浅度发酵-人工湿地法处理村寨生活污水案例研究

余海宁， 邵红艳， 熊小龙， 刘定富

(1.贵州师范大学 材料与建筑工程学院， 贵州 贵阳 550001； 2. 贵阳学院 机械工程学院， 贵州 贵阳 550005； 3.贵州省农村能源办， 贵州 贵阳 550001； 4.贵州大学 化工学院， 贵州 贵阳 550025)

经调查发现，我国许多村寨的生活污水处理设施极其欠缺，大量生活污水只经化粪池短暂滞留后直接排入天然水系，对自然河流、小溪及特有的水资源环境造成严重污染[1]。随着地方经济的不断发展，特别是在那些居住相对集中的村寨，甚至在城市郊区的一些生活小区、学校等居民区，或者没有污水处理设施，或者是污水处理厂难于覆盖，还有一些城市居民区离污水处理厂很远，从化粪池排出的污水浓度高、有害微生物多，水污染现象严重[2]。

前些年，我国大力发展的农村“三沼”事业，通过对农村人畜粪便的沼气池净化处理，对洁净新农村的建设起到了非常重要的作用，但随着农业产业结构的变化，单纯利用沼气发酵技术以户为单位处理生活污水已经不可行，原因一是农户无法提供足量生物质满足传统的沼气池发酵处理产气的需要，二是用单纯的发酵技术处理生活污水的效果差，无法稳定达标排放[3]。

本文研究提炼出了“生活污水浅度发酵-人工湿地组合工艺”，这是一种将厌氧发酵技术与起源于上世纪七十年代的人工湿地生物降解净化处理技术相结合的新工艺，是天然净化与人工处理相结合的复合处理系统。不但能够直接处理污水，还可以对二级污水处理厂处理后的污水进行再处理或深度处理，而且能够根据污水量的大小采取合适的规模与之适应。该技术的发展和应用为综合解决生活污水造成的环境污染问题提供了新选择[4-5]。应用这项技术将居住相对集中的村寨、学校及居民区的生活污水进行集中处理，可以解决生活污水的环境污染问题。

1 污水来源、水质及设计处理目标

1.1 污水来源

本文设计案例的村寨生活污水来源于铜仁市碧江区和平村，包括厨房炊事用水，沐浴、洗涤用水和冲洗厕所用水，其特点有三：一是冲洗厕所的水中含有粪便，是多种疾病的传染源；二是生活污水浓度低，其中干物质浓度一般为1%～3%；三是生活污水可降解性较好，BOD/COD为0.41。和平村以前的污水是未经任何处理直接排入自然河流中，污染严重，实施项目净化处理后，在村寨内重新修建排水管网，将生活污水集中引入处理场。处理场入水口污水进水水质采样检测指标如表1。

表1 污染物进水水质 (mg·L-1)

1.2 设计处理目标

受纳水体水域环境功能为《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类(河道)标准，处理排放标准按《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，处理后出水水质执行一级A标准，按标准设定的主要处理目标参数见表2。

表2 污染物处理目标参数值 (mg·L-1)

设计处理能力估算[6]：和平村现有农户400户，人口1870人，规划中小学1000人，计划农家乐接待100人，平均用水量按每人每天80升计，排放量按用水量的80%计，则每天排放污水2970×0.08×0.8=190 m3。考虑到人口可能有增长，用水量及相应污水处理量需留有余地，取1.2系数，设计处理能力为228 m3·d-1。

1.3 设计原则

总结国内外目前污水处理成熟技术，参考、借鉴国内外处理农村生活污水的先进经验，综合考虑和平村的实际情况，以建设生态环境、功能、景观相统一的污水处理系统为目标，为新农村建设中的污水处理提供技术依据和示范样板。

(1) 较低的建设成本，较低的运行与维护成本。

(2)简单的管理和维护方便。

(3)比传统工艺更长的使用寿命和维护周期。

(4)无大面积土木工程、无动力、无机械和电子设备。

(5)兼顾不同处理规模，设计方案简洁具有通用性。

(6)综合考虑尾水综合利用。

(7)设计依据：《人工湿地污水处理工程技术规范》(HJ2005-2010)，《室外排水设计规范》(GB50014-2006)。

2 工艺设计方案

2.1 工艺简述

工艺设计方案见图1。污水首先流经栅格，主要分离一些粗大的垃圾，这些粗大的固体物需要人工清理放入清掏池，定期进行清运。

浅度发酵池是浅度发酵与人工湿地组合法的主要设施，是确保人工湿地长期稳定运行的重要条件之一[7-8]。浅度发酵池主要处理生活污中的高浓度污水，将有机物分解、发酵，是粪便处理最重要的环节，去除悬浮物、漂浮物及降解有机物。另外，对进入湿地系统的污水量平衡及控制，确保污水连续均匀的流入湿地。浅度发酵池可以降解30%～40%的悬浮物，对有害菌的去除达到40%～60%。浅度发酵后进入两个生物滤池进行氧化处理。

配水槽主要作用是将污水均匀导入碎石床处理系统进行深度处理，还有利于对沉降物的清理，维护人工湿地有效长久运行。

生物床人工湿地是生活污水处理的核心部分，该处理系统通过自然界提供的物理(吸附、过滤、沉淀)、化学(氧化、还原、吸附、离子交换)以及生物程序(有机物的氧化、分解作用、氨化、硝化、脱硝及同化作用)，达到对生活污水的净化。分别由两级4个相对独立的污水上下行生物床处理池组成。

2.2 工艺特点

十年前，政府大力扶持广大农村采用“三沼”方式处理人畜粪便，对净化村落环境起到了一定作用，紧接着探索大型沼气池加生物滤池的方式处理人口集中村寨的生活污水，该工艺占地面积小，但对发酵池建设要求高，加上生活污水的浓度低，很难充分发酵，最后靠生物滤池完成后续净化，生物滤池的负荷往往很大，效果不理想。尽管大型沼气池加生物滤池的方式对处理养殖场的粪便发挥了非常好的作用，但在生活污水的处理上由于效果不佳应用很少。

图1 浅度发酵-人工湿地组合工艺流程

因此，本工艺结合贵州乡村经济发展及生活污水排放与处理实际情况的变化历程，参照其它地区村镇生活污水处理的经验设计而成。再加上近年来，人工湿地净化方式在许多地方实施，效果明显[9]。所以，本文就是将原来的集中发酵+生物滤池为主的工艺，整合人工湿地工艺，形成浅度发酵+生物床降解的新工艺，是在厌氧处理池及生物滤池处理工艺基础上改进设计的一种新型生活污水处理技术，它是用发酵池浅度发酵与人工湿地生物降解相结合的处理工艺，这一工艺与原来拟采用的工艺相比，去掉了沼气收集应用的环节，具有明显的特点和优越性：一是保留了厌氧及生物滤池的作用，但在设施的建设上不用要求那么高，改原来的深度发酵和精细过滤氧化为浅度发酵与适度过滤，以氧化沟之空间换取氧化效果；二是变人工湿地为主厌氧为辅的工艺为综合分摊净化任务的工艺。该工艺节能、运行成本低、处理效果好。

3 主要处理设施

处理设施包括1个栅格池、10个串联的浅度发酵池、2个生物滤池、1个配水槽、6个串联的生物床和1个植物稳定塘，附属设施包括管网、管道及检测井、通风、氧化沟及防洪溢流设施。主要设施的平面布置简图见图2，Ⅰ-Ⅰ剖面简图见图3。

3.1 浅度发酵区

栅格池、发酵池、生物床1、生物床2、过渡的生物沟、生物床3、生物床4级植物稳定塘之间的标高按10 cm下降，生物滤池比发酵池标高降低5 cm。每个发酵池有取样检测窗口，窗口用水封法密封。浅度发酵区总容量480 m3，设计停留时间为480/228=2.1天(约48 h)。发酵池为钢筋混凝土结构，防渗处理。在这里粪便进行沼气发酵，沼气通过通风管排放。向后流动过程中，生成的污泥及悬浮固体在该区的后半部沉降并沿倾斜的池底滑回前部，再与新进入的粪便混合进行沼气发酵。在中部的发酵池添加半软件性填料，因为经过前面的发酵处理，大部的有机物都已经分解，不过有一部分的有机物仅仅靠厌氧发酵并不能全部分解，需要加上一些介质，进一步的分解污物。在尾端发酵池可添加软性填料。

浅度发酵区的尾端是两个生物滤池，分两隔，污水从上部瀑布式流入第一隔，第二隔中部铺设砂石过滤，留有通气空隙，截留少量漂浮物质, 兼氧细菌分解去除有机污染物。

3.2 人工湿地区

生物床对基质材料为水生植物提供支持载体，也为微生物提供了稳定的生长及栖息场所，基质的选择在一定程度上还决定湿地水流的透水性及均匀性。

生物床基质材料：碎石床布水，采用管径100 mm的PE管人工处理为筛管，组成碎石床布水系统，用于调节进出水位及流量，充分保证集水、配水的均匀性，避免短流和堵塞现象发生。分别由两组相对独立的污水上下行两级处理池组成，池体砖混结构，深度0.7～1 m，防渗处理。基质材料在为水生植物提供支持载体的同时，也为微生物提供了稳定的生长及栖息场所，基质的选择在一定程度上还决定湿地水流的透水性及均匀性。项目基质选择为砾石(粒径10～15 cm)砾石(粒径4～8 cm)、烧结粘土(粒径2～4 cm)、砾石(粒径1.5～3 cm))组合，确保微生物的附着栖息及植物根系的生长。基质材料铺装基质材料的渗透系数控制在相应范围内，项目设置由下至上进行铺装分别为：砾石(粒径10～15 cm)、砾石(粒径4～8 cm)砖粒(粒径2～4 cm)、砾石(粒径1.5～3 cm)，每层厚度为20 cm，碎石床基质厚度为80 cm。本文基质选择为砾石(粒径10～15 cm)砾石(粒径4～8 cm)、烧结粘土(粒径2～4 cm)、砾石(粒径1.5～3 cm)组合，确保微生物的附着栖息及植物根系的生长，见图4。

植物稳定塘的主要作用是通过种植水生植物，沉降水体悬浮污染物，增加水体中含氧量，提高污水处理效果。采用粘土夯实防渗膜处理，池体深度平均在0.4 m，面积250 m2。

图2 浅度发酵-人工湿地组合平面布置简图

图3 浅度发酵-人工湿地组合I-I剖面简图

3.3 附属设施

排洪管道：作为人工湿地辅助设施，设置管径为200 mm的波纹排洪管，其目的在于雨污分流，同时湿地两边均修建防洪沟，预防雨季洪水对人工湿地系统造成破坏。分别在人工湿地系统的格栅、植物氧化塘、水位调节池、一二级碎石床、三四级碎石床预留分洪口，确保人工湿地的处理效果和使用寿命。备用检修管道及检测井，在有条件的人工湿地各级碎石床中设置PE备用检修管道，设置竖立通风管，人工处理为筛管。

4 监测与处理结果分析

4.1 水质监测分析方案

定期取水样采用国家标准测定水体中的CODCr，BOD5，pH值，NH3-H，SS，TP等主要污染指标。设置3检测口，分别位于浅度发酵区尾部、一二级生物床尾部生物沟和最后排水口。监测频率为每3月1次，保证处理系统性能与控制系统的正常运行，监测结果发挥反馈作用，及时调整各处理单元的运行参数，使系统能够发挥处理的效能。

图4 碎石床基质材料铺装图

指标测定按照《地表水和污水监测技术规范》(HJ/T91-2002)要求进行检测。CODCr采用快速密闭催化消解法(含光度法)；五日生化需氧量(BOD5)的测定，稀释与接种法HJ505-2009；悬浮物的测定用重量法；总磷的测定用钼酸铵分光光度法；氨氮的测定用纳氏试剂分光光度法；pH值的测定用玻璃电极法。

4.2 处理结果分析

村寨生活污水经浅度发酵-人工湿地组合新工艺处理后，按照水质采样方法从出水口取样进行水质检测，检测结果表明，水体中的CODCr，BOD5，pH值，NH3-H，悬浮物(SS)，TP等主要污染指标的浓度均低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918)中一级A标要求，结果如表3。

表3 检测点3排放口废水处理结果 (mg·L-1)

4.3 运行成本核算

管理人员1名，每月工资(兼职)1800元；每年管道维护需要成本5000元；人工湿地设计服务年限10年，年维护成本5000元；运行成本：1800×12+5000+5000=31600元·年-1；年污水量：228×365=83220吨；每吨污水处理成本：31600/83220=0.38元·吨-1。

5 结论

在小城镇、集中村寨、大型人口聚集区，生活污水采用浅度发酵-人工湿地组合法净化，既能使污水经处理后稳定达标排放，又具有流程简单、运行成本低的经济优势。特别是在排水管网系统不健全, 能源紧张, 但土地宽裕，能修建集中污水处理厂困难的区域, 建造生活污水浅度发酵-人工湿地组合净化设施不失为一个好的选择方案。