强化预处理+人工湿地处理农村污水技术分析

殷世强，郭一飞，朱新锋，刘 盼，扶咏梅，谭水成

(1.河南城建学院市政与环境工程学院，河南平顶山467036;2.郑州大学水利与环境学院，河南郑州450001)

污水对农村环境的污染已经成为制约我国农村环境综合水平提高的重要因素［1］。对于城镇化进程较快的中原地区，这一点表现的更为明显。由于农村污水的产生、汇集和消纳途径与城市污水差别较大，加之技术和经济原因，农村污水的处理方式不同于城市污水处理。农村污水水质水量波动大，通常没有完善的污水收集系统，同时农村区域技术力量薄弱，资金缺乏，这造成了农村污水处理困难。但农村地区土地资源相对丰富，一些在城镇污水处理中受土地限制的工艺，如人工湿地，其在农村区域有广阔的应用空间。

人工湿地由于其一次投资小、运行成本低、效果稳定、管理方便而在农村污水处理工程中有广泛应用。相对于传统的活性污泥法，人工湿地处理系统具有设备少、升级改造容易、易于创造景观效果等优点，这提升了人工湿地技术潜在的研究和应用价值。本文结合河南省叶县某村生活污水处理工程实例，探讨了强化预处理+人工湿地技术在中原地区农村污水处理过程中应用的可行性和适用性。

1 工程背景

叶县位于平顶山市南部，属淮河流域华北平原西南边缘地区，该县地形平坦，气候类型为温带季风气候，多年平均气温14.9℃，冬季一月份平均温度1.2℃。叶县某村在2008年开始新农村建设，建有简易的排水管网，为雨污合流式，但是尚未建任何污水处理设施，若继续无序排放势，必对村庄生态环境造成破坏，造成局部水环境恶化。“十二五”期间，国家加强了对淮河流域水污染的控制，使得该村污水处理工程的实施更为必要。

该工程进水水质按照常规乡镇生活污水指标和村庄整治技术规范设计。考虑目前农村用水量较小，该系统处理水量为160 m3/d，服务人口数1 200人。该村已有管网所收集的污水均为居民生活污水，可生化性较好。设计出水水质标准为《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918－2002)中一级B标准，设计进出水水质见表1。

2 工艺流程分析

2.1 工艺选择

人工湿地具有建设费用低、维护管理成本低、管理相对简单的特点，这使得人工湿地与污水处理厂或集中式污水处理设备相比在农村环境条件下的推广和应用更具有优势。根据污水在人工湿地中流态可将人工湿地分为表流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直流人工湿地。

表1 进水水质分析结果 mg·L－1

表流人工湿地与自然湿地类型类似，废水从湿地表面流过，其污染物的去除主要依靠附着在植物茎干表层的生物膜分解和植物的吸收作用，去污效果优于自然湿地系统，这类人工湿地具有投资少、操作简单、运行费用低等优点，但其占地面积较大，水力负荷率较小，去污能力有限。水平潜流人工湿地由一个或多个填料床组成，床体填充基质，床底设有防渗层。与自由表面流人工湿地相比，水平流可以保证人工湿地具有较大的水力负荷和污染负荷，其污水的处理性能较高。潜流湿地中的填料和植物根系均可以成为微生物附着生长的载体，同时能够截留部分悬浮物。潜流湿地中污水处于地面以下，有一定保温作用。在垂直潜流性人工湿地处理系统中，污水是由湿地表面纵向流向填料床的底部，床体处于不饱和状态，污水直接与基质接触，氧气可通过大气扩散和植物传输进入湿地系统，垂直流人工湿地脱氮功能较为突出［2］。

三种不同类型的人工湿地各有优势，但在应用中也存在问题，如表流人工湿地观感和污水保温效果差，处理效果受气候影响大;水平潜流和垂直流湿地的抗堵塞能力差［3］。本工程建设的主要目标是稳定处理村庄产生的生活污水，同时作为生产示范和教育基地。因此，该污水处理工程对处理效果和观感要求较高。结合三种湿地的不同特点、区域状况和工程要求，确定本次污水处理工程的主体工艺为潜流人工湿地。为防止污水中的悬浮物堵塞湿地填料，并均衡水质水量，在湿地的前端设置污水的预处理系统。经过预处理的污水通过配水渠均匀分布到湿地的前端。湿地出水直接排入附近水体，由于受纳水体高程与排水系统出口高差较小，整个处理流程中消耗的水头需要泵站提供，在水解酸化池后加设提升泵站。工艺流程见图1。

图1 污水处理工艺流程

2.2 主要工艺参数

调节池:该工程服务区域的排水系统为雨污合流，为防止雨水对湿地的冲击，调节湿地进水的水质水量，需在前端加设调节池。为兼顾降低湿地堵塞风险和减少投资，将调节池和初沉池和建为调节沉淀池。调节沉淀池内不加搅拌装置，底部增设泥斗。在调节池前设计相应的格栅。设计平均停留时间25 h，有效容积为200 m3，结构为钢筋混凝土。

水解酸化池:湿地处理系统对污水的有机负荷较为敏感，负荷过高容易造成堵塞、发臭等问题，经过简单沉淀的生活污水浓度较高，不适宜直接进入湿地处理［4］。设置水解酸化池的主要作用是增强污水的可生化性，并对污染物进行初步的降解，以降低湿地的运行负荷，提高出水水质。设计停留时间为12 h，其有效容积为100 m3。同时，在其池底安装潜水搅拌机两台，单台功率为1.5 kW。水池设置为半地下式，以增强保温效果。水解酸化池中部增加弹性填料，以保持水池内的生物量，提高污染物的去除率。

水平潜流湿地:人工湿地区块为70 m×宽50 m的方形区块，边界筑砌挡墙，分割为两个50 m×35 m的方形独立单元，短边单侧进水，对边单侧底部出水，出水直排鱼塘。设计水力负荷450 m3/(ha·d)，有机负荷50 kgBOD5/(ha·d)，水力停留时间10 d。为避免湿地进水端高浓度污水造成发臭和堵塞，采用增设出水回流的方式稀释进水污染物浓度。回流比为0.8，并根据季节和湿地运行状况进行调整。

湿地单元的布置和植物选择根据污水处理工艺需求和景观要求进行。其中，植物选择以污水净化效率高的当地植物物种为主。植物布置以不同植物在水流方向上交错布置，单植物带宽度为10 m，中心设置直径10 m的景观花坛。所选植物以芦苇和黄菖蒲交错布置为主，中部花坛种植具有景观功能的红花美人蕉和再力花。芦苇和黄菖蒲的种植密度取20株/m2。

人工湿地的填料性能是影响湿地运行效果的主要因素。在人工湿地的运行过程中，填料为植物生长提供固着基础，为生物膜形成提供载体，同时部分填料在湿地中参与对氮磷的去除过程［5］。填料的粒度和级配对人工湿地的水头损失和污染物去除效果均有较大的影响:小粒径的填料有助于提高湿地的净化能力，但增加湿地的水能损失;大粒径填料能够有效的防堵塞并减小水力损失，但不利于湿地有机负荷的提高［6］。综合考虑填料的价格、性能和取材便利性等因素，确定选取废砖渣和煤渣，以1∶1配比的混合料作为人工湿地的填料，填料层厚度1.2 m。有研究显示:两种填料的配合使用有助于提高人工湿地去除氨氮的效果。两种填料均属于工业垃圾，取材方便，价格低廉。叶县位于平顶山市南部，临近煤城平顶山，有较丰富的煤渣砖渣来源。此外，煤渣和砖渣属于多孔填料，比表面积较大，有利于微生物附着，可提高湿地对污染物的去除率。

3 系统管理

对于预处理系统的管理主要包括:定期清除栅渣，维持污水处理站的清洁卫生，定期检修检修搅拌机和污水泵等机电设备。其中，在污水量相对较小、水温低的冬季，适当延长水解酸化池中潜水搅拌机的运行时间以强化水解酸化池的运行效果，维持后续湿地系统的正常运转。

人工湿地的维护管理相对简单。一般而言，小型人工湿地的日常维护和管理主要包括以下两点:①垃圾清理与水量控制。农村污水中悬浮物及大型垃圾的含量较高，要实时予以清理，防止堵塞，同时为满足湿地运行和植物生长的要求，要对其水量进行调节和控制，防止断流和漫流;②植物管理。其工作主要包括植物体的收割和病虫害管理。植物体的收割时间根据植物生长量和生长势来确定，生长量大，生长势旺盛时为两次收割，分别为冬季枯萎后至萌芽前的残体收割和7～8月生长旺盛期的绿体收割，而生长势和生长量一般时，可进行春季残体收割。

4 运行效果分析

4.1 环境效益分析

该污水处理系统建成后，经过一年的调试和植物培育投入运行，在正式投运前对工程出水进行验收监测，监测结果见表2。

表2 进出水水质监测结果 mg·L－1

表2中数据表明:整个污水处理系统运行状况良好，出水各项指标均达到设计要求。

该污水处理系统建成投运后改变了原来污水横流、河水发臭的状况，大大改善了社区的居民生活环境。

4.2 技术经济分析

本工程土建及设备安装总投资约85万元，占地面积4 210 m2，处理水量160 m3/d。运行费用主要包含电费、人工费、设备维护费。经过1 a的运行，该污水处理工程耗电量为8 950 kW·h，总电费6 500元，人工费18 800元，设备维护费1 600元，运行总费用32 000元。处理污水总量62 500 m3，单位污水的处理费用为0.43元/m3。相应城市污水处理厂运行费用为0.8～1.5元/m3。预处理+人工湿地工艺应用于农村污水处理具有经济上优势。

4.3 减排效果及社会效益分析

工程的建设使社区污水处理率达到了60%，减轻了受纳水体的压力。该工程对污水COD去除率达到80%，氨氮去除率达到89%，实现年COD排放量削减9.94t，氨氮排放削减量1.72t，减排效果明显。

5 结语

预处理+水平潜流人工湿地工艺适用于农村污水处理，经济效益社会效益良好，且出水能够达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级B标准。

［1］ 孙瑞敏.我国农村生活污水排水现状分析［J］.能源与环境，2010(5):33－34.

［2］ 周健，王继欣，张勤，等.序批式人工湿地冬季低温脱氮的效能研究［J］.环境科学学报，2007(10):1652－1656.

［3］ 张晟，贺锋，成水平.八种不同工艺组合人工湿地系统除磷效果研究［J］.长江流域资源与环境，2008(2):295－299.

［4］ 蔡高潮.人工湿地对南方农村生活污水处理的研究［D］.武汉:华中农业大学，2012.

［5］ 刘波，陈玉成，王莉伟.4种人工湿地填料对磷的吸附特性分析［J］.环境工程学报，2010(1):44－48.

［6］ 周斌.填料结构对垂直流人工湿地脱氮效果及堵塞影响的研究［D］.上海:东华大学，2013.