三峽庫區(qū)農(nóng)村污水處理工藝應(yīng)用研究

王家+范先鵬+夏穎+吳茂前+張富林+劉冬碧+張繼銘

摘要：在借鑒國內(nèi)外相關(guān)農(nóng)村污水處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合三峽庫區(qū)興山縣長坪小流域農(nóng)村污水排放現(xiàn)狀及水質(zhì)、水量，篩選并設(shè)計了土壤滲濾、人工濕地、復(fù)合生物濾池3套適合三峽庫區(qū)的分散式污水處理工藝。經(jīng)過運行調(diào)試，對3套污水處理工藝的適宜性、環(huán)境效益進行了分析與校驗，3套工藝對化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）的去除效果均較好。在運行初期，出水水質(zhì)均能達到《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)，且大部分時間達到一級A標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合生物濾池工藝受到水力負(fù)荷和季節(jié)變化的影響較小，對TN、TP和COD的去除效果比土壤滲濾和人工濕地更穩(wěn)定，更適宜于采用綜合性農(nóng)村聯(lián)戶或集中污水處理模式。

關(guān)鍵詞：農(nóng)村污水處理;土壤滲濾;人工濕地;復(fù)合生物濾池;三峽庫區(qū)

中圖分類號：X52 ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：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，F(xiàn)AN 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

隨著農(nóng)村生活水平的提高，日常生活中洗滌劑的用量及其中的化學(xué)物質(zhì)含量也大幅度增加，這些洗滌劑除了會對水生動物產(chǎn)生影響以外，還含有大量氮、磷元素[1]。在農(nóng)村居民區(qū)，傳統(tǒng)的生活習(xí)慣簡單，對環(huán)境的危害意識薄弱，養(yǎng)殖糞污和生活污水隨意排放造成了氮、磷等營養(yǎng)元素在農(nóng)村地區(qū)的大量積累，在一定的降雨條件下，大量的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)隨著地表徑流進入水體中，有研究表明，太湖農(nóng)村地表徑流中氮磷年負(fù)荷量接近或已超過農(nóng)田氮磷面源排放量[2]。三峽庫區(qū)近幾年水體總磷（TP）、非離子氨、化學(xué)需氧量（COD）等指標(biāo)有惡化趨勢，主要污染源一方面是工業(yè)點源、線源污染造成的面源污染，另一方面是農(nóng)業(yè)自身造成的面源污染[3]。endprint

三峽庫區(qū)是中國的重點生態(tài)環(huán)境保護區(qū)，也是環(huán)境敏感區(qū)和面源污染易發(fā)區(qū)。三峽水庫蓄水后，水流變緩，水體自凈能力減弱，支流的回水容易出現(xiàn)富營養(yǎng)化現(xiàn)象，影響了庫區(qū)的水質(zhì)。農(nóng)業(yè)面源污染物是影響三峽庫區(qū)水體水質(zhì)的主要原因之一，而由農(nóng)村生活污水及農(nóng)村分散畜禽養(yǎng)殖污水合流排放的農(nóng)村污水是庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源的重要來源。因此，開展庫區(qū)農(nóng)村污水排放特征及其處理工藝研究對三峽庫區(qū)面源污染控制和保護庫區(qū)生態(tài)環(huán)境意義重大。本研究是在調(diào)查分析三峽庫區(qū)興山縣長坪小流域農(nóng)村生活污水水質(zhì)、水量和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過農(nóng)村污水處理技術(shù)的集成和應(yīng)用，尋求適宜丘陵地區(qū)生活污水處理的使用工藝，最終實現(xiàn)農(nóng)村污水的無害化和資源化處理。這對興山縣社會主義新農(nóng)村建設(shè)，重要水資源保護，甚至是整個三峽庫區(qū)的農(nóng)村污水處理設(shè)施建設(shè)以及經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，都具有重要的意義。

1 ?農(nóng)村污水排放現(xiàn)狀

興山縣水資源豐富，雨水充沛，年平均降水量最高達1 200 mm，但降雨量時空差異大，北部多于南部，高山地區(qū)多于低山地區(qū)，夏季多于秋冬春季，獨特的水能資源是全縣四大優(yōu)勢資源之一，同時也是中國最大的水利樞紐工程——三峽工程的一部分，生態(tài)環(huán)境地位重要。因此，這對興山縣農(nóng)村污水處理提出了更多、更高的要求。

興山縣農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展水平由于地理環(huán)境的原因，相比其他南方發(fā)達地區(qū)農(nóng)村落后很多，農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施滯后、技術(shù)缺乏，排放的農(nóng)村生活和畜禽養(yǎng)殖污水在水質(zhì)、水量上與其他地區(qū)不同[4]。因此，興山縣農(nóng)村污水處理不同于其他南方地區(qū)已經(jīng)投入使用且成熟的處理工藝，而應(yīng)該根據(jù)該地區(qū)的經(jīng)濟條件、地形條件、居民環(huán)保意識及污水處理規(guī)模發(fā)展適合丘陵地區(qū)的農(nóng)村污水處理模式。三峽庫區(qū)興山縣農(nóng)村生活污水有以下特點：①污染物排放覆蓋面積大。興山縣城鎮(zhèn)化程度較低，由于地勢地貌的原因大部分地區(qū)還是丘陵地形，農(nóng)村污水的產(chǎn)生源比較多。②污染源分散。自然村的位置比較隨機，村落沒有集中的排污口，大部分直接排放。③日變化系數(shù)大。由于農(nóng)村的生活和工作習(xí)慣，污水的排放主要集中在傍晚，其他時間段污水的排放沒有規(guī)律。④有機物含量高。由于農(nóng)村污水的排放包括生活污水和畜禽養(yǎng)殖污水，畜禽養(yǎng)殖廢水中含有高濃度的有機物，較難單獨處理。并且由于生活污水中主要為洗滌排放的污水，因此氮、磷等濃度較高。

2 ?農(nóng)村污水處理技術(shù)選擇原則

由于農(nóng)村生活居民區(qū)規(guī)模小，污水排放分散，多數(shù)房前屋后為池塘或菜地，因此污水處理設(shè)計應(yīng)該考慮全面，因地制宜，更多地采用簡易、低能耗和處理效果好的工藝。一般，在實際工程項目中選擇理想的農(nóng)村污水處理方式時應(yīng)遵循以下原則：①多方面適宜性。農(nóng)村污水處理方式要考慮到農(nóng)村實際需求、人口、地理環(huán)境和經(jīng)濟水平等因素，通過分析和比較，在經(jīng)濟條件允許的前提下選擇簡單、有效的處理技術(shù)[5]。②后期維護管理。在國內(nèi)，農(nóng)村地區(qū)大多人口老齡化嚴(yán)重，人口少，很多村鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建成以后，缺乏專業(yè)的技術(shù)人員，無法對設(shè)施進行科學(xué)的管理和維護。因此在農(nóng)村宜選擇后期維護和日常操作簡單的處理技術(shù)。③工藝簡單。農(nóng)村污水處理設(shè)施規(guī)模和流程不能過于復(fù)雜，否則一方面是不便于管理，另一方面也受到農(nóng)村經(jīng)濟條件差，運行費用少的限制。因此，在一些條件不太好的地區(qū)，應(yīng)該考慮無動力低能耗的處理技術(shù)，例如厭氧無動力、人工濕地和地下滲濾的工藝，盡可能減少污水處理能耗[6]。

綜上考慮，根據(jù)調(diào)查中得知的基本情況，當(dāng)?shù)氐奈鬯幚砉に囆枰獫M足以下幾點：①污水的厭氧前置處理;②畜禽養(yǎng)殖糞便和污水的干濕分離[7];③生活污水和畜禽養(yǎng)殖污水混合處理;④處理后出水的回用;⑤工藝日常管理維護簡單;⑥設(shè)施建設(shè)成本低廉。

3 ?農(nóng)村生活污水處理工藝

3.1 ?工藝選擇

綜合考慮該區(qū)所排放污水主要為日常生活污水以及少量的畜禽養(yǎng)殖廢水，根據(jù)相關(guān)調(diào)查得知，三峽庫區(qū)農(nóng)村家庭人均生活污水日產(chǎn)生量為30 L/d[8]，人均日產(chǎn)生污水量受季節(jié)、地域、農(nóng)戶有無下水設(shè)施的影響，針對以上特點，設(shè)計參數(shù)見表1。擬采用常規(guī)的“厭氧+自然人工處理”的工藝，選取了3戶農(nóng)村家庭分別建設(shè)了土壤滲濾（S1）、人工濕地（S2）、復(fù)合生物濾池（生物濾池+人工濕地，S3）3種污水處理工藝，工藝流程見圖1。其中人工濕地和土壤滲濾池的無動力的“厭氧+自然處理”的工藝完全通過自流和表面復(fù)氧實現(xiàn)處理過程，主要利用厭氧和兼性生物作用達到凈化處理生活污水的目的，增加人工濕地的目的主要是進一步凈化出水水質(zhì)，減少厭氧異味[9]。

3.2 主要構(gòu)筑物說明

3.2.1 ?土壤滲濾池 ?土壤滲濾系統(tǒng)的原理是將污水有控制地分配到具有一定深度和土壤結(jié)構(gòu)以及良好擴散性能的土層中，污水在土壤中擴散，在土壤、微生物和植物相互協(xié)同作用下，達到處理利用要求。本設(shè)計中污水經(jīng)過化糞池和干濕分離池底部的厭氧處理后，在無動力的條件下進入土壤滲濾池，在植物吸收以及土壤中微生物的硝化與反硝化的作用下，除去大量的氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)。

如圖2所示，地下滲濾池面積為2 m2，進出水采用雙管布水和集水，每根PVC管長1.8 m，管直徑50 mm?？字睆? mm，布水間距取30～40 cm，側(cè)池寬為1 m。具體填料布置從上往下依次為30 cm原土種植層、10 cm布水層、30 cm粉煤灰混合土壤、10 cm腐熟豬糞、10 cm粉煤灰混合土壤、10 cm礫石層。根據(jù)最佳水力負(fù)荷12.5 cm/d，設(shè)計土壤滲濾池的大小為2 m×1 m×1 m。

3.2.2 ?垂直潛流人工濕地 ?垂直潛流濕地系統(tǒng)中，氧的釋放一方面通過植物根系的傳遞，另一方面通過土壤自然進入，使人工濕地中存在好氧、缺氧、厭氧多種環(huán)境狀態(tài)，為濕地中水處理微生物提供了良好的生存環(huán)境，然后通過微生物的硝化、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，最后通過填料的更換以及植物收割的方式去除污水的磷元素。endprint

依據(jù)水力停留時間設(shè)計人工濕地池的大小。水力停留時間（T）計算公式為：

T=■

其中，L、W、D分別為濕地的長、寬、高，？濁為基質(zhì)的孔隙率（根據(jù)經(jīng)驗取0.3），Q為平均流量。

礫石填料粒徑為1～3 cm，一方面是為了通過土壤傳遞空氣，供給微生物降解污染物;另一方面是通過植物根系傳遞，接受大氣中的氧氣進入土壤底層，加強污染物的降解。參照李旭東等[10]的研究，潛流濕地床進水流量2.5 L/min，水力負(fù)荷0.6 m3/（m2/d），在水力停留時間為36 h，按照最大流量0.5 m3、水深0.5 m、超高20 cm的條件下，設(shè)計人工濕地池的L為2 m、W為1 m、D為0.7 m。具體填料及配置見圖3。

3.2.3 ?復(fù)合生物濾池工藝 ?如圖4所示，在復(fù)合生物濾池工藝中，為了補償調(diào)節(jié)池的水頭損失設(shè)置了泵提升措施，將污水通過泵提升到池頂?shù)呐渌?，然后通過閥門控制出水，一方面可以控制流速和回流比，另一方面可以直接進行農(nóng)田灌溉，污水進入濾池填料部分后，立體的填料中存在兼氧、好氧等不同生物菌群，利用這些微生物的代謝作用實現(xiàn)了對污染物的降解，達到凈化水質(zhì)的效果，而在整體工藝的后部增加人工濕地環(huán)節(jié)則是為了進一步強化脫氮除磷效果，同時也具有美化環(huán)境的作用。

3.3 處理工藝參數(shù)比較

3種工藝的基本參數(shù)與處理條件如表2所示。土壤滲濾池和人工濕地中植物的生長受到季節(jié)的變化影響較大[11]，占地面積相對較多，所以這兩個工藝更適合于土地資源豐富的地區(qū)。復(fù)合生物濾池工藝在污水水質(zhì)和環(huán)境溫度變化較大的情況下，出水水質(zhì)相對穩(wěn)定，具有工藝投資少、處理效率高、能耗低、管理方便的特點，但是對污水進水的連續(xù)性和預(yù)處理程度有一定的要求，更適宜于綜合性中等規(guī)模的農(nóng)村集中式或聯(lián)戶污水處理模式。

4 ?結(jié)果與分析

3套工藝于2014年8月10號施工完成后，經(jīng)2個月調(diào)試，各工藝出水水質(zhì)穩(wěn)定。從2014年10月10日至2015年3月10日，以7 d為一個周期，分別對3個污水處理工藝的進出水環(huán)節(jié)進行取樣并進行對比分析。

4.1 ?總氮去除效果比較

由圖5可知，土壤滲濾池對總氮（TN）的去除率為 80%～90%，污水在土壤滲濾池的停留時間高于干濕分離池，并且在植被吸收、土壤吸附以及其中微生物的作用下處理效果較好，出水TN濃度在15 mg/L 左右，在1月2日前后處理效果不穩(wěn)定，波動性較大;人工濕地工程整體脫氮效率較高，可以達到 85%以上，進水 TN 濃度在1月下旬波動性較大，出水 TN 濃度基本控制在15 mg/L以下，僅12月中旬有超標(biāo)現(xiàn)象;在復(fù)合生物濾池工藝中，生物濾池與人工濕地對總氮的去除均有很好的效果，生物濾池強化脫氮處理后，總氮的濃度會降低到20 mg/L左右，然后經(jīng)過人工濕地的進一步脫氮除磷作用，使總氮的去除率達到81.5%。綜上所述，3種工藝基本達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)（其中TN、TP、COD的排放濃度限值分別為15、0.5、50 mg/L），僅12月前后有少數(shù)超標(biāo)現(xiàn)象，但仍可達到一級B標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 ?總磷去除效果比較

由圖6可以看出，在連續(xù)進水的情況下，進水 TP的濃度均在1～8 mg/L范圍內(nèi)，3種工藝均對TP去除效果較好，復(fù)合生物濾池工藝對TP的處理效果相對穩(wěn)定。運行初期，11～12月土壤滲濾池和人工濕地上的植物被收割改種香菜，香菜生長初期植物根系不夠發(fā)達，處理效率受到一定影響，1月后處理效果趨于穩(wěn)定，出水TP基本在1 mg/L以下，可基本達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級B標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)合生物濾池通過復(fù)合生物濾池頂部的閥門控制了日進水量，減少了沖擊負(fù)荷，因此受季節(jié)性變化影響較小，出水TP均在0.5 mg/L以下，達到一級A標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 COD去除效果比較

由圖7可知，進水COD濃度范圍為150～650 mg/L，平均濃度為346 mg/L，土壤滲濾池工藝對COD的處理效果穩(wěn)定，處理效率在98%以上，說明通過改良化糞池、干濕分離池、土壤滲濾池3個處理單元的聯(lián)合作用較好地保證了出水COD的處理效果;人工濕地的出水COD濃度為16～38 mg/L，出水平均濃度為24.3 mg/L;復(fù)合生物濾池進水平均COD濃度為440.8 mg/L，出水COD濃度穩(wěn)定，均低于50 mg/L?？梢?種工藝對COD的去除效果都比較穩(wěn)定。

5 結(jié)論與討論

正常運行情況下，3種處理技術(shù)對污染物的去除效果基本達到要求，土壤滲濾池工藝出水水質(zhì)在1月后有較大波動，分析可能是在1月前后，住戶人口變化系數(shù)大，水量排放隨機性強[12]，導(dǎo)致出水TN濃度波動性變化大;人工濕地工藝除了11～12月初處理效率有較大波動外，其余各月的處理效果基本保持穩(wěn)定。相關(guān)研究表明，植物直接吸收和儲存占濕地脫N的30%左右[13]，而在11～12月濕地植物剛剛收割，改種耐寒植物香芹，導(dǎo)致植物量減少，濕地植物對氮的去除效果不穩(wěn)定，與陳建等[14]研究結(jié)果相似，水力負(fù)荷、溫度影響了濕地系統(tǒng)的處理效率，1月以后濕地系統(tǒng)中生物量達到處理需求，可以保持較好的脫氮效果;復(fù)合生物濾池受季節(jié)和人口變化影響較小，原因是通過復(fù)合生物濾池頂部的閥門控制了回流比和日處理量，降低了整體工藝沖擊負(fù)荷。

總之，3套污水處理工藝對COD、TN、TP均有較好的去除效果，能基本達到《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標(biāo)準(zhǔn)》一級A標(biāo)準(zhǔn)。其中厭氧-復(fù)合生物濾池工藝對TN、TP和COD的去除效果比厭氧-人工濕地更穩(wěn)定。土壤滲濾工藝一方面對農(nóng)作物提供了水分和養(yǎng)分，減少了肥料的使用;另一方面也處理了污水中的污染物，處理效果基本達到要求，連續(xù)自然進水，無需運行管理費用，但是易受到農(nóng)作物生長周期和沖擊負(fù)荷的影響，適合土地資源豐富的農(nóng)村地區(qū)。人工濕地投資成本低，處理效率高，基本不需要維護和運行費用，但是濕地處理效果受季節(jié)氣候的影響大，適宜在南方氣候相對較好的農(nóng)村地區(qū)推廣或選擇耐寒性較好的濕地植物進行種植。復(fù)合生物濾池具有較好的抗沖擊負(fù)荷能力，使出水水質(zhì)受污水初始水質(zhì)和季節(jié)變化的影響較小，具有工藝投資少、處理效率高、能耗低、管理方便的特點。但是，濾料的掛膜對污水處理的效果影響較大，使其對污水進水的連續(xù)性有一定的要求，復(fù)合生物濾池的進水水質(zhì)也有一定的范圍，使其對污水的預(yù)處理要求高。更適宜于農(nóng)村集中式或者聯(lián)戶的污水處理。endprint

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