生物滤池-人工湿地组合工艺在农村生活污水处理工程中的应用

袁红丹（上海友为工程设计有限公司， 上海 200093）

农村生活污水主要指餐厨废水、洗浴废水、洗涤废水和粪便污水等，生活污水是农村地区水体中污染物的主要来源之一。我国每年废水排放总量约 600 亿 t，其中农村地区的生活污水排放量约 200 亿 t，占比约 30.7 %[1]。近年来，随着农村地区发展加速，农村生活污水直接排放对河道的污染导致的公共卫生安全和环境污染问题日益凸显。上海城镇生活污水处理率位于全国前列，规划 2020年将达到 90% 以上。但上海农村地区生活污水处理水平与城镇地区相比较薄弱，直排的农村生活污水严重影响了上海农村地区的水体环境质量。加快水环境治理是促进上海农村地区全面可持续发展的必要环节。

上海农村地区具有经济发达、人口密度大、土地资源紧缺等特点，所以宜选用占地面积较小，污水处理效果较好的生物-生态组合工艺系统进行污水处理[2]。经比选，生物滤池-人工湿地组合工艺较适宜上海农村地区，已经在上海市嘉定区、崇明区、青浦区、松江区等郊区农村得到广泛应用。本文结合上海市嘉定区某镇农村生活污水处理工程的实例进行分析探讨。

1 工艺设计

1.1 设计水质和水量

1.1.1 设计进水水质

农村生活污水来源简单，污染物中的有机物占比较大，氨氮含量较高，可生化性好，重金属污染物和有毒、有害物质等含量较少，因此适合使用生化方法处理。同时，因为农村居民生活用水量较不稳定，呈间歇性排放，所以生活污水变化系数较大，为 3.0～5.0[3]。

本工程位于练祁河以北、盐铁塘以东区域。该区域受墅沟水闸引水影响大，水体置换充分，流动性强，常年水质情况较好。多个监测断面水质单因子评价为 Ⅴ 类水以上。除少数河道呈轻度污染外，大多数河道断面水质一般或较好。本工程依据《上海市农村生活污水处理技术管理要求（暂行）》（沪水务 [2013]207号）文件中的典型农村生活污水水质数据，并根据工程区域水质资料进行合理化调整，最终确定污水处理站进水水质设计标准，具体如表1所示。

表1 污水处理站进水水质指标 mg/L

污水处理站出水水质标准依据 GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级 B 排放标准执行，具体如表2所示。

表2 污水处理站出水水质指标 mg/L

1.1.2 设计水量

本工程中农村生活污水的污水量根据《上海市污水处理系统专业规划》（2007年3月版）规定的污水量标准计算，结合对工程区域污水专业规划和工程区域农村居民生活用水现状的调查，并参考同类项目的工程实施经验，确定常住人口生活污水量标准为 105 L/(p·d)，外来人口生活污水量标准为 60 L/(p·d)，并将地下水渗入量按综合生活污水量的 10% 计算。

1.2 处理工艺流程

本工程农村生活污水的处理流程如图1所示。

图1 生物滤池-人工湿地组合工艺处理农村生活污水流程图

农户生活污水首先进行分户分类预处理。厕所污水进入化粪池，通过化粪池内的厌氧发酵过程，在去除厕所污水中大量沉淀物和漂浮物的同时，去除了污水中部分有机污染物，同时具有调节水质、水量的作用，降低了后续处理设备污染物负荷和管道堵塞风险。厨房污水进入隔油池，分离去除污水中的可浮油和部分细分散油。此后，每户农户的化粪池出水、隔油池出水和其他生活污水经由管道收集，统一输送至就地污水处理站进行处理。

污水经管道输送至就地污水处理站后，首先进入格栅池，拦截去除污水中较大悬浮物和漂浮物。随后污水进入调节池，调节均衡污水水质和水量。调节池污水通过提升泵按照设定时间和流量进入生物滤池进行生化处理，污水自上而下靠重力流经池内填料，生物滤池中填料表面生长的生物膜对污水中污染物质具有吸附、分解等作用，能去除污水中溶解的绝大部分有机物、部分氨氮和磷元素。此后，污水进入沉淀池，进行充分泥水分离，沉淀法去除污水中生物滤池脱落的生物膜、活性污泥等悬浮物质，该沉淀池部分出水回流至集水池，其余污水进入生态处理阶段—人工湿地。人工湿地系统为准生态系统，其过滤作用可截留污水中悬浮物，其中的微生物对污水中的有机物、氮磷化合物有较好的降解作用，对污水中重金属等微量元素具有吸附和富集作用[4]。基质-植物-微生物组合生态系统能通过物理、化学和生物的协同作用，进一步去除污水中有机物、悬浮物、重金属元素、氮、磷等污染物质。

通过以上工艺处理，系统出水可达标排放。

1.3 主要构筑物及设计参数

本工程中就地污水处理系统的处理能力为 60 m3/d，主要构筑物有调节池、生物滤池、沉淀池和人工湿地等。

1.3.1 格栅调节池

为节省占地，格栅池与调节池合建。该池按照两格设计，第一格为格栅池，其中设置间距为 10 mm 的人工格栅，截留 10 mm 以上的颗粒物。第二格为调节池，用以集水来调节水质水量，并设置 2 台提升泵（一用一备），将该池污水提升至生物滤池。调节池的有效容积按照处理站日进水污水量的 20%～30% 设计，池体构筑物长度为 6.90 m，宽度为 3.45 m，深度为 2.60 m。

1.3.2 生物滤池

生物滤池建于调节池上方，以节省用地和建筑基础费用。滤池内滤料分层垂直排布，每层采用不同规格滤料，层厚 300 mm，层间距 150 mm。滤料共设置 8 层，最上层为粒径较大的多孔火山岩，层数向下逐层选用粒径依次减小的多孔火山岩，最下层滤料采用粒径适宜的陶粒，由此创造滤池内垂直方向不同的适宜不同种类微生物生长的微环境，丰富微生物种群，逐级净化污水。滤池布水系统设置于滤料上方，采用穿孔管将污水注入布水槽，再垂直注入滤料中。滤池的出水收集系统位于滤料层下方，利用重力收集出水，再由管道运输至沉淀池内。

1.3.3 沉淀池

沉淀池设置于生物滤池的下方，与格栅集水调节池合建。考虑到生物滤池出水中的颗粒和悬浮物质主要为脱落的生物膜和活性污泥，而且水量相对较小，所以沉淀池设计成方形竖流沉淀池，下部污泥区兼具污泥浓缩的作用，以节省占地面积。由于系统产生的剩余污泥量较小，所以每隔 6 ～12 个月对其清理一次。沉淀池的有效容积按照污水的有效停留时间为 2 h 设计。池体构筑物长度为 6.90 m，宽度为8.00 m，深度为 2.60 m。

1.3.4 人工湿地

人工湿地构筑物底部设置基质层，分为防渗层、填料层、隔离层和土壤层 4 部分。防渗层设置在基质最底部，用以防止污水渗入下层土地中，防渗层主体为钢筋混凝土垫层，加设≥1.00 mm 的高密度聚乙烯（HDPE）防渗膜和彩条布。防渗层上方设置填料层，采用火山岩生物填料，利用填料表面生长的生物膜降解污染物。填料层上方设置隔离层，采用透水纤维布隔离。表层设置土壤层，采用较肥沃的农田土壤，在表层土壤种植耐水植物芦苇。通过人工湿地系统内的水生植物和微生物的协同作用，实现污水净化。

此外，为保证人工湿地配水均匀和出水顺畅，在湿地前端设置配水槽，采用穿孔花墙进行均匀配水；在湿地后端设置集水槽，同样使用穿孔花墙进行集水，出水经集水槽后达标排放。人工湿地构筑物占地面积为 165 m2，长度为 15.52 m，宽度为 10.62 m，深度为 12.50 m。

2 系统运行情况

2.1 运行费用

本工程于 2017年6月建成并开始投入使用。就地污水处理系统的运行费用主要由管理费、用电费、污泥处理费和生物滤池填料更换费用组成。其中，处理每吨水时产生的费用为：管理费 0.90 元，用电费用 0.10 元（按电价0.61 元/kWh 计），污泥处理费 0.25 元，生物滤池滤料更换费用为0.10 元。因此，污水处理系统运行中每吨水的处理成本为1.35 元。

2.2 污水处理效果

经过对污水处理系统进行 3 个月的试运行，于 2017年9～12月对就地污水处理站的出水进行了监测。结果表明，系统出水中 CODcr、BOD5、N-N 和 TP 的平均浓度分别为 40.7 ±18.6 mg/L、10.5 ±9.2 mg/L、7.2 ±0.5 mg/L 和0.9 ±0.2 mg/L，满足 GB 18918—2002 一级 B 排放标准中的 CODcr ≤ 60 mg/L，BOD5≤ 20 mg/L，N-N ≤ 8 mg/L 及 TP ≤ 1 mg/L 的要求。

3 工艺优化

随着农村污水处理出水水质标准的不断提高，工程设计中对污水处理设备的处理效果和成本控制要求也在不断提高。在今后的研究和工程设计中，可对生物滤池-人工湿地组合工艺进行优化提升，从而满足水质标准和成本控制要求。

3.1 生物滤池优化

在生物滤池运行中，HRT（水力停留时间）对污水净化效果发挥着重要作用。一定范围内延长 HRT 能显著提高系统出水水质，因此可在成本控制的前提下适当提高设备的HRT，以提高系统净水能力。同时，谭杰等[5]研究发现，当环境温度由 20～30 ℃ 降低为 10～15 ℃ 时，污水中 CODcr的去除不受影响，而 N-N 的去除率下降了 20%。因此，为系统设置保温装置能在冬季有效保障系统对 N-N 的去除效果。

此外，优化生物滤池内滤料配置能提高净水效果并降低滤料成本。火山岩、红渣和改性复合滤料对污水中各污染物均有较好的去除效果：红渣对 CODcr 和 TP 去除效果最好，而对 N-N 去除率较低；改性复合滤料对 TP 去除效果较好，但对 CODcr 和 N-N 去除效果较差；火山岩对 N-N去除效果最好，但对 TP 去除效果较差[6]。考虑到火山岩、红渣和改性复合滤料的成本差距，可依据 3 种滤料的去除污染物特性和成本，将 3 种滤料合理配置，能提升生物滤池的污染物综合去除能力，同时控制和降低滤料成本。

3.2 人工湿地优化

在人工湿地系统中，对氮和磷的去除主要依靠植物的吸收和富集作用。优化配置人工湿地的植物种类可降低系统出水中 N-N 和 TP 浓度。李慧君[7]研究发现，种植美人蕉的人工湿地系统在水力负荷为 0.20 m3/(m2·d) 时，对浓度为7 mg/L的 TP 去除率为 85% 以上，而适当延长 HRT 亦能提高除磷效果。因此，在人工湿地系统中混合配置芦苇和美人蕉等植物，优化运行参数，能够提高系统除磷效果，同时提升系统美观度。

此外，李峰平等[8]研究表明污水中氮磷等营养元素能够被植物吸收，但当植物吸收营养元素至饱和后，会在枯萎过程中将氮磷元素释放出来。因此，在人工湿地系统运行中，需合理考量所配置植物的生长周期，适时收割湿地植物，以保证系统出水水质。

4 结 语

生物滤池-人工湿地组合工艺是生物-生态相结合的组合式水处理工艺，具有处理效率高、效果好，建造成本和运行费用低，结构简单便于管理维护等多方面优点。随着工程实践、研究工作的不断深入，该系统可不断优化提升，提高处理出水水质的能力，满足污水处理的需求。因此，该工艺在上海农村地区具有广阔的研究和应用前景。