川西林盘生活污水厌氧复合生态分散处理技术研究——以成都市新津区串头村十二组林盘为例

彭朝晖， 孙家宾， 朱顺熙， 樊战辉， 杨 琴

(成都市农林科学院, 四川 成都 611130)

目前，绝大多数林盘存在集中收集管网建设投资大，一般生物处理工艺建设设施投资和运行管理费用高的困难，因而通常直接排放到林盘周围的农灌沟或河流中，从而造成林盘周边黑臭水体，成为农村人居环境整治的短板[1]。因此，有必要开发投资省、运行费用低、管理方便的林盘生活污水复合生态措施分散处理技术。净化沼气池以其建设投资省、不耗能、运行费用低、占地面积小、使用寿命长等特点，为小城镇建设提供了一条生活污水处理的可靠途径[2]。但是单纯的厌氧沼气池处理技术有一定的局限，作为生活污水处理设施，要达到各省近期制订的农村生活污水排放标准，还需要对现有厌氧系统技术创新。此外Kantawanichkul等使用紧凑组合式人工湿地和曝气来处理厌氧处理系统中的出水[3-5]，证明了人工湿地和曝气系统可对厌氧后处理出水进一步净化，因此将厌氧、人工湿地及回流曝气技术进行技术创新，即对生活污水净化沼气池进行创新，同时在生活污水净化沼气池后面增设人工湿地和回流曝气作为后处理，是实现川西林盘生活污水分散治理的重要途径。

本案例为一种生活污水净化沼气工程-人工湿地-回流曝气复合生态分散处理技术，并对运用该技术的新津县串头村十二组林盘生活污水案例示范工程实例进行了阐述，以期为农村生活污水分散处理提供理论依据和示范推广案例，工艺路线图见图1。

1 案例详情

1.1 工程设计

本案例结合检索资料，经充分调研，确定以成都市二三圈层现存林盘为主要调查范围，重点调查林盘居住区人数、地理状况、生活污水排放量、污水水质等状况。最后结合新津县花源镇串头村十二组林盘建设及环境保护要求，决定在该村十二组实施林盘生活污水厌氧生态复合处理技术案例示范工程。该林盘有21户农户，涉及村民及暂住人口约90人。

新津区串头村十二组林盘生活污水厌氧复合生态分散处理日处理污水量约为7 m3，涉及常住和暂住人口约90人。示范工程由3部分组成：前置生活污水净化沼气工程、中置组合人工湿地和后置回流曝气装置。

前置生活污水净化沼气工程由缓冲沉渣池、三级厌氧发酵池和多级折流式生物滤池3个部分组成。污水通过该部分装置，不可分解的无机物得到格除，可生物降解的有机物得到充分分解，生活污水净化沼气工程总容积为50 m3，污水滞留时间7 d。

中置400 m2组合人工湿地由2个不同流向的垂直流型人工湿地及回流曝气喷射管等组合而成，人工湿地人口当量面积为每人5 m2。人工湿地填料:碎砖、碎砾石、深度为1m；植物：芦苇(Phragmitesaustralis)、水竹(Phyllostachysheteroclada)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、凤眼蓝(Eichhorniacrassipes)为主。后置回流曝气是对人工湿地出水进行深度曝气增氧，主要利用水泵将湿地出水通过布水管喷射到人工湿地表面，制造1.5～1.8 m的落差，让回流污水接触空气中的氧气，达到增氧的效果，增氧后污水再次通过人工湿地深度处理。回流曝气控制系统主要由回流池、液位计、潜污泵、曝气管、电控箱组成。回流池容积为1.5 m3，液位控制采用滑竿式浮球液位计；潜污泵选取功率0.55～0.75 kW，220 V；曝气管由安装在人工湿地上的喷射管组成。控制系统控制曝气间隔和时间，启动时间为0:00～24:00，每间隔4小时回流曝气1次。

1.2 分析方法

本案例中测定进、出水口所取水样的pH值、悬浮物、化学需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、总磷。监测分析方法pH采用玻璃电极法，COD采用重铬酸钾法，悬浮物采用重量法，氨氮采用纳氏试剂比色法，总磷采用钼酸铵分光光度法。

1.3 林盘聚居区生活污水水量水质情况

林盘聚居区生活污水水量每人每天约为0.08 m3，生活污水水质pH值为7～9；CODCr：300～350 mg·L-1; 氨氮NH3-N：30～50mg·L-1; 悬浮物SS：100～150 mg·L-1; 总磷TP：6.0～10.0 mg·L-1(见表1)。

表1 林盘生活污水水质情况

2 案例分析

2.1 示范工程处理效率分析

于2018年11月至2019年8月进行了每月连续采样分析。化学需氧量的去除率方面，生活污水净化沼气池平均是33.7%，人工湿地平均是77.9%，提升了2.31倍；悬浮物的去除率方面生活污水净化沼气池平均是18.2%，人工湿地平均是77.8%，提升了4.27倍；氨氮的去除率方面生活污水净化沼气池平均是51.4%，人工湿地平均是92.5%，提升了1.80倍；总磷的去除率方面生活污水净化沼气池平均是9.2%，人工湿地平均是75%，提升了8.15倍。同时，人工湿地采用间歇曝气措施增氧后，氨氮去除率显著提高。处理出水水质完全达到四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB51/2626-2019)二级标准(见表2)。

表2 生活污水净化沼气池—人工湿地处理效率

2.2 生活污水净化沼气池技术优化

生活污水净化沼气池技术以其投资分散、不耗能、运行费用低以及节约用地等优点逐渐发展成为我国南方生活污水分散出来的主要技术，已经得到广泛应用，到2010年末，国内生活污水净化沼气池已经达到20余万处。生活污水通过缓冲沉渣池时把其中的砂石等无机物沉积于池底，便于定期清掏，而可降解有机物进入厌氧核心区，本处理生活污水净化沼气工程首先对厌氧核心区进行优化，将厌氧发酵区分为三级发酵，在三级发酵池中增加了中下层过水反应装置和PPC高效生物填料等工艺，使厌氧微生物充分富集和减少流失，优化了厌氧微生物自身代谢环境条件。为污水中有机物在发酵区的液化、酸化、甲烷化创造最佳工程条件。

其次，优化了生活污水净化沼气工程中滤池部分，滤池采用了多级折流式污泥沉降和PPC活性生物滤料技术。在折流过滤区，通过设置翻水隔墙，让污水中悬浮颗粒物沉降在重力沉降区，同时污水多次在子滤室内翻转，通过生物滤料时，高性能生物滤料过滤掉的悬浮颗粒物也在重力沉淀区沉淀。过滤室的盖板上设置有孔隙，可维持过滤室的兼氧环境，在兼氧微生物的作用下进一步降解消化污水中的有机物，多级折流生物滤池形成折流滤室通道，增加了过滤次数，并延长了污水在过滤室中的停留时间，使得兼氧发酵更充分，提高了氨氮和硫化氢的去除效果，使污水中悬浮物得以充分截留，沼气池出水水质进一步提高。

2.3 人工湿地优化

2.3.1 人工湿地类型优化

人工湿地是指通过在人工固体介质(沙，土壤或砾石)上种植植物形成一种生态系统，在适当的环境条件下通过植物的自然生长过程进行废水处理[6]。人工湿地具有投资，运营和维护成本低的特点[7]，因此在许多国家，人工湿地被用作生活污水的后处理方案[8]。特别是对于远离城市污水处理厂的包括川西林盘在内的小型农民居住区更具技术潜力。

根据以往工程经验，采用表面流人工湿地接近于天然湿地，进入的污水从表面经过，通过水面扩散、植物根系的传输来对氧气进行补给，污染物主要是由系统中的植物茎、秆以及床体表面的生物膜来完成处理的，并没有使介质与植被根系在去除过程中发挥最大的效益，而且由于水面直接暴露在空气中，该湿地系统运行受气候条件影响较大，夏季容易孳生蚊蝇，并有臭味。表面流人工湿地的主要缺点是负荷低，去污能力有限[9]。

与表面流人工湿地相比较，采用水平潜流人工湿地，污水经过配水系统均匀地进入根区填料层，水从湿地系统中的布水渠流入填料床内，沿着介质中下部潜流呈水平渗滤前进。水体在填料床的下面流动，增加了基质填料的截留作用以及微生物膜和湿地植物的根系利用率，提高了处理效果，避免夏季蚊蝇孳生及产生臭味。但实际运行中，存在大量固体悬浮物、以及微生物的过量繁殖堵塞进水口现象。

综合比较而言，采用组合垂直潜流人工湿地，污水在基质内以从上至下(或从下至上)垂直方向，在湿地床表面以下流动，一方面可以利用生长在湿地表面的微生物、丰富的植物根系和填料的截流作用来处理污水，另一方面，由于污水在湿地表面以下流动，系统的保温性好，处理效率受气温的影响小，且卫生条件好。垂直潜流人工湿地体系中，填料层一般由多孔性填料如砾石构成,表层土壤上栽种耐水植物，基质大部分时间处在非饱和状态，湿地植物为挺水植物。湿地植物有发达的根系,可以深入到表层土壤下面的填料层中,这些交织成网的根系与填料一起构成一个透水的系统，污水中的悬浮物和有机物通过沉降和过滤作用被有效去除。同时，这些植物可以将大气中的氧输送到根系周围,从而在根系周围形成一个溶解氧浓度较高的环境,这有利于好氧微生物的活动，这些附着在填料或植物根系上的好氧微生物可以分解污水中的有机物，矿化污水中的一部分营养物如氮和磷,使这些营养物转为可被植物利用的形态。在系统中缺氧的区域能够发生反硝化作用而脱氮,从而使污水得到净化，也正因为如此，垂直流人工湿地相较于其他类型人工湿地具有更强的硝化能力，在净化 NH3-N 浓度较高的情况时，更具适用价值[10]，是目前国际上案例和应用较多的一种湿地处理系统[11]。

综合文献分析及以往工程经验，本示范工程人工湿地部分采用水力负荷高,对BOD，COD，SS，重金属等污染物的去除效果好,不发生恶臭和蚊蝇孳生现象,投资省，管理方便的组合垂直流型人工湿地。

2.3.2 湿地植物优化

植物在人工湿地净化污水过程中，植物作用理论上可以归纳为3个重要的方面: 1)直接吸收利用污水中可利用态的营养物质、吸附和富集重金属和一些有毒有害物质； 2)为根区好氧微生物输送氧气； 3)增强和维持介质的水力传输[12]。示范工程建设中，在湿地植物的选择上，除了重点考虑选择耐污能力强、净化能力强的特点外，还应该注意不同地区具有不同的环境背景，即做到因地制宜，要使所选植物能在该地区正常生长，适合当地的气候条件。再者，人工湿地植物的选择首先考虑观赏价值，使保护环境与人们的生活相映生辉。选择湿地植物既能够净化水质，又能美化环境，其次，植物收割后又能产生一定的经济价值，减轻湿地管理经费压力。温四民案例表明菖蒲、千屈菜、灯心草、芦苇和香蒲对生活污水的耐受性较强[13]。综合川西农村生活习惯及地理特征，以及以往工程经验，本案例选择芦苇、水竹、狐尾藻、凤眼蓝作为人工湿地主要植物。

2.4 回流增氧曝气优化

相对于非增氧型人工湿地，采用自动增氧措施后，脱氮率随着溶解氧浓度的升高而显著增加，这说明好氧环境有利于微生物的硝化作用。Claudiane[14]等通过使用空气泵强制增氧，结果表明：较非增氧人工湿地污水中TKN去除率提高了9.4%。Nivala[15]等水平潜流湿地通过自然曝气处理垃圾填埋场渗滤液，发现在增氧条件下氨氮与BOD的去除显著提高。Ouelle[16]等在水平流湿地模型进水端人工曝气增氧，较对照组COD和总氮的去除率显著提高。唐晓荣[17]研究表明，间歇曝气强化了氧的供给，为微生物提供了良好的缺氧/好氧环境，能够促进低温环境下氨氮的硝化和反硝化反应进行。结合文献分析，本示范工程中采用将人工湿地出水回流至人工湿地上进行曝气，污水曝气后再向下垂直潜流至湿地出口排出。

3 讨论

3.1 生活污水净化沼气工程-人工湿地-回流曝气处理技术产生的经济分析

本项目中生活污水净化沼气池按每人0.6 m3建设，每立方米造价1200元左右，其单独处理出水水质仅能达到四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB51/2626-2019)三级标准，可作为环境容积大，非水源保护地及非风景名胜保护区的首选处理技术。生活污水净化沼气池-人工湿地-回流曝气处理技术的出水水质可达到四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB51/2626-2019)二级标准，适用于对出水水质有严格要求的区域，且占地较前者小，聚居区实施时较易满足相关条件。建设人工湿地时按每人5 m2计，每平方米造价900元左右。

3.2 生活污水净化沼气工程-人工湿地-回流曝气处理技术产生的社会效益

林盘聚居区生活污水经厌氧复合生态技术处理后，为当地农业生产和村民生活提供了清洁的水源。湿地植物有有的是重要的工业原料，如芦苇就是重要造纸原料，有的可作为村民生产和生活原料，如湿地植物秸秆。

3.3 生活污水净化沼气工程-人工湿地-回流曝气处理技术产生的环境效益

该处理技术能有效去除有机污染物。 当生活污水中的污染有机物及有毒物质进入本生态处理系统时，系统中的生物和化学过程可由有机污染物降解和转化，湿地中的芦苇、水湖莲等植物能够有效地吸收有毒物质，使当地和游人区域不受影响。同时该处理技术不同程度上对周边环境的温度、湿度具有调节作用，美化了农村聚居区生活环境，改善了居住环境。

林盘聚居区使用该复合生态处理技术，维持了当地的生物多样性因为人工湿地中有多种生物共存，且组成了复杂的食物链，动植物种类丰富，是多种的湿生水生植物的生育地，对物种保存和保护物种多样性发挥重要作用。

4 结论

针对生活污水净化沼气工程-人工湿地-回流曝气系统处理效率、社会效率、经济效益、环境效益等4个方面，分析了该项复合生态净水模式的影响因素。结果表明，生活污水净化沼气工程-人工湿地-回流曝气系统对微污染源水的净化处理技术是可行的，安全无污染，且成本较低、管理方便，能够有效降低微污染源水中的 SS，CODCr，NH3-N，TP，出水基本能稳定达到四川省《农村生活污水处理设施水污染物排放标准》(DB51/2626-2019)二级标准。该案例为今后生活污水净化沼气池-人工湿地-回流曝气生态净化模式的构建、维持、运行以及推广应用提供了有益的参考。