贫困山区农村生活污水处理试验研究——以宣汉县君塘镇污水处理工程为例

韩 巧

(宣汉县普光环境保护站， 四川 宣汉 636150)

贫困山区农村生活污水处理试验研究
——以宣汉县君塘镇污水处理工程为例

韩 巧

(宣汉县普光环境保护站， 四川 宣汉 636150)

以宣汉县君塘镇场镇污水处理工程为例，研究了微曝预处理+塔式复合人工湿地的污水处理工艺对农村生活污水的实际处理效果。结果表明，该污水处理工艺对污染物具有较高的去除能力，总氮、氨氮、COD和总磷的平均去除率分别为81.94%、80.97%、89.31%、88.31% ，最终出水水质能够达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准。

贫困山区；农村生活污水；塔式复合人工湿地

0 引言

随着农村经济的发展、人民生活水平的提高以及环保意识的逐渐增强，农村生活污水的排放及处理问题越来越受到政府和广大人民群众的重视。目前，我国农村生活污水排放量每年约为80～90亿t，且不断增加[1]，但处理情况却不容乐观。96%的村庄没有排水渠道和污水处理系统，生活污水随意排放[2]。受农村生活水平、生活习惯、环境等因素的影响，农村生活污水特性与城镇污水具有明显的差异。城镇居民相对集中，每日产生的污水量较大，而农村的生活人口相对分散，每日产生的污水量较小。大多城市的污水处理厂建设规模大，基建费用高，建设完成后多由专业机构负责运营污水处理站。而农村地区经济能力相对薄弱，技术水平相对落后，专业管理人员缺乏；污水处理站建设完成后，多是雇佣社区人员对污水处理站进行管理，这部分管理人员大多都没有经过专业培训，增加了管理上的难度，也在无形之中增加了运行费用。因此，已有成熟城镇污水处理技术难以直接用于农村生活污水的处理。我国农村生活污水处理的研究起步较晚，农村生活污水处理的的技术规范、标准、法规及政策都很不完善[3]，并缺乏相关的设计规范和标准[4]，因此，如何根据农村实际情况选择合适的处理技术显得尤为重要。

宣汉县位于四川盆地东北边缘，嘉陵江上游，大巴山南麓，介于北纬31°06′31″～31°49′02″，东经107°22′30″～108°32′21″之间，幅员面积4 271 km2。是川陕革命老区和国家扶贫开发工作重点县。由于宣汉县是一个经济欠发达的山区贫困县, 薄弱的财政需要支持的事业多，对农村生活污水治理的投入资金有限，农村地区生活污水的处理率更低，绝大部分生活污水未经处理直接排放。因此，找到一种投资少，适合农村地区生活污水处理的方法迫在眉睫。2011年10月，宣汉县建成了全县第一个乡镇污水处理站——君塘镇污水处理站，该工程采用微曝预处理+塔式复合人工湿地的方法处理生活污水，现已稳定运行。目前，采用塔式复合人工湿地处理农村生活污水的报道极少[5]。因此，本文以该污水处理工程为例，研究了微曝预处理+塔式复合人工湿地的污水处理工艺对农村生活污水的实际处理效果，以期为贫困山区的农村生活污水处理工艺的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 工程概况

该工程位于宣汉县君塘镇的场镇，场镇人口约2 500人，在建设污水处理站前，尚无独立的污水收集管网系统，但可提供充足的土地用于建设污水处理站。该工程首先完善场镇的污水收集系统，将污水收集至污水处理站进行处理。

1.1.1 污水量预测

参考农村生活污水处理相关规范的要求，结合宣汉县实际，农村生活污水水量一般为100 L/人·d，污水排放系数取0.8，则人均综合生活污水量取值为80 L/人·d。考虑到未来场镇的发展、人口的聚集，污水处理站建设规模设计为300 m3/d。

1.1.2 设计出水水质

本项目设计出水水质执行GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准。

1.1.3 工艺选择

进水为场镇生活污水，主要来源于人畜粪便、厨房残余、家庭清洁等，主要污染成分为COD、N、P，同时还含有少量油脂、阳离子表面活性剂等污染物。采用 “微曝预处理+塔式复合人工湿地”工艺处理生活污水。

1.1.4 工艺流程

工艺流程如图1。生活污水通过管网收集后汇流到调节沉砂池，在调节沉砂池内进行均值均量，然后由泵均匀的提升进入微曝池，在好氧及兼氧菌的作用下，污水中的大部分有机物在此得到去除。微曝池的出水自流进入沉淀池，沉淀污水中的悬浮物，然后自流进入塔式人工湿地，塔式人工湿地的出水自流进入潜流人工湿地池，在湿地植物吸收利用和填料空隙微环境的作用下，废水的氨氮、COD等各项指标可达到设计出水水质。

由于调节沉砂池和沉淀池剩余的污泥量很小，调节沉砂池和沉淀池的污泥用污泥泵定期清理。清理后的污泥经干化池干化后，可覆盖在潜流人工湿地的表面，作为湿地植物的营养。

图1 工艺流程

1.1.5 主要处理单元设计参数

塔式人工湿地采用3层塔结构，每层高度为0.8 m；顶层塔直径为5.0 m，中层为6.0 m，底层为8.0 m，碎石床厚度为0.6 m，碎石料粒为20～40 mm。水葫芦具有发达的根系，且生长迅速，有研究发现水葫芦对水体中的氮和磷都有显著的吸收和净化作用[6-8]。因此，该工程塔式人工湿地的植物选用水葫芦。

水平潜流人工湿地的布水方式采用穿孔管布水，上部进水，下部出水。湿地总面积为500 m2，湿地平均坡度为0.1%～0.25%。人工湿地系统由植物碎石床组成，植物碎石床面积510 m2，尺寸为30 m×17 m×1 m，碎石床厚度0.7 m，碎石料粒径为20～40 mm。人工湿地池子底部防渗均采用“400 g两布一膜土工膜加200 mm厚黏土保护层”，可保证湿地床底部渗透系数K<10-8。在植物的选用上，水平潜流湿地池栽种本地常见的湿地植物美人蕉、菖蒲，两种植物均匀分布。

1.2 分析项目与方法

本研究以2012年12个月份的监测数据为依据，每月取周监测均值，每周监测1次，每次分别在污水处理站的进口和出口处取日混合水样。监测指标包括：化学需氧量、氨氮、总氮、总磷。化学需氧量采用重铬酸钾法；氨氮采用纳氏试剂分光光度法；总氮采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法；总磷采用钼锑抗分光光度法测定。

1.3 数据处理

采用SPSS统计软件计算各指标的平均值。

2 结果与分析

2.1 对COD的去除效果

COD是表征农村生活污水有机污染程度的指标。污水处理站进出水中COD浓度的变化及其去除效果如图2所示。由图2可知， COD进水浓度在247.96～378.23 mg/L，出水COD浓度在29.00～40.65 mg/L，进水COD浓度波动较大，但出水COD浓度较稳定，进水COD负荷变化对去除率没有明显的影响，说明该污水处理系统具有较强的耐冲击负荷的能力。出水的COD平均浓度为34.29 mg/L，平均去除率为89.31%，可见该工艺对COD有较好的去除效果。试验期间，污水处理站出水中COD浓度均达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准。

图2 COD的去除效果

2.2 对氨氮和总氮的去除效果

农村生活污水中的氮主要以NH4-N、NO3-N等形态存在。污水处理站进出水中氨氮和总氮浓度的变化及其去除效果如图3、4所示。

图3 氨氮的去除效果

图4 总氮的去除效果

由图3、4可知，污水处理站进水中的氨氮、总氮浓度波动较大，而出水中的氨氮和总氮浓度一直保持比较稳定的状态，氨氮在8.76～11.60 mg/L之间，总氮在10.32～17.60 mg/L之间，说明该污水处理系统应对冲击负荷的能力较强。出水氨氮的平均浓度为9.78 mg/L,总氮的平均浓度为13.53 mg/L。试验期间，污水处理站出水中氨氮、总氮的浓度均达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准。氨氮和总氮的平均去除率分别为80.87%、81.94%。

从不同月份看，4～11月份，氨氮的去除率明显高于1～3月份和12月份，总氮的去除率也呈现出4～11月明显高于1～3月，特别是5～8月份去除率较高。这是由于污水中氨氮的去除主要是依靠微生物的硝化和反硝化作用，在冬季，枯萎死亡的植物释放出大量的有机物，氮的去除效果在一定程度上被降低[9]。与此同时，冬季低温条件降低了微生物的活性，硝化反硝化作用受到抑制[10]。

人工湿地脱氮的主要途径是微生物的硝化—反硝化作用[11]，其次是植物吸收作用和基质蓄积作用。碳氮比被认为是影响人工湿地脱氮的关键因素，氧含量又是碳、氮氧化的限制因素。湿地系统中的氧气主要来于大气复氧和植物输氧与泌氧，但湿地中植物传输的氧气非常有限[12-14]。而普通水平潜流湿地的缺点是控制相对复杂，供氧有所不足，氨氮硝化效果不如垂直流人工湿地[15]。因此，要提高人工湿地的脱氮效果，关键在于改善湿地的氧环境，从而改善硝化作用，以保证湿地硝化—反硝化这一重要脱氮途径的畅通[16-17]。

该污水处理工程脱氮效果较好的关键在于污水经过微曝预处理后，进入了特殊的塔式复合人工湿地系统。选用复合人工湿地(塔式人工湿地+水平潜流湿地)来取代单一的水平潜流人工湿地。污水经过预处理后，从塔式人工湿地顶部阶梯式跌入下层湿地，形成有效的瀑布跌曝，这时污水比较分散，便于与空气中的氧气充分接触，污水在跌落过程中充分利用大气复氧，相当于废水进行了一次好氧曝气处理，使得氨氮的硝化速度大幅度提高，但是这部分污水中的有机物只能进行初步的好氧分解，剩余的有机物可为后续的反硝化反应提供充足的碳源，从而提高脱氮效果[5]。

2.3 对总磷的去除效果

污水处理站进水、出水中总磷浓度的变化及其去除效果如图5所示。

图5 总磷的去除效果

由图5可知，污水处理站出水中总磷浓度较稳定，平均浓度为0.28 mg/L，达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准。总磷的平均去除率为88.31%，可见该污水处理系统对总磷的去除效果较好。另外，在冬季低温时，湿地系统的除磷能力仍较高，12月份总磷的去除率达85.32%。

从不同季节看，5～10月总磷的去除率明显高于1月至4月和12月，特别是夏季总磷去除率明显提高。这主要因为人工湿地系统是通过基质的物理吸附、沉淀作用，植物的吸收作用以及微生物等一系列作用相结合来减少污水中的总磷含量[18-19]，而存在于总磷中的一部分有机磷要形成沉淀或者被植物直接吸收利用，必须先转化为经微生物矿化分解后的无机磷，而春季和冬季温度较低，因而微生物的活性较低，有机磷的矿化分解速率较慢。另一方面，植物大量死亡失去了对磷的吸收作用，因此秋季和夏季的总磷去除率比春季和冬季的高。

3 结论与讨论

(1) 本试验结果表明，该污水处理工程对生活污水中总氮、氨氮、COD 和总磷都有较好的去除效果，出水水质稳定，达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》的一级B标准，污水中总氮、氨氮、COD 和总磷的去除率分别达到81.94%、80.97%、89.31%、88.31% 。该污水处理系统投资小运行费用低，维护管理方便，卫生状况良好，且起到美化景观的作用，适合农村地区生活污水处理的应用与推广。

(2) 水葫芦虽为外来入侵生物，由于生长过程中能够吸收大量的营养物质，因此在处理实际废水中得到广泛的应用[20]。该工程在设计时，塔式人工湿地选择栽种水葫芦。但为了保证水质净化效果，还需控制水葫芦的覆盖密度，污水处理站管理人员应定期将过量生长的水葫芦打捞。打捞起来的水葫芦不得随意丢弃，可将其作为动物的饲料或沼气原料[21]。

(3) 该工程的设计参考了叶芬霞等设计的新型人工湿地[5]。从工程设计上看，该工程增加了污水处理的单元，在塔式复合人工湿地前设置了微曝预处理单元，以弥补单纯使用湿地处理工艺的不足。在湿地的植物选择上也有所区别，该工程在水平潜流人工湿地上选择了本土的植物美人蕉和菖蒲，塔式人工湿地上栽种水葫芦。从污水处理效果上看，在试验期间，该工程污水的COD平均去除率为89.13%，总磷的平均去除率为88.31%，这两个指标的去除率均比叶芬霞等[5]的试验研究的去除率高。虽在试验期间，总氮、氨氮、COD 和总磷的去除率都较高，但人工湿地的结构、湿地植物的选择与微曝预处理的设置对污染物去除的贡献，仍有必要作进一步探讨。

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Experimental study on rural domestic sewage treatment in poor mountain area——take the sewage treatment project of Juntang Town in Xuanhan County as an example

Han Qiao

(Environmental Protection Station of Puguang in Xuanhan County, Sichuan Province, Xuanhan 636150,China)

in this paper, we took the sewage treatment project of Juntang Town in Xuanhan County as an example, to figure out the treatment efficiency of micro aeration pretreatment and tower type integrated constructed wetland for treating rural domestic sewage.The results showed that this sewage treatment process had higher removal capacity of pollutants,the average removal rates of TN,NH4-N,COD, and TP were 81.94%, 80.97%, 89.31% and 88.31% respectively, and the quality of the final effluent could reach the first level of B criteria specified in the Discharge standard of pollutants for municipal waste treatment plant (GB18918-2002).

poor mountain area; rural domestic sewage; tower type integrated constructed wetland

2014-12-19； 2015-01-08修回

韩巧，女，1983年生，工程师，研究方向：农村环境保护研究。E-mail:411344498@qq.com

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