOD5）等均有較大的降解作用。考慮到水體富營養化的主要限制因子是磷，因此以總磷量的凈化效果來看，這6 種植物中蘆葦、水稻、水芹的凈化效果較佳。

3.3 人工移動生態浮場的實際應用

從環境角度來看，水體富營養化是由于水體中氮、磷等營養元素過度富集而導致水生生態系統初級生產力增加的一種異常現象；但從資源角度來看，水體營養也是一種農業資源。如何有效利用這些資源既是一種挑戰，也是一種機遇。人工生態浮場栽培農作物的水上農業資源化治理富營養化水體模式是一種很好的選擇。目前，人工生態浮場主要用于以下方面：一是直接應用于農村中低污染的面源處理，如富營養化的池塘、水溝、小河等；二是與其他方法結合，作為深度處理農村污染源一種有效技術，如利用狐尾藻生態場對養豬污水進行深度處理，利用空心菜生態場對牛蛙養殖污水進行深度處理，利用水芹菜生態場對小河污水進行處理等。

但在利用單一人工生態浮場時，發現了一些不足，如單一人工生態浮場難以將較差的水質（如劣V類水體等）在短時內處理達到Ⅲ類水體。在未來的研究中，需要從以下方面進一步提高這一技術的有效性：①強化研究的針對性，篩選出針對不同污染類別的特征植物，高效處理不同的污染水體，如目前的研究結果認為狐尾藻可作為養豬污水深度處理的首選植物；②研究植物與浮床菌團的共生、協同作用，利用不同的菌團匹配不同的植物，既要篩選出相匹配的植物和菌團，又要研究出支撐植物和菌團的浮床材料，如目前直接用塑料網（代替浮床）作為狐尾藻的支撐架，將植物和菌團固定在水面，減少了投資成本；③研究生態浮床與其他污水處理工程的結合方式，如將生態浮床與農村景觀建設相結合；④研究這些植物作為食品或飼料的安全性，以進一步提高處理效果和實用價值。

4 結語

水體污染，特別是農村水域污染問題，是當今世界面臨的最主要的環境問題之一，加強農村水環境治理十分重要。利用移動式污水處理設施對農村面源廢水開展相關試驗，結果表明許多植物對特定的污染物有不同的凈化作用，而凈化效率與浮床的材質、制作方式、培養的菌團、地理位置、氣象條件、水體中的污染物類別及濃度等有關。在實際工程應用中可因地制宜，將污水處理、植物生產、景觀建設等有機結合起來。未來應針對不同地區、不同類型的污水，研究出靈活多樣的高效移動式污水處理設施，并通過不斷實踐，總結出每種設施的最佳工藝參數，高效解決農村的水污染問題，以取得較好的環境效益、生態效益和經濟效益。