厌氧预处理+潜流式人工湿地处理农村生活污水工程应用
摘要：介绍了“厌氧预处理+潜流式人工湿地”工艺原理及在处理农村生活污水工程中的应用。运行结果表明，该工艺投资少、处理效果好、操作简单、维护成本低。系统对COD、BOD5、SS、NH4+-N的平均去除率分别达到67.2%、87.0%、90.4%和80.2%，出水水质达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级标准。 关键词：潜流式人工湿地；厌氧预处理；农村生活污水；节能 前言 人工湿地作为一种生态水处理技术，目前已在各种污水处理场合发挥重要作用[1]。人工湿地是由人工建造和控制运行的与沼泽地类似的地面，将污水、污泥有控制的投配到经人工建造的湿地上，污水与污泥在沿一定方向流动的过程中，主要利用土壤、人工介质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用，对污水、污泥进行处理的一种技术。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化、植物遮蔽、残留物积累、蒸腾水分和养分吸收及各类动物的作用。 人工湿地自然条件下的生物处理法不但费用低廉、运用管理简便，而且对难生化降解有机物、氮磷营养物和细菌的去除率略高于常规二级处理，达到部分三级处理的效果，而其基建费用和处理成本分别只为二级处理厂的1/5至1/3和1/20至1/10。此外，在一定条件下，自然处理法还可获得除害兴利、一举两得的效果。所以，近十多年来，这类古老的废水处理技术又恢复了生机，并在国内外得到迅速发展。 1工程概况 丹江口市西部某村 ，辖6个村民小组、16个自然村落、355户、1436人。目前，该村基础设施建设严重滞后，污水、垃圾基本上是随意排放，未得到有效处理，严重影响村庄环境及人民群众身体健康，也直接影响了丹江口水库水环境质量。 1.1设计水量 该村污水主要来源为村民的生活污水，生活污水由各家各户排出，雨污分流，经排水管收集后汇入污水处理站。目前，该村污水管网不完善，且居民居住相对分散，本次先行实施建设2km污水管网，配套建设污水处理站处理能力按100 m3/d。 1.2设计进、出水水质 按照国家和地方环保部门的规定，本工程设计外排出水适用的标准为《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级标准，排放水的水污染物基本控制项目最高允许排放浓度中部分主要指标标准见表1： 表1 进、出水水质设计指标(mg/L)
2 人工湿地去除机理及工艺流程 2.1 人工湿地去除机理 2.1.1人工湿地对SS的去除 污水中可沉降的SS主要依靠湿地系统中物理沉降作用去除。由于湿地中水的流动极其缓慢，水浅，加上植物茎杆的阻挡作用，SS在进水口几米内能有效地去除。工程实际表明，所有的固体物在系统最初的20%面积处得到去除。胶体状的SS主要依靠微生物的作用、填料渗滤作用去除。 2.1.2人工湿地对有机物的去除 人工湿地对有机物有着较强的降解能力，污水中的不溶有机物通过湿地的沉淀、过滤作用，可以很快地被截留而被微生物利用，而污水中的可溶有机物则可通过植物根系生物膜的吸附、吸收及生物代谢降解过程被分解去除，因此湿地床对有机物的去除作用是物理的截留沉淀和生物的吸收降解共同作用的结果。反应过程中主要氧源来自水面复氧和植物向根区的过量氧传导。湿地系统对BOD5的去除可达80%以上[2]。 2.1.3人工湿地对氮的去除 氮是植物生长不可缺少的一种元素，污水中的无机氮通常包括NH3－N和NO3－N，它们均可以被湿地中植物吸收。合成植物蛋白质，最终通过植物的收割从湿地中得到去除。另外，人工湿地中的填料也可通过一些物理和化学的途径如吸收、吸附、过滤、离子交换等去除一部分污水中的氮[3、4] 。 但是，湿地系统中氮的去除是主要的还是通过湿地中微生物的硝化和反硝化作用。人工湿地中种植的水生物植物的重要功能之一就是将氧气从上部输送至植物根部，从而在植物根区附近形成一个好氧环境，而随着离根系距离的逐渐增大，湿地中依次出现缺氧、厌氧状态。这样的条件有利于硝化菌和反硝化菌的生长。为硝化反应和反硝化反应的进行提供了条件[3、4]。 2.1.4人工湿地对磷的去除 污水中磷的存在形态取决于污水中磷的类型。最常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷酸盐等。人工湿地对磷的却除是通过植物的吸收、微生物的去除作用和填料的吸收过滤等几方面的作用共同完成的。 磷和氮一样，都是植物的必需元素，污水中的无机磷在植物的吸收和同化作用下被合成ATP等有机成分，通过收割而从系统中去除。微生物对磷的去除作用包括微生物对磷的正常吸收和过量积累，湿地中某些细菌种类因从污水中吸收超过其生长所需的磷，而微生物细胞的内含物储存过量积累，可通过对湿地床的定期更换而将其从系统中去除。 2.2 工艺流程 村庄内的生活污水经管网收集进入经格栅后进入污水调节池，由水泵提升进入预处理厌氧池，污水经预处理厌氧池处理后，经出水池排出清液进入潜流式湿地，潜流式湿地出水就近达标排放或用于村庄的农田灌溉，处理系统的格栅将产生少量栅渣，栅渣定期清理，由业主人工运送至垃圾处理池。污水处理工艺流程见图1 
图1 污水处理工艺流程
3主要构筑物 3.1.1 格栅池 格栅是用来去除可能堵塞水泵机组及管道阀门的较粗大悬浮物，并保证后续处理设施能正常运行。 设计数量：1座； 设计尺寸：L×W×H=1.0m×1.2m×1.0m； 3.1.2 调节池 为了使管渠和构筑物正常工作，不受废水高峰流量或浓度变化的影响，根据室外排水设计规范需在废水处理设施之前设置调节池。 设计数量：1座； 设计尺寸：L×W×H=4.0m×4.0m×4.0m,有效水深为3.5m；超高为0.5m。 3.1.3 预处理厌氧池 为确保人工湿地生态系统的稳定性，增加湿地处理的寿命及处理能力，一般都要增加预处理及后处理设施。预处理可以防止污水在贮存、输送过程中发生臭气，防止未处理的污水污染土壤及地下水或污染植物。这些预处理设施与人工湿地可以有不同的组合以达到不同的去除目的。 在本工程中针对污水的水质特点，选择厌氧工艺来处理污水。在此工序中污水中的部分有机污染物将被除去，为后序工艺，即人工湿地的高效处理作好准备。厌氧系统停留时间为18小时，设计其有效容积为75立方。且为增加预处理系统的处理效果，采用封闭式池体。 设计数量：1座。 设计尺寸：L×W×H=10.0m×3.0m×3.0m；有效水深为2.5m；超高为0.5m。 3.1.4 出水池 为保证后续人工湿地的正常、有效的运行，并实现水质水量的调节再分配，实现系统的均匀的配水，因此在预处理系统后设置出水池，以提高系统的可靠性的运行效率。 设计数量：1座； 设计尺寸：L×W×H=1.2m×1.0m×1.2m；有效水深为0.8m；超高为0.4m。 3.1.12 潜流式人工湿地 功能：利用人工湿地对有机污染物的去除机理，进一步去除污水中的污染物。 设计参数： 面积：400m2。 长宽比：（1～5）：1； 深度： 1.0m 尺寸：L×B×H=20m×20m×1m 湿地植物:香蒲、美人蕉、灯心草等 基质为砾石均匀级配，粒径约为30-50mm；水力负荷：≥50cm/d 4 工程 造价 该工程总占地面积425m2,工程总投资费用=358354.00元。其中土建费用为149000.00元，工艺设备安装投资约209354.00元。污水处理站总安装功率0.55kW，当地电费按0.7元/度，则电费为：6.34元/日。 5 运行效果 该工程运行初期，因预处理工段效果尚不明显，为减少潜流式人工湿地的负荷，采用对预处理池出水进行回流，以加大预处理工序的进水，增加对池中填料及污泥的扰动，并3次投加化粪池污泥，以缩短预处理工序的生化培养时间、增强系统的抗冲击能力。经过25天的培养驯化调试，预处理池填料上附着生物膜，出水池中出水有成熟的生物膜脱落，系统进入稳定运行阶段，出水水质达到设计要求，对COD、BOD5、SS、NH4+-N的平均去除率分别达到67.2%、87.0%、90.4%和80.2%。该工程于2010年4月通过环保局验收，并一直稳定运行至今，5月23日-5月25日的实际运行数据见表2。 表2 实际运行结果 
6 结论 采用“厌氧预处理+潜流式人工湿地”工艺处理农村生活污水，系统对COD、BOD5、SS、NH4+-N的平均去除率分别达到67.2%、87.0%、90.4%和80.2%，出水水质达到《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级标准。 该工艺因地制宜，采用“厌氧预处理+潜流式人工湿地”工艺处理农村生活污水，使投资成本大幅下降，运行费用低廉，对农村周边环境有较大改善，对新农村建设农村生活污水治理过程中有较好的参考意义。 参考文献：
[1]李涛，周律，武红功，陈志文，韩哲，姜萍.水平垂直流湿地处理生活污水示范工程研究[J].中国给水排水，2010，26（11）：88-91.
[2] 叶建锋，徐祖信，李怀正.垂直潜流人工湿地中有机物去除动态规律研究 [J]. 环境科学，2008，29（8）：2166 - 2171.
[3] 王世和.人工湿地污水处理理论与技术 [M]. 科学出版社，2007.
[4] 尹军，崔玉波.人工湿地污水处理技术 [M]. 北京：化学工业出版社，2006. (作者: 施昌平 肖磊 张兴尔 何晓晶)
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1)菌草、皇竹草、甜象草三种饲草植物氮磷吸收动力学研究发现菌草适用于修复高PO_4~(3-)-P浓度的尾水,对NH_4~+-N适应范围大,但对NO_3~--N吸收效果一般;甜象草适用于修复低PO_4~(3-)-P浓度,高NO_3~--N浓度的尾水,但对NH_4~+-N的吸收效果一般;皇竹草适用于低NO_3~--N浓度的尾水,但对PO_4~(3-)-P和NH_4~+-N的吸收效果不显著。湿地基质中陶粒有利于稳定p H,河沙有利于磷素去除,沸石有利于氮素去除,当落干湿地由上到下采用河沙、沸石、陶粒体积比1:3:1的分层填充时,湿地基质对氮磷综合去除效果最佳。(2)正式实验中设置三组落干湿地分别是空白对照、种植菌草、种植皇竹草,通过对水力负荷和进水方式运行参数调节,探究最佳运行参数。在水力负荷0.3 m~3/(m~2·d),喷淋强度5 L/(m~2·min),喷淋周期2h,其中每个周期喷淋5min闲置115min的间歇进水条件下落干湿地综合处理效果最好。根据单因素ANOVA检验,水力负荷、进水方式对污染物去除均具有显著影响。(3)长期监测中,饲草植物的种植可以显著强化污染物去除,三个湿地对COD去除效果随着温度的降低而减小,但全年仍有良好的去除效果,氨氮的去除效果则较为稳定,湿地出水COD、氨氮可达DB 32/3462-2020一级A标准;体系对于TN、TP的去除效果表现出随着温度的降低而减低的趋势,种植饲草的落干湿地冷暖季出水TN、TP可达DB32/3462-2020一级A标准。(4)菌草和皇竹草在气候环境适宜条件下长势良好,亩产量分别为34.48、22.94 t/亩,可带来的经济收益分别为15520.0、2753.1元/亩。通过氮磷平衡分析发现湿地氮磷去除贡献率为:其他作用植物吸收植物增效。本课题饲草型落干式人工湿地研究成果,可为农村生活污水生物处理尾水的治理及资源化利用工程建设提供设计指导。
