袁紅丹（上海友為工程設(shè)計(jì)有限公司， 上海 200093）

農(nóng)村生活污水主要指餐廚廢水、洗浴廢水、洗滌廢水和糞便污水等，生活污水是農(nóng)村地區(qū)水體中污染物的主要來(lái)源之一。我國(guó)每年廢水排放總量約 600 億 t，其中農(nóng)村地區(qū)的生活污水排放量約 200 億 t，占比約 30.7 %[1]。近年來(lái)，隨著農(nóng)村地區(qū)發(fā)展加速，農(nóng)村生活污水直接排放對(duì)河道的污染導(dǎo)致的公共衛(wèi)生安全和環(huán)境污染問(wèn)題日益凸顯。上海城鎮(zhèn)生活污水處理率位于全國(guó)前列，規(guī)劃 2020年將達(dá)到 90% 以上。但上海農(nóng)村地區(qū)生活污水處理水平與城鎮(zhèn)地區(qū)相比較薄弱，直排的農(nóng)村生活污水嚴(yán)重影響了上海農(nóng)村地區(qū)的水體環(huán)境質(zhì)量。加快水環(huán)境治理是促進(jìn)上海農(nóng)村地區(qū)全面可持續(xù)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)。

上海農(nóng)村地區(qū)具有經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密度大、土地資源緊缺等特點(diǎn)，所以宜選用占地面積較小，污水處理效果較好的生物-生態(tài)組合工藝系統(tǒng)進(jìn)行污水處理[2]。經(jīng)比選，生物濾池-人工濕地組合工藝較適宜上海農(nóng)村地區(qū)，已經(jīng)在上海市嘉定區(qū)、崇明區(qū)、青浦區(qū)、松江區(qū)等郊區(qū)農(nóng)村得到廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合上海市嘉定區(qū)某鎮(zhèn)農(nóng)村生活污水處理工程的實(shí)例進(jìn)行分析探討。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)水質(zhì)和水量

1.1.1 設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)

農(nóng)村生活污水來(lái)源簡(jiǎn)單，污染物中的有機(jī)物占比較大，氨氮含量較高，可生化性好，重金屬污染物和有毒、有害物質(zhì)等含量較少，因此適合使用生化方法處理。同時(shí)，因?yàn)檗r(nóng)村居民生活用水量較不穩(wěn)定，呈間歇性排放，所以生活污水變化系數(shù)較大，為 3.0～5.0[3]。

本工程位于練祁河以北、鹽鐵塘以東區(qū)域。該區(qū)域受墅溝水閘引水影響大，水體置換充分，流動(dòng)性強(qiáng)，常年水質(zhì)情況較好。多個(gè)監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)單因子評(píng)價(jià)為 Ⅴ 類水以上。除少數(shù)河道呈輕度污染外，大多數(shù)河道斷面水質(zhì)一般或較好。本工程依據(jù)《上海市農(nóng)村生活污水處理技術(shù)管理要求（暫行）》（滬水務(wù) [2013]207號(hào)）文件中的典型農(nóng)村生活污水水質(zhì)數(shù)據(jù)，并根據(jù)工程區(qū)域水質(zhì)資料進(jìn)行合理化調(diào)整，最終確定污水處理站進(jìn)水水質(zhì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具體如表1所示。

表1 污水處理站進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo) mg/L

污水處理站出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù) GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí) B 排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，具體如表2所示。

表2 污水處理站出水水質(zhì)指標(biāo) mg/L

1.1.2 設(shè)計(jì)水量

本工程中農(nóng)村生活污水的污水量根據(jù)《上海市污水處理系統(tǒng)專業(yè)規(guī)劃》（2007年3月版）規(guī)定的污水量標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，結(jié)合對(duì)工程區(qū)域污水專業(yè)規(guī)劃和工程區(qū)域農(nóng)村居民生活用水現(xiàn)狀的調(diào)查，并參考同類項(xiàng)目的工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，確定常住人口生活污水量標(biāo)準(zhǔn)為 105 L/(p·d)，外來(lái)人口生活污水量標(biāo)準(zhǔn)為 60 L/(p·d)，并將地下水滲入量按綜合生活污水量的 10% 計(jì)算。

1.2 處理工藝流程

本工程農(nóng)村生活污水的處理流程如圖1所示。

圖1 生物濾池-人工濕地組合工藝處理農(nóng)村生活污水流程圖

農(nóng)戶生活污水首先進(jìn)行分戶分類預(yù)處理。廁所污水進(jìn)入化糞池，通過(guò)化糞池內(nèi)的厭氧發(fā)酵過(guò)程，在去除廁所污水中大量沉淀物和漂浮物的同時(shí)，去除了污水中部分有機(jī)污染物，同時(shí)具有調(diào)節(jié)水質(zhì)、水量的作用，降低了后續(xù)處理設(shè)備污染物負(fù)荷和管道堵塞風(fēng)險(xiǎn)。廚房污水進(jìn)入隔油池，分離去除污水中的可浮油和部分細(xì)分散油。此后，每戶農(nóng)戶的化糞池出水、隔油池出水和其他生活污水經(jīng)由管道收集，統(tǒng)一輸送至就地污水處理站進(jìn)行處理。

污水經(jīng)管道輸送至就地污水處理站后，首先進(jìn)入格柵池，攔截去除污水中較大懸浮物和漂浮物。隨后污水進(jìn)入調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)均衡污水水質(zhì)和水量。調(diào)節(jié)池污水通過(guò)提升泵按照設(shè)定時(shí)間和流量進(jìn)入生物濾池進(jìn)行生化處理，污水自上而下靠重力流經(jīng)池內(nèi)填料，生物濾池中填料表面生長(zhǎng)的生物膜對(duì)污水中污染物質(zhì)具有吸附、分解等作用，能去除污水中溶解的絕大部分有機(jī)物、部分氨氮和磷元素。此后，污水進(jìn)入沉淀池，進(jìn)行充分泥水分離，沉淀法去除污水中生物濾池脫落的生物膜、活性污泥等懸浮物質(zhì)，該沉淀池部分出水回流至集水池，其余污水進(jìn)入生態(tài)處理階段—人工濕地。人工濕地系統(tǒng)為準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)，其過(guò)濾作用可截留污水中懸浮物，其中的微生物對(duì)污水中的有機(jī)物、氮磷化合物有較好的降解作用，對(duì)污水中重金屬等微量元素具有吸附和富集作用[4]?；|(zhì)-植物-微生物組合生態(tài)系統(tǒng)能通過(guò)物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用，進(jìn)一步去除污水中有機(jī)物、懸浮物、重金屬元素、氮、磷等污染物質(zhì)。

通過(guò)以上工藝處理，系統(tǒng)出水可達(dá)標(biāo)排放。

1.3 主要構(gòu)筑物及設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程中就地污水處理系統(tǒng)的處理能力為 60 m3/d，主要構(gòu)筑物有調(diào)節(jié)池、生物濾池、沉淀池和人工濕地等。

1.3.1 格柵調(diào)節(jié)池

為節(jié)省占地，格柵池與調(diào)節(jié)池合建。該池按照兩格設(shè)計(jì)，第一格為格柵池，其中設(shè)置間距為 10 mm 的人工格柵，截留 10 mm 以上的顆粒物。第二格為調(diào)節(jié)池，用以集水來(lái)調(diào)節(jié)水質(zhì)水量，并設(shè)置 2 臺(tái)提升泵（一用一備），將該池污水提升至生物濾池。調(diào)節(jié)池的有效容積按照處理站日進(jìn)水污水量的 20%～30% 設(shè)計(jì)，池體構(gòu)筑物長(zhǎng)度為 6.90 m，寬度為 3.45 m，深度為 2.60 m。

1.3.2 生物濾池

生物濾池建于調(diào)節(jié)池上方，以節(jié)省用地和建筑基礎(chǔ)費(fèi)用。濾池內(nèi)濾料分層垂直排布，每層采用不同規(guī)格濾料，層厚 300 mm，層間距 150 mm。濾料共設(shè)置 8 層，最上層為粒徑較大的多孔火山巖，層數(shù)向下逐層選用粒徑依次減小的多孔火山巖，最下層濾料采用粒徑適宜的陶粒，由此創(chuàng)造濾池內(nèi)垂直方向不同的適宜不同種類微生物生長(zhǎng)的微環(huán)境，豐富微生物種群，逐級(jí)凈化污水。濾池布水系統(tǒng)設(shè)置于濾料上方，采用穿孔管將污水注入布水槽，再垂直注入濾料中。濾池的出水收集系統(tǒng)位于濾料層下方，利用重力收集出水，再由管道運(yùn)輸至沉淀池內(nèi)。

1.3.3 沉淀池

沉淀池設(shè)置于生物濾池的下方，與格柵集水調(diào)節(jié)池合建?？紤]到生物濾池出水中的顆粒和懸浮物質(zhì)主要為脫落的生物膜和活性污泥，而且水量相對(duì)較小，所以沉淀池設(shè)計(jì)成方形豎流沉淀池，下部污泥區(qū)兼具污泥濃縮的作用，以節(jié)省占地面積。由于系統(tǒng)產(chǎn)生的剩余污泥量較小，所以每隔 6 ～12 個(gè)月對(duì)其清理一次。沉淀池的有效容積按照污水的有效停留時(shí)間為 2 h 設(shè)計(jì)。池體構(gòu)筑物長(zhǎng)度為 6.90 m，寬度為8.00 m，深度為 2.60 m。

1.3.4 人工濕地

人工濕地構(gòu)筑物底部設(shè)置基質(zhì)層，分為防滲層、填料層、隔離層和土壤層 4 部分。防滲層設(shè)置在基質(zhì)最底部，用以防止污水滲入下層土地中，防滲層主體為鋼筋混凝土墊層，加設(shè)≥1.00 mm 的高密度聚乙烯（HDPE）防滲膜和彩條布。防滲層上方設(shè)置填料層，采用火山巖生物填料，利用填料表面生長(zhǎng)的生物膜降解污染物。填料層上方設(shè)置隔離層，采用透水纖維布隔離。表層設(shè)置土壤層，采用較肥沃的農(nóng)田土壤，在表層土壤種植耐水植物蘆葦。通過(guò)人工濕地系統(tǒng)內(nèi)的水生植物和微生物的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)污水凈化。

此外，為保證人工濕地配水均勻和出水順暢，在濕地前端設(shè)置配水槽，采用穿孔花墻進(jìn)行均勻配水；在濕地后端設(shè)置集水槽，同樣使用穿孔花墻進(jìn)行集水，出水經(jīng)集水槽后達(dá)標(biāo)排放。人工濕地構(gòu)筑物占地面積為 165 m2，長(zhǎng)度為 15.52 m，寬度為 10.62 m，深度為 12.50 m。

2 系統(tǒng)運(yùn)行情況

2.1 運(yùn)行費(fèi)用

本工程于 2017年6月建成并開始投入使用。就地污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用主要由管理費(fèi)、用電費(fèi)、污泥處理費(fèi)和生物濾池填料更換費(fèi)用組成。其中，處理每噸水時(shí)產(chǎn)生的費(fèi)用為：管理費(fèi) 0.90 元，用電費(fèi)用 0.10 元（按電價(jià)0.61 元/kWh 計(jì)），污泥處理費(fèi) 0.25 元，生物濾池濾料更換費(fèi)用為0.10 元。因此，污水處理系統(tǒng)運(yùn)行中每噸水的處理成本為1.35 元。

2.2 污水處理效果

經(jīng)過(guò)對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行 3 個(gè)月的試運(yùn)行，于 2017年9～12月對(duì)就地污水處理站的出水進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，系統(tǒng)出水中 CODcr、BOD5、N-N 和 TP 的平均濃度分別為 40.7 ±18.6 mg/L、10.5 ±9.2 mg/L、7.2 ±0.5 mg/L 和0.9 ±0.2 mg/L，滿足 GB 18918—2002 一級(jí) B 排放標(biāo)準(zhǔn)中的 CODcr ≤ 60 mg/L，BOD5≤ 20 mg/L，N-N ≤ 8 mg/L 及 TP ≤ 1 mg/L 的要求。

3 工藝優(yōu)化

隨著農(nóng)村污水處理出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，工程設(shè)計(jì)中對(duì)污水處理設(shè)備的處理效果和成本控制要求也在不斷提高。在今后的研究和工程設(shè)計(jì)中，可對(duì)生物濾池-人工濕地組合工藝進(jìn)行優(yōu)化提升，從而滿足水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和成本控制要求。

3.1 生物濾池優(yōu)化

在生物濾池運(yùn)行中，HRT（水力停留時(shí)間）對(duì)污水凈化效果發(fā)揮著重要作用。一定范圍內(nèi)延長(zhǎng) HRT 能顯著提高系統(tǒng)出水水質(zhì)，因此可在成本控制的前提下適當(dāng)提高設(shè)備的HRT，以提高系統(tǒng)凈水能力。同時(shí)，譚杰等[5]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度由 20～30 ℃ 降低為 10～15 ℃ 時(shí)，污水中 CODcr的去除不受影響，而 N-N 的去除率下降了 20%。因此，為系統(tǒng)設(shè)置保溫裝置能在冬季有效保障系統(tǒng)對(duì) N-N 的去除效果。

此外，優(yōu)化生物濾池內(nèi)濾料配置能提高凈水效果并降低濾料成本?；鹕綆r、紅渣和改性復(fù)合濾料對(duì)污水中各污染物均有較好的去除效果：紅渣對(duì) CODcr 和 TP 去除效果最好，而對(duì) N-N 去除率較低；改性復(fù)合濾料對(duì) TP 去除效果較好，但對(duì) CODcr 和 N-N 去除效果較差；火山巖對(duì) N-N去除效果最好，但對(duì) TP 去除效果較差[6]?？紤]到火山巖、紅渣和改性復(fù)合濾料的成本差距，可依據(jù) 3 種濾料的去除污染物特性和成本，將 3 種濾料合理配置，能提升生物濾池的污染物綜合去除能力，同時(shí)控制和降低濾料成本。

3.2 人工濕地優(yōu)化

在人工濕地系統(tǒng)中，對(duì)氮和磷的去除主要依靠植物的吸收和富集作用。優(yōu)化配置人工濕地的植物種類可降低系統(tǒng)出水中 N-N 和 TP 濃度。李慧君[7]研究發(fā)現(xiàn)，種植美人蕉的人工濕地系統(tǒng)在水力負(fù)荷為 0.20 m3/(m2·d) 時(shí)，對(duì)濃度為7 mg/L的 TP 去除率為 85% 以上，而適當(dāng)延長(zhǎng) HRT 亦能提高除磷效果。因此，在人工濕地系統(tǒng)中混合配置蘆葦和美人蕉等植物，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，能夠提高系統(tǒng)除磷效果，同時(shí)提升系統(tǒng)美觀度。

此外，李峰平等[8]研究表明污水中氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素能夠被植物吸收，但當(dāng)植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素至飽和后，會(huì)在枯萎過(guò)程中將氮磷元素釋放出來(lái)。因此，在人工濕地系統(tǒng)運(yùn)行中，需合理考量所配置植物的生長(zhǎng)周期，適時(shí)收割濕地植物，以保證系統(tǒng)出水水質(zhì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

生物濾池-人工濕地組合工藝是生物-生態(tài)相結(jié)合的組合式水處理工藝，具有處理效率高、效果好，建造成本和運(yùn)行費(fèi)用低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單便于管理維護(hù)等多方面優(yōu)點(diǎn)。隨著工程實(shí)踐、研究工作的不斷深入，該系統(tǒng)可不斷優(yōu)化提升，提高處理出水水質(zhì)的能力，滿足污水處理的需求。因此，該工藝在上海農(nóng)村地區(qū)具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。