生态水魔方在炭厂村的应用

刘宏　罗婧　张舒惠　裴雪　周艳欣　金萍萍

【摘 要】在当前水污染日益加剧的背景形势下，水污染治理问题变得十分突出。随着实践和认知的不断深入，人类的污水处理技术也在不断优化和提升。其中生态水魔方以其高效、低成本、能源低消耗等优势已经走入民众视野，成为当前治理水污染的理想技术之选。基于这一背景本文来探讨生态水魔方技术，并结合其在炭厂村的应用来探究该技术的污水处理价值。

【关键词】生态水魔方；炭厂村；生活污水处理

中图分类号： X826 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）34-0226-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.093

1 生态水魔方概述

1.1 生态水魔方的诠释

生态水魔方实质上是一个污水处理的创意方案，国际上又称之为模块化绿色生态污水处理方案。它是基于“零能耗”、“模块化”、“绿色生态污水处理”等系统理念，利用现有先进的污水处理及新能源技术，将目前污水处理领域最节能的生物转盘技术和最具生态效应的人工湿地技术相结合，并应用光伏发电技术和污水源热泵技术为污水处理提供动力和能量，建设能源自给自足，污水深度处理并回用，美化景观并具有气候调节作用的“能源消耗最小化、资源利用最大化”绿色生态污水处理系统。

1.2 生态水魔方的价值

生态水魔方集合预处理模块（一级处理）、生物转盘模块（二级生化处理）、人工湿地生态系统（三级生化处理），逐层去除水中的悬浮物、有机物并对水体进行深度净化，最后回用。而在能源上，上述三个模块的运行通过污水源热泵模块供热，通过光伏发电模块供电。五个模块相互独立又互相依赖，组成了一套自给自足的绿色生态污水处理系统。总体来看，该系统运行成本低、能原消耗量小、不产生额外污染且净化效果理想，具有较高的社会效益和环境效益。除此之外，该系统又具备可升级性，针对不同的污水处理项目，可相应增加或减少构成模块，以确保污水处理效果。

2 生态水魔方在炭厂村的生活污水处理项目中的应用

2017年4月，作为引入示范工程——生态水魔方在北京市门头沟区炭厂村正式投入建设。

2.1 炭厂村的生活污水情况

明确炭厂村的生活污水情况是设计生态水魔方的前提和基础。炭厂村位于北京市门头沟区，气候宜人、植被丰茂，环境优美，是周边城区民众休闲旅游、避暑的理想之地。近年来炭厂村响应政府生态文明建设的号召，依托当地的旅游资源大力发展旅游业。随着旅游业的兴盛，水污染问题成为炭厂村面临的重要生态环境问题。

总体来看，炭厂村产生的废水主要为村民及游客产生的生活污水和餐厨废水，预计最高日污水量约为100m3/d。污水产生特点是：污水产生量变化较大，旅游旺季（夏季前后）时游客多，污水产生量较大；旅游淡季（冬季前后）时游客少，污水产生量较小。炭厂村排水体制采用雨污分流制。生活污水经化粪池、餐厨废水经过隔油池后采用暗管系统汇流排至污水处理系统。雨水由雨水管网就近排放入村内河道中。为保证生活污水达标排放，避免对地下水和地表水造成污染，根据《北京市水污染物排放标准》（DB11/307-2013）的要求，本设计方案对炭厂村生活污水提出切实可行、经济合理的处理措施，确保污水排放标准。

2.2 生态水魔方的项目实施规划

2.2.1 生态水魔方生活污水处理工艺流程

生态水魔方生活污水处理工艺依循如下四项原则来展开流程设计，即能经济有效地去除污染物，稳定达到设计出水要求；能适应水量水质变化时有效处理的要求；运行低能耗、管理方便、运行可靠；占地面积、总投资及运行费用等各项指标较先进；不产生二次污染。

具体的流程涵盖进入、格栅、调节池、生物转盘模块、人工湿地模块、出水六个环节（如下图1）。具体来看，污水经过隔油池和化粪池处理后，通过人工格栅截留粒径较大的固体颗粒后流入调节池，在进行水质、水量调节的同时，污水在调节池内进行初次沉淀；然后用潜污泵将污水泵入生物转盘进行二级处理，去除大部分COD和BOD5，最后进入人工湿地进行三级处理。经一系列处理后，污水最终流入河道达标排放。

图1 “生态水魔方”工艺流程图

2.2.2 生态水魔方的设备及构筑物

在炭厂村的生态水魔方设计、施工、运行的过程中，主要运用到的设备和构筑物包括格栅井、调节池、生物转盘、人工湿地、光伏发电。具体来看：

格栅井的功能在于去除粒径较大漂浮物，以利于后续处理。结合炭厂村的生活污水的参数为5mm，最大设计流量5m3/h等实际情况，本次方案中格栅井的规格为L×B=1000mm×300mm，栅条间隙5mm，数量为1个。

调节池的功能为调节水量、均化水质，兼作初沉池。参数：设计调节时间24h。池体设计：1座，钢筋混凝土结构，有效容积120m3，设计尺寸：L×B×H=6m×5m×4m。配套设备有CT-5 0.75-50型污泥泵、ST-5 0.75-40ST型污水泵。

生物转盘的功能为降解有机物。参数：运行功率1.5kW。池体设计：1座，半埋地结构，设计尺寸：L×B=8m×4m。

人工湿地的功能：对生物转盘出水进行深度处理，进一步去除污染物。设计参数：人工湿地设计规模为100m3/d，湿地类型确定为潜流人工湿地。潜流人工湿地主要包括进水渠、湿地处理单元和出水渠三部分。工程占地约300m2。水力负荷为0.33m3/（m2.d），水力停留时间为1.08d。池体尺寸：设计尺寸：L×B×H=20×15×1.2m。其中潜流人工湿地的设计流量：100m3/d，单格面积：20×15×1.2m，尺寸：300m2，水力停留时间：1.08d。填料内容为防渗土工膜、碎石填料、种植土、湿地植物。其中湿地植物经考察现场，依据现有地形，在地势较高处栽种芦竹、芦苇等经济性较高的挺水植物，在低洼一带种植芦苇和香蒲等挺水植物，在靠近沟渠种植本土浮叶植物，在水深较深处栽种沉水植物。

光伏发电的功能为建设5kWp的小型太阳能光伏发电，最大限度的利用光能，减少经济开支，改善环境，达到经济和环境双收益。参数为系统的太阳能光伏电池组件选用315Wp的单晶硅太阳电池组件；并网逆变器选用5kW；每个电池串列按照7块电池组件串联进行设计：5kW的并网单元需配置2个电池串列，共计14块电池组件，实际峰值功率为4.4kWp。根据公式计算，5kWp光伏逆变器柜需逆变模块数量为1台，实际装机容量5kWp，每个逆变器所需组件并联数为2串。实取太阳能组件峰值功率4.4kW。可采用YL315P-29c-36V 16块，外形尺寸1920X990每个逆变器8串1并，288V/串 共计5.04kW（如下图2）。

3 结论

生态水魔方污水处理系统所具备的低碳环保、节能高效、低成本等优势顺应当前我国的生态文明建设和可持续发展要求，因而有着广阔的应用前景。炭厂村是生态水魔方污水处理系统的示范项目。本文以此为课题来开展系列研究，以进一步探究炭厂村生态水魔方污水处理系统项目的可行性与价值，为该系统的推广应用提供参考。

【参考文献】

[1]李缙荣，张小洪，张航宾，潘恒宇，刘强.污水处理综合系统环境经济效益评估[J].应用生态学报，2015，26（08）：2482-2492.

[2]葛媛，郑于聪，王怡雯，Mawuli Dakzapasu，王晓昌，熊家晴. 复合人工湿地在水处理中的应用进展[J].环境科学与技术，2018，41（01）：99-108.

[3]高志勇，谢恒星，李吉锋，刘史力.人工湿地处理污水研究进展[J].渭南师范学院学报，2018，33（08）：16-21.

[4]袁子勇，許玉凤.人工湿地技术在污水净化中的应用研究[J].环境科学与管理，2018，43（03）：110-115.

[5]丁明，王伟胜，王秀丽，宋云亭，陈得治，孙鸣.大规模光伏发电对电力系统影响综述[J].中国电机工程学报，2014，34（01）：1-14.