柳樹凈化農(nóng)村生活污水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

毛宇峰等

摘要：設(shè)計(jì)了一種適用于處理農(nóng)村分散型生活污水的生態(tài)凈化系統(tǒng)，主要由沉淀/厭氧、柳樹/土壤兩個(gè)處理單元構(gòu)成。其特征在于，一級(jí)處理過程是梯級(jí)沉淀與厭氧消化同時(shí)進(jìn)行，沉淀池在起到調(diào)節(jié)水量作用的同時(shí)，于停留期內(nèi)形成厭氧反應(yīng)，利用微生物生命過程中的代謝活動(dòng)，將有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的無機(jī)物，使其轉(zhuǎn)化成小分子有機(jī)酸、

關(guān)鍵詞：農(nóng)村生活污水；生態(tài)凈化；柳樹；無動(dòng)力

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）02-0426-04

Design and Application of a Willow Purification System of Rural Sewage

MAO Yu-feng1，WANG Hai-yun1，DENG Jie1，HE Ke1，XIAO Yao2

（1.College of Hydraulic & Environmental Engineering， China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China；

2.Zigong Light Industry Design and Research Institute，Zigong 643000，Sichuan， China）

Abstract： A suitable ecological purification system was designed for dealing with hilly rural sewage， mainly consisted of two parts of precipitation-anaerobicand tree-soil. Its features were that the first process was the cascade of precipitation and simultaneous anaerobic digestion. The sedimentation basin could adjust water yield， and anaerobic reaction would happen in stay period meanwhile. Organics would be resolved into simple inorganics by microbial metabolic activity， and made into small molecular organic acids， CO2， H2， CH4 and so on. The second waste water treatment unit worked mainly by willow purification. Soil treatment and filtering could also help treat waste water. Organic matter in sewage could be absorbed， adsorbed， fixed and decomposed by the comprehensive effects of tree roots， soil and microbe. The TP， TN and COD of water would be greatly reduced. According to the model test， the willow purification system could greatly reduce the TP， TN and COD. The average removal rate of COD， TPand TN were 91.18%， 86.13% and 86.85%， respectively.

Key words： rural water pollution； ecological purification； willow； no power

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，全國(guó)農(nóng)村每年產(chǎn)生生活污水約200億m3，絕大部分直接排放，嚴(yán)重污染了農(nóng)村地區(qū)的水環(huán)境[1]。農(nóng)村生活污水無害化處理是社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的客觀要求，其處理方式必須符合經(jīng)濟(jì)高效和簡(jiǎn)便易行的原則。在這種情況下，污水生態(tài)處理技術(shù)、厭氧技術(shù)等由于能耗低、運(yùn)行管理方便而逐漸被引起重視[2]。但以前的研究中像人工濕地一類的生態(tài)處理技術(shù)多側(cè)重于一年生或多年生草本植物，對(duì)多年生木本植物的研究相對(duì)較少，一年生或多年生草本植物對(duì)污染水體的短期凈化效果較好，但因其每年都要收割重植，對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)期的凈化過程來說，會(huì)在管理上帶來不便[3]。

柳樹用于生物修復(fù)的研究工作始于20世紀(jì)90年代，目前柳樹環(huán)保林的營(yíng)建與應(yīng)用已在歐洲和美洲大陸逐步盛行。柳樹可以對(duì)重金屬污染、有機(jī)物污染、水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)行修復(fù)，用于土壤污染、水體污染、大氣污染的生物修復(fù)[4]。因柳樹適應(yīng)性強(qiáng)，耐水濕，生長(zhǎng)速度快，消耗營(yíng)養(yǎng)多，并且其為木本植物，積累性強(qiáng)，所以，探索柳樹對(duì)農(nóng)村污水水質(zhì)凈化的效果很有意義。

1 工藝流程與凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工藝流程設(shè)計(jì)

當(dāng)前，農(nóng)村污水處理技術(shù)主要是生態(tài)處理技術(shù)、生物處理技術(shù)及膜生物技術(shù)。其中，生態(tài)處理技術(shù)包括土地處理技術(shù)、穩(wěn)定塘技術(shù)和蚯蚓生態(tài)濾池技術(shù)；生物處理技術(shù)包括厭氧生物技術(shù)和好氧生物技術(shù)[2]。近年來國(guó)外的研究表明，柳樹顯示出了植被濾器的優(yōu)良特性：除了高的生物量生產(chǎn)力之外，還包括有效的元素吸收、高的蒸騰速率以及較強(qiáng)的重金屬吸收能力[5]。

參考現(xiàn)有農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)[6，7]，考慮柳樹高效的生物修復(fù)作用和農(nóng)村污水處理經(jīng)濟(jì)高效、簡(jiǎn)便易行的原則，本設(shè)計(jì)采用生物-生態(tài)組合技術(shù)來處理農(nóng)村污水。其中，生物技術(shù)采用厭氧生物技術(shù)[8]，生態(tài)技術(shù)采用柳樹凈化技術(shù)[3-5]為主和土地處理技術(shù)[9]為輔的綜合處理技術(shù)。為了將每個(gè)必要的污水處理工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化合并，特設(shè)計(jì)了以下污水處理工藝流程，其工藝流程圖如圖1所示。

1.2 凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 污水預(yù)處理單元設(shè)計(jì) 參考現(xiàn)代污水三級(jí)處理技術(shù)，其一級(jí)處理主要是設(shè)調(diào)節(jié)池、沉沙池，考慮農(nóng)村污水水質(zhì)差、水量波動(dòng)大這一設(shè)計(jì)背景，調(diào)節(jié)池和沉沙池的設(shè)置也是客觀必要的。調(diào)節(jié)池的主要作用是提供對(duì)污水處理的緩沖能力，調(diào)節(jié)污水水量負(fù)荷、pH、水溫和水質(zhì)。沉沙池的作用是去除污水中密度較大的固體懸浮顆粒，同時(shí)可去除部分BOD5（生化需氧量），可改善生物處理構(gòu)筑物運(yùn)行條件并降低其BOD5負(fù)荷。而二級(jí)處理一般設(shè)曝氣池、氧化溝和生物濾池等，考慮本凈化系統(tǒng)是為了更有效地降低污水COD（化學(xué)需氧量）、氮磷含量，所以設(shè)置一個(gè)厭氧反應(yīng)池作預(yù)處理是比較合適的[10]。因?yàn)閰捬跆幚硎抢脜捬蹙淖饔?，分解糖、氨基酸和有機(jī)酸形成小分子有機(jī)物，使廢水中溶解性有機(jī)物顯著提高，通過厭氧處理后，COD和SS（固體懸浮物濃度）去除率高，同時(shí)可生化性提高，有利于后續(xù)的好氧處理。而對(duì)于脫氮除磷，厭氧過程也是必不可少的環(huán)節(jié)。

為了提高污水處理效率，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，本設(shè)計(jì)需將傳統(tǒng)污水一級(jí)處理過程和二級(jí)處理過程結(jié)合起來作為本凈化系統(tǒng)的預(yù)處理單元并放在同一污水凈化構(gòu)筑物當(dāng)中，所以此污水處理構(gòu)筑物是集調(diào)節(jié)池、沉淀池和厭氧池三者功能于一體的，因此本處理單元的設(shè)計(jì)要綜合考慮適當(dāng)?shù)奈鬯占{量、高效的沉淀反應(yīng)和密閉的反應(yīng)環(huán)境3個(gè)因素。

1.2.2 污水主體處理單元設(shè)計(jì) 研究表明，柳樹適應(yīng)性強(qiáng)，生物量大，生長(zhǎng)速度快，耐水濕，可以吸收各種污染物。一方面，柳樹通過根系吸收土壤及廢水中的水分和N、P等營(yíng)養(yǎng)元素，作為構(gòu)造植物體所需物質(zhì)，一些非柳樹生長(zhǎng)必需物質(zhì)如金屬離子和部分有機(jī)物也可以隨柳樹體蒸騰拉力被植物吸收并積累。通過這一過程可以去除廢水中大量的營(yíng)養(yǎng)型污染物和部分有機(jī)物。另一方面，根際土壤由于土質(zhì)疏松及柳樹根系的傳導(dǎo)作用，具有充分的氧氣，同時(shí)根系所分泌的酶、氨基酸等為微生物的生存提供了必要的養(yǎng)分，因此為污染物的微生物降解提供了有利條件。根系分泌物中的酶還可以為廢水中污染物的轉(zhuǎn)化與固定提供催化機(jī)制，加速其降解及固定速率。另外，參考污水的土地處理技術(shù)[11]，土壤的過濾、截留、滲透、物理吸附、化學(xué)吸附、化學(xué)分解、中和、揮發(fā)、生物氧化以及微生物的攝取等過程均能有效地凈化污水。所以，柳樹/土壤協(xié)同綜合處理污水在理論上是可行的。

為了保證出水質(zhì)量和土壤層的穩(wěn)定性以及進(jìn)一步提高污染物的去除效率，傳統(tǒng)污水三級(jí)處理過程，需在土壤層下設(shè)沙濾層，進(jìn)行厭氧微生物掛膜，這樣污水流過填料層時(shí)不僅能進(jìn)行物理過濾，而且污水中的有機(jī)物能被厭氧微生物截留、吸附及代謝分解。

綜上所述，污水主體處理單元的構(gòu)筑物是集柳樹植物處理、土壤處理、厭氧生物濾池為一體的綜合處理構(gòu)筑物。

1.3 污水凈化系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

為了更準(zhǔn)確地詮釋本污水凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，現(xiàn)給出如下設(shè)計(jì)模型裝置示意圖（圖2、圖3）。

柳樹凈化農(nóng)村生活污水處理系統(tǒng)，包括沉淀/生物厭氧處理系統(tǒng)和柳樹/土壤綜合處理系統(tǒng)。沉淀/生物厭氧處理系統(tǒng)包括第一反應(yīng)池，第一反應(yīng)池頂部設(shè)有密封蓋板；柳樹/土壤綜合處理系統(tǒng)包括第二反應(yīng)池，第二反應(yīng)池從上至下依次設(shè)有土壤層和過濾層，土壤層種植有柳樹，第一反應(yīng)池相對(duì)第二反應(yīng)池位于地勢(shì)高位。第一反應(yīng)池內(nèi)部設(shè)有隔板。柳樹的根系位于土壤層與過濾層的交界處。過濾層從上至下由細(xì)沙層、細(xì)卵石層、粗卵石層構(gòu)成。第二反應(yīng)池連接有出水管，出水管設(shè)有閘閥。

本污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行過程為：生活污水經(jīng)污水管網(wǎng)收集后由一根主管道進(jìn)入沉淀/生物厭氧處理單元，在該系統(tǒng)中會(huì)對(duì)污水進(jìn)行兩方面的處理。一方面，第一反應(yīng)池中設(shè)有兩面擋水隔板，污水會(huì)在隔板頂部溢流，所以污水會(huì)經(jīng)過三級(jí)沉淀處理從而去除較大的顆粒物和泥沙后讓上清液進(jìn)入柳樹/土壤綜合處理單元，并同時(shí)調(diào)節(jié)水質(zhì)水量。另一方面，頂部的密封蓋板會(huì)讓第一反應(yīng)池處在缺氧的環(huán)境中，污水通過厭氧消化作用將高分子難降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)榈头肿右妆唤到獾挠袡C(jī)物，脫氮，促進(jìn)磷的釋放并提高BOD/COD的比值，為二級(jí)處理創(chuàng)造有利條件。在污水進(jìn)入柳樹/土壤綜合處理系統(tǒng)和污水滲入柳樹根系和土壤層后，既可以滿足植物對(duì)水分和養(yǎng)分的需求，同時(shí)通過柳樹根系對(duì)有機(jī)污染物的吸收與吸附又能降低污水中有機(jī)污染物的含量。利用土壤-微生物-柳樹構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)自我調(diào)控機(jī)制和對(duì)污染物的綜合凈化功能包括植物固定、微生物降解、硝化反硝化、吸收、氧化還原等多種作用實(shí)現(xiàn)污水自然凈化。最后在經(jīng)過由第二反應(yīng)池底部的過濾層過濾后，污水能夠得到有效凈化。池子尾部出水管上的閘閥用于調(diào)節(jié)柳樹/土壤綜合處理系統(tǒng)的水質(zhì)水量，保證種植的柳樹不會(huì)因缺水或者污水有機(jī)負(fù)荷過高而影響正常生長(zhǎng)。該模型的運(yùn)行方法為持續(xù)通過污水收集管網(wǎng)進(jìn)水，間歇式排水。

2 應(yīng)用實(shí)例——某農(nóng)村生活污水凈化系統(tǒng)

2.1 污水凈化系統(tǒng)服務(wù)區(qū)概況

2.2 凈化系統(tǒng)實(shí)體設(shè)計(jì)

1）場(chǎng)地選擇。選擇比住戶地勢(shì)低的地方，且存在一定的坡度。

3）污水處理系統(tǒng)的修建。修建水泥隔板與頂部蓋板，并注意反應(yīng)池內(nèi)部的防漏。池尾構(gòu)建泄洪槽，底部的出水管安裝水閘，以便隨時(shí)調(diào)節(jié)二級(jí)處理池中的水質(zhì)水量。

4）濾料的選擇。選擇當(dāng)?shù)氐募?xì)沙與卵石，細(xì)卵石直徑為1～2 mm，粗卵石直徑為3～6 mm。細(xì)沙層厚8 cm，細(xì)卵石層厚15 cm，粗卵石層厚20 cm。

5）柳樹的選擇與培育。選擇當(dāng)?shù)氐暮盗鳛閮艋鬯臉浞N，按株距1 m種植9棵柳樹均勻分布在二級(jí)處理池，該樹種生長(zhǎng)代謝速度快，喜水，能快速凈化生活污水。樹的高度應(yīng)在1 m以上且根系繁茂。由于農(nóng)村生活污水排放無規(guī)律，為保證柳樹正常生長(zhǎng)可通過調(diào)整出水閥來保證二級(jí)處理池中的水量與有機(jī)負(fù)荷。

2.3 凈化系統(tǒng)運(yùn)行方案

由于農(nóng)村污水排放無規(guī)律，特別是污水排放時(shí)間屬間歇排放，所以為了整個(gè)系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)正常運(yùn)行，特別是柳樹和微生物的正常生長(zhǎng)，整個(gè)系統(tǒng)通過池尾的出水閥門間歇式運(yùn)行。

待移栽柳樹成活、微生物群落生長(zhǎng)正常即模型運(yùn)行穩(wěn)定后開始本次試驗(yàn)，按5、10、15、20 d的水力停留時(shí)間定期在進(jìn)水口、沉淀/生物厭氧處理池和出水口取水樣，測(cè)定其pH、TP、TN和COD的數(shù)值并進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 廢水中COD的變化 因?yàn)榱鴺?土壤綜合處理單元中的生物降解起了關(guān)鍵性作用，種植的柳樹以及土壤中的微生物通過其快速的新陳代謝不斷吸附、吸收污水中的有機(jī)物，特別是柳樹生物量大，生長(zhǎng)速度快。由圖5可知，污水經(jīng)過柳樹凈化系統(tǒng)處理后，COD濃度逐級(jí)降低，尤其是經(jīng)過柳樹/土壤綜合處理單元后顯著降低，COD平均去除率為91.18%。

3.1.2 廢水中總磷的變化 柳樹快速的新陳代謝需要大量的磷元素，對(duì)于低濃度的廢水柳樹根系的吸收同化作用是TP去除的主要途徑。由圖6可知，污水經(jīng)過柳樹凈化系統(tǒng)處理后，TP濃度逐級(jí)降低，且隨著水力停留時(shí)間的增加TP的去除率越來越高，TP的平均去除率為86.13%。

3.1.3 廢水中總氮的變化 柳樹本身的生長(zhǎng)需要氮素，其根系除了為微生物提供介質(zhì)環(huán)境外，主要表現(xiàn)為對(duì)氮類有機(jī)污染物的吸收、利用和轉(zhuǎn)化。而根系周圍的微生物通過硝化與反硝化作用可促進(jìn)柳樹對(duì)氮素的吸收與吸附。由圖7可知，污水經(jīng)過柳樹凈化系統(tǒng)處理后，TN濃度逐級(jí)降低，其平均去除率為86.85%。

3.1.4 廢水pH的變化 由圖8可知，污水凈化模型各區(qū)的pH基本保持在中性范圍內(nèi)，且水力停留時(shí)間在15 d內(nèi)時(shí)，流經(jīng)污水凈化模型污水的pH是逐級(jí)增大的，但過長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可能使得pH降低。本污水凈化系統(tǒng)可使污水在逐級(jí)降解過程中pH保持在正常的范圍內(nèi)，且出水pH的平均值為7.34。

3.2 討論

參考文獻(xiàn)：

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待移栽柳樹成活、微生物群落生長(zhǎng)正常即模型運(yùn)行穩(wěn)定后開始本次試驗(yàn)，按5、10、15、20 d的水力停留時(shí)間定期在進(jìn)水口、沉淀/生物厭氧處理池和出水口取水樣，測(cè)定其pH、TP、TN和COD的數(shù)值并進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 廢水中COD的變化 因?yàn)榱鴺?土壤綜合處理單元中的生物降解起了關(guān)鍵性作用，種植的柳樹以及土壤中的微生物通過其快速的新陳代謝不斷吸附、吸收污水中的有機(jī)物，特別是柳樹生物量大，生長(zhǎng)速度快。由圖5可知，污水經(jīng)過柳樹凈化系統(tǒng)處理后，COD濃度逐級(jí)降低，尤其是經(jīng)過柳樹/土壤綜合處理單元后顯著降低，COD平均去除率為91.18%。

3.1.2 廢水中總磷的變化 柳樹快速的新陳代謝需要大量的磷元素，對(duì)于低濃度的廢水柳樹根系的吸收同化作用是TP去除的主要途徑。由圖6可知，污水經(jīng)過柳樹凈化系統(tǒng)處理后，TP濃度逐級(jí)降低，且隨著水力停留時(shí)間的增加TP的去除率越來越高，TP的平均去除率為86.13%。

3.1.3 廢水中總氮的變化 柳樹本身的生長(zhǎng)需要氮素，其根系除了為微生物提供介質(zhì)環(huán)境外，主要表現(xiàn)為對(duì)氮類有機(jī)污染物的吸收、利用和轉(zhuǎn)化。而根系周圍的微生物通過硝化與反硝化作用可促進(jìn)柳樹對(duì)氮素的吸收與吸附。由圖7可知，污水經(jīng)過柳樹凈化系統(tǒng)處理后，TN濃度逐級(jí)降低，其平均去除率為86.85%。

3.1.4 廢水pH的變化 由圖8可知，污水凈化模型各區(qū)的pH基本保持在中性范圍內(nèi)，且水力停留時(shí)間在15 d內(nèi)時(shí)，流經(jīng)污水凈化模型污水的pH是逐級(jí)增大的，但過長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可能使得pH降低。本污水凈化系統(tǒng)可使污水在逐級(jí)降解過程中pH保持在正常的范圍內(nèi)，且出水pH的平均值為7.34。

3.2 討論

參考文獻(xiàn)：

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待移栽柳樹成活、微生物群落生長(zhǎng)正常即模型運(yùn)行穩(wěn)定后開始本次試驗(yàn)，按5、10、15、20 d的水力停留時(shí)間定期在進(jìn)水口、沉淀/生物厭氧處理池和出水口取水樣，測(cè)定其pH、TP、TN和COD的數(shù)值并進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 廢水中COD的變化 因?yàn)榱鴺?土壤綜合處理單元中的生物降解起了關(guān)鍵性作用，種植的柳樹以及土壤中的微生物通過其快速的新陳代謝不斷吸附、吸收污水中的有機(jī)物，特別是柳樹生物量大，生長(zhǎng)速度快。由圖5可知，污水經(jīng)過柳樹凈化系統(tǒng)處理后，COD濃度逐級(jí)降低，尤其是經(jīng)過柳樹/土壤綜合處理單元后顯著降低，COD平均去除率為91.18%。

3.1.2 廢水中總磷的變化 柳樹快速的新陳代謝需要大量的磷元素，對(duì)于低濃度的廢水柳樹根系的吸收同化作用是TP去除的主要途徑。由圖6可知，污水經(jīng)過柳樹凈化系統(tǒng)處理后，TP濃度逐級(jí)降低，且隨著水力停留時(shí)間的增加TP的去除率越來越高，TP的平均去除率為86.13%。

3.1.3 廢水中總氮的變化 柳樹本身的生長(zhǎng)需要氮素，其根系除了為微生物提供介質(zhì)環(huán)境外，主要表現(xiàn)為對(duì)氮類有機(jī)污染物的吸收、利用和轉(zhuǎn)化。而根系周圍的微生物通過硝化與反硝化作用可促進(jìn)柳樹對(duì)氮素的吸收與吸附。由圖7可知，污水經(jīng)過柳樹凈化系統(tǒng)處理后，TN濃度逐級(jí)降低，其平均去除率為86.85%。

3.1.4 廢水pH的變化 由圖8可知，污水凈化模型各區(qū)的pH基本保持在中性范圍內(nèi)，且水力停留時(shí)間在15 d內(nèi)時(shí)，流經(jīng)污水凈化模型污水的pH是逐級(jí)增大的，但過長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可能使得pH降低。本污水凈化系統(tǒng)可使污水在逐級(jí)降解過程中pH保持在正常的范圍內(nèi)，且出水pH的平均值為7.34。

3.2 討論

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