三峡库区农村污水处理工艺应用研究

2016-01-08王家范先鹏夏颖吴茂前张富林刘冬碧张继铭

湖北农业科学 2015年23期

王家+范先鹏+夏颖+吴茂前+张富林+刘冬碧+张继铭

摘要：在借鉴国内外相关农村污水处理技术的基础上，结合三峡库区兴山县长坪小流域农村污水排放现状及水质、水量，筛选并设计了土壤渗滤、人工湿地、复合生物滤池3套适合三峡库区的分散式污水处理工艺。经过运行调试，对3套污水处理工艺的适宜性、环境效益进行了分析与校验，3套工艺对化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）的去除效果均较好。在运行初期，出水水质均能达到《城镇污水处理厂排放标准》一级B标准，且大部分时间达到一级A标准。复合生物滤池工艺受到水力负荷和季节变化的影响较小，对TN、TP和COD的去除效果比土壤渗滤和人工湿地更稳定，更适宜于采用综合性农村联户或集中污水处理模式。

关键词：农村污水处理;土壤渗滤;人工湿地;复合生物滤池;三峡库区

中图分类号：X52 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）23-5853-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.23.015

Application Research of Rural Sewage Treatment Processes

in the Three Gorges Reservoir Area

WANG Jia1，2，FAN Xian-peng1，XIA Ying1，WU Mao-qian1，ZHANG Fu-lin1，LIU Dong-bi1，ZHANG Ji-ming1

（1.Institute of Plant Protection， Soil and Fertilizer Sciences， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China;

2.College of Resource and Environment Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract： Based on the related rural sewage treatment technology in China and abroad， combining the rural sewage discharge status and water quality， water quantity in Changping small watershed of Three Gorges Reservoir area， three wastewater treatment processes were designed to solve the decentralized rural sewage， including land permeation treatment， constructed wetland and combined biological filter. After debugging and running， the suitability and environmental benefit were analyzed， and the three systems reached the expected target. The results showed that the removal effects of COD， TN， TP by the three type of rural sewage treatment were excellent. At the earlier stage， the effluent of each system could stably meet the first grade B standards of urban sewage disposal plant contamination integrated discharge standard， and most time meet the first grade A. The treatment effect of the combined biological filter was more stability than others， because it was less influenced by the hydraulic loading and the change of seasons， therefore， it was most appropriate for the rural sewage treatment of a corporate or centralized wastewater system.

Key words： rural sewage treatment; land permeation treatment; constructed wetland; combined biological filter; Three Gorges Reservoir area

随着农村生活水平的提高，日常生活中洗涤剂的用量及其中的化学物质含量也大幅度增加，这些洗涤剂除了会对水生动物产生影响以外，还含有大量氮、磷元素[1]。在农村居民区，传统的生活习惯简单，对环境的危害意识薄弱，养殖粪污和生活污水随意排放造成了氮、磷等营养元素在农村地区的大量积累，在一定的降雨条件下，大量的氮磷等营养物质随着地表径流进入水体中，有研究表明，太湖农村地表径流中氮磷年负荷量接近或已超过农田氮磷面源排放量[2]。三峡库区近几年水体总磷（TP）、非离子氨、化学需氧量（COD）等指标有恶化趋势，主要污染源一方面是工业点源、线源污染造成的面源污染，另一方面是农业自身造成的面源污染[3]。endprint

三峡库区是中国的重点生态环境保护区，也是环境敏感区和面源污染易发区。三峡水库蓄水后，水流变缓，水体自净能力减弱，支流的回水容易出现富营养化现象，影响了库区的水质。农业面源污染物是影响三峡库区水体水质的主要原因之一，而由农村生活污水及农村分散畜禽养殖污水合流排放的农村污水是库区农业面源的重要来源。因此，开展库区农村污水排放特征及其处理工艺研究对三峡库区面源污染控制和保护库区生态环境意义重大。本研究是在调查分析三峡库区兴山县长坪小流域农村生活污水水质、水量和现状的基础上，通过农村污水处理技术的集成和应用，寻求适宜丘陵地区生活污水处理的使用工艺，最终实现农村污水的无害化和资源化处理。这对兴山县社会主义新农村建设，重要水资源保护，甚至是整个三峡库区的农村污水处理设施建设以及经济可持续发展，都具有重要的意义。

1 农村污水排放现状

兴山县水资源丰富，雨水充沛，年平均降水量最高达1 200 mm，但降雨量时空差异大，北部多于南部，高山地区多于低山地区，夏季多于秋冬春季，独特的水能资源是全县四大优势资源之一，同时也是中国最大的水利枢纽工程——三峡工程的一部分，生态环境地位重要。因此，这对兴山县农村污水处理提出了更多、更高的要求。

兴山县农村经济发展水平由于地理环境的原因，相比其他南方发达地区农村落后很多，农村基础设施滞后、技术缺乏，排放的农村生活和畜禽养殖污水在水质、水量上与其他地区不同[4]。因此，兴山县农村污水处理不同于其他南方地区已经投入使用且成熟的处理工艺，而应该根据该地区的经济条件、地形条件、居民环保意识及污水处理规模发展适合丘陵地区的农村污水处理模式。三峡库区兴山县农村生活污水有以下特点：①污染物排放覆盖面积大。兴山县城镇化程度较低，由于地势地貌的原因大部分地区还是丘陵地形，农村污水的产生源比较多。②污染源分散。自然村的位置比较随机，村落没有集中的排污口，大部分直接排放。③日变化系数大。由于农村的生活和工作习惯，污水的排放主要集中在傍晚，其他时间段污水的排放没有规律。④有机物含量高。由于农村污水的排放包括生活污水和畜禽养殖污水，畜禽养殖废水中含有高浓度的有机物，较难单独处理。并且由于生活污水中主要为洗涤排放的污水，因此氮、磷等浓度较高。

2 农村污水处理技术选择原则

由于农村生活居民区规模小，污水排放分散，多数房前屋后为池塘或菜地，因此污水处理设计应该考虑全面，因地制宜，更多地采用简易、低能耗和处理效果好的工艺。一般，在实际工程项目中选择理想的农村污水处理方式时应遵循以下原则：①多方面适宜性。农村污水处理方式要考虑到农村实际需求、人口、地理环境和经济水平等因素，通过分析和比较，在经济条件允许的前提下选择简单、有效的处理技术[5]。②后期维护管理。在国内，农村地区大多人口老龄化严重，人口少，很多村镇污水处理设施建成以后，缺乏专业的技术人员，无法对设施进行科学的管理和维护。因此在农村宜选择后期维护和日常操作简单的处理技术。③工艺简单。农村污水处理设施规模和流程不能过于复杂，否则一方面是不便于管理，另一方面也受到农村经济条件差，运行费用少的限制。因此，在一些条件不太好的地区，应该考虑无动力低能耗的处理技术，例如厌氧无动力、人工湿地和地下渗滤的工艺，尽可能减少污水处理能耗[6]。

综上考虑，根据调查中得知的基本情况，当地的污水处理工艺需要满足以下几点：①污水的厌氧前置处理;②畜禽养殖粪便和污水的干湿分离[7];③生活污水和畜禽养殖污水混合处理;④处理后出水的回用;⑤工艺日常管理维护简单;⑥设施建设成本低廉。

3 农村生活污水处理工艺

3.1 工艺选择

综合考虑该区所排放污水主要为日常生活污水以及少量的畜禽养殖废水，根据相关调查得知，三峡库区农村家庭人均生活污水日产生量为30 L/d[8]，人均日产生污水量受季节、地域、农户有无下水设施的影响，针对以上特点，设计参数见表1。拟采用常规的“厌氧+自然人工处理”的工艺，选取了3户农村家庭分别建设了土壤渗滤（S1）、人工湿地（S2）、复合生物滤池（生物滤池+人工湿地，S3）3种污水处理工艺，工艺流程见图1。其中人工湿地和土壤渗滤池的无动力的“厌氧+自然处理”的工艺完全通过自流和表面复氧实现处理过程，主要利用厌氧和兼性生物作用达到净化处理生活污水的目的，增加人工湿地的目的主要是进一步净化出水水质，减少厌氧异味[9]。

3.2 主要构筑物说明

3.2.1 土壤渗滤池土壤渗滤系统的原理是将污水有控制地分配到具有一定深度和土壤结构以及良好扩散性能的土层中，污水在土壤中扩散，在土壤、微生物和植物相互协同作用下，达到处理利用要求。本设计中污水经过化粪池和干湿分离池底部的厌氧处理后，在无动力的条件下进入土壤渗滤池，在植物吸收以及土壤中微生物的硝化与反硝化的作用下，除去大量的氮磷等营养物质。

如图2所示，地下渗滤池面积为2 m2，进出水采用双管布水和集水，每根PVC管长1.8 m，管直径50 mm。孔直径5 mm，布水间距取30～40 cm，侧池宽为1 m。具体填料布置从上往下依次为30 cm原土种植层、10 cm布水层、30 cm粉煤灰混合土壤、10 cm腐熟猪粪、10 cm粉煤灰混合土壤、10 cm砾石层。根据最佳水力负荷12.5 cm/d，设计土壤渗滤池的大小为2 m×1 m×1 m。

3.2.2 垂直潜流人工湿地垂直潜流湿地系统中，氧的释放一方面通过植物根系的传递，另一方面通过土壤自然进入，使人工湿地中存在好氧、缺氧、厌氧多种环境状态，为湿地中水处理微生物提供了良好的生存环境，然后通过微生物的硝化、反硝化作用去除污水中的氮;另外，填料的吸附以及植物和微生物的相互作用可以吸收污水中大量的磷，最后通过填料的更换以及植物收割的方式去除污水的磷元素。endprint

依据水力停留时间设计人工湿地池的大小。水力停留时间（T）计算公式为：

T=■

其中，L、W、D分别为湿地的长、宽、高，？浊为基质的孔隙率（根据经验取0.3），Q为平均流量。

砾石填料粒径为1～3 cm，一方面是为了通过土壤传递空气，供给微生物降解污染物;另一方面是通过植物根系传递，接受大气中的氧气进入土壤底层，加强污染物的降解。参照李旭东等[10]的研究，潜流湿地床进水流量2.5 L/min，水力负荷0.6 m3/（m2/d），在水力停留时间为36 h，按照最大流量0.5 m3、水深0.5 m、超高20 cm的条件下，设计人工湿地池的L为2 m、W为1 m、D为0.7 m。具体填料及配置见图3。

3.2.3 复合生物滤池工艺如图4所示，在复合生物滤池工艺中，为了补偿调节池的水头损失设置了泵提升措施，将污水通过泵提升到池顶的配水池，然后通过阀门控制出水，一方面可以控制流速和回流比，另一方面可以直接进行农田灌溉，污水进入滤池填料部分后，立体的填料中存在兼氧、好氧等不同生物菌群，利用这些微生物的代谢作用实现了对污染物的降解，达到净化水质的效果，而在整体工艺的后部增加人工湿地环节则是为了进一步强化脱氮除磷效果，同时也具有美化环境的作用。

3.3 处理工艺参数比较

3种工艺的基本参数与处理条件如表2所示。土壤渗滤池和人工湿地中植物的生长受到季节的变化影响较大[11]，占地面积相对较多，所以这两个工艺更适合于土地资源丰富的地区。复合生物滤池工艺在污水水质和环境温度变化较大的情况下，出水水质相对稳定，具有工艺投资少、处理效率高、能耗低、管理方便的特点，但是对污水进水的连续性和预处理程度有一定的要求，更适宜于综合性中等规模的农村集中式或联户污水处理模式。

4 结果与分析

3套工艺于2014年8月10号施工完成后，经2个月调试，各工艺出水水质稳定。从2014年10月10日至2015年3月10日，以7 d为一个周期，分别对3个污水处理工艺的进出水环节进行取样并进行对比分析。

4.1 总氮去除效果比较

由图5可知，土壤渗滤池对总氮（TN）的去除率为 80%～90%，污水在土壤渗滤池的停留时间高于干湿分离池，并且在植被吸收、土壤吸附以及其中微生物的作用下处理效果较好，出水TN浓度在15 mg/L 左右，在1月2日前后处理效果不稳定，波动性较大;人工湿地工程整体脱氮效率较高，可以达到 85%以上，进水 TN 浓度在1月下旬波动性较大，出水 TN 浓度基本控制在15 mg/L以下，仅12月中旬有超标现象;在复合生物滤池工艺中，生物滤池与人工湿地对总氮的去除均有很好的效果，生物滤池强化脱氮处理后，总氮的浓度会降低到20 mg/L左右，然后经过人工湿地的进一步脱氮除磷作用，使总氮的去除率达到81.5%。综上所述，3种工艺基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准（其中TN、TP、COD的排放浓度限值分别为15、0.5、50 mg/L），仅12月前后有少数超标现象，但仍可达到一级B标准。

4.2 总磷去除效果比较

由图6可以看出，在连续进水的情况下，进水 TP的浓度均在1～8 mg/L范围内，3种工艺均对TP去除效果较好，复合生物滤池工艺对TP的处理效果相对稳定。运行初期，11～12月土壤渗滤池和人工湿地上的植物被收割改种香菜，香菜生长初期植物根系不够发达，处理效率受到一定影响，1月后处理效果趋于稳定，出水TP基本在1 mg/L以下，可基本达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。复合生物滤池通过复合生物滤池顶部的阀门控制了日进水量，减少了冲击负荷，因此受季节性变化影响较小，出水TP均在0.5 mg/L以下，达到一级A标准。

4.3 COD去除效果比较

由图7可知，进水COD浓度范围为150～650 mg/L，平均浓度为346 mg/L，土壤渗滤池工艺对COD的处理效果稳定，处理效率在98%以上，说明通过改良化粪池、干湿分离池、土壤渗滤池3个处理单元的联合作用较好地保证了出水COD的处理效果;人工湿地的出水COD浓度为16～38 mg/L，出水平均浓度为24.3 mg/L;复合生物滤池进水平均COD浓度为440.8 mg/L，出水COD浓度稳定，均低于50 mg/L。可见3种工艺对COD的去除效果都比较稳定。

5 结论与讨论

正常运行情况下，3种处理技术对污染物的去除效果基本达到要求，土壤渗滤池工艺出水水质在1月后有较大波动，分析可能是在1月前后，住户人口变化系数大，水量排放随机性强[12]，导致出水TN浓度波动性变化大;人工湿地工艺除了11～12月初处理效率有较大波动外，其余各月的处理效果基本保持稳定。相关研究表明，植物直接吸收和储存占湿地脱N的30%左右[13]，而在11～12月湿地植物刚刚收割，改种耐寒植物香芹，导致植物量减少，湿地植物对氮的去除效果不稳定，与陈建等[14]研究结果相似，水力负荷、温度影响了湿地系统的处理效率，1月以后湿地系统中生物量达到处理需求，可以保持较好的脱氮效果;复合生物滤池受季节和人口变化影响较小，原因是通过复合生物滤池顶部的阀门控制了回流比和日处理量，降低了整体工艺冲击负荷。

总之，3套污水处理工艺对COD、TN、TP均有较好的去除效果，能基本达到《城镇污水处理厂排放标准》一级A标准。其中厌氧-复合生物滤池工艺对TN、TP和COD的去除效果比厌氧-人工湿地更稳定。土壤渗滤工艺一方面对农作物提供了水分和养分，减少了肥料的使用;另一方面也处理了污水中的污染物，处理效果基本达到要求，连续自然进水，无需运行管理费用，但是易受到农作物生长周期和冲击负荷的影响，适合土地资源丰富的农村地区。人工湿地投资成本低，处理效率高，基本不需要维护和运行费用，但是湿地处理效果受季节气候的影响大，适宜在南方气候相对较好的农村地区推广或选择耐寒性较好的湿地植物进行种植。复合生物滤池具有较好的抗冲击负荷能力，使出水水质受污水初始水质和季节变化的影响较小，具有工艺投资少、处理效率高、能耗低、管理方便的特点。但是，滤料的挂膜对污水处理的效果影响较大，使其对污水进水的连续性有一定的要求，复合生物滤池的进水水质也有一定的范围，使其对污水的预处理要求高。更适宜于农村集中式或者联户的污水处理。endprint

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