川西林盤生活污水厭氧復(fù)合生態(tài)分散處理技術(shù)研究
——以成都市新津區(qū)串頭村十二組林盤為例

彭朝暉， 孫家賓， 朱順熙， 樊戰(zhàn)輝， 楊 琴

(成都市農(nóng)林科學(xué)院, 四川 成都 611130)

目前，絕大多數(shù)林盤存在集中收集管網(wǎng)建設(shè)投資大，一般生物處理工藝建設(shè)設(shè)施投資和運(yùn)行管理費(fèi)用高的困難，因而通常直接排放到林盤周圍的農(nóng)灌溝或河流中，從而造成林盤周邊黑臭水體，成為農(nóng)村人居環(huán)境整治的短板[1]。因此，有必要開發(fā)投資省、運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便的林盤生活污水復(fù)合生態(tài)措施分散處理技術(shù)。凈化沼氣池以其建設(shè)投資省、不耗能、運(yùn)行費(fèi)用低、占地面積小、使用壽命長等特點(diǎn)，為小城鎮(zhèn)建設(shè)提供了一條生活污水處理的可靠途徑[2]。但是單純的厭氧沼氣池處理技術(shù)有一定的局限，作為生活污水處理設(shè)施，要達(dá)到各省近期制訂的農(nóng)村生活污水排放標(biāo)準(zhǔn)，還需要對(duì)現(xiàn)有厭氧系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新。此外Kantawanichkul等使用緊湊組合式人工濕地和曝氣來處理厭氧處理系統(tǒng)中的出水[3-5]，證明了人工濕地和曝氣系統(tǒng)可對(duì)厭氧后處理出水進(jìn)一步凈化，因此將厭氧、人工濕地及回流曝氣技術(shù)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，即對(duì)生活污水凈化沼氣池進(jìn)行創(chuàng)新，同時(shí)在生活污水凈化沼氣池后面增設(shè)人工濕地和回流曝氣作為后處理，是實(shí)現(xiàn)川西林盤生活污水分散治理的重要途徑。

本案例為一種生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣復(fù)合生態(tài)分散處理技術(shù)，并對(duì)運(yùn)用該技術(shù)的新津縣串頭村十二組林盤生活污水案例示范工程實(shí)例進(jìn)行了闡述，以期為農(nóng)村生活污水分散處理提供理論依據(jù)和示范推廣案例，工藝路線圖見圖1。

1 案例詳情

1.1 工程設(shè)計(jì)

本案例結(jié)合檢索資料，經(jīng)充分調(diào)研，確定以成都市二三圈層現(xiàn)存林盤為主要調(diào)查范圍，重點(diǎn)調(diào)查林盤居住區(qū)人數(shù)、地理狀況、生活污水排放量、污水水質(zhì)等狀況。最后結(jié)合新津縣花源鎮(zhèn)串頭村十二組林盤建設(shè)及環(huán)境保護(hù)要求，決定在該村十二組實(shí)施林盤生活污水厭氧生態(tài)復(fù)合處理技術(shù)案例示范工程。該林盤有21戶農(nóng)戶，涉及村民及暫住人口約90人。

新津區(qū)串頭村十二組林盤生活污水厭氧復(fù)合生態(tài)分散處理日處理污水量約為7 m3，涉及常住和暫住人口約90人。示范工程由3部分組成：前置生活污水凈化沼氣工程、中置組合人工濕地和后置回流曝氣裝置。

前置生活污水凈化沼氣工程由緩沖沉渣池、三級(jí)厭氧發(fā)酵池和多級(jí)折流式生物濾池3個(gè)部分組成。污水通過該部分裝置，不可分解的無機(jī)物得到格除，可生物降解的有機(jī)物得到充分分解，生活污水凈化沼氣工程總?cè)莘e為50 m3，污水滯留時(shí)間7 d。

中置400 m2組合人工濕地由2個(gè)不同流向的垂直流型人工濕地及回流曝氣噴射管等組合而成，人工濕地人口當(dāng)量面積為每人5 m2。人工濕地填料:碎磚、碎礫石、深度為1m；植物：蘆葦(Phragmitesaustralis)、水竹(Phyllostachysheteroclada)、狐尾藻(Myriophyllumverticillatum)、鳳眼藍(lán)(Eichhorniacrassipes)為主。后置回流曝氣是對(duì)人工濕地出水進(jìn)行深度曝氣增氧，主要利用水泵將濕地出水通過布水管噴射到人工濕地表面，制造1.5～1.8 m的落差，讓回流污水接觸空氣中的氧氣，達(dá)到增氧的效果，增氧后污水再次通過人工濕地深度處理。回流曝氣控制系統(tǒng)主要由回流池、液位計(jì)、潛污泵、曝氣管、電控箱組成?；亓鞒厝莘e為1.5 m3，液位控制采用滑竿式浮球液位計(jì)；潛污泵選取功率0.55～0.75 kW，220 V；曝氣管由安裝在人工濕地上的噴射管組成?？刂葡到y(tǒng)控制曝氣間隔和時(shí)間，啟動(dòng)時(shí)間為0:00～24:00，每間隔4小時(shí)回流曝氣1次。

1.2 分析方法

本案例中測定進(jìn)、出水口所取水樣的pH值、懸浮物、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH3-N)、總磷。監(jiān)測分析方法pH采用玻璃電極法，COD采用重鉻酸鉀法，懸浮物采用重量法，氨氮采用納氏試劑比色法，總磷采用鉬酸銨分光光度法。

1.3 林盤聚居區(qū)生活污水水量水質(zhì)情況

林盤聚居區(qū)生活污水水量每人每天約為0.08 m3，生活污水水質(zhì)pH值為7～9；CODCr：300～350 mg·L-1; 氨氮NH3-N：30～50mg·L-1; 懸浮物SS：100～150 mg·L-1; 總磷TP：6.0～10.0 mg·L-1(見表1)。

表1 林盤生活污水水質(zhì)情況

2 案例分析

2.1 示范工程處理效率分析

于2018年11月至2019年8月進(jìn)行了每月連續(xù)采樣分析?；瘜W(xué)需氧量的去除率方面，生活污水凈化沼氣池平均是33.7%，人工濕地平均是77.9%，提升了2.31倍；懸浮物的去除率方面生活污水凈化沼氣池平均是18.2%，人工濕地平均是77.8%，提升了4.27倍；氨氮的去除率方面生活污水凈化沼氣池平均是51.4%，人工濕地平均是92.5%，提升了1.80倍；總磷的去除率方面生活污水凈化沼氣池平均是9.2%，人工濕地平均是75%，提升了8.15倍。同時(shí)，人工濕地采用間歇曝氣措施增氧后，氨氮去除率顯著提高。處理出水水質(zhì)完全達(dá)到四川省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51/2626-2019)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。

表2 生活污水凈化沼氣池—人工濕地處理效率

2.2 生活污水凈化沼氣池技術(shù)優(yōu)化

生活污水凈化沼氣池技術(shù)以其投資分散、不耗能、運(yùn)行費(fèi)用低以及節(jié)約用地等優(yōu)點(diǎn)逐漸發(fā)展成為我國南方生活污水分散出來的主要技術(shù)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，到2010年末，國內(nèi)生活污水凈化沼氣池已經(jīng)達(dá)到20余萬處。生活污水通過緩沖沉渣池時(shí)把其中的砂石等無機(jī)物沉積于池底，便于定期清掏，而可降解有機(jī)物進(jìn)入?yún)捬鹾诵膮^(qū)，本處理生活污水凈化沼氣工程首先對(duì)厭氧核心區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，將厭氧發(fā)酵區(qū)分為三級(jí)發(fā)酵，在三級(jí)發(fā)酵池中增加了中下層過水反應(yīng)裝置和PPC高效生物填料等工藝，使厭氧微生物充分富集和減少流失，優(yōu)化了厭氧微生物自身代謝環(huán)境條件。為污水中有機(jī)物在發(fā)酵區(qū)的液化、酸化、甲烷化創(chuàng)造最佳工程條件。

其次，優(yōu)化了生活污水凈化沼氣工程中濾池部分，濾池采用了多級(jí)折流式污泥沉降和PPC活性生物濾料技術(shù)。在折流過濾區(qū)，通過設(shè)置翻水隔墻，讓污水中懸浮顆粒物沉降在重力沉降區(qū)，同時(shí)污水多次在子濾室內(nèi)翻轉(zhuǎn)，通過生物濾料時(shí)，高性能生物濾料過濾掉的懸浮顆粒物也在重力沉淀區(qū)沉淀。過濾室的蓋板上設(shè)置有孔隙，可維持過濾室的兼氧環(huán)境，在兼氧微生物的作用下進(jìn)一步降解消化污水中的有機(jī)物，多級(jí)折流生物濾池形成折流濾室通道，增加了過濾次數(shù)，并延長了污水在過濾室中的停留時(shí)間，使得兼氧發(fā)酵更充分，提高了氨氮和硫化氫的去除效果，使污水中懸浮物得以充分截留，沼氣池出水水質(zhì)進(jìn)一步提高。

2.3 人工濕地優(yōu)化

2.3.1 人工濕地類型優(yōu)化

人工濕地是指通過在人工固體介質(zhì)(沙，土壤或礫石)上種植植物形成一種生態(tài)系統(tǒng)，在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下通過植物的自然生長過程進(jìn)行廢水處理[6]。人工濕地具有投資，運(yùn)營和維護(hù)成本低的特點(diǎn)[7]，因此在許多國家，人工濕地被用作生活污水的后處理方案[8]。特別是對(duì)于遠(yuǎn)離城市污水處理廠的包括川西林盤在內(nèi)的小型農(nóng)民居住區(qū)更具技術(shù)潛力。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，采用表面流人工濕地接近于天然濕地，進(jìn)入的污水從表面經(jīng)過，通過水面擴(kuò)散、植物根系的傳輸來對(duì)氧氣進(jìn)行補(bǔ)給，污染物主要是由系統(tǒng)中的植物莖、稈以及床體表面的生物膜來完成處理的，并沒有使介質(zhì)與植被根系在去除過程中發(fā)揮最大的效益，而且由于水面直接暴露在空氣中，該濕地系統(tǒng)運(yùn)行受氣候條件影響較大，夏季容易孳生蚊蠅，并有臭味。表面流人工濕地的主要缺點(diǎn)是負(fù)荷低，去污能力有限[9]。

與表面流人工濕地相比較，采用水平潛流人工濕地，污水經(jīng)過配水系統(tǒng)均勻地進(jìn)入根區(qū)填料層，水從濕地系統(tǒng)中的布水渠流入填料床內(nèi)，沿著介質(zhì)中下部潛流呈水平滲濾前進(jìn)。水體在填料床的下面流動(dòng)，增加了基質(zhì)填料的截留作用以及微生物膜和濕地植物的根系利用率，提高了處理效果，避免夏季蚊蠅孳生及產(chǎn)生臭味。但實(shí)際運(yùn)行中，存在大量固體懸浮物、以及微生物的過量繁殖堵塞進(jìn)水口現(xiàn)象。

綜合比較而言，采用組合垂直潛流人工濕地，污水在基質(zhì)內(nèi)以從上至下(或從下至上)垂直方向，在濕地床表面以下流動(dòng)，一方面可以利用生長在濕地表面的微生物、豐富的植物根系和填料的截流作用來處理污水，另一方面，由于污水在濕地表面以下流動(dòng)，系統(tǒng)的保溫性好，處理效率受氣溫的影響小，且衛(wèi)生條件好。垂直潛流人工濕地體系中，填料層一般由多孔性填料如礫石構(gòu)成,表層土壤上栽種耐水植物，基質(zhì)大部分時(shí)間處在非飽和狀態(tài)，濕地植物為挺水植物。濕地植物有發(fā)達(dá)的根系,可以深入到表層土壤下面的填料層中,這些交織成網(wǎng)的根系與填料一起構(gòu)成一個(gè)透水的系統(tǒng)，污水中的懸浮物和有機(jī)物通過沉降和過濾作用被有效去除。同時(shí)，這些植物可以將大氣中的氧輸送到根系周圍,從而在根系周圍形成一個(gè)溶解氧濃度較高的環(huán)境,這有利于好氧微生物的活動(dòng)，這些附著在填料或植物根系上的好氧微生物可以分解污水中的有機(jī)物，礦化污水中的一部分營養(yǎng)物如氮和磷,使這些營養(yǎng)物轉(zhuǎn)為可被植物利用的形態(tài)。在系統(tǒng)中缺氧的區(qū)域能夠發(fā)生反硝化作用而脫氮,從而使污水得到凈化，也正因?yàn)槿绱耍怪绷魅斯竦叵噍^于其他類型人工濕地具有更強(qiáng)的硝化能力，在凈化 NH3-N 濃度較高的情況時(shí)，更具適用價(jià)值[10]，是目前國際上案例和應(yīng)用較多的一種濕地處理系統(tǒng)[11]。

綜合文獻(xiàn)分析及以往工程經(jīng)驗(yàn)，本示范工程人工濕地部分采用水力負(fù)荷高,對(duì)BOD，COD，SS，重金屬等污染物的去除效果好,不發(fā)生惡臭和蚊蠅孳生現(xiàn)象,投資省，管理方便的組合垂直流型人工濕地。

2.3.2 濕地植物優(yōu)化

植物在人工濕地凈化污水過程中，植物作用理論上可以歸納為3個(gè)重要的方面: 1)直接吸收利用污水中可利用態(tài)的營養(yǎng)物質(zhì)、吸附和富集重金屬和一些有毒有害物質(zhì)； 2)為根區(qū)好氧微生物輸送氧氣； 3)增強(qiáng)和維持介質(zhì)的水力傳輸[12]。示范工程建設(shè)中，在濕地植物的選擇上，除了重點(diǎn)考慮選擇耐污能力強(qiáng)、凈化能力強(qiáng)的特點(diǎn)外，還應(yīng)該注意不同地區(qū)具有不同的環(huán)境背景，即做到因地制宜，要使所選植物能在該地區(qū)正常生長，適合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件。再者，人工濕地植物的選擇首先考慮觀賞價(jià)值，使保護(hù)環(huán)境與人們的生活相映生輝。選擇濕地植物既能夠凈化水質(zhì)，又能美化環(huán)境，其次，植物收割后又能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，減輕濕地管理經(jīng)費(fèi)壓力。溫四民案例表明菖蒲、千屈菜、燈心草、蘆葦和香蒲對(duì)生活污水的耐受性較強(qiáng)[13]。綜合川西農(nóng)村生活習(xí)慣及地理特征，以及以往工程經(jīng)驗(yàn)，本案例選擇蘆葦、水竹、狐尾藻、鳳眼藍(lán)作為人工濕地主要植物。

2.4 回流增氧曝氣優(yōu)化

相對(duì)于非增氧型人工濕地，采用自動(dòng)增氧措施后，脫氮率隨著溶解氧濃度的升高而顯著增加，這說明好氧環(huán)境有利于微生物的硝化作用。Claudiane[14]等通過使用空氣泵強(qiáng)制增氧，結(jié)果表明：較非增氧人工濕地污水中TKN去除率提高了9.4%。Nivala[15]等水平潛流濕地通過自然曝氣處理垃圾填埋場滲濾液，發(fā)現(xiàn)在增氧條件下氨氮與BOD的去除顯著提高。Ouelle[16]等在水平流濕地模型進(jìn)水端人工曝氣增氧，較對(duì)照組COD和總氮的去除率顯著提高。唐曉榮[17]研究表明，間歇曝氣強(qiáng)化了氧的供給，為微生物提供了良好的缺氧/好氧環(huán)境，能夠促進(jìn)低溫環(huán)境下氨氮的硝化和反硝化反應(yīng)進(jìn)行。結(jié)合文獻(xiàn)分析，本示范工程中采用將人工濕地出水回流至人工濕地上進(jìn)行曝氣，污水曝氣后再向下垂直潛流至濕地出口排出。

3 討論

3.1 生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣處理技術(shù)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)分析

本項(xiàng)目中生活污水凈化沼氣池按每人0.6 m3建設(shè)，每立方米造價(jià)1200元左右，其單獨(dú)處理出水水質(zhì)僅能達(dá)到四川省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51/2626-2019)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可作為環(huán)境容積大，非水源保護(hù)地及非風(fēng)景名勝保護(hù)區(qū)的首選處理技術(shù)。生活污水凈化沼氣池-人工濕地-回流曝氣處理技術(shù)的出水水質(zhì)可達(dá)到四川省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51/2626-2019)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，適用于對(duì)出水水質(zhì)有嚴(yán)格要求的區(qū)域，且占地較前者小，聚居區(qū)實(shí)施時(shí)較易滿足相關(guān)條件。建設(shè)人工濕地時(shí)按每人5 m2計(jì)，每平方米造價(jià)900元左右。

3.2 生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣處理技術(shù)產(chǎn)生的社會(huì)效益

林盤聚居區(qū)生活污水經(jīng)厭氧復(fù)合生態(tài)技術(shù)處理后，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和村民生活提供了清潔的水源。濕地植物有有的是重要的工業(yè)原料，如蘆葦就是重要造紙?jiān)?，有的可作為村民生產(chǎn)和生活原料，如濕地植物秸稈。

3.3 生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣處理技術(shù)產(chǎn)生的環(huán)境效益

該處理技術(shù)能有效去除有機(jī)污染物。 當(dāng)生活污水中的污染有機(jī)物及有毒物質(zhì)進(jìn)入本生態(tài)處理系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)中的生物和化學(xué)過程可由有機(jī)污染物降解和轉(zhuǎn)化，濕地中的蘆葦、水湖蓮等植物能夠有效地吸收有毒物質(zhì)，使當(dāng)?shù)睾陀稳藚^(qū)域不受影響。同時(shí)該處理技術(shù)不同程度上對(duì)周邊環(huán)境的溫度、濕度具有調(diào)節(jié)作用，美化了農(nóng)村聚居區(qū)生活環(huán)境，改善了居住環(huán)境。

林盤聚居區(qū)使用該復(fù)合生態(tài)處理技術(shù)，維持了當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有砸驗(yàn)槿斯竦刂杏卸喾N生物共存，且組成了復(fù)雜的食物鏈，動(dòng)植物種類豐富，是多種的濕生水生植物的生育地，對(duì)物種保存和保護(hù)物種多樣性發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)論

針對(duì)生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣系統(tǒng)處理效率、社會(huì)效率、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益等4個(gè)方面，分析了該項(xiàng)復(fù)合生態(tài)凈水模式的影響因素。結(jié)果表明，生活污水凈化沼氣工程-人工濕地-回流曝氣系統(tǒng)對(duì)微污染源水的凈化處理技術(shù)是可行的，安全無污染，且成本較低、管理方便，能夠有效降低微污染源水中的 SS，CODCr，NH3-N，TP，出水基本能穩(wěn)定達(dá)到四川省《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB51/2626-2019)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。該案例為今后生活污水凈化沼氣池-人工濕地-回流曝氣生態(tài)凈化模式的構(gòu)建、維持、運(yùn)行以及推廣應(yīng)用提供了有益的參考。