基于人工濕地技術的獨立式農村污水處理設備設計開發*

邢 歡，武毛妮，白露露，石春萌，陳 瑞，楊涵玉

(西京學院電子信息學院，陜西 西安 710123)

近年來，隨著 “社會主義新農村建設”、“提升村容村貌”、“建設美麗鄉村”等農村環保政策的推進，我國農村環境問題得到了一定程度的改善。據統計，村級污水處理率達43.24%，鎮級污水處理率達56.76%，但是與“十三五”規劃中農村污水處理率大于60%的目標還有一定的差距。 所以，開發一套適合城鎮化程度低、經濟水平低、住戶稀疏的偏遠落后農村污水處理設施是推進新農村建設的當務之急，滿足污水處理需求的同時，還要滿足運行費用低，符合美麗鄉村建設的要求。

濕地作為“地球之腎”，有凈化和處理自然水體的功能。人工濕地是與沼澤地類似，模擬天然濕地而人工建造的濕地，人工濕地以其獨特的優越性受到了越來越多的關注與發展[1-2]。人工濕地在農村區域的作用效果較好，它是應用生物技術進行污水凈化，處理效果好，運行費用低，同時具有特色的生態景觀效應[3-6]。然而傳統的人工濕地在后期運行過程中，隨著污染物沉積過量導致濕地堵塞現象普遍存在[7-8]，有研究表明，模塊化人工濕地可以提高水力效率，緩解堵塞問題[9]。對于農村地區，非常適合利用人工濕地進行生活污水處理工藝，采用工廠預制模塊化人工濕地，現場安裝調試，運行中遇到問題，可快速更換人工濕地模塊，恢復其處理功能。模塊化人工濕地具有安裝方便，出水水質穩定，無運行費用，同時兼具景觀效應。

1 農村污水處理的現狀調查與研究

對于污水管網未覆蓋或者管網成本較高的農村，分散式污水處理方式比較受歡迎。一般是單個家庭或者相鄰幾個家庭為處理規模，利用生物接觸氧化、A2O、凈化槽、穩定塘、人工濕地、膜生物反應器等較成熟的處理工藝。這些工藝中除了人工濕地、凈化槽、穩定塘外，其他的都需要動力設施，不僅成本高，而且后期運行費用(主要是電費)難以承受。凈化槽安裝運行費用過高，并且運行維護存在一定的困難，穩定塘后期的維護同樣比較困難，同時穩定塘存在安全隱患，不適合農村家庭單獨建造使用。相比于其他污水處理技術，人工濕地對污水的凈化處理、運行和維護成本極低。人工濕地技術可以去除懸浮物質，內部布設的濕地基質、微生物及植物有脫氮除磷的效果，濕地植物可以增加景觀效應。

然而人工濕地對進水水質有一定的要求，污水需進行初級處理之后，人工濕地技術作為深度處理工藝。污水資源化是污水處理的理想去處，農村污水通過生態(人工濕地)處理技術就地利用，污水中的營養物質返回到農田中，形成農村環境良性的循環發展。綜合考慮，農村污水處理，尤其是偏遠，經濟落后農村的污水處理，需要簡單而經濟的處理設備，技術成熟的厭氧生物池結合人工濕地技術，出水可達農田灌溉水質標準，就地資源化。

2 農村污水處理工藝流程和技術方案介紹

獨立式農村污水處理設備是基于人工濕地技術，用于農村住戶的污水處理及回收利用的裝置。工藝流程圖如圖1所示，由厭氧生物池、人工濕地系統、集水池等構成，厭氧生物池投加厭氧菌對污水初級生物處理，人工濕地采用快速滲濾濕地過濾雜質后進入模塊化潛流人工濕地中，出水暫存在集水池中，供住戶澆灌噴灑使用。

圖1 污水處理工藝流程圖Fig.1 Process flow chart of wastewater treatment

如圖2所示，厭氧生物池由三格池組成，第一格進水進行自然沉降，上清液自流入第二格，厭氧生物菌對污水進行生物降解，由底部過水孔流入第三格，穿過碎石帶，自流入快速滲濾濕地，進一步去除水中雜質，隨后流入一、二級潛流人工濕地，通過上部植物作用及內部的基質及碎石共同作用，達到污染物去除作用，符合再生水利用標準。整個污水處理工藝流程無動力設施，水流均為自流。

圖2 厭氧生物池示意圖Fig.2 Schematic diagram of anaerobic biological pool

圖3為快速滲濾濕地的剖面圖，主要目的是過濾厭氧生物池中的固體懸浮物，避免堵塞后續的人工濕地系統，通過沸石及碎石的過濾及吸附作用去除污染物質。

圖3 快速滲濾濕地示意圖Fig.3 Schematic diagram of rapid percolation wetlands

圖4為模塊化人工濕地示意圖，濕地類型為潛流式，尺寸為2.0 m×2.0 m×1.2 m。模塊化人工濕地通過濕地介質、濕地微生物及濕地植物的共同作用去除水中的污染物質，使出水達標排放。

圖4 模塊化人工濕地示意圖Fig.4 Schematic diagram of modular constructed wetland

圖5 水質監測結果圖Fig.5 The water quality monitoring results

3 農村污水處理設備各個組成部件配置及其性能

本設備的開發是以一個農村住戶為單位，以家庭成員5口人為例，設計污水處理量為1 m3/d，如表1所示。污水來源主要為居民生活污水，本設計出水執行《農田灌溉水質標準(GB 5084-2021)》中的各項指標。

表1 生活污水量預測Table 1 Domestic wastewater quantity prediction

獨立式農村污水處理設備由四部分組成，分別是厭氧生物池，快速滲濾濕地、模塊化垂直潛流人工濕地及集水池。設備的四部分均為玻璃鋼材質，為工廠預制生產，現場安裝調試后試運行。

3.1 厭氧生物池

水力停留時間為24 h，有效容積為1 m3，厭氧填料Φ50 mm。如圖2所示，厭氧生物池由三格池組成，體積比為3∶3∶2。有效水深0.5 m，尺寸為1.0 m×2.0 m×1.0 m。厭氧生物池是污水的初級處理階段，通過沉淀、生物降解及碎石過濾的作用去除污水中的污染物質。

3.2 快速滲濾濕地

設計尺寸為1.0 m×1.0 m×0.6 m，濕地類型為垂直流式，水力負荷為1m3/m2·d。填料級配參數如圖3所示。快速滲濾濕地主要通過沸石及碎石過濾水中的懸浮固體物，保障人工濕地系統的正常運行。

3.3 模塊化垂直潛流人工濕地

設計規模為2.0 m×2.0 m×1.2 m，數量為1塊，水力負荷為0.25 m3/m2·d，水力停留時間為1.52 d，基質高度0.95 m，填料孔隙率40%，超高0.25 m。濕地植物為蘆葦、水燭、茭白、美人蕉、千屈菜、菖蒲、鳶尾等，種植密度為9株/m2，根據個人喜好選擇種植。人工濕地系統在去除污染物的同時，增加了景觀效應。

3.4 集水池

設計尺寸1.0 m×1.0 m×1.0 m。玻璃鋼材質，工廠生產，預留管孔，現場安裝。集水池主要收集出水供農村隨時使用。

4 經濟價值分析

獨立式農村污水處理設備，以人工濕地技術為核心，實現農村污水的獨立式處理，成本低廉、處理效果好，達到經濟效益、環境效益及社會效益，三效合一。

4.1 功能分析

厭氧生物池結合人工濕地技術可以滿足農村污水處理要求，設備運行半年時間，出水水質穩定，CODCr含量在88.83～83.60 mg/L之間，BOD5含量在39.84～36.18 mg/L，SS含量在58.45～53.27 mg/L，出水水質達到《再生水水質標準》(SL368-2006)中《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)。

4.2 成本分析

設備池均采用預制玻璃鋼，現場安裝，設備成本低廉，運行過程中，人工定期清理厭氧池，農戶居民即可完成，無需額外費用支出。

以1 m3/d的污水處理量為例，設備費為1 222元，其中厭氧生物池60元，快速滲濾濕地60元，模塊化人工濕地400元，集水井50元；土方開挖需172元；土工布300元，管材管件150元，濕地植物需30元。設備運行中無需人員看護，定期清理厭氧池，利用集水池中的出水噴灑澆灌，運行費用為0元/m3。

4.3 效益分析

獨立式農村污水處理設備的開發與利用實現經濟效益、環境效益及社會效益。經濟效益，人工濕地出水就地利用實現污水資源化，可澆灌花草樹木，亦可灌溉農田，營養物質N、P等可被植物所吸收利用；環境效益，人工濕地中的植物可以提升農村景觀，實現家家有花園，提升村民的幸福感；社會效益，項目建成后，農村環境面貌大大改善，可逐漸提高村民的環保意識，對建設和諧社會、美麗鄉村及新農村建設做出貢獻。

5 結 論

設備實施可以實現環境效益、經濟效益及社會效益，三效合一，對于改善農村村容村貌、新農村建設有著較大的推動作用。